KITARAN OTTO: FASA, PRESTASI, APLIKASI, LATIHAN YANG DISELESAIKAN - FIZIKAL - 2025

The kitaran Otto ialah kitaran termodinamik yang terdiri daripada dua proses isochoric dan dua proses adiabatik. Kitaran ini berlaku pada cecair termodinamik yang boleh dimampatkan. Ia dicipta oleh jurutera Jerman, Nikolaus Otto pada akhir abad ke-19, yang menyempurnakan enjin pembakaran dalaman, pendahulunya daripada yang terdapat pada kenderaan moden. Kemudian anaknya Gustav Otto mengasaskan syarikat BMW yang terkenal.

Kitaran Otto diterapkan pada mesin pembakaran dalaman yang berfungsi dengan campuran udara dan bahan bakar mudah menguap seperti petrol, gas, atau alkohol, dan yang pembakarannya dimulakan dengan percikan elektrik.

Gambar 1. Kereta dalam pertandingan Nascar. Sumber: Pixabay.

Fasa kitaran Otto

Langkah-langkah kitaran Otto adalah:

1. Mampatan adiabatik (tanpa pertukaran haba dengan persekitaran).
2. Penyerapan tenaga haba dalam bentuk isokorik (tanpa mengubah isipadu).
3. Pengembangan adiabatik (tanpa pertukaran haba dengan persekitaran).
4. Pengusiran tenaga haba dalam bentuk isokorik (tanpa mengubah isipadu).

Gambar 2, ditunjukkan di bawah, menunjukkan pelbagai fasa kitaran Otto dalam gambarajah PV (tekanan-isipadu).

Rajah 2. Gambarajah PV kitaran Otto. Sumber: buatan sendiri.

Permohonan

Kitaran Otto berlaku sama untuk enjin pembakaran dalaman empat lejang dan dua lejang.

Enjin 4-lejang

Enjin ini terdiri daripada satu atau lebih piston dalam silinder, masing-masing dengan satu (atau dua) injap masuk dan satu (atau dua) injap ekzos.

Ia dipanggil seperti ini kerana pengoperasiannya tepat empat kali atau tahap yang ditandai dengan baik iaitu:

1. Kemasukan.
2. Pemampatan.
3. Letupan itu.
4. Pelarian.

Tahap atau masa ini berlaku semasa dua putaran poros engkol, kerana omboh turun dan naik pada kali 1 dan 2, dan sekali lagi turun dan naik pada kali 3 dan 4.

Di bawah ini kami menerangkan secara terperinci apa yang berlaku semasa peringkat ini.

Langkah 1

Turunkan omboh dari titik tertinggi dengan injap masuk terbuka dan injap ekzos ditutup, sehingga campuran bahan bakar udara ditarik ke dalam omboh semasa turunnya.

Pengambilan berlaku semasa langkah OA rajah kitaran Otto pada tekanan atmosfera PA. Pada tahap ini campuran udara-bahan bakar telah digabungkan, yang merupakan bendalir yang dapat dimampatkan di mana tahap AB, BC, CD dan DA dari kitaran Otto akan digunakan.

Langkah 2

Sejurus sebelum omboh mencapai titik terendah, kedua-dua injap ditutup. Kemudian ia mulai naik sedemikian rupa sehingga memampatkan campuran bahan bakar udara. Proses pemampatan ini berlaku dengan begitu pantas sehingga secara praktikalnya tidak menyalakan haba ke persekitarannya. Dalam kitaran Otto ia sesuai dengan proses adiabatik AB.

Langkah 3

Pada titik tertinggi piston, dengan campuran dimampatkan dan injap ditutup, pembakaran letupan campuran yang dimulakan oleh percikan api berlaku. Letupan ini begitu pantas sehingga omboh hampir turun.

Dalam kitaran Otto ini sesuai dengan proses BC isokorik di mana haba disuntik tanpa perubahan isipadu yang cukup besar, sehingga meningkatkan tekanan campuran. Haba disediakan oleh tindak balas kimia pembakaran oksigen di udara dengan bahan bakar.

