Ciclul Otto

Ciclul Otto este un ciclu termodinamic teoretic, caracterizat prin comprimarea și destinderea izentropice și prin schimburi de căldură izocore. Pe baza acestui ciclu funcționează motoarele cu aprindere prin scânteie cu piston ale automobilelor.^[1]

Ciclul real al motoarelor cu aprindere prin scânteie diferă destul de mult de ciclul Otto. Motoarele reale au comprimarea și destinderea politropice în loc să fie izentropice, iar schimburile de căldură se fac prin înlocuirea agentului de lucru. Deși ciclul Otto teoretic se execută în două curse ale pistonului (dus–întors), motoarele în patru timpi execută două curse suplimentare pentru înlocuirea agentului de lucru („schimbul de gaze”).

Istoric

Motorul în patru timpi a fost brevetat pentru prima dată de Alphonse Beau de Rochas în 1861.^[2] Înainte, în jurul anilor 1854–1857, doi italieni, Eugenio Barsanti și Felice Matteucci au inventat un motor despre care se zvonea că ar fi foarte asemănător, dar brevetul a fost pierdut.^[3]

Prima persoană care a construit un motor în patru timpi funcțional, un motor staționar care folosea un amestec de gaz de iluminat și aer drept combustibil a fost inginerul german Nikolaus Otto, în 1876.^[4]^[5] De aceea principiul motoarelor în patru timpi este cunoscut astăzi sub numele de ciclul Otto, iar motoarele în patru timpi care utilizează bujii sunt adesea numite motoare Otto.

Descriere

Sistemul termodinamic care efectuează ciclul este masa de gaz din cilindrul unui motor. Rezultatul util al ciclului este producerea de lucru mecanic, utilizat de obicei pentru a propulsa un automobil și ocupanții acestuia în mediul ambiant.

Transformările termodinamice care au loc în ciclu sunt:^[4]^[6]

0–1: Admisiunea amestecului combustibil în cilindru la presiune constantă (proces izobar) deoarece supapa de admisiune este deschisă. Această fază este determinată de deplasarea pistonului de la PMI la PME și nu face parte din ciclul teoretic, care începe în punctul 1 din diagrame, când agentul de lucru este deja în cilindru. La sfârșitul acestei faze supapa de admisiune se închide, sistemul devenind unul închis.

1–2: Comprimarea amestecului combustibil în cilindru într-un proces izentropic. Procesul este determinat de deplasarea pistonului de la PME la PMI, având rolul de compresor. Această deplasare se face cu consumul de lucru mecanic conform unui proces izentropic. Lucrul mecanic necesar, care „intră” în ciclu, este furnizat de mediul înconjurător (tehnic, de volant din energia sa cinetică de rotație). Prin comprimare temperatura agentului de lucru crește corespunzător celei din punctul 2.

2–3: Arderea amestecului combustibil, care are loc în PMI, la volum constant (proces izocor). Deoarece acest proces este considerat instantaneu, pistonul nu se mișcă, deci nu consumă sau produce lucru mecanic. Prin ardere se degajă căldura de ardere a agentului de lucru, care „intră” în ciclu (formal din mediul înconjurător), ridicând temperatura agentului de lucru până în punctul 3.

3–4: Destinderea, în care agentul de lucru împinge (propulsează) pistonul din PMI în PME într-un proces izentropic. Prin deplasarea pistonului se produce lucru mecanic, care „iese” din ciclu, fiind furnizat de sistem mediului înconjurător (din care o parte egală cu cea consumată în faza 1–2 este restituită volantului, iar restul este disponibil la arborele cotit). Prin destindere temperatura agentului de lucru scade corespunzător celei din punctul 4.

4–1: Evacuarea căldurii, care are loc în PME, la volum constant (proces izocor). Deoarece acest proces este considerat instantaneu, pistonul nu se mișcă, deci nu consumă sau produce lucru mecanic. Prin evacuarea căldurii, care „iese” din ciclu, temperatura agentului de lucru scade până în punctul 1.

1–0: Evacuarea („eșaparea”) gazelor de ardere în mediul ambiant la presiune constantă (proces izobar) supapa de evacuare fiind deschisă. Această fază este determinată de deplasarea pistonului de la PME la PMI și nu face parte din ciclul teoretic, care se încheie în punctul 1. Tehnic, faza este necesară deoarece procesul de răcire a agentului de lucru durează prea mult, el fiind evacuat de fapt cald și înlocuit cu altul, rece, la temperatura mediului înconjurător.

