Otto-sykli, kuvaa, miten lämpövoimakoneet muuttavat bensiinin liikkeeksi. Muiden termodynaamisten syklien tavoin tämä sykli muuttaa kemiallisen energian lämpöenergiaksi ja sitten liikkeeksi. Otto-sykli kuvaa, miten polttomoottorit (jotka käyttävät bensiiniä) toimivat, kuten autot ja ruohonleikkurit.
Sovellus
Otto-sykli tuottaa energiaa suurimmalle osalle liikennevälineistä, ja se oli välttämätön nykymaailman kannalta. Tarkemmin sanottuna valtaosa nykyään liikenteessä olevista autoista käyttää Otto-pyörää bensiinin muuttamiseksi liikkeeksi. Kaikki bensiiniä käyttävät koneet (luettelo voisi jatkua loputtomiin) jaetaan kahteen moottoriluokkaan, kuten alla on esitetty.
- Otto-pyörää käyttävien moottoreiden tyypit
-
Kuvio 1. Otto-pyörää käyttävät moottorit. Kaksitahtimoottori
-
Kuva 2. Nelitahtimoottori
Moottoreiden sivuilla kerrotaan yksityiskohtaisesti niiden ainutlaatuisista mekanismeista ja selitetään, miten ne käyttävät Otto-sykliä hieman muunneltuna.
Ideaalinen Otto-sykli
Ideaalisen Otto-syklin PV-diagrammi (paine-tilavuus-diagrammi) on esitetty kuvassa 3. Tässä kaaviossa mallinnetaan, miten työstönesteen (bensiinin ja ilmaa sisältävän polttoaineen) paineen ja tilavuuden muutokset muuttuvat hiilivetyjen palamisen seurauksena, mikä antaa voimaa männän liikkeille ja luo lämpöä ajoneuvon liikkeelle saattamiseksi. Mäntä liikkuu laajenevasti (tilavuuskammio kasvaa), kun palamisesta vapautuu lämpöenergiaa, joka aiheuttaa kaasun ja männän tekemää työtä. Sitä vastoin kun mäntä tekee työtä kaasulle, moottorin kammio puristuu (tilavuus pienenee).
On tärkeää huomata, että kuva 3 kuvaa ihanteellista prosessia missä tahansa Otto-sykliä käyttävässä moottorissa. Se kuvaa bensiinimoottorin perustoimintavaiheita. Otto-syklin PV-kaavion pientä muutosta, joka kuvaa realistisempaa tilannetta kaksitahtimoottorin ja nelitahtimoottorin PV-kaaviossa, selitetään niiden vastaavilla sivuilla. Moottorin tekemä työ voidaan laskea ratkaisemalla suljetun kierron pinta-ala.
Seuraavassa kuvataan, mitä tapahtuu PV-diagrammin kussakin vaiheessa, jossa työstöliuoksen – bensiinin ja ilman (hapen) – palaminen muuttaa liikettä männässä:
Vihreä viiva: Sitä kutsutaan imuvaiheeksi, mäntä vedetään alaspäin, jotta kammion tilavuus kasvaa, jotta se voi ”imeä” polttoaine-ilmaseosta. Termodynamiikan kannalta tätä kutsutaan isobaariseksi prosessiksi.
Prosessi 1 – 2: Tässä vaiheessa mäntä vedetään ylöspäin, jotta se voi puristaa kammioon tulleen polttoaine-ilmaseoksen. Puristus aiheuttaa seoksen paineen ja lämpötilan lievän nousun – lämpöä ei kuitenkaan vaihdu. Termodynamiikan kannalta tätä kutsutaan adiabaattiseksi prosessiksi. Kun sykli saavuttaa pisteen 2, polttoaine kohtaa sytytystulpan ja syttyy.
Prosessi 2 – 3: Tässä vaiheessa tapahtuu palaminen sytytystulpan sytyttämän polttoaineen ansiosta. Kaasun palaminen on valmis kohdassa 3, jolloin syntyy voimakkaasti paineistettu kammio, jossa on paljon lämpöä (lämpöenergiaa). Termodynamiikan kannalta tätä kutsutaan isokoriseksi prosessiksi.
Prosessi 3 – 4: Palamisen seurauksena kammiossa oleva lämpöenergia käytetään tekemään työtä mäntään – mikä työntää mäntää alaspäin kasvattaen kammion tilavuutta. Tämä tunnetaan myös nimellä power stoke, koska silloin lämpöenergia muutetaan liikkeeksi koneen tai ajoneuvon käyttövoimaksi.
Violetti viiva (prosessi 4-1 ja pakokaasuvaihe): Prosessista 4-1 kaikki hukkalämpö poistuu moottorin kammiosta. Kun lämpö poistuu kaasusta, molekyylit menettävät liike-energiaa, mikä aiheuttaa paineen laskun. Tämän jälkeen tapahtuu pakokaasuvaihe, kun kammioon jäävä seos puristetaan männän toimesta ja ”poistuu” ulos ilman paineen muuttumista.
Lisälukemista
- Kaksitahtimoottori ja nelitahtimoottori
- Lämpövoimamoottori
- PV-diagrammi
- Poltto
- Bensamoottori
- Diesel vs. bensiinimoottori
- Ota tai tutki satunnaista sivua!
- Osittainen luettelo sisältäisi moottoripyörät, lava-autot, pakettiautot, maasturit, ruohonleikkurit, henkilöautot, monet veneet ja jopa jotkut kannettavat generaattorit.
- Wikimedia Commons , Saatavissa:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif
- ”File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif – Wikimedia Commons”, Commons.wikimedia.org, 2018. . Saatavissa: : https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif.
- Wikimedia Commons , Saatavissa: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
- Internal Combustion Engine Basics”, Energy.gov, 2018. . Saatavissa: https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics. .
- I. Dinçer ja C. Zamfirescu, Advanced power generation systems. London, UK: Academic Press is an imprint of Elsevier, 2014, s. 266.