Cykl Otto: Cztery Stroki Zastawiające Działanie Wszystkich Silników Benzynowych

Cztery pociągi, cztery idealizowane procesy

Cykl Otto, nazwany na Nikolasa Ottona, który w 1876 roku zbudował pierwszy praktyczny czterostroke, jest idealizowanym modelem termodynamicznym założonym pod kładę dla każdego silnika benzynowego na drodze. Pistolet powtarza cztery pociągi w cylindrze: wypełnienie przyciąga mieszankę powietrza i paliwa, kompresja zacina ją, spalanie rozpalone jest i szybko się rozprasza, a rozszerzenie pozwala na to, aby ciepła gaz rozbija pistolet w dół i dostarcza pracę, zanim wydech oczyszcza cylindra i cykl powtarza się. Idealizowany cykl używany do analizy jest skrócony do czterech czystych procesów termodynamicznych na diagramie ciśnienia i objętości, traktując płyn pracujący jako stałą ilość gazu idealnego zamiast śledzenia rzeczywistego wypełnienia i wydechu nowej mieszanki.

Dwa z czterech procesów są adiabatyczne — tak szybkie, że prawie nie ma czasu na to, aby ciepło mogło uciec przez ściany cylindra — a dwa są traktowane jako mające miejsca przy stałej objętości, ponieważ pozycja pistoletu niemal się nie zmienia podczas krótkiego okresu spalania lub wydechu w porównaniu do pełnego pociągu.

Przechodzenie przez diagram P-V

Na diagramie ciśnienie-wolumen, cykl idealny Otto opisuje zamkniętą pętlę poprzez cztery etapy, a pole zamknięte przez tę pętlę jest dokładnie równe netowemu robocie silnika na jednym obrocie:

1 -> 2 kompresja adiabatyczna piston się podnosi, gaz jest zaciskany, nie ma wymiany ciepła 2 -> 3 ogrzewanie o stałym wolumenie zapłon mieszaniny; ciśnienie wzrasta, wolumen ~stały 3 -> 4 rozszerzenie adiabatyczne gorący, wysokie-ciśnieniowy gaz napędza piston dół (obrót mocy) 4 -> 1 chłodzenie o stałym wolumenie otwarta valva wydechu, ciśnienie spada do poziomu przyjęcia netowemu robocie na jednym obrocie = pole zamknięte przez pętlę 1-2-3-4-1 na diagramie P-V W rzeczywistym silniku, zamknięta pętla to faktycznie pięcioobrotowy ścieżka, gdy dołączono obroty przyjęcia i wydechu (niska, około pozioma pętlą na dole diagramu reprezentująca pompowanie nowej mieszanki i wypuszczania spalonego gazu), ale ta pętla pompy przyczynia się stosunkowo mało robocie i jest zwykle pomijana w idealizowanej analizie, aby pozostawić na tle termodynamiczny analiza kompresji, spalania i rozszerzenia.

1 -> 2   adiabatic compression     piston rises, gas compressed, no heat exchanged
2 -> 3   constant-volume heating   spark ignites mixture; pressure spikes, volume ~fixed
3 -> 4   adiabatic expansion       hot high-pressure gas pushes piston down (power stroke)
4 -> 1   constant-volume cooling   exhaust valve opens, pressure drops back to intake level

net work per cycle  =  area enclosed by the 1-2-3-4-1 loop on the P-V diagram

Dlaczego efektywność zależy tylko od stosunku kompresji

Przeanalizowanie pierwszego zasady termodynamiki dla każdego z czterech etapów idealnego cyklu Otto, większość szczegółów okazuje się być nieistotna i pozostawia ciekawą i prostej formy wynik: efektywność termiczna zależy tylko od stosunku kompresji r (stosunek objętości cylindra przed kompresją do objętości cylindra po kompresji) oraz stężenia ciepła gazu γ (około 1.4 dla powietrza):

