什么是奥托循环 - 奥托发动机 - 定义

奥托发动机的循环称为奥托循环。它是最常见的热力学循环之一,可以在汽车发动机中找到。奥托循环 - 奥托发动机

奥托循环 - 奥托发动机

1876年,一位德国工程师,尼古拉斯8月奥托通过建立第一工作四冲程发动机提出了热动发动机的研究。使用煤气 - 空气混合物的固定发动机用于燃料。Wilhelm Maybach(1846-1929)是最重要的德国工程师之一,完善了建筑,这已经在1876年底大量生产。这些发明迅速重塑了他们居住的世界。

奥托发动机的循环称为奥托循环。这是最常见的一种热力学循环可以在汽车发动机和介绍了一种典型的火花点火活塞发动机的工作原理。与卡诺循环相反,奥托循环不执行等温过程,因为这些过程必须执行得非常慢。在理想奥托循环中,执行该循环的系统经历一系列四个内部可逆过程:两个等熵(可逆绝热)过程与两个等容过程交替进行。

Carnot的原则指出,没有发动机可以比可逆发动机更有效(钟盘热力发动机)在相同的高温和低温热源之间运行,奥托发动机的效率必须低于卡诺效率。典型的汽油汽车发动机运行在25%至30%热效率。约有70-75%的废热没有转化为有用的功,即传递到车轮上的功。

四冲程发动机 - 奥托发动机
四冲程发动机 - 奥托发动机
来源:wikipedia.org,自己的工作,Zephyris, CC BY-SA 3.0

otto循环 - 流程

otto循环 - 光伏图
奥托循环的pV图。由整个循环路径所限定的区域表示在一个循环中可以完成的总功。

在理想的奥托循环中,执行循环的系统经历了一系列四个内部可逆过程:两个等级(可逆绝热)工艺交替,具有两个等级过程:

  1. 虽然熵压缩(压缩行程)-当活塞从下死点移动到上死点时,气体(燃油-空气混合物)从状态1被绝热压缩到状态2。环境对气体做功,增加了它的内能(温度)并压缩了它。另一方面熵保持不变。体积的变化及其比例(V.1/ V.2)被称为压缩比。
  2. 等体积的压缩(点火阶段) - 在该阶段(在状态2和状态3之间)存在恒定体积(活塞处于静止)从外部源传热到空气中,而活塞处于顶部死区静止。w88优德备用网址 微博该方法旨在表示注入室中的燃料空气混合物的点火和随后的快速燃烧。压力升高和比例(P.3./ P.2)被称为“爆炸比”。
  3. 虽然熵扩张(电力行程) - 气体从状态3膨胀到状态4,因为活塞从顶部死点移动到底死中心。气体确实在周围(活塞)上工作,并且失去了等于离开系统的工作的内能量。熵再次保持不变。体积比(V.4./ V.3.)被称为等熵膨胀配给,但对于奥托循环,它等于压缩比。
  4. 等因素减压(排气冲程)- 在该阶段,循环通过恒定体积过程完成,其中在活塞处于底部死中心时从空气中拒绝热量。工作气体压力从点4到点瞬间瞬间下降。排气阀在点4处打开。在该减压之后,排气行程是直接的。随着活塞从底死中心(点)移动到顶部死点(点0),随着排气阀打开,气态混合物通向大气,该过程重新开始。

在奥托循环中,活塞在状态1和状态2之间对气体做功(虽然熵压缩)。气体在第3和第4级之间对活塞做功(虽然熵扩张)。气体的工作与气体上的工作之间的差异是循环产生的净工作,并且它对应于循环曲线包围的区域。由循环次数产生的工作循环速率(每秒周期)等于OTTO发动机产生的功率。

等熵过程

一个等熵过程是一个热力学过程,其中流体或气体的压强保持不变。这意味着等熵过程是一个特殊的情况绝热过程没有热量和物质的传递。这是一个可逆绝热过程。假设没有传热非常重要,因为我们只能使用绝热w88优德备用网址 微博近似非常快速的过程

