วงจรออตโต: ขั้นตอนประสิทธิภาพการใช้งานแบบฝึกหัดที่แก้ไขได้ - กายภาพ - 2025

วงจรอ็อตโตเป็นวงจรอุณหพลศาสตร์ที่ถูกสร้างขึ้นจากสองกระบวนการ isochoric และสองกระบวนการอะเดียแบติก วัฏจักรนี้เกิดขึ้นกับของไหลเทอร์โมไดนามิกส์ที่บีบอัดได้ มันถูกสร้างขึ้นโดยวิศวกรชาวเยอรมัน Nikolaus Otto ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ซึ่งเป็นผู้ที่ปรับปรุงเครื่องยนต์สันดาปภายในให้สมบูรณ์แบบซึ่งเป็นรุ่นก่อนของเครื่องยนต์ที่พบในรถยนต์สมัยใหม่ ต่อมา Gustav Otto ลูกชายของเขาได้ก่อตั้ง บริษัท BMW ที่มีชื่อเสียง

วงจรออตโตใช้กับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ทำงานร่วมกับส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิงที่ระเหยได้เช่นน้ำมันเบนซินก๊าซหรือแอลกอฮอล์และการเผาไหม้จะเริ่มต้นด้วยประกายไฟฟ้า

รูปที่ 1. รถยนต์ในการแข่งขัน Nascar ที่มา: Pixabay

ขั้นตอนของวงจรออตโต

ขั้นตอนของวงจรออตโตคือ:

1. การบีบอัดอะเดียแบติก (ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม)
2. การดูดซับพลังงานความร้อนในรูปแบบไอโซโคริก (โดยไม่เปลี่ยนปริมาตร)
3. การขยายตัวของอะเดียแบติก (ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม)
4. การขับไล่พลังงานความร้อนในรูปแบบไอโซโคริก (โดยไม่เปลี่ยนปริมาตร)

รูปที่ 2 แสดงด้านล่างแสดงระยะต่างๆของวงจรออตโตในแผนภาพ PV (ปริมาตรความดัน)

รูปที่ 2. แผนภาพ PV ของวงจรออตโต ที่มา: self made.

ใบสมัคร

วงจร Otto ใช้กับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบสี่จังหวะและสองจังหวะอย่างเท่าเทียมกัน

-4 จังหวะเครื่องยนต์

เครื่องยนต์นี้ประกอบด้วยลูกสูบหนึ่งตัวหรือมากกว่าในกระบอกสูบแต่ละตัวมีวาล์วไอดีหนึ่ง (หรือสอง) และวาล์วไอเสียหนึ่ง (หรือสอง)

เรียกเช่นนี้เนื่องจากการทำงานของมันมีขั้นตอนที่แม่นยำสี่ครั้งหรือมีการทำเครื่องหมายไว้อย่างดีนั่นคือ:

1. การรับเข้าเรียน
2. การอัด
3. การระเบิด
4. การหลบหนี

ขั้นตอนหรือช่วงเวลาเหล่านี้เกิดขึ้นระหว่างการหมุนสองรอบของเพลาข้อเหวี่ยงเนื่องจากลูกสูบลงและขึ้นในครั้งที่ 1 และ 2 และอีกครั้งจะลงและขึ้นในครั้งที่ 3 และ 4

ด้านล่างนี้เราจะอธิบายรายละเอียดสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนเหล่านี้

ขั้นตอนที่ 1

การลดลูกสูบลงจากจุดสูงสุดโดยเปิดวาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดเพื่อให้ส่วนผสมของเชื้อเพลิงอากาศถูกดึงเข้าสู่ลูกสูบในระหว่างที่มันตกลงมา

ไอดีเกิดขึ้นระหว่างขั้นตอน OA ของแผนภาพวงจร Otto ที่ความดันบรรยากาศ PA ในขั้นตอนนี้ส่วนผสมของเชื้อเพลิงอากาศได้ถูกรวมเข้าด้วยกันซึ่งเป็นของเหลวอัดที่ใช้ในขั้นตอน AB, BC, CD และ DA ของวงจร Otto