Analiza ciclului

În analiza teoretică se fac simplificări prin presupunerea că modificările energiei cinetice și potențiale din sistem pot fi convertite în căldură – sau chiar neglijate – și făcând analiza pe o unitate din masa agentului de lucru (gazului). Apoi se aplică primul principiu al termodinamicii (conservarea energiei) masei gazului pe măsură ce aceasta își schimbă starea, caracterizată de temperatură, presiune și volum.^[6]^[7]^[8]

Ciclul Otto teoretic este format din patru transformări termodinamice, care sunt descrise de patru relații. În transformarea 1–2 pistonul efectuează lucru mecanic asupra gazului, iar în transformarea 3–4, gazul efectuează lucru mecanic asupra pistonului. Transformările 2–3 și 4–1 sunt izocore. În ele au loc transferuri de căldură, dar, deoarece în aceste transformări volumul cilindrului nu se modifică, nu se efectuează lucru mecanic asupra sistemului și nici nu se extrage din sistem. (Adăugarea sau eliminarea de lucru mecanic dintr-un sistem necesită deplasarea limitelor sistemului.) În timpul unui ciclu complet, gazul revine la starea sa inițială de temperatură, presiune și volum, prin urmare, schimbarea netă a energiei interne a sistemului (gazului) este nulă. Drept urmare, energia (căldură și lucru mecanic) care intră în sistem trebuie să fie egală cu energia (căldură și lucru mecanic) care iese din sistem.

Randamentul termic al ciclului este:^[4]

\eta _{t}=1-{\frac {|Q_{0}|}{Q}}

unde $Q$ este căldura intrată în sistem, iar | $Q 0$ | este cea ieșită din sistem.

Căldurile pot fi exprimate în funcție de temperaturile din ciclu, cu care expresia randamentului termic al ciclului devine:^[4]

\eta _{t}=1-{\frac {mc_{v}(T_{4}-T_{1})}{mc_{v}(T_{3}-T_{2})}}=1-{\frac {T_{4}-T_{1}}{T_{3}-T_{2}}}

Prezintă interes exprimarea randamentului termic în funcție de raportul de comprimare $\varepsilon ={\frac {V_{1}}{V_{2}}}.$ Raportând temperaturile la $T 1$ expresia randamentului devine:

\eta _{t}=1-{\frac {{\frac {T_{4}}{T_{1}}}-1}{{\frac {T_{3}}{T_{1}}}-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}}}

Din transformările izentropice 1–2 și 3–4 se obține:^[4]

{\frac {T_{4}}{T_{1}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}

{\frac {T_{2}}{T_{1}}}=\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}=\varepsilon ^{\gamma -1}

{\frac {T_{3}}{T_{1}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}\cdot {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}\varepsilon ^{\gamma -1}={\frac {T_{4}}{T_{1}}}\varepsilon ^{\gamma -1}

Substituind în expresia randamentului, aceasta devine:^[4]

\eta _{t}=1-{\frac {{\frac {T_{4}}{T_{1}}}-1}{{\frac {T_{4}}{T_{1}}}\varepsilon ^{\gamma -1}-\varepsilon ^{\gamma -1}}}=1-{\frac {1}{\varepsilon ^{\gamma -1}}}

Din această expresie reiese că randamentul termic al ciclului Otto crește asimptotic spre 1 când $\varepsilon$ tinde spre infinit. Influența lui $\gamma$ este mică, deoarece pentru aer este c. 1,4, iar pentru amestecul combustibil c. 1,3^[4] O metodă de îmbunătățire a randamentului ciclului este un raport de comprimare cât mai mare, însă acest raport este limitat la c. 10 de apariția detonației.^[6]

Raportul dintre randamentul ciclului Otto și al ciclului Carnot este:^[4]

f_{C}={\frac {1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}}{1-{\frac {T_{1}}{T_{3}}}}}

și este subunitar deoarece $T_{3}>T_{2}$ .^[4] Deci randamentul ciclului Otto este inferior randamentului ciclului Carnot.

Ciclul motoarelor cu aprindere prin scânteie în patru timpi

Ciclul real al motoarelor cu aprindere prin scânteie în patru timpi diferă considerabil de ciclul Otto. Motivele sunt următoarele:

Schimbul de gaze

Din cauza masei lor, supapele unui motor nu se pot deschide instantaneu. Pentru a nu întârzia admisiunea, respectiv evacuarea, supapa de admisiune, respectiv evacuare, începe să se deschidă cu un anumit avans înainte de PMI, respectiv PME. De asemenea, pentru a nu limita admisiunea, respectiv evacuarea, supapa de admisiune, respectiv evacuare se închide cu întârziere după PME, respectiv PMI. Momentele de deschidere și închidere sunt reprezentate pe diagrama fazelor de distribuție prin unghiuri, numite deschiderea supapei de admisiune (DSA), închiderea supapei de admisiune (ÎSA), deschiderea supapei de evacuare (DSE), închiderea supapei de evacuare (ÎSE). În imaginea alăturată durata deschiderii supapei de admisiune este marcată cu albastru, iar a celei de evacuare cu verde. Se observă că durata lor este mai mare ca 180° (o cursă), existând și o perioadă în care ambele sunt deschise.^[9]^[10] Acest fapt afectează fazele de comprimare, respectiv destindere.