概论流程和第一法

对于一个封闭的系统,我们可以写下关于焓的热力学第一定律w88优德app

dH = dQ + Vdp

或者

DH = TDS + VDP

等式过程(DQ = 0):

DH = VDP→W = H.2- - - - - - H1→H.2- - - - - - H1=CP.(T.2- T1(理想气体

理想气体的等熵过程

等熵过程(绝热过程的特例)可以用理想气体定律为:

PV.κ=常数

或者

P.1V.1κ= P.2V.2κ

其中κ= cP./ cV.是的比值特定的加热(或者热容)对于气体。一个for.恒压(cP.一个for.体积恒定(cV.。注意,这种比率κ= C.P./ cV.是决定气体和其他绝热过程中声速的一个因素。

等级过程

一个等级过程是一个热力学过程吗体积闭系统的保持不变(v = const)。它描述了容器内的气体的行为,不能变形。由于体积保持不变,因此进出系统的热传递不是w88优德备用网址 微博∆p V工作,但只会改变内部能量(温度)系统。

等容过程和第一定律

The的经典形式热力学第一定律w88优德app是以下等式:

dU = dQ - dW

在这个方程中dW等于dw = pdv.被称为边界的工作。然后:

dU = dQ - pdV

等级过程理想气体,所有加给系统的热量都用来增加内能。

等容过程(pdV = 0):

du = dq.(理想的气体)

du = 0 = q - w→w = q(理想的气体)

理想气体的等容过程

等级过程可以用这个来表示吗理想气体定律为:

等容过程-方程1

或者

等容过程-方程2

在一个p - v图,这一过程沿着一条方程为V =常数的水平线发生。

参见:Guy-Lussac定律

概要过程 - 特征
概要过程 - 主要特征
等级过程 - 主要特征
等级过程 - 主要特征

奥托循环- pV, t图

otto循环 - 光伏图
奥托循环的pV图。由整个循环路径所限定的区域表示在一个循环中可以完成的总功。

奥托循环通常绘制在压力-体积图上(PV图)和温度熵图(TS图)。绘制在压力体积图上时,等体积的过程遵循天然气(垂直线)的载重线,绝热过程在这些垂直线之间移动,由完整循环路径界定的区域表示可以在一个周期期间完成的总工作。

温度-熵图(TS图)其中热力学状态由图形上的点指定特定熵横轴为(s),纵轴为绝对温度(T)。t图是一个有用和常见的工具,特别是因为它有助于形象化的热传递过程中。w88优德备用网址 微博对于可逆(理想)过程,过程T-s曲线下的面积是该过程中传递给系统的热量。w88优德备用网址 微博

奥托循环-四冲程发动机

奥托循环是一套过程使用的火花点火内燃机(二冲程或四冲程循环)。尼古劳斯奥古斯特奥托首先设计了什么是众所周知的四冲程发动机。一个冲程是指活塞沿气缸在任意一个方向上的完整行程。因此,各不对应于本章中给出的单一热力学过程奥托循环-过程。

四冲程发动机包括:

  • 摄入行程 -活塞从顶部死点(TDC)移动到底部死中心(BDC),周期通过点0→1。在这个冲程中,当活塞通过向下运动向气缸内产生真空压力,将空气-燃料混合物拉入气缸时,进气阀打开。
  • 压缩冲程 -活塞从底死中心(BDC)移动到顶部死点(TDC),周期通过点1→2。在该行程中,进气和排气阀都关闭,因此燃料空气混合物被压缩。在该中风的末尾,燃料 - 空气混合物通过火花点燃,这导致腔室中的压力和温度进一步增加。在这个中风的尽头,曲轴已经完成了完整的360度革命。
  • 动力冲程-活塞从顶部死点(TDC)移动到底部死中心(BDC),周期通过点2→3→4。在这个冲程中,进气阀和排气阀都是关闭的。在动力冲程的开始,火花点燃燃烧室中的燃料-空气混合物,这反过来导致燃料的快速燃烧。在这个冲程中,活塞被推向曲轴,体积增大,压力下降,因为气体对活塞做功。
  • 排气冲程。活塞从底死中心(BDC)移动到顶部死点(TDC),周期通过点4→1→0。在这个冲程中,当活塞将废气拉出腔室时,排气阀打开。在这一行程结束曲轴已经完成了第二个完整的360度旋转。

