Otto-cyklus

Otto-cyklus beskriver, hvordan varmemotorer omsætter benzin til bevægelse. Ligesom andre termodynamiske cyklusser omdanner denne cyklus kemisk energi til termisk energi og derefter til bevægelse. Otto-cyklusen beskriver, hvordan forbrændingsmotorer (der bruger benzin) fungerer, som f.eks. biler og plæneklippere.

Anvendelse

Otto-cyklusen leverer energien til det meste transport og var afgørende for den moderne verden. Specifikt bruger langt de fleste biler, der ses på vejene i dag, Otto Cycle til at omdanne benzin til bevægelse. Enhver maskine (listen kunne blive ved og ved), der bruger benzin, vil blive inddelt i to kategorier af motorer, som det ses nedenfor.

• Typer af motorer, der anvender Otto Cycle
• 

  Figur 1. En totaktsmotor

• 

  Figur 2. En firetaktsmotor

Motorernes sider vil indeholde oplysninger om deres unikke mekanismer og en forklaring på, hvordan de anvender Otto cyklusen, som er let modificeret.

Den ideelle Otto cyklus

Figur 3. Tryk-volumen-diagrammet for en ideel Otto Cycle-proces. Den består af to isokoriske, to adiabatiske og to isobare processer (for indsugning og udstødning)

Det PV-diagram (tryk-volumen-diagram) for den ideelle Otto-cyklus er vist i figur 3. Dette diagram modellerer, hvordan ændringerne i tryk og volumen af arbejdsvæsken (benzin og luftbrændstof) ændres som følge af forbrændingen af kulbrinter, som driver et stempels bevægelser, der skaber varme, for at skabe bevægelse for et køretøj. Der er ekspansionsbevægelser (forøget volumenkammer) af stemplerne – forårsaget af, at den termiske energi frigives fra forbrændingen, hvilket medfører arbejde, der udføres af gassen og på stemplet. Når stemplet derimod udfører arbejde på gassen, komprimeres motorkammeret (mindskes i volumen).

Det er vigtigt at bemærke, at figur 3 viser en ideel proces for enhver motor, der anvender Otto-cyklusen. Den beskriver de grundlæggende arbejdstrin i en benzinmotor. Den lille ændring, som skildrer en mere realistisk situation af Otto cyklens PV-diagram for en totakts- og firetaktsmotor, er forklaret på deres respektive sider. Motorens arbejde kan beregnes ved at løse arealet af den lukkede cyklus.

Det følgende beskriver, hvad der sker under hvert trin på PV-diagrammet, hvor forbrændingen af arbejdsvæsken – benzin og luft (ilt) – ændrer bevægelsen i stemplet:

Grøn streg: Omtalt som indsugningsfasen trækkes stemplet ned mod bunden for at lade volumenet i kammeret stige, så det kan “indsugning” en brændstof-luftblanding. I termodynamikken betegnes dette som en isobarisk proces.

Proces 1 til 2: I denne fase trækkes stemplet opad, så det kan komprimere den brændstof-luftblanding, der er kommet ind i kammeret. Kompressionen får blandingen til at stige en smule i tryk og temperatur – der sker dog ingen varmeudveksling. I termodynamikken betegnes dette som en adiabatisk proces. Når cyklussen når til punkt 2, er det her, at brændstoffet mødes med tændrøret for at blive antændt.

Proces 2 til 3: Det er her, at forbrændingen finder sted som følge af tændingen af brændstoffet ved tændrøret. Forbrændingen af gassen er afsluttet ved punkt 3, hvilket resulterer i et kammer med et højt tryk, der har meget varme (termisk energi). I termodynamikken betegnes dette som en isokorisk proces.

Proces 3 til 4: Den termiske energi i kammeret som følge af forbrændingen bruges til at udføre arbejde på stemplet – hvilket skubber stemplet nedad – hvorved kammerets volumen øges. Dette er også kendt som kraftstød, fordi det er her, at den termiske energi omsættes til bevægelse for at drive maskinen eller køretøjet.

Lilla linje (proces 4 til 1 og udstødningsfasen): Fra proces 4 til 1 udledes al spildvarme fra motorkammeret. Når varmen forlader gassen, mister molekylerne kinetisk energi, hvilket medfører et trykfald. Derefter indtræder udstødningsfasen, hvor den resterende blanding i kammeret komprimeres af stemplet for at blive “udstødt” uden at ændre trykket.

For yderligere læsning

• Totaktsmotor og firetaktsmotor
• Varme motor
• PV-diagram
• Forbrænding
• Benzinmotor
• Diesel vs. benzinmotor

• Og udforsk en tilfældig side!