Fasi di otto, prestazioni, applicazioni, esercizi risolti

Lui Ciclo di Otto È un ciclo termodinamico composto da due processi isocorici e due processi adiabatici. Questo ciclo si verifica su un fluido termodinamico comprimibile. Fu creato dall'ingegnere tedesco Nikolaus Otto alla fine del XIX secolo, che perfezionò il motore a combustione interna, predecessore da cui portano le auto moderne. Successivamente suo figlio Gustav Otto avrebbe trovato la famosa compagnia BMW.

Il ciclo Otto si applica ai motori a combustione interna che funzionano con una miscela di aria e un combustibile volatile come benzina, gas o alcol e la cui combustione inizia con una scintilla elettrica.

Figura 1. Auto in una competizione NASCAR. Fonte: Pixabay.

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Fasi del ciclo Otto

I passaggi del ciclo Otto sono:

1. Compressione adiabatica (senza scambio di calore con l'ambiente).
2. Assorbimento di energia calorica in forma isocorica (senza cambiare il volume).
3. Espansione adiabatica (senza scambio di calore con l'ambiente).
4. Espulsione dell'energia calorica in forma isocorica (senza cambiare il volume).

La Figura 2, che è mostrata di seguito, mostra in un diagramma P -V (volume di pressione) le diverse fasi del ciclo Otto.

figura 2. Diagramma P-V del ciclo Otto. Fonte: sé realizzato.

Applicazione

Il ciclo Otto si applica ugualmente ai motori a combustione interna a quattro e due passi.

-Il motore da 4 stroke

Questo motore è costituito da uno o più pistoni in un cilindro, ciascuno con una (o due) valvole di aspirazione e una (o due) valvole di scarico.

È così chiamato perché il suo funzionamento ha solo quattro fasi o fasi ben marcati che sono:

1. L'ammissione.
2. Compressione.
3. L'esplosione.
4. La fuga.

Queste fasi o tempi si verificano per due giri dell'albero motore, perché il pistone si abbassa e aumenta nei tempi 1 e 2, e di nuovo si abbassa e si alza nei tempi 3 e 4.

Successivamente descriviamo cosa succede durante queste fasi.

Passo 1

Discesa del pistone dal punto più alto con valvole di aspirazione aperta e scarico chiuso, in modo che la miscela di combustibile aerea sia aspirata dal pistone durante la sua discesa.

L'ammissione si verifica durante il pass OA. In questa fase è stata incorporata la miscela di carburante, che è il fluido comprimibile su cui verranno applicati le fasi AB, BC, CD e DA del ciclo Otto.

Passo 2

Poco prima che il pistone raggiunga il punto più basso, entrambe le valvole si chiudono. Quindi inizia a arrampicarsi in modo che comprime la miscela a combustibile d'aria. Questo processo di compressione si verifica così in fretta da non dare calore all'ambiente. Nel ciclo Otto corrisponde al processo adiabatico AB.

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Passaggio 3

Nel punto più alto del pistone, con la miscela compressa e le valvole chiuse, si verifica la combustione esplosiva della miscela iniziata dalla scintilla. Questa esplosione è così veloce che il pistone è appena sceso.

Nel ciclo Otto corrisponde al processo isocorico BC in cui il calore viene iniettato senza un apprezzabile cambiamento di volume, aumentando di conseguenza la pressione della miscela. Il calore è fornito dalla reazione di combustione chimica dell'ossigeno dell'aria con il carburante.

Passaggio 4

La miscela ad alta pressione si espande che il pistone scende mentre le valvole rimangono chiuse. Questo processo si verifica così in fretta che lo scambio di calore con l'esterno è trascurabile.

A questo punto, il lavoro positivo viene svolto sul pistone, che viene trasmesso dall'asta di collegamento all'albero motore che produce la forza motoria. Nel ciclo Otto corrisponde al CD del processo adiabatico.

Passaggio 5

Durante la parte più bassa del percorso, il calore viene espulso attraverso il cilindro al refrigerante, senza il cambio di volume. Nel ciclo Otto corrisponde al processo isocorico di.

Passaggio 6

Nella parte finale della rotta del pistone la miscela bruciata dalla valvola di scarico che rimane aperta viene espulsa, mentre l'ammissione è chiusa. La fuga di gas bruciati si verifica durante il gradino AO nel diagramma del ciclo Otto.

L'intero processo viene ripetuto con l'ingresso attraverso la valvola di ammissione di una nuova miscela ad aria.

Figura 3. Motore a quattro tempi. Fonte: Pixabay

Lavoro netto svolto nel ciclo di Otto

Il ciclo Otto funziona come un motore termico e viene percorsa in un programma.

Il lavoro W che esegue un gas che espande le pareti che lo contengono viene calcolato dalla seguente formula:

Dove vi è il volume iniziale e vf il volume finale.

In un ciclo termodinamico, il lavoro netto corrisponde all'area bloccata nel ciclo del diagramma P - V.

Nel caso del ciclo Otto corrisponde al lavoro meccanico svolto da A a B più il lavoro meccanico svolto da C a D. Tra b e c il lavoro svolto è nullo poiché non vi è alcun cambio di volume. Simile tra d e lavoro è nullo.

Lavoro svolto da a a b

Supponiamo di iniziare dal punto A, in cui è noto il suo volume, la sua pressione Pa e la sua temperatura TA.