实际和理想的奥托周期的比较

奥托发动机与奥托循环在这一节中显示了一个理想的奥托循环其中有很多假设不同于实际的奥托周期。实际和理想的Otto引擎之间的主要差异出现在图中。实际上,理想的循环不会发生,并且与每个过程有很多损失。对于实际循环,PV图的形状类似于理想,但PV图包围的区域(工作)总是小于理想值。理想的奥托循环基于以下假设:

  • 封闭循环。这两张图最大的区别是在理想循环中进气和排气冲程的简化。在排气冲程中,热量Q被喷射到环境中,在真正的发动机中,气体离开发动机,被一种新的空气和燃料的混合物所取代。
  • 瞬时加热(等因素搅拌)。在真正的发动机中,搅拌不是瞬时的,因此峰值压力不是TDC,而是在TDC之后。
  • 无传热w88优德备用网址 微博(绝热)
    • 压缩-气体(燃料-空气混合物)从状态1绝热压缩到状态2。在实际的发动机中,总是存在一些降低热效率的低效率。
    • 扩张。气体(燃料-空气混合物)从状态3绝热膨胀到状态4。
  • 完全燃烧的燃料空气混合物。
  • 没有抽水工作。泵送功是在排气冲程中所做的功和在进气冲程中所做的功之间的区别。在实际循环中,排气和进口压力之间存在压力差。
  • 没有排污损失。排污损失是由于排气阀过早开启造成的。这将导致膨胀冲程中输出功的损失。
  • 没有漏气损失。漏气损失是由压缩气体通过活塞环等缝隙泄漏造成的。
  • 没有摩擦损失

这些简化的假设和损失导致了实际发动机的PV图的封闭区域(工作)明显小于理想循环的PV图包围的区域(工作)的大小。换句话说,理想的发动机循环将高估网络工作,并且如果发动机以相同的速度运行,则由实际发动机产生的更大的功率约为20%。

压缩比-奥托发动机

压缩率CR.,被定义为底部死中心的体积与顶部死亡中心的体积的比率。这是许多内燃机的关键特性。在以下部分中,将显示压缩率决定了热效率用于内燃机的热力学循环。一般来说,希望有一个高的压缩比,因为它允许发动机达到更高的热效率。

例如,假设压缩比为CR = 10:1的奥托循环。箱体容积为500cm³= 500×10-6m3.(0.5L)在压缩冲程之前。对于这个引擎一种所需的卷是已知的:

  • V.1= V.4.= V.最大限度= 500×10-6m3.(0.5L)
  • V.2= V.3.= V.最小值= V.最大限度/ cr = 55.56×10-6m3.

请注意,(V最大限度- - - - - - V最小值) x汽缸数=发动机总排量。

压缩比的例子-汽油和柴油

  • 汽油动力发动机中的压缩比通常不会高于10:1由于潜在的发动机敲击(自燃)而不是低于6:1
  • 涡轮增压的底座Impreza WRX具有压缩比8.0: 1。通常,在进气口中已经具有压缩空气的涡轮增压或增压发动机,因此它们通常以较低的压缩比构成。
  • 股票本田S2000发动机(F22C1)具有压缩比11.1:1
  • 一些大气运动跑车的发动机可以有压缩比高达12.5:1(例如法拉利458意大利)。
  • 2012年,马自达根据品牌名称发布了新的汽油发动机skyactiv与一个14:1压缩率。为了降低发动机爆震的风险,使用剩余气体通过使用减少4-2-1引擎排气系统,实施活塞腔,并优化燃油喷射。
  • 柴油发动机的压缩比通常超过14:1,比超过22:1也很常见。

