3.5 Förbränningsmotor (Otto Cycle)

Nästa: Föregående: 3.4 Kylskåp och värme Innehåll Index

Underavsnitt

3.5.1 Verkningsgrad för en ideal Otto-cykel
3.5.2 Motorarbete, arbetshastighet per enhet enthalpiflöde

Otto-cykeln är en uppsättning processer som används av gnisttändande förbränningsmotorer (2-takts- eller 4-taktscykel). Dessa motorer a) tar in en blandning av bränsle och luft, b) komprimerar den, c) får den att reagera, vilket i praktiken tillför värme genom att omvandla kemisk energi till termisk energi, d) expanderar förbränningsprodukterna och sedan e) kastar ut förbränningsprodukterna och ersätter dem med en ny laddning av bränsle och luft. De olika processerna visas iFigur 3.8:

Intagsslag, bensinångor och luft dras in i motorn ().
Kompressionsslag, , ökning ().
Förbränning (gnista), kort tid, i huvudsak konstant volym (). Modell: Värmeupptagning från en serie reservoarer vid temperaturer till .
Kraftslag: expansion ().
Utsläpp från ventil: ventilen öppnas, gasen läcker ut.
() Modell: Avledning av värme till en serie reservoarer vid temperaturer till .
Utsläppsslag: kolven trycker ut resterande förbränningsprodukter ur kammaren().

Vi modellerar processerna som att de alla verkar på en fast luftmassa som ingår i ett kolv-cylinderarrangemang, vilket visas iFigur 3.10.

Figur 3.8:Den ideala Otto-cykeln

Figur 3.9:Skiss över en verklig Otto-cykel

Figur 3.10:Kolv och ventiler i en fyrtakts förbränningsmotor

Den verkliga cykeln har inte de skarpa övergångarna mellan de olika processerna som den ideala cykeln har, och skulle kunna skissas i figur 3.9.

3.5.1 Effektiviteten hos en ideal Otto-cykel

Utgångspunkten är det generella uttrycket för den termiska effektiviteten hos en cykel:

Konventionen, som tidigare, är att värmeutbytet är positivt om värme strömmar in i systemet eller motorn, så är negativt. Den absorberade värmen uppstår under förbränningen när gnistan uppstår,ungefär vid konstant volym. Den absorberade värmen kan relateras till temperaturförändringen från tillstånd 2 till tillstånd 3 på följande sätt:

Den avgivna värmen ges av (för en perfekt gas med konstanta specifika värmekoncentrationer)

Genom att ersätta uttrycken för absorberad och avvisad värme med uttrycket för termisk verkningsgrad får man

Vi kan förenkla ovanstående uttryck genom att använda det faktum att processerna från 1 till 2 och från 3 till 4 är isentropiska:

Mängden kallas kompressionsförhållandet. När det gäller kompressionsförhållandet är verkningsgraden för en ideal Otto-cykel följande:

Figur 3.11:Ideal Otto-cykelns termiska verkningsgrad

Den idealiska Otto-cykelns verkningsgrad visas som en funktion av kompressionsförhållandet i figur 3.11. När kompressionsförhållandet, , ökar, ökar , men även . Om är för hög kommer blandningen att antändas utan gnista (på fel plats i cykeln).