Cykl Otto, opisuje jak silniki cieplne zamieniają benzynę w ruch. Podobnie jak inne cykle termodynamiczne, cykl ten zamienia energię chemiczną w energię cieplną, a następnie w ruch. Cykl Otta opisuje jak działają silniki spalinowe (wykorzystujące benzynę), takie jak samochody i kosiarki do trawy.
Zastosowanie
Cykl Otta dostarcza energii dla większości środków transportu i był niezbędny dla współczesnego świata. W szczególności, zdecydowana większość samochodów jeżdżących dziś po drogach wykorzystuje cykl Otto do przekształcania benzyny w ruch. Każda maszyna (lista będzie się ciągnąć dalej), która używa benzyny będzie podzielona na dwie kategorie silników, jak widać poniżej.
- Typy silników wykorzystujących cykl Otta
-
Rysunek 1. Silnik dwusuwowy
-
Rysunek 2. Silnik czterosuwowy
Na stronach silników znajdą się szczegóły dotyczące ich unikalnych mechanizmów oraz wyjaśnienie, w jaki sposób wykorzystują one cykl Otto, który jest nieco zmodyfikowany.
Idealny cykl Otto
Diagram PV (pressure-volume diagram) idealnego cyklu Otto przedstawiony jest na rysunku 3. Schemat ten modeluje zmiany ciśnienia i objętości cieczy roboczej (benzyny i paliwa lotniczego) w wyniku spalania węglowodorów, które napędzają ruchy tłoka, wytwarzając ciepło, w celu zapewnienia ruchu pojazdu. Istnieją rozszerzające się (zwiększona komora objętościowa) ruchy tłoka – spowodowane uwolnieniem energii cieplnej ze spalania – powodujące pracę wykonywaną przez gaz i tłok. Z kolei, gdy tłok wykonuje pracę na gazie, komora silnika jest ściskana (zmniejsza się jej objętość).
Należy zauważyć, że rysunek 3 przedstawia idealny proces dla każdego silnika wykorzystującego cykl Otto. Opisuje on podstawowe etapy pracy w silniku benzynowym. Niewielka modyfikacja, która przedstawia bardziej realistyczną sytuację wykresu PV cyklu Otto dla silnika dwusuwowego i czterosuwowego jest wyjaśniona na ich odpowiednich stronach. Pracę wykonaną przez silnik można obliczyć rozwiązując pole powierzchni zamkniętego obiegu.
Poniżej opisano, co dzieje się podczas każdego etapu na wykresie PV, w którym spalanie płynu roboczego – benzyny i powietrza (tlenu), zmienia ruch w tłoku:
Zielona linia: Określana jako faza wlotowa, tłok jest ściągany do dołu, aby umożliwić zwiększenie objętości w komorze, dzięki czemu może on „wciągnąć” mieszankę paliwowo-powietrzną. Z punktu widzenia termodynamiki, jest to określane jako proces izobaryczny.
Proces 1 do 2: Podczas tej fazy tłok zostanie wyciągnięty do góry, aby mógł sprężać mieszankę paliwowo-powietrzną, która dostała się do komory. Sprężanie powoduje nieznaczny wzrost ciśnienia i temperatury mieszanki – nie następuje jednak wymiana ciepła. Z punktu widzenia termodynamiki określa się to jako proces adiabatyczny. Gdy cykl osiągnie punkt 2, wtedy paliwo spotyka się ze świecą zapłonową w celu zapłonu.
Proces 2 do 3: W tym miejscu następuje spalanie w wyniku zapłonu paliwa przez świecę zapłonową. Spalanie gazu jest zakończone w punkcie 3, co powoduje powstanie komory o wysokim ciśnieniu, w której jest dużo ciepła (energii cieplnej). Z punktu widzenia termodynamiki jest to określane jako proces izochoryczny.
Proces 3 do 4: Energia cieplna w komorze w wyniku spalania jest wykorzystywana do wykonania pracy na tłoku – co popycha tłok w dół – zwiększając objętość komory. Jest to również znane jako power stoke, ponieważ jest to moment, w którym energia cieplna jest zamieniana w ruch, aby napędzać maszynę lub pojazd.
Purpurowa linia (Proces 4 do 1 i faza wydechowa): Od procesu 4 do 1, całe ciepło odpadowe jest wydalane z komory silnika. Ponieważ ciepło opuszcza gaz, molekuły tracą energię kinetyczną, powodując spadek ciśnienia. Następnie następuje faza wydechu, kiedy pozostała w komorze mieszanka jest ściskana przez tłok, aby zostać „wydalona” na zewnątrz, bez zmiany ciśnienia.
Do dalszej lektury
- Silnik dwusuwowy i silnik czterosuwowy
- Silnik cieplny
- Schemat PV
- Spalanie
- Benzyna
- Diesel vs silnik benzynowy
- Albo odkryj losową stronę!
- Częściowa lista zawierałaby motocykle, ciężarówki, furgonetki, SUV-y, kosiarki do trawy, samochody, wiele łodzi, a nawet niektóre przenośne generatory.
- Wikimedia Commons , Dostępne:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif
- „File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif – Wikimedia Commons”, Commons.wikimedia.org, 2018. . Dostępne: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif.
- Wikimedia Commons , Dostępne: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
- Internal Combustion Engine Basics”, Energy.gov, 2018. . Dostępne: https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics. .
- I. Dinçer i C. Zamfirescu, Zaawansowane systemy wytwarzania energii elektrycznej. London, UK: Academic Press is an imprint of Elsevier, 2014, s. 266.