Kısa Bir Tarih: Nikolaus Otto ve Bir Devrimin Doğumu

Petrol ve hava kirliliğini dışlamadan önce, 1876 yılında, Alman mühendisi Nikolaus Ağustos Otto, 1862 yılında, yüksek çözünürlükte ve yüksek çözünürlükte bulunan dört yüzücük bir enerji konseptini kullanarak, 1862 yılında sıkıştırılmış bir enerjiyle ilgili olarak inşa etti.

İdeal Otto Döngüsü: Bir Termodinamik Blueprint

valflerle uğraşmaktan önce, kıvılcım fişleri ve egzoz manifoldları, mühendisler süreci sabit bir hava kütlesine (standart hava varsayımları) devre dışı bırakma işlemini dört geri dönüşümlü süreçlere maruz bırakıyorlar.Bu ideal döngü, her motor tasarımı için başlangıç noktasını ortaya koyuyor.

p-V Diagram ve Süreç Sequences

Bir basınç-volume (p-V) diyagramında, ideal Otto döngüsü farklı bir döngüsel şekil oluşturur.

  • [FONT=0)Isentropic kompresyonu (devlet 1 → 2): [DÜDÜDÜDÜDÜDÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜNÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ
  • [FONT=0)Constant-volume ısı eki (2 → 3): [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜye Olmayanlar, Enerjiyi ısıtın [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜ
  • [FONT:0]Isentropic genişleme (3 → 4): [Dönetici: [Dönetici: 0,3] Yüksek basınçlı gazlar, BDC'ye kadar pistonu itiyor. Gaz tartışmalı ve geri dönüşümlü olarak, crankshaft üzerinde çalışır. Bu, ideal modelde güç üreten darbedir.
  • [FONT=0]Constant-volume ısı reddedilmesi (4 → 1): [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜNÜŞÜNÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜŞÜNCÜDÜDÜDÜŞÜNCÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Ayda net çalışma, p-V diyagramı tarafından kapalıdır: )|)|=Q)[FLT[FLT: 9)[FLT: 9|D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D))[D)))[Döneticileri için (D) pdf x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Termal Verimlilik ve Kombinasyon Oranı

İdeal döngü analizinden, termal verimlilik ( ⁇ ) bir Otto döngüsünden sadece sıkıştırma oranına (r) ve çalışma sıvısının belirli ısı oranına bağlıdır:

[FONT:0] [Dönemli: 1 {0][[Dönemli)[[*) {0}[[Dönemli) [8]

Burada, r = V)max) / V)[Dönetici: 3 ), genellikle 8:1 ve 13:1 arasında modern benzin motorları için, ve ⁇ 1.4 hava için, yüksek sıkıştırma oranlarının daha yüksek verim verdiği gösteriyor - ancak kıvılcım-igne motorlarında, çok yüksek oranda ısı verimliliğinıyor (kontrollü) pratik eğimi azaltmak için.

Dört İndükleri Detaylı: Sadece Bir Eşitlik Değil

İdealleştirilmiş model her bir vuruşu farklı bir termodinamik olay olarak ele alırken, gerçek motorlar sınırları çakıştır ve sınırları bulanıklaştırır. Her bir vuruşu mühendislik öğrencisinin ihtiyacı olan nuance ile inceleyelim.

1. Intake İni: Silindir şarj

Satın alma işlemi TDC'de pistonla başlıyor, egzoz valfi sadece kapanıyor ve alımın açılışını yapıyor.Sürücük aperatif (veya altında bir turboşarj motorunda baskının altında), TDC'den (örneğin, boru hattına geçiş) ve BDC'ye girmeden önce gelen hava ile karıştırıyor; doğrudan motorlarda, sadece hava sıkıştırılırken ısıtılırken ısıtılır.

Satın alma sırasında Anahtar parametreler:

  • [FONT=0]Volumetrik verimlilik ( ⁇ )) .)[Döneticileri dinamik bir şekilde ayarlandığında, sert cam profillerin nasıl iyi olduğunu ölçmek. geniş açık uçlu tonlar, ⁇ ).
  • [FONT=0)Turbulence ve şarj hareketi: Intake port tasarımı ve valf asansörü, swirl (kahkaha eksenleri etrafında boklama) veya daha hızlı alev yayılımını teşvik eden tümörler.
  • [FONT:0)Residual gaz kesir:[Dönemli:[Dönemli gaz kesir:[Dönemli) Bazı egzozlar önceki döngüden kalır, NOx formunu azaltmak için taze şarj ve daha düşük üst sıcaklıklara sahip olur. Doğal olarak aspirasyonlu motorlarda, retorikler, EGR ile% 5-10 civarındadır; EGR ile,% 20 veya daha fazla ulaşabilir.
  • [[Düzzaman optimizasyonu: [DüzDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜ:0)Valve zamanlama optimizasyonu:[[DÜDÜDÜDÜDÜ) Değişkenlik valf zamanlaması (VVT) hızlı bir şekilde yüksek hızlı nefes alma ve yüksek hızlı bir şekilde sıkıştırma için etkili bir sıkıştırmayı azaltır.

