Comprender el proceso de cuatro etapas en el ciclo de Otto para estudiantes de ingeniería

El proceso de cuatro tiempos en el ciclo Otto es el principio operativo fundamental para la mayoría de motores de combustión interna impulsados por gasolina. Los estudiantes de ingeniería que estudian termodinámica, diseño mecánico y sistemas de transmisión eléctrica deben desarrollar una comprensión completa y cuantitativa de cada golpe y su papel en convertir la energía química en un trabajo mecánico útil. Este artículo proporciona un examen ampliado y detallado del ciclo Ottormo, desde el modelo termodinámico ideal hasta los conceptos de conducción del motor real, y optimización

Panorama general del ciclo otom

El ciclo de calor de Otto es un ciclo termodinámico idealizado que aproxima el funcionamiento de un motor de combustión interna de chispa. Fue descrito por el ingeniero alemán Nikolaus Otto en 1876 y sigue siendo la columna vertebral conceptual para el diseño del motor de gasolina.En un motor real, el ciclo se produce dentro de cada cilindro como el pistón reciproduce, impulsado por la expansión de gases de combustión caliente constante.

1. Intake Stroke

La compresión del motor es una función de cierre de la válvula de carga que se ve afectada por la presión de la válvula de carga y que se mantiene en el proceso de cierre de la válvula.El motor de carga está optimizado para la presión de la válvula de cierre del motor, y la presión de la válvula de cierre del motor está bloqueada.

Parámetros clave en el Stroke de admisión

  • Eficiencia volumétrica: la relación de la masa de aire real inducida al volumen de desplazamiento teórico a la densidad ambiente. La alta eficiencia volumétrica mejora la potencia de producción.
  • Movimiento de cambio:] el agitador y el agitador generados por la geometría portuaria de ingesta promueven la mezcla de combustible y la propagación de llamas.
  • Frección de gas residual: gases de escape sobrantes del ciclo anterior diluir la carga fresca, afectando la estabilidad de la combustión y las emisiones.

2. Stroke de compresión

El aumento de la presión del pistón y la presión del pistón son los más altos y los más altos.La relación de compresión del motor de la compresión del motor es de tipo TM4 y el rendimiento del motor de la presión del motor TM4.

Compresión de comprensión ratio y eficiencia

La eficiencia térmica de un ciclo ideal de Otto es dada por piragüismo = 1 − 1/(]r]γ−1), donde r es la relación de compresión y γ es la relación de calor específica del fluido de trabajo.

3. Poder (Combustión) Stroke

Aproximadamente 10-30 grados antes de la TDC (dependiendo de la velocidad del motor y la carga), las descargas de los enchufes de chispa, encendiendo la mezcla de combustible comprimido. Un núcleo de llama se desarrolla y propaga a través de la cámara de combustión a velocidades de 10 a 30 m/s. La presión rápida aumenta de la combustión empuja el pistón hacia abajo, produciendo la única potencia del ciclo de escape

Características de la combustión y Knock

La carrera de potencia es donde el ciclo termodinámico interactúa con mayor fuerza con los kinetics químicos. Velocidad de la llama, retraso de encendido y turbulencia de cámara afectan la velocidad de liberación de calor. Si el gas final sin quemadura alcanza una temperatura y presión suficientemente alta antes de que llegue el frente de la llama, puede autoignizar, causando un aumento de presión repentino conocido como golpe de cámara de escape de Knocta

4. Exhaust Stroke

La carrera de escape comienza cuando la válvula de escape se abre (EVO) durante la última parte de la carrera de potencia. Mientras el pistón se mueve hacia arriba desde BDC a TDC, se exprimen los gases quemados a través del puerto de escape. La válvula de escape permanece abierta para un período posterior a la TDC, superando la apertura de la válvula de entrada, para facilitar la descarga, la eliminación del escape residual del cilindro.

Análisis termodinámico del ciclo otom

Un análisis termodinámico más profundo es esencial para que los estudiantes de ingeniería cuantifiquen el rendimiento del motor y comparen las alternativas de diseño. El ciclo ideal de Otto se puede analizar en un diagrama de voluminio de presión (P-V), donde el área encerrada por los cuatro procesos representa la salida de trabajo neto por ciclo.

  • Objeción de trabajo de red: W]net = Qin − Q ]out
  • [LT:0] Entrada de calor: Qin = m cv [T] [FLT] [FLT] [12]]] [FLT] [T[L]] [L]] [L]
  • Rechazo de calor: Q = m cv (T]4] ] ] [FLT:]]
  • [FLT−0]]Eficiencia térmica: ] γ = 1 − (T4] − T1/(T3] [FLT] [4]]] [FLT] [4]] [FLT] [4]]

Para los coeficientes de compresión típicos, la eficiencia ideal aumenta con r, pero las devoluciones disminuyen. Los motores prácticos funcionan con una menor relación de compresión efectiva al considerar el tiempo de válvula y las pérdidas de trituración. Además, el fluido de trabajo en un motor real es una mezcla de aire, vapor de combustible y productos de combustión con calores específicos variables, reduciendo aún más la eficiencia por debajo del ideal.

