- 奥托循环的阶段
- 应用
- -4-冲程发动机
- 第1步
- 第2步
- 第三步
- 第4步
- 第5步
- 第6步
- 奥托循环中完成的净功
- 从A到B的工作
- 从C到D的工作
- 奥托循环中的净热
- 性能
- 奥托循环解题练习
- -运动1
- 解
- 计算A，B和C处的压力
- -练习2
- 解
- 参考文献
在奥托循环是由两个等容过程和两个绝热过程的一个热力循环。该循环发生在可压缩的热力学流体上。它是由德国工程师尼古拉斯·奥托（Nikolaus Otto）在19世纪后期发明的，他完善了内燃机，这是现代汽车中最先发现的内燃机。后来，他的儿子古斯塔夫·奥托（Gustav Otto）创立了著名的宝马公司。
奥托循环适用于以空气和挥发性燃料（例如汽油，天然气或酒精）的混合物工作的内燃机，其燃烧以电火花开始。
图1.在Nascar比赛中的汽车。资料来源：
奥托循环的阶段
奥托循环的步骤是：
- 绝热压缩（不与环境进行热交换）。
- 以等容形式吸收热能（不改变体积）。
- 绝热膨胀（不与环境进行热交换）。
- 以等容形式排出热能（不改变体积）。
下面显示的图2以PV（压力-体积）图显示了奥托循环的不同阶段。
图2.奥托循环的PV图。资料来源：自制。
应用
奥托循环同样适用于四冲程和二冲程内燃机。
-4-冲程发动机
该发动机由一个或多个气缸中的活塞组成，每个活塞具有一个（或两个）进气门和一个（或两个）排气门。
之所以这样称呼，是因为它的操作恰好有四个阶段或标记明确的阶段：
- 入场。
- 压缩。
- 爆炸了。
- 逃亡。
这些阶段或时间发生在曲轴旋转两圈时，因为活塞在时间1和2中上下移动，在时间3和4中再次上下移动。
下面我们详细描述在这些阶段中发生的事情。
第1步
在进气门打开且排气门关闭的情况下从最高点降低活塞，以便在下降过程中将空气-燃料混合物吸入活塞。
进气在奥托循环图的步骤OA期间在大气压PA下发生。在这一阶段，已经掺入了空气-燃料混合物，这是可压缩流体，将在其上施加奥托循环的阶段AB，BC，CD和DA。
第2步
在活塞到达最低点之前不久，两个阀门都关闭。然后，它开始以压缩空气燃料混合物的方式上升。压缩过程发生得如此之快，以至于几乎不向周围环境散发热量。在奥托循环中，它对应于绝热过程AB。
第三步
在活塞的最高点处，混合物被压缩且阀关闭，发生由火花引发的混合物的爆炸性燃烧。爆炸是如此之快，以至于活塞几乎没有下降。
在奥托循环中，它对应于等渗BC过程，在此过程中注入热量而体积没有明显变化，因此增加了混合物的压力。热量通过空气中氧气与燃料燃烧的化学反应提供。
第4步
高压混合物膨胀，导致活塞下降，同时阀门保持关闭状态。该过程发生得如此之快，以至于与外界的热交换可以忽略不计。
此时，在活塞上进行了正功，该活塞通过连杆传递到曲轴上，产生动力。在奥托循环中，它对应于绝热过程CD。
第5步
在行程的下部，热量通过气缸排到制冷剂中，而体积没有明显变化。在奥托循环中，它对应于DA等速过程。
第6步
在活塞冲程的最后阶段，燃烧的混合物被排气门排出，排气门保持打开，而进气门关闭。燃烧气体的逸出发生在奥托循环图中的步骤AO中。
通过进气阀进入新的混合气，重复整个过程。
图3.四冲程发动机。资料来源：
奥托循环中完成的净功
奥托循环的工作方式类似于热机，并且沿顺时针方向运行。
通过使包含其的壁膨胀的气体进行的功W由以下公式计算：
其中Vi是初始体积，Vf是最终体积。
在热力学循环中，净功对应于P-V图的循环中包含的面积。
在奥托循环的情况下，它对应于从A到B的机械功加上从C到D的机械功。由于体积没有变化，在B和C之间的功为零。同样，在D和A之间，功为空。