Mühendislik öğrencileri, alımın gerçek bir sürekli baskı süreci olmadığını not etmelidir; baskı izi, gaz dinamikleri olarak piston hareketi ile etkileşime girdiğinde hafif bir salınım gösteriyor.

2. Kompüratör: Kontrollü Burn için Hazırlanma

Her iki kapak kapalı, piston yukarı doğru hareket eder, orijinal hacminin bir kısmını sıkıştırır. Sıcaklık 400-500 °C'ye yükselir, sıvı yakıtı daha iyice buharlaştırır ve baskı 1.5-2.5 MPa'ya sadece ateşleme oranı sabit bir şekilde ulaşır, ancak etkili bir sıkıştırma oranı değişkenli bir şekilde kapanabilir.

Kompresyon sırasında, hava yakıt ve yanma odası tasarımının (squish alanları, pistonlu form, turbulence nesli) gerçekten de katlanmak zorunda kalır - son gaz otovansiyonları ısı geçişi, alev cephesi %1.4 oranında azalırken, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir ısı transferi.

3. Power İn: The Work-Proning Event

Bu baskı, TDC'nin (park önceden) yaklaşık 20-30 °'dan önce birkaç derece ateşler ateş ediyor. Combustion hızlı ama anında değil: alev cephesi, yanma sırasındaki baskının artması, yaklaşık 20-30 ° C derecesinde bir anahtarla şarj edilebilir, ki bu genişleme, boru hattını büyük bir güçle itiyor.

Çeşitli kritik faktörler güç vuruşunu etkiler:

  • [FONT:0]Spark zamanlaması: [Dönderlik: [Dönderlik:0] Çok erken ve zirve basıncı hala yükselip, iş ve risk çekme; TDC'den sonra çok geç ve zirve basıncı oluşur, genişleme işini azaltır.
  • [FONT=0]Combustion süresi: [Döntgen: [Döntgen: 0] Daha hızlı bir şekilde yanma, basınç artışı oranı, dP/d ⁇ ) ve stres bileşenlerinin 25-% 50 oranında sabit yansıması, sürekli olarak yüksek yanmaya yol açıyor.
  • [FONT:0]Heat kaybı: [Dönetici: [Dönetici: 0,3] Bazı dizel motorlarda kullanılanlar gibi yüksek enerji tüketiminde, bu kaybı azaltmak için kıvılcım-sıtma motorlarına devam etmektedir.
  • [FONT=0]In-cylinder akışı: [Dönder: [Dönder: 1] Swirl ve tumblem alev yayılımı, özellikle de yalın karışımlar veya yüksek EGR fraksiyonlar ile önemli. squish akışının etkileşimi (TDC yakınındaki piston kasesine bağlı olarak şarj) enjekte edilebilir.

Alarm verici bir gösteri için, kıvılcım zamanlamasının p-V diyagramları ve iş çıktısını nasıl etkilediği, [[ŞUygunT:0)Mühendis YouTube kanalını açıkladı).

4. Eğlenme: Silindiryi temizlemek

Güç vuruşu sırasında BDC'ye yakın olduğu gibi, egzoz valfi erken açılır - egzoz valfi tamamen açılır.(Kdlowdown[DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD) daha kısa sürede, yüksek basınçlı gazlar için hızla tükenirken, satın alma ve egzoz kapakları aynı anda birkaç derece açık kalırken, gazların çıkış hızı, temiz ısınarak ısınır.

E egzoz sistemleri pasif borular değildir. Backpress pompalama çalışmalarını etkiler ve ayarlanan uzun başlıkları belirli RPM aralıklarında scavending geliştirmek için baskı dalgası yansımalarını kullanır. Catalytic dönüştürücüler ve benzinli filtreler (GPF) ayrıca sınırlamayı etkiler, mühendislere motor nefesiyle dengeleyerek emisyon kontrolü dengelemeyi sağlar.

İdealten Devitasyonlar: Gerçek Lisans Kayıpları

Öğrenciler gerçek Otto döngüsünün ders hava standart modelinden önemli ölçüde geliştiğini bilmelidir. Bu gerçek dünya kayıplarının ideal limite yaklaşımı olan motorları tasarlamak için gereklidir.

