오토 사이클 : 단계, 성능, 적용, 해결 된 연습 - 물리적 인 - 2024

오토 사이클은 두 등 체적 프로세스 및 단열 개의 프로세스로 구성된다 열역학적 사이클이다. 이 사이클은 압축 ​​가능한 열역학적 유체에서 발생합니다. 그것은 현대 자동차에서 발견되는 엔진의 전신 인 내연 기관을 완성한 19 세기 후반 독일 엔지니어 Nikolaus Otto에 의해 만들어졌습니다. 나중에 그의 아들 Gustav Otto는 유명한 BMW 회사를 설립했습니다.

오토 사이클은 가솔린, 가스 또는 알코올과 같은 휘발성 연료와 공기의 혼합물로 작동하고 전기 스파크로 연소가 시작되는 내연 기관에 적용됩니다.

그림 1. Nascar 경쟁의 자동차. 출처 : Pixabay.

오토 사이클의 단계

오토 사이클의 단계는 다음과 같습니다.

1. 단열 압축 (환경과의 열교환 없음).
2. 등각 형태의 열 에너지 흡수 (체적 변경 없음).
3. 단열 팽창 (환경과의 열교환 없음).
4. 등각 형태의 열 에너지 방출 (용량 변경 없음).

아래에 표시된 그림 2는 PV (압력-체적) 다이어그램에서 Otto주기의 여러 단계를 보여줍니다.

그림 2. 오토 사이클의 PV 다이어그램. 출처 : 자체 제작.

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오토 사이클은 4 행정 및 2 행정 내연 기관에 동일하게 적용됩니다.

4 행정 엔진

이 엔진은 실린더에있는 하나 이상의 피스톤으로 구성되며 각 피스톤에는 하나 (또는 ​​두 개)의 흡기 밸브와 하나 (또는 ​​두 개의) 배기 밸브가 있습니다.

작동이 정확히 네 번 또는 다음과 같은 잘 표시된 단계가 있기 때문에 이렇게 불립니다.

1. 입학.
2. 압축.
3. 폭발.
4. 탈출.

이러한 단계 또는 시간은 피스톤이 1 번과 2 번에 아래로 내려 갔다가 올라가고, 3 번과 4 번에 다시 내려 갔다가 올라 가기 때문에 크랭크 샤프트를 두 번 돌리는 동안 발생합니다.

아래에서는 이러한 단계에서 일어나는 일을 자세히 설명합니다.

1 단계

흡기 밸브를 열고 배기 밸브를 닫은 상태에서 피스톤을 가장 높은 지점에서 낮추어 하강하는 동안 공기-연료 혼합물이 피스톤으로 유입되도록합니다.

흡입은 대기압 PA에서 오토 사이클 다이어그램의 단계 OA 동안 발생합니다. 이 단계에서는 공기-연료 혼합물이 통합되었으며, 이는 오토 사이클의 AB, BC, CD 및 DA 단계가 적용될 압축성 유체입니다.

2 단계

피스톤이 가장 낮은 지점에 도달하기 직전에 두 밸브가 모두 닫힙니다. 그런 다음 공기-연료 혼합물을 압축하는 방식으로 상승하기 시작합니다. 이 압축 과정은 너무 빨리 발생하여 주변에 열을 거의 방출하지 않습니다. 오토 사이클에서는 단열 과정 AB에 해당합니다.

3 단계

피스톤의 가장 높은 지점에서 혼합물이 압축되고 밸브가 닫힌 상태에서 스파크에 의해 시작된 혼합물의 폭발적인 연소가 발생합니다. 이 폭발은 너무 빨라 피스톤이 거의 하강하지 않았습니다.

오토 사이클에서 이는 상당한 부피 변화없이 열이 주입되어 결과적으로 혼합물의 압력을 증가시키는 등 코릭 BC 공정에 해당합니다. 열은 공기 중의 산소 연소와 연료의 화학 반응에 의해 제공됩니다.

4 단계

고압 혼합물이 팽창하여 밸브가 닫혀있는 동안 피스톤이 하강합니다. 이 과정은 너무 빨리 일어나서 외부와의 열 교환은 무시할 수 있습니다.

이 시점에서 피스톤에서 긍정적 인 작업이 이루어지며, 피스톤은 커넥팅로드에 의해 크랭크 샤프트로 전달되어 동력을 생성합니다. 오토 사이클에서는 단열 공정 CD에 해당합니다.

5 단계

스트로크의 아래쪽 부분에서는 부피가 눈에 띄게 변하지 않고 열이 실린더를 통해 냉매로 배출됩니다. 오토 사이클에서는 DA 등 코릭 과정에 해당합니다.

6 단계

피스톤 행정의 마지막 부분에서 연소 된 혼합물은 흡기 밸브가 닫혀있는 동안 열려있는 배기 밸브에 의해 배출됩니다. 연소 된 가스의 유출은 오토 사이클 다이어그램의 AO 단계에서 발생합니다.

새로운 공기-연료 혼합물의 흡입 밸브를 통해 유입되는 과정에서 전체 과정이 반복됩니다.

그림 3. 4 행정 엔진. 출처 : pixabay

오토 사이클에서 수행 된 네트워크 작업

오토 사이클은 열 엔진처럼 작동하며 시계 방향으로 작동합니다.

가스를 포함하는 벽을 확장하는 가스에 의해 수행되는 작업 W는 다음 공식으로 계산됩니다.

여기서 Vi는 초기 볼륨이고 Vf는 최종 볼륨입니다.

열역학적 사이클에서 네트워크는 P-V 다이어그램의 사이클에 포함 된 영역에 해당합니다.

