🚗 Obieg Otta — jak działa silnik benzynowy

Obieg Otta to wyidealizowany cykl termodynamiczny opisujący silnik z zapłonem iskrowym (benzynowy). Składa się z dwóch procesów adiabatycznych (sprężanie i rozprężanie) oraz dwóch procesów przy stałej objętości (dopływ ciepła podczas spalania i odpływ ciepła podczas wydechu).

Idealna sprawność cieplna wynosi η = 1 − 1/r^(γ−1) = 1 − r^(1−γ), gdzie r to stopień sprężania, a γ to stosunek pojemności cieplnych (około 1,4 dla powietrza). Zależy ona wyłącznie od stopnia sprężania, a nie od ilości dostarczonego ciepła.

Wyższy stopień sprężania oznacza, że gaz rozpręża się w większym zakresie objętości, wydobywając więcej pracy na jednostkę ciepła. Ponieważ η = 1 − 1/r^(γ−1), zwiększanie r zawsze podnosi sprawność, dlatego silniki wysokowydajne stosują wysokie stopnie sprężania.

Ssanie (zasysanie mieszanki paliwowo-powietrznej), sprężanie (tłok adiabatycznie ściska mieszankę), praca/rozprężanie (spalanie popycha tłok w dół) i wydech (spaliny są wypychane). W wyidealizowanym obiegu Otta odpowiada to sprężaniu adiabatycznemu, dopływowi ciepła przy stałej objętości, rozprężaniu adiabatycznemu i odpływowi ciepła przy stałej objętości.

Spalanie stukowe (samozapłon mieszanki paliwowo-powietrznej przed iskrą) ogranicza stopień sprężania w silnikach benzynowych. Paliwa o wyższej liczbie oktanowej lepiej opierają się stukowi i pozwalają na wyższe stopnie sprężania. Typowe silniki benzynowe stosują 8:1 do 12:1; silniki wysokoprężne, które sprężają tylko powietrze, osiągają 14:1 do 22:1.

Proces adiabatyczny zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem. Dla gazu doskonałego jest opisany równaniem PV^γ = const. Szybkie suwy sprężania i rozprężania są modelowane jako adiabatyczne, ponieważ zachodzą zbyt szybko, by mogła nastąpić istotna wymiana ciepła.

Pole zamknięte wewnątrz pętli PV równa się pracy netto wykonanej przez silnik w jednym cyklu. Większa pętla oznacza większą pracę wyjściową. Sprawność to ta praca netto podzielona przez ciepło dostarczone podczas spalania.

Gamma = Cp/Cv to stosunek ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu do ciepła właściwego przy stałej objętości. Dla gazów dwuatomowych, takich jak powietrze, wynosi ona około 1,4. Określa, jak stromo zmienia się ciśnienie podczas adiabatycznego sprężania i rozprężania.

W obiegu Otta ciepło jest dostarczane przy stałej objętości (zapłon iskrowy). W obiegu Diesla ciepło jest dostarczane przy stałym ciśnieniu (zapłon samoczynny). Silniki wysokoprężne stosują wyższe stopnie sprężania i z tego powodu są zazwyczaj bardziej sprawne.

Rzeczywiste silniki tracą energię na tarcie, przepływ ciepła przez ścianki cylindra, niepełne spalanie, straty pompowania oraz procesy zachodzące w skończonym czasie, które nie są w pełni adiabatyczne ani izochoryczne. Rzeczywiste silniki benzynowe osiągają sprawność 25–35 procent, poniżej idealnej wartości Otta.