奥托循环的热效率

一般来说热效率η.th,任何热发动机都被定义为工作是这样,W.,到了输入在高温下,QH

热效率公式 -  1

热效率η.th,代表分数问:H,转换为工作。因为能量是守恒的热力学第一定律w88优德app并且不能转换能量完全工作,热输入,qH等于对系统做的功W,加上系统散发的热量废热问C进入环境。因此,我们可以重写用于热效率的公式:

热效率公式 -  2

当火花发生时,热量吸收发生在燃料-空气混合燃烧过程中,大致在恒定体积下。自从在一次等级过程系统或系统上没有工作热力学第一定律w88优德app决定ΔU=ΔQ。因此,添加和被拒绝的热量由:

问:添加= MC.V.(T.3.- T2

问:= MC.V.(T.4.- T1

将这些表达式代入热效率产量表达式中添加的和拒绝的热量:

奥托循环效率方程

我们可以使用进程这一事实来简化上面的表达式1→23→4是绝热和绝热过程以下P,V,T配方有效:

绝热过程-公式

它可以派生:

绝热过程 - 公式2

在这个方程中比V1/ V.2被称为压缩比、铬。当我们使用压缩比重写用于热效率的表达时,我们得出结论air-standard奥托循环热效率是一个功能压缩率κ= cP./ cV.

热效率-奥托循环-压缩比

热效率-奥托循环-发动机
奥托循环κ = 1.4

这是一个非常有用的结论,因为实现一个高压缩比从给定质量的空气燃料混合物中提取更多机械能。更高的压缩比允许与较少的燃料达到相同的燃烧温度,同时提供更长的膨胀循环。这会产生更多机械功率输出和降低了排气温度。降低排气温度会导致排入大气的能量降低。这个关系如图所示,κ = 1.4代表环境空气。

交通发动机效率
  • 在二十世纪中叶,一个典型的蒸汽机车具有热效率6%。这意味着每100 MJ燃烧的燃煤,生产了6 MJ的机械力。
  • 典型的汽油汽车发动机运行在25%至30%热效率。约有70-75%的废热没有转化为有用的功,即传递到车轮上的功。
  • 典型的柴油汽车发动机运行在30%到35%。一般来说,使用柴油循环的发动机通常效率更高。
  • 2014年,介绍了新的法规一级惯例1辆车。这些赛车运动规定促使车队开发高效的动力装置。据梅赛德斯公司称,他们的动力装置正在实现超过45%并且接近50%的热效率,即燃料中的潜在能量的45-50%的热效率。
  • 柴油发动机具有最高的热效率的任何实际内燃机。低速柴油机(如船舶所使用)可以具有超过的热效率50%。世界上最大的柴油发动机达到51.7%。

自燃 - 压缩比限制

在普通的汽油发动机中压缩率有它的限制。汽油动力发动机中的压缩比通常不会高于10:1由于潜在的发动机敲门自燃)而不是低于6:1。然而,较高的压缩比会使汽油发动机受到发动机爆震的影响自燃一个未燃烧的混合物,如果使用下辛烷值额定燃料。未燃烧的混合物可以通过单独引爆压力和热量来促进自醌,而不是在正确的时间内从火花塞点燃。这引擎敲门能通过使用减少吗高辛烷值的燃料,这增加了汽油的抗自燃。辛烷值越高,燃料在引爆之前燃料的压缩就越多,燃料就越多(点燃)。由于在压缩比​​增加期间通过燃料 - 空气混合物获得的温度随着压缩比增加而增加,因此自燃的可能性随压缩比而增加。如果不存在爆震传感器以修改点火正时,则自动出现可以降低效率或损坏发动机。