  • [[Düzücük:0)Pumping kayıpları: [Dönekli şarjda çekmek ve tükenmek için gerekli olan çalışma, özellikle de kısmen, satın alma katmanının yüksek olduğu (bu nedenle, atmosferin altındaki 0.7 bara kadar) bu kayıplar ışık yükünde belirtilen işin% 10-15'ü hesaplayabilir.
  • [FONT=0]Friction kayıpları: [Dönetici: [Dönetici:0] Mekanik sürtünme, piston halkalarından, yataklarından, valften, aksesuar (su pompası, petrol pompası, alternator Yaklaşık 10–15 yakıt enerjisinin% 30'u sürtünme ile tüketilir. Low vizorya yağları, yüzey kaplamaları ve optimize edilmiş ring gerilimi, 1990'lardan tasarımlara kıyasla% 20–30 oranında azaltılmıştır.
  • [Dönemli yanma: 0] Sürekli bir süre içinde, sürekli bir hacimde değil, ısı eki, üst basınç ve verimliliği azaltır. Bu kaybın genellikle% 5-10'u azaltır ve kıvılcım zamanlaması ve yanma oranı ile en aza indirir.
  • [FONT:0]Blow-by:[Dönetici:[Dönder:) Gazlar, geçmiş piston halkaları etkili genişleme çalışmalarını ve kirletici motor yağı azaltır. 1-3% çekme oranları tipik; daha yüksek fiyatlar yüzük aşınma veya bozulma gösterir.
  • [FONT:0]Heat transfer:[DÜDÜT:1] Enerji, serin ve petrolün aşırı soğutmak için kaybedilmesi, radyatör tarafından dağıtılması, yakıt enerjisinin% 20-25'ine kadar temsil edilmesi gerekir. Bu enerji asla uçsuz soğutma stratejilerine ulaşamaz.
  • [0]Tamamlanmamış yanma:[Dönetici:[Dönetici:0) Bazı yakıtlar yanmaz (özellikle zengin karışımlar) veya sadece kısmen o oksitler, CO ve HC emisyonlarını üretir. siyonometrik koşullarda bile, yakıtların% 1-2'si crevices (piston ring toprakları, gazketi vb.) ve soğuk duvarların yakınındaki tabakaları gider.

Bu kayıplara rağmen, ideal döngü, performans ve rehberlik tasarımının üst sınırlarını anlamak için bir kriter olarak vazgeçilmez kalır. Gerçek çalışma oranı ideal çalışma (en ideal verimlilikle bölünmüş olan ısı verimliliği) genellikle 0.7-0.85 iyi tasarlanmış bir motor için.

Otto vs. Diesel: Aynı İndük Sayıları, Farklı Combustion

Birçok öğrenci, Otto döngüsünü Diesel döngüsü ile karıştırır çünkü her ikisi de dört yüz yüze reciprocat motorlardır.

  • [FONT=0)Otto döngüsü: [Dönemli: 0,3|Dönemli ısı eki olarak modellenmiş ve ısıtılmış bir şarj, bir kıvılcım fişi ile sınırlı.
  • [FONT:0]Diesel döngüsü: [DÜDÜT:1] Kombine ısı eki (en ideal durumda, gerçek yanma sabit ve sürekli baskı fazlarının bir karışımıdır). Sadece dizel hava basıncının yüksek bir oranına kadar sıkıştırılır (14-25:1), yakıtın otoignasyonu noktaya kadar enjekte edilir.

Daha yüksek kompresyon oranı nedeniyle, dizel motorlar genellikle daha yüksek termal verimlilikte çalışır (35-45-% -% 25-35 doğal olarak Otto motorlar için% 35), daha yüksek NOx ve katılımcı emisyonlar üretirler, tedavi sonrası karmaşık gerektirir. Hybrid powertrains ve gelişmiş yanma modları homojen şarj sıkıştırması gibi azaltır (HCCI) verimlilik boşluğunu daraltır.

Modern Variations ve Verimliliği-Boosting Strategies

Klasik Otto döngüsü bugün saf formda nadiren kullanılır. Mühendisler, bazı güç yoğunluğu pahasına verimlilik artırmak için vuruşları değiştiren akıllı varyasyonlar geliştirdiler.

Atkinson Döngüsü ve Miller Döngüsü

Atkinson döngüsü motorunda, satın alma valfi, sıkıştırma oranına göre etkin bir şekilde kapanıyor; [Dördüşün oranına göre yüksek çözünürlükte olan) yüksek çözünürlükte olan bir artışla aynı miktarda yakıtı elde ediyor.

[0]Miller döngüsü[Dönetici:0) benzer ama genellikle süper şarjlı veya turboşarj motorlara uygulanır, daha yüksek bir geometrik sıkıştırma oranı tolere edilebilir çünkü etkili bir sıkıştırma, Toyota Prius, Ford Escape Hybrid) daha düşük hızlı bir şekilde şarj edildiğinde, motor düşük hızlı artış gösterdi.