ขั้นตอนที่ 2

ไม่นานก่อนที่ลูกสูบจะถึงจุดต่ำสุดวาล์วทั้งสองจะปิดลง จากนั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นในลักษณะที่บีบอัดส่วนผสมของเชื้อเพลิงอากาศ กระบวนการบีบอัดนี้เกิดขึ้นเร็วมากจนแทบไม่ให้ความร้อนกับสิ่งรอบข้าง ในวงจรออตโตนั้นสอดคล้องกับกระบวนการอะเดียแบติก AB

ขั้นตอนที่ 3

ที่จุดสูงสุดของลูกสูบเมื่อส่วนผสมถูกบีบอัดและวาล์วปิดการเผาไหม้ของส่วนผสมที่เกิดจากประกายไฟจะเกิดขึ้น การระเบิดนี้เร็วมากจนลูกสูบแทบจะไม่ลง

ในวัฏจักรออตโตนั้นสอดคล้องกับกระบวนการไอโซคอริกบีซีที่ความร้อนถูกฉีดเข้าไปโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่สังเกตเห็นได้ส่งผลให้ความดันของส่วนผสมเพิ่มขึ้น ความร้อนเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีของการเผาไหม้ของออกซิเจนในอากาศด้วยเชื้อเพลิง

ขั้นตอนที่ 4

ส่วนผสมแรงดันสูงจะขยายตัวทำให้ลูกสูบเคลื่อนตัวลงมาในขณะที่วาล์วยังคงปิดอยู่ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเร็วมากจนการแลกเปลี่ยนความร้อนกับภายนอกน้อยมาก

ณ จุดนี้งานบวกจะทำบนลูกสูบซึ่งส่งโดยก้านสูบไปยังเพลาข้อเหวี่ยงทำให้เกิดแรงจูงใจ ในวงจรออตโตจะสอดคล้องกับซีดีกระบวนการอะเดียแบติก

ขั้นตอนที่ 5

ในช่วงล่างของจังหวะความร้อนจะถูกขับออกจากกระบอกสูบไปยังสารทำความเย็นโดยที่ปริมาตรไม่เปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด ในวงจรออตโตนั้นสอดคล้องกับกระบวนการไอโซโคริก DA

ขั้นตอนที่ 6

ในส่วนสุดท้ายของจังหวะลูกสูบส่วนผสมที่ถูกเผาจะถูกขับออกโดยวาล์วไอเสียซึ่งยังคงเปิดอยู่ในขณะที่วาล์วไอดีปิดอยู่ การหลบหนีของก๊าซที่เผาไหม้เกิดขึ้นระหว่างขั้นตอน AO ในแผนภาพวงจรออตโต

กระบวนการทั้งหมดจะถูกทำซ้ำโดยการป้อนผ่านวาล์วไอดีของส่วนผสมอากาศและเชื้อเพลิงใหม่

รูปที่ 3. เครื่องยนต์สี่จังหวะ ที่มา: pixabay

งานสุทธิที่ทำในวงจรออตโต

วงจร Otto ทำงานเหมือนเครื่องยนต์ความร้อนและทำงานในทิศทางตามเข็มนาฬิกา

งานที่ทำโดยก๊าซที่ขยายผนังที่มีมันคำนวณโดยสูตรต่อไปนี้:

โดยที่ Vi คือโวลุ่มเริ่มต้นและ Vf เป็นโวลุ่มสุดท้าย

ในวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์งานสุทธิจะสอดคล้องกับพื้นที่ที่อยู่ในวงจรของแผนภาพ P - V