Faza de admisiune necesită o diferență de presiune între presiunea amestecului carburant și cea din cilindru, ceea ce deformează faza de admisiune din diagrama p–V.^[11] De asemenea, faza de evacuare necesită o diferență de presiune între presiunea din cilindru și cea a mediului în care sunt evacuate gazele de ardere, ceea ce deformează faza de evacuare din diagrama p–V.^[12]

Arderea;

Arderea nu poate avea loc instantaneu, nici măcar cu viteză foarte mare (caz în care creșterea bruscă a presiunii determină detonația). De aceea, ea începe înainte de PMI, în momentul corespunzător avansului la aprindere, și continuă după PMI, în destindere, până se încheie.^[13]

Compoziția agentului de lucru

Schimbul de gaze și arderea modifică compoziția agentului de lucru, ceea ce duce la schimbarea proprietăților termodinamice ale agentului de lucru,^[14] implicit la abaterea ciclului de la ciclul Otto teoretic.

Comprimarea și destinderea

Atât în timpul comprimării, cât și în cel al destinderii, există schimburi de căldură cu pistonul, cilindrul, camera de ardere și supapele, ceea ce face ca transformările din aceste faze să nu fie izentropice, nici măcar politropice cu exponent politropic constant, ducând la abaterea ciclului de la ciclul Otto teoretic.^[7]^[15]

Toate aceste influențe sunt reflectate de diagrama indicată a motorului, a cărei suprafață închisă este mai mică decât cea a ciclului Otto teoretic, deci și randamentul termic al motorului este mai mic decât cel teoretic.

Note

↑ en Wu, Chih. Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization. New York: M. Dekker, 2004. Print.
↑ en Mike Busch. „150-Year-Old Technology”. Sport Aviation: 26.
↑ en „Documenti Storici”. Barsantiematteucci.it. Arhivat din original la 25 februarie 2017. Accesat în 22 septembrie 2010.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vlădea, Ioan (1974). Tratat de termodinamică tehnică și transmiterea căldurii. București: Editura Didactică și Pedagogică. pp. 187–188.
↑ en Gunston, Bill (1999). Development of Piston Aero Engines (ed. 2). Sparkford, UK: Patrick Stephens Ltd. p. 21. ISBN 0-7509-4478-1.
1 2 3 en Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.
1 2 Popa, 1986, p. 153
↑ en Gupta, H. N. Fundamentals of Internal Combustion. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.
↑ Grünwald, 1980, pp. 73–77
↑ Popa, 1986, pp. 153–154
↑ Grünwald, 1980, pp. 51–53
↑ Grünwald, 1980, pp. 69–71
↑ Grünwald, 1980, pp. 186–204
↑ Popa, 1986, pp. 147, 153
↑ Grünwald, 1980, pp. 111–115, 287–288

Bibliografie

Grünwald, Berthold (1980). Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere. București: Editura Didactică și Pedagogică.
Popa, Bazil (coord.) (1986). Manualul inginerului termotehnician. II. București: Editura Tehnică.

[1] Wu, Chih. Thermodynamic Cycles: Computer-aided Design and Optimization. New York: M. Dekker, 2004. Print.

[2] Mike Busch. „150-Year-Old Technology”. Sport Aviation: 26.

[3] „Documenti Storici”. Barsantiematteucci.it. Arhivat din original la 25 februarie 2017. Accesat în 22 septembrie 2010.

[V187-4] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vlădea, Ioan (1974). Tratat de termodinamică tehnică și transmiterea căldurii. București: Editura Didactică și Pedagogică. pp. 187–188.

[5] Gunston, Bill (1999). Development of Piston Aero Engines (ed. 2). Sparkford, UK: Patrick Stephens Ltd. p. 21. ISBN 0-7509-4478-1.

[Shapiro-6] 1 2 3 en Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 6th ed. Hoboken, N.J. : Chichester: Wiley ; John Wiley, 2008. Print.

[P153-7] 1 2 Popa, 1986, p. 153

[Fundamentals-8] Gupta, H. N. Fundamentals of Internal Combustion. New Delhi: Prentice-Hall, 2006. Print.

[9] Grünwald, 1980, pp. 73–77

[10] Popa, 1986, pp. 153–154

[11] Grünwald, 1980, pp. 51–53

[12] Grünwald, 1980, pp. 69–71

[13] Grünwald, 1980, pp. 186–204

[14] Popa, 1986, pp. 147, 153

[15] Grünwald, 1980, pp. 111–115, 287–288

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]