可以获得更高的压缩比柴油发动机(也被称为压缩点火发动机),因为它们不压缩燃料,而是仅压缩空气,然后将燃料注入通过压缩加热的空气中。12至20范围内的压缩比对于柴油发动机的典型值。柴油发动机的较大膨胀意味着它们在冷却器排气中拒绝较少的热量。柴油发动机达到较高的热效率,较高的压缩比(较大膨胀)和较高的峰值温度导致。

平均有效压力 - MEP

MEP是一种非常有用的发动机工作能力,这些工作能力独立于发动机位移。
MEP是一种非常有用的发动机工作能力,这些工作能力独立于发动机位移。

工程师用来描述往复式活塞发动机性能的一个参数被称为平均有效压力,或MEP.MEP.是发动机的工作能力的一种非常有用的措施,该工作能力独立于发动机位移。有几种类型的MEP。这些MEPS由位置测量和计算方法(例如BMEP或IMEP)定义。

一般来说,平均有效压力是理论恒压,如果它作用于活塞在动力冲程,将产生相同的净功,实际上在一个完整的循环。MEP可定义为:

平均有效压力 - 定义

例如,网表示平均有效压力, 被称为IMEP.N等于从缸内压力(必须在完整的发动机循环中计算的平均有效压力)。请注意,对于四冲程发动机为720°,对于两冲程发动机,为360°。

一些例子:

  • 大气汽油发动机的MEP可以在最大扭矩区域的8至11巴。
  • 涡轮增压汽油发动机的MEP可以从12 bar到17 bar。
  • 常压柴油机的MEP范围为7 ~ 9 bar。
  • 涡轮增压柴油发动机的MEP可以从14到18巴

例如,一个四冲程汽油发动机从2升排量生产200 N·m的MEP为(4π)(200 N·m)/(0.002 m³)= 1256000 Pa = 12 bar。可见,MEP是有用的发动机的特点。对于两个等排量的发动机,一个带a更高的议员将会产生更高的网络工作如果引擎以同样的速度运行,更大的力量

奥托周期 - 解决方案问题

我们假设奥托循环,这是最常见的一种热力学循环可以在汽车发动机。此类发动机的关键参数之一是顶部死点(TDC)之间的卷变化到底死中心(BDC)。这些卷的比例(V.1/ V.2)被称为压缩率

压缩率在一个汽油发动机通常不会比10:1高很多,由于潜在的发动机爆震(自动点火),不低于6:1。例如,一些跑车发动机的压缩比可以达到12.5:1(例如法拉利458 Italia)。

otto循环 - 光伏图
奥托循环的pV图。由整个循环路径所限定的区域表示在一个循环中可以完成的总功。

在这个例子中,让我们假设一个奥托循环压缩率CR = 9:1。进气气压为100kpa = 1bar, 20°C,压缩行程前腔体体积为500cm³。最后的温度绝热膨胀是T4.= 800 K.

  • 常压和室温下空气恒压比热容:CP.= 1.01 kj / kgk。
  • 常压常温等容空气比热容:CV.= 0.718 kJ / kgK。
  • κ= cP./ cV.= 1.4

计算:

  1. 进气的质量
  2. 温度T.3.
  3. 压力P.3.
  4. 通过燃烧燃料 - 空气混合物添加的热量
  5. 这个循环的热效率
  6. 的议员

解决方案:

1)进气的质量

在计算开始时,我们必须在压缩冲程之前确定气缸中的气体量。使用理想的气体法,我们可以找到质量:

pV =先生具体的T.