오토 사이클의 경우, A에서 B까지의 기계적 작업에 C에서 D 로의 기계적 작업을 더한 것에 해당합니다. B와 C 사이에는 부피 변화가 없기 때문에 수행 된 작업은 0입니다. 마찬가지로 D와 A 사이에서 작업은 null입니다.

A에서 B까지 수행 한 작업

부피 Va, 압력 Pa 및 온도 Ta가 알려진 지점 A에서 시작한다고 가정합니다.

A 지점에서 B 지점까지 단열 압축이 수행됩니다. 준 정적 조건에서 단열 과정은 다음과 같은 포아송 법칙을 준수합니다.

여기서 γ는 일정한 압력의 비열과 일정한 부피의 비열 사이의 몫으로 정의되는 단열 몫입니다.

따라서 A에서 B까지 수행 된 작업은 다음 관계식으로 계산됩니다.

적분을 취하고 단열 과정에 푸 아송 비를 사용한 후 다음과 같은 결과를 얻었습니다.

여기서 r은 압축비 r = Va / Vb입니다.

C에서 D까지 수행 한 작업

마찬가지로 C에서 D까지 수행 된 작업은 적분으로 계산됩니다.

누구의 결과는

여기서 r = Vd / Vc = Va / Vb는 압축비입니다.

네트워크 작업은 두 가지 작업의 합계입니다.

오토 사이클의 순열

A에서 B로, C에서 D 로의 공정에서는 단열 공정이기 때문에 열이 교환되지 않습니다.

B에서 C까지의 공정에서는 작업이 수행되지 않으며 연소에 의해 제공되는 열은 가스의 내부 에너지를 증가시키고 따라서 온도를 Tb에서 Tc로 증가시킵니다.

마찬가지로 D에서 A 로의 과정에서 다음과 같이 계산되는 열 전달이 있습니다.

순 열은 다음과 같습니다.

공연

순환 모터의 성능 또는 효율성은 각 작동주기에 대해 수행 된 네트워크 작업과 시스템에 공급되는 열 사이의 몫을 찾아 계산됩니다.

이전 결과가 이전 식에서 대체되고 연료 공기 혼합물이 이상 기체로 작동한다고 가정하면 압축 비율에만 의존하는 사이클의 이론적 효율성에 도달합니다.

오토 사이클 해결 운동

-연습 1

7.5 압축비의 1500cc 4 행정 가솔린 엔진은 대기압 100kPa 및 섭씨 20 도의 환경에서 작동합니다. 주기 당 수행 한 네트워크 작업을 결정합니다. 연소가 각 공기-연료 혼합물 1g 당 850J를 기여한다고 가정합니다.

해결책

네트 워크 표현식은 이전에 다음과 같이 계산되었습니다.

수행 된 네트워크 작업을 결정하기 위해주기의 지점 B와 C에서 부피와 압력을 결정해야합니다.

실린더가 공기-가솔린 혼합물로 채워진 지점 A의 부피는 1500cc 변위입니다. 지점 B에서 부피는 Vb = Va / r = 200cc입니다.

지점 C의 부피도 200cc입니다.

A, B 및 C에서 압력 계산

A 지점의 압력은 대기압입니다. B 지점의 압력은 단열 공정에 대한 포아송 비를 사용하여 계산할 수 있습니다.

혼합물이 주로 이원자 이상 기체로 처리 될 수있는 공기라는 점을 고려하면 감마 단열 계수는 1.4 값을 취합니다. 그러면 지점 B의 압력은 1837.9 kPa가됩니다.

지점 C의 부피는 지점 B의 부피 인 200cc와 동일합니다.

연소로 인한 온도 상승으로 인해 지점 C의 압력이 지점 B보다 높습니다. 그것을 계산하기 위해서는 연소가 얼마나 많은 열에 기여했는지 알아야합니다.

연소로 인한 열은 연소되는 혼합물의 양에 비례합니다.

이상 기체 상태 방정식 사용 :

따라서 연소로 인한 열은 1.78g x 850 Joules / gram = 1513 Joules입니다. 이로 인해 다음에서 계산할 수있는 온도 상승이 발생합니다.

Tb는 상태 방정식에서 계산되어 718K가되므로 데이터의 경우 Tc의 결과 값은 1902K입니다.

지점 C의 압력은 해당 지점에 적용된 상태 방정식으로 주어지며 결과적으로 4868.6 kPa가됩니다.

사이클 당 순 작업량은 838.5 줄입니다.

-운동 2

연습 1에서 모터의 효율성 또는 성능을 결정합니다. 모터가 3000rpm에서 작동한다고 가정하고 전력을 결정합니다.

해결책

순일을 공급 된 열로 나누면 55.4 %의 효율성이 제공됩니다. 이 결과는 압축비의 함수로서 효율성 공식을 직접 적용하여 얻은 결과와 일치합니다.

전력은 단위 시간당 수행되는 작업입니다. 3000rpm은 초당 50 회전과 같습니다. 그러나 오토 사이클은 앞서 설명한 것처럼 4 행정 엔진이기 때문에 엔진이 2 회전 할 때마다 완료됩니다.

즉, 1 초에 Otto주기가 25 회 반복되므로 수행 된 작업은 1 초에 25 x 838.5 Joules가됩니다.

이는 28 마력에 해당하는 20.9 킬로와트의 출력에 해당합니다.

참고 문헌

1. 열역학적 사이클. 출처 : fis.puc.cl
2. Martín, T. 및 Serrano, A. Otto 사이클. 출처 : 2.montes.upm.es.
3. 세비야 대학교. Applied Physics Otto 사이클 사례 연구의 Wiki. 출처 : laplace.us.es.
4. Wikipedia. 오토 사이클. 출처 : es.wikipedia.com
5. Wikipedia. 오토 엔진. 출처 : es.wikipedia.com