Langkah 4

Campuran tekanan tinggi mengembang menyebabkan omboh turun sementara injap tetap ditutup. Proses ini berlaku dengan begitu pantas sehingga pertukaran haba dengan bahagian luar tidak dapat diabaikan.

Pada titik ini kerja positif dilakukan pada omboh, yang dihantar oleh batang penghubung ke poros engkol yang menghasilkan daya motif. Dalam kitaran Otto ia sesuai dengan CD proses adiabatik.

Langkah 5

Semasa bahagian bawah strok, panas dikeluarkan melalui silinder ke dalam bahan pendingin, tanpa volume berubah dengan ketara. Dalam kitaran Otto ia sesuai dengan proses isokorik DA.

Langkah 6

Pada bahagian akhir pukulan omboh, campuran yang terbakar dikeluarkan oleh injap ekzos yang tetap terbuka, sementara injap pengambilan ditutup. Pelepasan gas terbakar berlaku semasa langkah AO dalam rajah kitaran Otto.

Seluruh proses diulang dengan masuk melalui injap pengambilan campuran bahan bakar udara baru.

Gambar 3. Enjin empat lejang. Sumber: pixabay

Kerja bersih dilakukan dalam kitaran Otto

Kitaran Otto berfungsi seperti mesin panas dan dijalankan mengikut arah jam.

Kerja W yang dilakukan oleh gas yang mengembang dinding yang mengandunginya dikira dengan formula berikut:

Dimana Vi adalah jumlah awal dan Vf jumlah akhir.

Dalam kitaran termodinamik kerja jaring sepadan dengan kawasan yang tertutup dalam kitaran rajah P - V.

Dalam kes kitaran Otto, ia sepadan dengan kerja mekanikal yang dilakukan dari A hingga B ditambah kerja mekanik yang dilakukan dari C ke D. Di antara B dan C, kerja yang dilakukan adalah sifar kerana tidak ada perubahan dalam jumlah. Begitu juga antara D dan A karya itu sia-sia.

Kerja yang dilakukan dari A hingga B

Andaikan kita bermula dari titik A, di mana isipadu Va, tekanan Pa dan suhu Ta diketahui.

Dari titik A hingga titik B dilakukan pemampatan adiabatik. Dalam keadaan separa statik, proses adiabatik mematuhi undang-undang Poisson, yang menyatakan bahawa:

Di mana γ adalah adiabatic quotient didefinisikan sebagai hasil bagi antara haba spesifik pada tekanan malar dan haba tertentu pada isipadu malar.

Oleh itu, kerja yang dilakukan dari A hingga B akan dihitung dengan hubungan:

Setelah mengambil integral dan menggunakan nisbah Poisson untuk proses adiabatik, kami mempunyai:

Di mana r adalah nisbah mampatan r = Va / Vb.

Kerja dilakukan dari C hingga D

Begitu juga kerja yang dilakukan dari C hingga D akan dihitung dengan integral:

Hasilnya adalah

Di mana r = Vd / Vc = Va / Vb adalah nisbah mampatan.

Hasil kerja bersih adalah jumlah dari dua pekerjaan:

Haba bersih dalam kitaran Otto

Dalam proses dari A ke B dan dari C ke D tidak ada haba yang ditukar kerana ia adalah proses adiabatik.

Untuk proses dari B ke C, tidak ada kerja yang dilakukan dan haba yang dikeluarkan oleh pembakaran meningkatkan tenaga dalaman gas dan oleh itu suhunya dari Tb ke Tc.

Begitu juga, dalam proses dari D ke A terdapat perpindahan haba yang juga dikira sebagai:

Panas bersih akan:

prestasi

Prestasi atau kecekapan motor siklik dikira dengan mencari hasil antara kerja bersih yang dilakukan dan haba yang dibekalkan ke sistem untuk setiap kitaran operasi.