ในกรณีของวงจรออตโตจะสอดคล้องกับงานเชิงกลที่ทำจาก A ถึง B บวกกับงานเชิงกลที่ทำจาก C ถึง D ระหว่าง B และ C งานที่ทำจะเป็นศูนย์เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร ในทำนองเดียวกันระหว่าง D และ A งานเป็นโมฆะ

งานที่ทำจาก A ถึง B

สมมติว่าเราเริ่มต้นจากจุด A โดยที่ปริมาตร Va ความดัน Pa และอุณหภูมิ Ta เป็นที่รู้จัก

จากจุด A ถึงจุด B จะทำการบีบอัดอะเดียแบติก ภายใต้สภาวะกึ่งคงที่กระบวนการอะเดียแบติกจะเป็นไปตามกฎหมายของปัวซองซึ่งระบุว่า:

โดยที่γคือผลหารอะเดียแบติกที่กำหนดให้เป็นผลหารระหว่างความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่และความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่

ดังนั้นงานที่ทำจาก A ถึง B จะคำนวณโดยความสัมพันธ์:

หลังจากทำการอินทิกรัลและใช้อัตราส่วนของปัวซองสำหรับกระบวนการอะเดียแบติกแล้วเรามี:

โดยที่ r คืออัตราส่วนการบีบอัด r = Va / Vb

งานที่ทำจาก C ถึง D

ในทำนองเดียวกันงานที่ทำจาก C ถึง D จะคำนวณโดยอินทิกรัล:

ผลลัพธ์คือ

โดยที่ r = Vd / Vc = Va / Vb คืออัตราส่วนการบีบอัด

งานสุทธิจะเป็นผลรวมของสองงาน:

ความร้อนสุทธิในวงจร Otto

ในกระบวนการจาก A ถึง B และจาก C ถึง D จะไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนเนื่องจากเป็นกระบวนการอะเดียแบติก

สำหรับกระบวนการจาก B ถึง C จะไม่มีการทำงานใด ๆ และความร้อนที่ได้รับจากการเผาไหม้จะเพิ่มพลังงานภายในของก๊าซและทำให้อุณหภูมิจาก Tb เป็น Tc

ในทำนองเดียวกันในกระบวนการจาก D ถึง A มีการถ่ายเทความร้อนที่คำนวณได้เช่นกัน:

ความร้อนสุทธิจะเป็น:

ประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพหรือประสิทธิภาพของมอเตอร์ไซคลิกคำนวณโดยการหาผลหารระหว่างงานสุทธิที่ทำกับความร้อนที่จ่ายให้กับระบบสำหรับแต่ละรอบการทำงาน

หากผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ถูกแทนที่ในนิพจน์ก่อนหน้านี้และมีการตั้งสมมติฐานว่าส่วนผสมของอากาศเชื้อเพลิงทำงานเป็นก๊าซในอุดมคติประสิทธิภาพทางทฤษฎีของวัฏจักรจะถึงซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราส่วนกำลังอัดเท่านั้น:

วงจรออตโตแก้ไขแบบฝึกหัด

- การออกกำลังกาย 1

เครื่องยนต์เบนซินสี่จังหวะ 1500 ซีซีที่มีอัตราส่วนกำลังอัด 7.5 ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีความดันบรรยากาศ 100 kPa และ 20 องศาเซลเซียส กำหนดงานสุทธิที่ทำต่อรอบ สมมติว่าการเผาไหม้ก่อให้เกิด 850 จูลสำหรับส่วนผสมของเชื้อเพลิงอากาศแต่ละกรัม

สารละลาย

มีการคำนวณนิพจน์งานสุทธิก่อนหน้านี้:

เราจำเป็นต้องกำหนดปริมาตรและความดันที่จุด B และ C ของวงจรเพื่อกำหนดงานสุทธิที่ทำ

ปริมาตรที่จุด A ที่กระบอกสูบเต็มไปด้วยส่วนผสมของน้ำมันเบนซินคือการกระจัด 1500 ซีซี ที่จุด B ปริมาตรคือ Vb = Va / r = 200 ซีซี