Contexto histórico: Nikolaus Otto y el motor de cuatro ruedas

El ciclo Otto se llama después de Nikolaus August Otto, que construyó el primer motor práctico de cuatro tiempos en 1876. El motor Otto mejoró en motores atmosféricos anteriores mediante un trazo de compresión separado, aumentando dramáticamente la eficiencia térmica. Su diseño incorporó una válvula de manga deslizante y un carburador para la entrega de combustible. El principio de cuatro tiempos fue patentado anteriormente por Alphonse Beau de Rochas en 1862, pero posterior

Variaciones y mejoras modernas

Los motores de encendido de chispa contemporáneos han evolucionado mucho más allá del ciclo primitivo de Otto, pero la arquitectura fundamental de cuatro tiempos sigue siendo. Los ingenieros han introducido una gama de mejoras para mejorar la eficiencia, la densidad de potencia y las emisiones:

VVT y elevación

Sistemas como VTEC de Honda, VVT-i de Toyota y Valvetronic de BMW varían el tiempo y/o el elevador de válvulas de ingesta y de escape para optimizar la respiración a través del rango operativo. A velocidades bajas, el cierre de válvula de ingesta temprana reduce las pérdidas de bombeo; a altas velocidades, el cierre posterior aumenta la eficiencia volumétrica. VVT también permite la reducción de la necesidad de sistemas EGR externos y mejorar la eficiencia.

Inyección directa (GDI)

La inyección directa de gasolina inyecta combustible directamente en la cámara de combustión en lugar de en el puerto de ingesta. Esto permite un control preciso de la formación de mezcla de combustible al aire, permitiendo quemaduras y reducción de golpe. GDI también soporta la operación de carga estratificada, donde una rica mezcla cerca del enchufe de chispa está rodeada de regiones magras, mejorando la economía de combustible a cargas ligeras.

Turbocargación y Downsizing

Forcing more air into the cylinder via a turbocharger or supercharger allows a smaller displacement engine to produce the same power as a larger one, reducing friction and weight. Downsizing combined with turbocharging is a common strategy for meeting CO2. El turbocharger recupera energía de escape, pero también introduce retos como la carga térmica aumentada y la densidad de turbo.

Ciclo Atkinson y Ciclo Miller

Variantes del ciclo Otto que extienden el trazo de expansión relativo al trazo de compresión (por retardo de cierre de válvula de ingesta) mejora la eficiencia térmica a expensas de la densidad de potencia. El ciclo Atkinson, a menudo utilizado en vehículos híbridos, logra una mayor relación de expansión, extrayendo más trabajo de los gases de combustión.El ciclo Miller emplea el cierre de válvulas de ingesta temprana o tardía para reducir la relación de compresión efectiva al mantener una mayor expansión, disminuyendo eficazmente la eficiencia.

Consideraciones prácticas para estudiantes de ingeniería

Más allá de la memorización de los cuatro golpes, los estudiantes deben desarrollar la capacidad de analizar los datos reales del motor y aplicar los principios termodinámicos para diseñar problemas.

  • Leyendo diagramas P-V: Identificar la ingesta, compresión, combustión, expansión y procesos de escape; calculando la presión media indicada y comparandola con la presión efectiva de freno (BMEP) para evaluar pérdidas mecánicas.
  • Recientemente llamativo y detonación: Relativo a la puesta en marcha de golpes a la temperatura, presión y química de combustible de gases finales; evaluación de los requisitos de octava basada en la relación de compresión y geometría de cámara.
  • Emisiones: Reconociendo que el ciclo ideal de Otto produce solamente CO2 y H2O de la combustión completa, pero los motores reales emiten NO]x], CO, los sistemas de intersección de los hidrocarburos
  • ]] Transferencia de calor y refrigeración: Aproximadamente un tercio de la energía del combustible es rechazada al refrigerante y el agotamiento. Los ingenieros deben gestionar cargas térmicas para evitar el sobrecalentamiento manteniendo altas temperaturas de la pared del cilindro para minimizar las capas de apagado que producen emisiones de HC.
  • ]Evento cartografía y calibración: El tiempo de estacionamiento, la cantidad de inyección de combustible y la tasa de EGR deben ser calibrados a través de una gama de velocidades y cargas. Los estudiantes deben entender que el punto óptimo para la eficiencia o la potencia a menudo difiere, y las decisiones de calibración de la unidad de compensación.

Conclusión

El proceso de cuatro tiempos en el ciclo de Otto sigue siendo la arquitectura dominante para motores de encendido de chispa después de más de un siglo de desarrollo. Para los estudiantes de ingeniería, una comprensión robusta de los golpes individuales, la termodinámica subyacente, y las limitaciones prácticas son indispensables para diseñar, analizar y mejorar los motores de combustión interna. A medida que la industria automotriz gira hacia la electrificación, el ciclo de Otto continúa evolucionando, a través de la combinación de los principios alternativos de combustibles.

Para más lectura, consulte los libros de texto clásicos como Fundamentos del motor de combustión interna por John B. Heywood o La termodinámica de la ingeniería por P. K. Nag. Recursos en línea de SAE International[LT:5] y [FLT]