Sekiranya hasil sebelumnya diganti dengan ungkapan sebelumnya dan anggapan dibuat bahawa campuran udara bahan bakar bertindak sebagai gas yang ideal, maka kecekapan teoritis kitaran dicapai, yang hanya bergantung pada nisbah mampatan:

Latihan penyelesaian kitaran Otto

-Latihan 1

Enjin petrol empat lejang 1500 cc dengan nisbah mampatan 7.5 berfungsi di persekitaran dengan tekanan atmosfera 100 kPa dan 20 darjah Celsius. Tentukan kerja bersih yang dilakukan setiap kitaran. Andaikan bahawa pembakaran menyumbang 850 Joule untuk setiap gram campuran bahan bakar udara.

Penyelesaian

Ekspresi kerja bersih sebelumnya telah dikira:

Kita perlu menentukan isipadu dan tekanan pada titik B dan C kitaran untuk menentukan kerja bersih yang dilakukan.

Isipadu pada titik A di mana silinder telah diisi dengan campuran udara-petrol adalah perpindahan 1500 cc. Pada titik B isipadu adalah Vb = Va / r = 200 cc.

Isipadu pada titik C juga 200 cc.

Pengiraan tekanan pada A, B dan C

Tekanan pada titik A adalah tekanan atmosfera. Tekanan pada titik B dapat dikira menggunakan nisbah Poisson untuk proses adiabatik:

Dengan mengambil kira bahawa campuran tersebut terutama udara yang dapat diperlakukan sebagai gas ideal diatomik, pekali adiabatik gamma mengambil nilai 1.4. Maka tekanan pada titik B ialah 1837.9 kPa.

Isipadu titik C adalah sama dengan titik B, iaitu 200 cc.

Tekanan pada titik C lebih tinggi daripada pada titik B kerana kenaikan suhu yang disebabkan oleh pembakaran. Untuk menghitungnya, kita perlu mengetahui berapa banyak haba yang telah disumbangkan oleh pembakaran.

Haba yang disumbangkan oleh pembakaran berkadar dengan jumlah campuran yang dibakar.

Menggunakan persamaan keadaan gas yang ideal:

Jadi haba yang disumbangkan oleh pembakaran adalah 1.78 gram x 850 Joules / gram = 1513 Joules. Ini menyebabkan kenaikan suhu yang dapat dikira dari

Tb dapat dikira dari persamaan keadaan yang menghasilkan 718 K, jadi untuk data kami, nilai Tc yang dihasilkan adalah 1902 K.

Tekanan pada titik C diberikan oleh persamaan keadaan yang diterapkan pada titik tersebut sehingga menghasilkan 4868,6 kPa.

Kerja bersih setiap kitaran adalah 838.5 Joules.

-Latihan 2

Tentukan kecekapan atau prestasi motor dari Latihan 1. Dengan andaian motor berjalan pada 3000 rpm, tentukan daya.

Penyelesaian

Membahagi kerja bersih dengan haba yang dibekalkan memberikan kecekapan 55.4%. Hasil ini bertepatan dengan hasil yang diperoleh dengan penerapan langsung formula untuk kecekapan sebagai fungsi dari nisbah mampatan.

Kekuatan adalah kerja yang dilakukan setiap unit masa. 3000 rpm bersamaan 50 putaran sesaat. Tetapi kitaran Otto selesai untuk setiap dua putaran mesin kerana ia adalah enjin empat lejang, seperti yang telah kami jelaskan sebelumnya.

Ini bermaksud bahawa dalam satu saat kitaran Otto diulang 25 kali sehingga kerja yang dilakukan adalah 25 x 838.5 Joule dalam satu saat.

Ini sepadan dengan 20.9 kilowatt kuasa bersamaan dengan 28 kuasa kuda.

Rujukan

1. Kitaran termodinamik. Dipulihkan dari: fis.puc.cl
2. Martín, T. dan Serrano, A. Kitaran Otto. Dipulihkan dari: 2.montes.upm.es.
3. Universiti Sevilla. Wiki kajian kes kitaran Jabatan Fizik Gunaan Otto. Dipulihkan dari: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Kitaran Otto. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Enjin Otto. Dipulihkan dari: es.wikipedia.com