ปริมาตรที่จุด C คือ 200 ซีซี

การคำนวณความดันที่ A, B และ C

ความดันที่จุด A คือความดันบรรยากาศ ความดันที่จุด B สามารถคำนวณได้โดยใช้อัตราส่วนของปัวซองสำหรับกระบวนการอะเดียแบติก:

เมื่อพิจารณาว่าส่วนผสมส่วนใหญ่เป็นอากาศที่สามารถถือว่าเป็นก๊าซในอุดมคติไดอะตอมได้ค่าสัมประสิทธิ์แกมมาอะเดียแบติกจะรับค่า 1.4 จากนั้นความดันที่จุด B จะเท่ากับ 1837.9 kPa

ปริมาตรของจุด C เหมือนกับจุด B นั่นคือ 200 ซีซี

ความดันที่จุด C สูงกว่าที่จุด B เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่เกิดจากการเผาไหม้ ในการคำนวณเราจำเป็นต้องทราบว่าการเผาไหม้มีส่วนทำให้เกิดความร้อนเท่าใด

ความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้เป็นสัดส่วนกับปริมาณของส่วนผสมที่ถูกเผา

การใช้สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ:

ดังนั้นความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้คือ 1.78 กรัม x 850 จูล / กรัม = 1513 จูล สิ่งนี้ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งสามารถคำนวณได้จาก

Tb สามารถคำนวณได้จากสมการของสถานะที่ทำให้เกิด 718 K ดังนั้นสำหรับข้อมูลของเราค่าผลลัพธ์ของ Tc คือ 1902 K

ความดันที่จุด C ถูกกำหนดโดยสมการของสถานะที่ใช้กับจุดนั้นทำให้ได้ 4868.6 kPa

การทำงานสุทธิต่อรอบคือ 838.5 จูล

- การออกกำลังกาย 2

ตรวจสอบประสิทธิภาพหรือสมรรถนะของมอเตอร์จากแบบฝึกหัด 1 สมมติว่ามอเตอร์ทำงานที่ 3000 รอบต่อนาทีให้กำหนดกำลัง

สารละลาย

การแบ่งงานสุทธิด้วยความร้อนที่ให้มาทำให้ได้ประสิทธิภาพ 55.4% ผลลัพธ์นี้เกิดขึ้นพร้อมกับที่ได้จากการประยุกต์ใช้สูตรโดยตรงเพื่อประสิทธิภาพในการทำงานของอัตราส่วนการบีบอัด

พลังคืองานที่ทำต่อหนึ่งหน่วยเวลา 3000 รอบต่อนาทีเท่ากับ 50 รอบต่อวินาที แต่รอบของ Otto จะเสร็จสมบูรณ์สำหรับทุกๆสองรอบของเครื่องยนต์เนื่องจากเป็นเครื่องยนต์สี่จังหวะดังที่เราได้อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

ซึ่งหมายความว่าในหนึ่งวินาทีวงจร Otto จะถูกทำซ้ำ 25 ครั้งดังนั้นงานที่ทำคือ 25 x 838.5 จูลในหนึ่งวินาที

สิ่งนี้สอดคล้องกับกำลัง 20.9 กิโลวัตต์เทียบเท่ากับ 28 แรงม้า

อ้างอิง

1. วัฏจักรของอุณหพลศาสตร์ สืบค้นจาก: fis.puc.cl
2. Martín, T. และ Serrano, A. Otto cycle. กู้คืนจาก: 2.montes.upm.es.
3. มหาวิทยาลัยเซบีญ่า Wiki ของภาควิชาฟิสิกส์ประยุกต์ออตโตกรณีศึกษา ดึงมาจาก: laplace.us.es.
4. วิกิพีเดีย วงจร Otto สืบค้นจาก: es.wikipedia.com
5. วิกิพีเดีย เครื่องยนต์ Otto สืบค้นจาก: es.wikipedia.com