在哪里:

  • P.是个绝对压力气体的
  • m是物质的质量
  • T.是个绝对温度
  • V.是卷
  • R.具体的是特定的气体恒定,等于通用气体常数除以气体或混合物的摩尔质量(m)。用于干燥空气r具体的= 287.1 J.kg-1.k.-1

所以

m= P.1V.1/ R.具体的T.1= (100000 × 500×10 .-6)/(287.1 × 293) =5.95×10-4公斤

在这个问题中,所有的卷是已知的:

  • V.1= V.4.= V.最大限度=500×10-6m3.(0.5L)
  • V.2= V.3.= V.最小值= V.最大限度/ cr = 55.56×10-6m3.

请注意,(V最大限度- - - - - - V最小值) x汽缸数=发动机总排量。

2)温度T.3.

由于该过程是绝热的,我们可以使用以下p,v,t关系绝热过程

绝热配方 - 示例

因此

T.3.= T.4.。CR.κ - 1= 800。9.0.4=1926 K.

3)压力P.3.

同样,我们可以用理想气体定律找出动力冲程开始时的压力如下:

P.3.=先生具体的T.3./ V.3.= 5.95×10-4x 287.1 x 1926 / 55.56×10-6= 5920000 Pa =59.2酒吧

4)添加的热量

计算通过燃烧燃料 - 空气混合物添加的热量,q添加,我们必须使用热力学第一定律w88优德app为了等级过程,表示Q添加=∆U,因此:

问:添加= MC.V.(T.3.- T2

在压缩行程结束时的温度可以用点之间的绝热过程的p, V, T关系来确定1→2。

绝热过程-公式

T.2= T.1。CR.κ - 1= 293。9.0.4=706 K

然后

问:添加= MC.V.(T.3.- T2) = 5.95×10-4x 718 x 1220 =521.2 J

5)热效率

热效率对于一个奥托循环:

正如上节推导的,奥托循环的热效率是压缩比和κ的函数:

奥托循环-效率-例子

6)平均有效压力

MEP.被定义为:

平均有效压力 - 定义

该方程式位移量等于V.最大限度- - - - - - V最小值。可以使用加热和热效率来计算一个循环的网络工作:

W.=问:添加。η.奥托=521.2 x 0.5847 =304.7 J
MEP.= 304.7 / (500×10-6- 55.56×10-6)= 685.6 KPA =6.856条

参考:
核与反应堆物理学:
  1. J. R. Lamarsh,核反应堆理论介绍,第二辑,艾迪生 - 韦斯利,读书,马(1983)。
  2. J. R. Lamarsh,A. J. Baratta,核工程介绍,3D Ed。,Prentice-Hall,2001年,ISBN:0-201-82498-1。
  3. W. M. Stacey,核反应堆物理,约翰瓦里和SONS,2001,ISBN:0-471-39127-1。
  4. Glasstone,Sesonske。核反应堆工程:反应堆系统工程,弹簧斯;第4版,1994,ISBN:978-0412985317
  5. W.S.C.威廉姆斯。核子与粒子物理。克拉伦登出版社;1版,1991,ISBN: 978-0198520467
  6. Kenneth S. Krane。介绍核物理,第3版,WIley,1987,ISBN:978-0471805533
  7. G.R.Keepin。核子动力学物理。addison - wesley酒吧。有限公司;第1版,1965年
  8. 罗伯特·里德·伯恩,《核反应堆运行导论》,1988年。
  9. 美国能源,核物理与反应堆理论系。DOE基础知识手册,第1卷和2. 1993年1月。

先进反应堆物理:

  1. K.O. Ott,W.A.Pezella,介绍性核反应堆估值,美国核协会,修订版(1989),1989年,ISBN:0-894-48033-2。
  2. 《核反应堆动力学概论》,美国核学会,1985,ISBN: 0-894-48029-4。
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  4. E. E. Lewis,W.F.F. Miller,中子运输计算方法,美国核协会,1993年,ISBN:0-894-48452-4。

参见:

热力学循环

我们希望,这篇文章,奥托循环 - 奥托发动机,帮助你。如果是这样的话,给我们一个在侧边栏中。本网站的主要目的是帮助公众学习有关热工程的一些有趣和重要信息。优德app