Цикл Отто: Чотири ходи, що лежать в основі кожного двигуна внутрішнього згоряння

Чотири ходи, чотири ідеалізовані процеси

Цикл Отто, названий на честь Ніколауса Отто, який побудував перший практичний чотиритактний двигун у 1876 році, є ідеалізованою термодинамічною моделлю, що лежить в основі кожного бензинового (газового) двигуна, що зараз експлуатується. Поршень повторює чотири ходи всередині циліндра: всмоктування затягує суміш повітря-паливо, стиснення стискає її, згорання запалює та швидко спалює її, а розширення дозволяє гарячому газу штовхати поршень вниз і виконувати роботу, перш ніж вихлоп очистить циліндр і цикл повториться. Ідеалізований цикл, який використовується для його аналізу, спрощує це до чотирьох чистих термодинамічних процесів на діаграмі тиску-об'єму, розглядаючи робочу рідину як фіксовану кількість ідеального газу, а не відстежуючи фактичне всмоктування та вихлоп свіжої суміші.

Два з чотирьох процесів є ізоетапічними — такими швидкими, що практично ніяке тепло не може виходити через стінки циліндра — і два розглядаються як відбуваються при постійному об'ємі, оскільки положення поршня майже не змінюється протягом короткого моменту часу, коли спалювання або відведення вихлопних газів відбувається порівняно з повною ходою.

Визначення діаграми P-V

На діаграмі тиску-об’єму для ідеального циклу Отто петля закривається, проходячи через чотири етапи, та площа, обмежена цією петлею, дорівнює точно загальній роботі, яку двигун виробляє на цикл:

1 -> 2 адіабатичне стиснення поршень підіймається, газ стискається, обмін теплом немає 2 -> 3 нагрівання при сталому об’ємі запалює суміш від іскри; тиск різко зростає, об’єм приблизно не змінюється 3 -> 4 адіабатичне розширення гарячий газ високого тиску штовхає поршень вниз (робочий хід) 4 -> 1 охолодження при сталому об’ємі відкривається клапан випуску, тиск повертається до рівня всмоктування загальна робота на цикл = площа, обмежена петлею 1-2-3-4-1 на діаграмі P-V У реальному двигуні закрита петля насправді є п’ятиступінчатим шляхом, коли враховуються всмоктувальні та випускні ходи (нижній, приблизно плоский ланцюг, що представляє впорскування свіжої суміші та відведення відпрацьованих газів), але ця петля для перекачування відносно мало сприяє роботі і зазвичай не включається в аналіз ідеальної термодинаміки стиснення, згоряння та розширення.

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

Чому ефективність залежить лише від співвідношення стиснення

Розглянемо перше начало термодинаміки для кожного з чотирьох етапів ідеального циклу Отто. Більшість деталей скасовуються, і залишається надзвичайно простий результат: термічна ефективність залежить лише від співвідношення стиснення r (відношення об’єму циліндра перед стисненням до об’єму циліндра після стиснення) та співвідношення теплоємності газу γ (приблизно 1,4 для повітря):

r = V1 / V2 (співвідношення стиснення, зазвичай 8-12 для бензинових двигунів) γ ~ 1.4 (співвідношення теплоємності повітря) eta_Otto = 1 - r^(1 - γ) = 1 - 1/r^(γ - 1) r = 8 -> eta ~ 0.56 r = 10 -> eta ~ 0.60 r = 12 -> eta ~ 0.63 (зменшується ефект, коли r зростає) Інтуїція відповідає математиці: чим далі стискається суміш перед запалюванням, тим більше місця є для адіабатичного розширення після цього, і тим більше роботи може бути вилучено з гарячого газу до того, як його потрібно випустити при нижчій температурі. Реальні конструктори двигунів збільшують співвідношення стиснення саме з цієї причини — це один із найдешевших способів покращити економічність палива.

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)

Як запобігти самозапаленню суміші палива та повітря при високому стисненні:

Компресійний коефіцієнт не може бути просто підвищений без обмежень, оскільки більш інтенсивне стиснення неопісленої суміші також призводить до її нагрівання. При певному рівні нагрітої та здавленеї суміші палива та повітря перед відправним рубежем процесу горіння стає достатньо гарячим і під тиском, щоб самостійно запалюватися, перш ніж фронт полум'я від свічки досягне його. Цей неконтрольований вторинний спалах – «відчайдушне горіння» або «відстроювання», виробляє різкий, пошкоджуючий тиск та гучний металевий дзвін, і якщо цього не зупинити, це може призвести до тріснутих поршнів і виходу з ладу головок циліндрів. Високооктанове паливо краще протистоїть такому самозапаленню, тому високоефективні двигуни з високим коефіцієнтом стиснення та турбонаддувом розроблені для роботи на пальному преміум-класу: рейтинг октану є прямим показником того, скільки стиснення (або наддуву) може витримати паливо, перш ніж відчайдушне горіння почнеться.

Реальні двигуни значно поступаються ідеальному числу ефективності

Ідеалізована ефективність циклу Отто передбачає миттєве, безперешкодне перетворення, нульового тертя та відсутню втрату тепла через стінки циліндра або вихлопну систему — жоден з цих факторів не є реальним для будь-якого двигуна. Вогнезабарвлення відбувається протягом певного кута обертання кривошипа, а не миттєво, і значна частина хімічної енергії палива втрачається у вигляді тепла через стінки циліндра та вихлопну систему; тертя між поршневими кільцями, підшипниками та іншими рухомими частинами також призводить до втрат енергії; а перекачування вхідних і вихідних газів також потребує енергії. Якщо врахувати все це, типовий бензиновий двигун досягає реальної теплової ефективності приблизно 25–35%, значно нижче 55–65% прогнозованого за формулою r-and-γ для нормального співвідношення стиснення — розрив між теоретичною ефективністю циклу Отто та реальним двигуном є однією з найбільш активних областей досліджень в галузі внутрішнього спалювання.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Otto Cycle і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.