从A到B的工作
假设我们从点A开始，在点A处其体积Va，压力Pa和温度Ta已知。
从点A到点B进行绝热压缩。在准静态条件下，绝热过程符合泊松定律，该定律指出：
其中γ是绝热商，定义为恒压下的比热与恒压下的比热之间的商。
因此，从A到B完成的工作将由以下关系式计算：
在取积分并使用泊松比进行绝热过程后，我们得到：
其中r是压缩比r = Va / Vb。
从C到D的工作
同样，从C到D的功将由积分计算：
结果是谁
其中r = Vd / Vc = Va / Vb是压缩比。
净功将是两个作业的总和：
奥托循环中的净热
在从A到B以及从C到D的过程中，因为它们是绝热过程，所以没有热交换。
对于从B到C的过程，不做任何工作，燃烧产生的热量会增加气体的内部能量，从而使气体的温度从Tb升高到Tc。
同样，在从D到A的过程中，也存在热传递，其计算公式如下：
净热为：
性能
循环电动机的性能或效率是通过计算每个工作循环的净功与提供给系统的热量之间的商来计算的。
如果将以前的结果替换为前面的表达式，并假设燃料空气混合物表现为理想气体，则可以达到理论上的循环效率，该效率仅取决于压缩比：
奥托循环解题练习
-运动1
压缩比为7.5的1500 cc四冲程汽油发动机在大气压力为100 kPa和20摄氏度的环境下工作。确定每个周期完成的净工作量。假设燃烧为每克空气燃料混合物贡献了850焦耳的能量。
解
网络表达式以前已经计算过：
我们需要确定循环B点和C点的体积和压力，以确定完成的净功。
在气缸充满空气-汽油混合物的点A处的体积为1500 cc排量。在B点，体积为Vb = Va / r = 200 cc。
C点的体积也是200 cc。
计算A，B和C处的压力
A点的压力是大气压。可以使用绝热过程的泊松比来计算B点处的压力：
考虑到混合物主要是空气，可以将其视为双原子理想气体，因此伽玛绝热系数取值为1.4。那么，B点的压力将为1837.9 kPa。
C点的体积与B点相同，为200 cc。
由于燃烧引起的温度升高，C点处的压力高于B点处的压力。要计算它，我们需要知道燃烧贡献了多少热量。
燃烧产生的热量与燃烧的混合物量成正比。
使用理想的气体状态方程：
因此，燃烧产生的热量为1.78克x 850焦耳/克= 1513焦耳。这会导致温度升高，可以从
Tb可以根据产生718 K的状态方程来计算，因此对于我们的数据，Tc的所得值为1902K。
C点的压力由施加到该点的状态方程式得出，结果为4868.6 kPa。
这样，每个周期的净功为838.5焦耳。
-练习2
通过练习1确定电动机的效率或性能。假设电动机以3000 rpm的速度运行，请确定功率。
解
将净功除以所提供的热量可获得55.4％的效率。该结果与通过直接应用效率公式作为压缩比的函数所获得的结果相吻合。
功率是每单位时间完成的工作。3000 rpm等于每秒50转。但是，正如我们前面所解释的，奥托循环是发动机每旋转两圈就完成一次，因为它是四冲程发动机。
这意味着在一秒钟内奥托循环重复25次，因此完成的工作是在一秒钟内25 x 838.5焦耳。
这相当于20.9千瓦的功率，相当于28马力。
参考文献
- 热力学循环。从以下位置恢复：fis.puc.cl
- T.Martín和A. Otto的Serrano自行车。从以下地址恢复：2.montes.upm.es。
- 塞维利亚大学。应用物理系Otto循环案例研究的Wiki。从以下位置恢复：laplace.us.es。
- 维基百科。奥托循环。从以下位置恢复：es.wikipedia.com
- 维基百科。奥托引擎。从以下位置恢复：es.wikipedia.com