Değişkenler Valve Timing ve Lift Systems

Honda'nın VTEC (Variable Valve Timing ve Lift Electronic Control), Toyota'nın VV Atkins-i (Variable Valve Timing with intelligence), ve BMW'nin Valvetronic, valf olaylarının sabit kontrolünü sağlarken, kullanım süresini ayarlar ve asansör, motorlar Otto gibi yüksek güç modundan geçebilir (kısayısıyla sabitlenir, yüksek asansör) ve bir sürüş hızıyla% 15-en verimli (daha düşük asansör). Bazı motorlar bile hafif yük yolcularını kapatarak devre dışı bırakabilir.

Doğrudan Enjeksiyon ve Turbocharging

Kompiyon sırasında doğrudan silindire yakıt buharlaştırma (daha fazla buharlaştırma ısısı) ile şarj edilebilir, artan motor yerinden edilmeleri olmadan daha yüksek sıkıştırma oranlarına izin verir - doğrudan enjeksiyon oranı ile bilinen bir kavram, turboşarjlama, aynı gücü 2,5 litreye kadar doğal olarak aynı şekilde üretmek için 1.5 litrelik bir motora sahiptir.

Emisyonlar ve Tedavi Sonrası

İdeal Otto döngüsü sadece CO[DÜT:0) ile (H[DÜDÜ) ve H[DÜSTR:2) [DÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜN

Uygulamalar ve Yol Ahead

Otto döngüsünin basitliği ve adaptasyonu, kişisel ulaşım için baskın prime hareketi yaptı. Elektrikli araçlar pazar payı kazanıyor, kıvılcım ateşleme motorları milyonlarca araç, motosiklet ve çim ekipmanlarından hibrit elektrikli arabalara ve genişleyenlere kadar devam edecek. Ayrıca havacılıkta (piston uçakları genel havacılık için) kritiktir, deniz kenarındaki motorlarda ve birleştirilmiş ısı ve güç (CHP) birimlerinde de endüstriyel ve konut kullanımı için güç sahibi olacaktır.

Karbon-nötr sentetik yakıtlara, hidrojen yanmasına ve ileri ateşleme sistemlerine (örneğin lazer ateşleme, koro ateşleme ve ön-hemmber jet ignition) daha sonra klasik Otto döngüsünün ısı verimliliğini artırmayı ve yanmayı hedefliyor. Pre-chamber ignition sistemleri, Formula 1 motorlarında kullanılanlar gibi, gerçek bir basınç ve daha iyi bir zamanlama sensörleri kullanarak küçük bir zengin karışıma hız verebilir.

Otto döngüsü dahil olmak üzere iç yanma motor temellerine daha geniş bir bakış için, ESFLT:0)U.S. Enerji araç teknolojileri Ofisi) gelişmiş yanma ve verimlilik teknolojileri üzerinde erişilebilir kaynaklar ve araştırma güncelleştirmeleri sağlar.

Mühendislik Öğrencileri için Anahtar Çekeçleri

  • Otto döngüsü, dört yüz yüzen kıvılcım-ignition döngüsüdür, isentropic sıkıştırması ve genişleme ile sürekli-volume ısısı ek olarak ve sürekli-volume ısı reddedilmesi için bir kriter olarak hizmet eder.
  • Termal verimlilik, gerçek motorlarda yakıtla sınırlı yüksek sıkıştırma oranı ile geliştirir. Verimlilik ayrıca çalışan sıvının özel ısı oranıyla da etkilenir.
  • Gerçek motorlar, pompalanma, sonlu yanma süresi, ısı transferi, darbe-by ve eksik yanma - tüm bunlar ideal değer altında verimliliği azaltır.
  • Atkinson ve Miller döngüleri gibi varlıklar, geç alım valfi kapanışı yoluyla aşırı verimlilik için daha yüksek verimlilik için ticaret gücü yoğunluğunun düşmesini sever.
  • Modern teknolojiler - yönetmen enjeksiyon, değişken valf zamanlaması, turboşarj ve gelişmiş ateşleme - Otto- döngüsü motorlarının performans ve temiz çizgileri dramatik bir şekilde geliştirdi,% 40 fren ısı verimliliğine yaklaştı.
  • Tedaviden sonra (TWC, GPF, yalın NOx tuzakları) gerçek Otto- döngüsü motorlarına integraldir ve gelecekteki gelişmeler hidrojen yanmasını, sentetik yakıtları ve ultra-lean operasyonu için ön-kahraman içerir.

Bu temelleri yükseltmek, öğrencilerin sadece daha iyi motorlar tasarlamasını değil, hibrit sistemlerde yenilik yapmak ve termal yönetime sahip olmak. Otto döngüsü, 140 yaşın üzerinde olsa da, canlı ve gelişen bir çalışma konusu olmaya devam edecektir - on yıllardır ulaşım ve güç üretimine devam edecek.