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Dal punto A al punto B viene eseguita una compressione adiabatica. In condizioni quasiestatiche, i processi adiabatici sono conformi alla legge di Poisson, che lo stabilisce:

Dove γ è un quoziente adiabatico definito come il rapporto tra il calore specifico a pressione costante tra il calore specifico a volume costante.

In modo che il lavoro svolto da A a B venga calcolato attraverso la relazione:

Dopo aver preso l'integrale e aver usato la relazione di Poisson per il processo adiabatico, hai:

Dove R È la relazione di compressione R = va/vb.

Lavoro svolto da c a d

Allo stesso modo, il lavoro svolto da C a D verrebbe calcolato dall'integrale:

Il cui risultato è

Essendo R = vd/vc = va/vb La relazione di compressione.

Il lavoro netto sarà la somma delle due opere:

Calore netto nel ciclo di otto

Nei processi da A B e da C a D, il calore non viene scambiato perché sono processi adiabatici.

Per il processo B a C, il lavoro non viene eseguito e il calore assegnato dalla combustione aumenta l'energia interna del gas e quindi la sua temperatura TB a TC.

Allo stesso modo, nel processo di D a vi è un incarico di calore che viene anche calcolato come:

Il calore netto sarà:

Prestazione

Le prestazioni o l'efficienza di un motore ciclico vengono calcolate trovando il rapporto tra il lavoro netto svolto e il calore fornito al sistema per ciascun ciclo operativo.

Se i risultati di cui sopra vengono sostituiti nell'espressione precedente e si presume anche che la miscela di aria del carburante si comporti come un gas ideale, viene raggiunta l'efficienza teorica del ciclo, che dipende solo dal rapporto di compressione:

Esercizi di ciclo di otto

-Esercizio 1

Un motore a benzina cilindro a quattro volte e il rapporto di compressione 7,5 funziona in un ambiente di pressione atmosferica di 100 kPa e 20 gradi Celsius. Determina il lavoro netto svolto per ciclo. Supponiamo che la combustione fornisca 850 joule per ogni grammo di miscela d'aria - carburante.

Soluzione

L'espressione del lavoro netto era stata precedentemente calcolata:

Dobbiamo determinare il volume e la pressione nei punti B e C del ciclo per determinare il lavoro netto svolto.

Il volume nel punto in cui è stato riempito in cilindro con l'aria - la miscela di benzina è lo spostamento di 1500 cc. Al punto B il volume è vb = va / r = 200 cc.

Il volume al punto C è anche 200 cc.

Calcolo della pressione in a, b e c

Punto una pressione è una pressione atmosferica. La pressione nel punto B può essere calcolata usando la relazione di Poisson per un processo adiabatico:

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Tenendo conto che la miscela è prevalentemente aria che può essere trattata come un gas diatomico ideale, il coefficiente adiabatico gamma prende il valore 1.4. Quindi la pressione nel punto B sarà 1837,9 kPa.

Il volume del punto C è lo stesso di quello del punto B, ovvero 200 cc.

La pressione nel punto C è maggiore rispetto al punto B a causa dell'aumento della temperatura causata dalla combustione. Per calcolarlo dobbiamo sapere quanto calore ha contribuito la combustione.

Il calore fornito dalla combustione è proporzionale alla quantità di miscela che brucia.

Utilizzando l'equazione dello stato del gas ideale:

Dove Rm È la costante d'aria il cui valore è 286,9 J / (kg k) e M è la massa della miscela presa nel processo di ammissione. Cancella la massa m dell'equazione dello stato e la sostituzione dei valori di pressione, temperatura e volume nel punto A si ottengono 1,78 grammi di miscela.

Quindi il calore contribuito con la combustione è di 1,78 grammi x 850 joule/grammo = 1513 joules. Ciò provoca un aumento della temperatura da cui può essere calcolato

La TB può essere calcolata dall'equazione dello stato con conseguente 718 K, quindi per i nostri dati, il valore risultante da TC è 1902 K.

La pressione nel punto C è data dall'equazione statale applicata a quel punto con conseguente 4868,6 kPa.

Il lavoro netto per ciclo risulta essere 838,5 joules.

-Esercizio 2

Determinare l'efficienza o le prestazioni del motore dell'esercizio 1. Supponendo che il motore funzioni a 3000 R.P.m Determina il potere.

Soluzione

Si ottiene la divisione del lavoro netto tra il calore fornito un'efficienza del 55,4%. Questo risultato coincide con quello ottenuto dall'applicazione diretta della formula di efficienza in base al rapporto di compressione.

L'alimentazione è il lavoro svolto per unità di tempo. 3000 r.P.M. equivalente a 50 giri al secondo. Ma il ciclo di Otto è completato per ogni due giri del motore perché è un colpo a quattro, come abbiamo spiegato sopra.

Ciò significa che in un secondo il ciclo Otto si ripete 25 volte, quindi il lavoro svolto è di 25 x 838,5 joule in un secondo.

Ciò corrisponde a 20,9 kilowatt di potenza equivalente a 28 cavalli a vapore.

Riferimenti

1. Cicli termodinamici. Recuperato da: FIS.Puc.Cl
2. Martín, t. E Serrano, a. Ciclo di Otto. Recuperato da: 2.Montes.Upm.È.
3. Siviglia University. Wiki del ciclo del caso di fisica applicato del ciclo di Otto. Recuperato da: Laplace.noi.È.
4. Wikipedia. Ciclo di Otto. Recuperato da: è.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Motore Otto. Recuperato da: è.Wikipedia.com