r = V1 / V2 (stosunek kompresji, typowo 8-12 dla silników benzynowych) gamma ~ 1.4 (stężenie ciepła powietrza) eta_Otto = 1 - r^(1 - gamma) = 1 - 1/r^(gamma - 1) r = 8 -> eta ~ 0.56 r = 10 -> eta ~ 0.60 r = 12 -> eta ~ 0.63 (zakłócenia przyrostu efektywności wraz z wzrostem r) Intuicja pasuje do matematyki: dalsza kompresja mieszaniny przed spalaniem oznacza, że po spalaniu rozszerzenie adiabatyczne ma więcej miejsca do działania i wydobywa proporcjonalnie więcej pracy z ciepłego gazu przed jego zrzuceniem na niższą temperaturę. Realni projektanci silników naciskają na wzrost stosunku kompresji właśnie ze względu na to — jest jednym z najtańszych sposobów poprawy efektywności spalania.

r = V1 / V2          (compression ratio, typically 8-12 for petrol engines)
gamma ~ 1.4          (heat capacity ratio of air)

eta_Otto = 1 - r^(1 - gamma) = 1 - 1/r^(gamma - 1)

  r =  8   ->  eta ~ 0.56
  r = 10   ->  eta ~ 0.60
  r = 12   ->  eta ~ 0.63     (diminishing returns as r grows)

Wysoka ściana przeszkodzająca dalszemu wzrostowi proporcji kompresji: detonacja

Proporcja kompresji nie może być po prostu zwiększana bez limitu, ponieważ ciśnienie i temperatura mieszaniny przed spalonym frontem płomienia rosną, a po pewnym punkcie taka jeszcze nie spalona mieszanka paliwa i powietrza nadejdzie do tak wysokiej temperatury i ciśnienia, że samodzielnie zapłonie, zanim dotrze do niego front płomienia z wtrysku. Tego niekontrolowanego drugiego spalania — detonacji lub puknięcia — powstają strzegi presji i dźwiękowy metaliczny ping, a jeśli zostanie ona niezwłocznie przestroniona, może zniszczyć pistony i uszkodzić gaskety główki. Paliwa o wyższej oktanicie lepiej odpowiadają na takie samodzielne zapłonie, co jest dokładnie powodem, dla którego silniki o wysokiej proporcji kompresji i z turbosprężonym naciskiem są zaprojektowane do użytku z paliwem premium: stopień oktaniczny to bezpośrednia miara tego, ile ciśnienia (lub boostu) może wytrzymać paliwo przed wtrąceniem detonacji.

Idealne silniki odlegle przewyższają rzeczywiste

Efektywność cyklu idealnego Otto zakłada chwilowe, doskonale odwracalne spalanie, brak frictions i niestraconą ciepłem przez ściany cylindra ani wydechu — nic z tego nie jest prawdą w przypadku rzeczywistego silnika. Spalanie na prawdę wymaga pewnej liczby stopni kroków do pełnego ukończenia, a nie następuje ono w jednym ustalonej objętości; znacząca część chemicznej energii paliwa jest przekazywana jako odpadające ciepło przez ściany cylindra i wydechu zamiast wykonującą pracę mechaniczną; friction między kołowaniami pistona, obrotowymi częścią i innymi poruszającymi się elementami zjedzenie jeszcze więcej; a pompowanie paliw spalinowych do i z cylindra kosztuje również pracę. Dodajmy to wszystko razem i otrzymamy, że typowy produkcyjny silnik benzynowy osiąga rzeczywistą efektywność termiczną w okolicach 25–35%, znacznie niższą niż 55–65% przewidzianych przez jedynie formułę r-i-γ dla normalnej proporcji kompresji — różnica między teorią cyklu idealnego a praktyką rzeczywistego silnika jest jedną z najbardziej aktywnych dziedzin inżynierii spalinowej.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Otto Cycle — How a Petrol Engine Works i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.