Кіріспе

Отпен қоздырғышты поршеньді қозғалтқыштардың термодинамикалық циклі

Отто циклі – бұл қалыпты отпен қоздырғышты поршеньді қозғалтқыштың жұмысын сипаттайтын идеалдандырылған термодинамикалық цикл. Бұл автомобиль қозғалтқыштарында ең көп кездесетін термодинамикалық цикл. Отто циклі газдың қысым, температура, көлем, жылу қосылу және жылу алыну өзгерістеріне ұшыраған кезде болатын жағдайды сипаттайды. Осы өзгерістерге ұшыраған газ жүйе деп аталады. Бұл жағдайда жүйе – цилиндрдегі сұйықтық (газ) деп анықталады. Жүйеде болатын өзгерістерді сипаттау арқылы жүйенің қоршаған ортаға тигізетін әсерін де керісінше сипаттауға болады. Отто циклының жағдайында жүйеден жеткілікті мөлшерде таза жұмыс өндіріледі, бұл автомобильді және оның жолаушыларын қозғауға мүмкіндік береді. Отто циклі мыналардан тұрады:
Циклдің жоғарғы және төменгі бөлігі: квази-параллельді және изоэнтропиялық процестердің жұбы (үкілі, адиабатикалық қайтымды). Циклдің сол және оң жақтары: параллель изохоралық процестердің жұбы (тұрақты көлем). Қысу немесе кеңеюдің изоэнтропиялық процесі тиімсіздік болмайтынын (механикалық энергияның жоғалуы) және осы процесс кезінде жүйеге жылудың кірмейтінін немесе шықпайтынын білдіреді. Осы уақытта цилиндр мен поршеньнің жылуды өткізбейтіндігі ескеріледі. Жүйеге жұмыс төменгі изоэнтропиялық қысу процесінде жасалады. Жылу сол жақтан қысым процесі арқылы Отто циклына келіп түседі, ал оның бір бөлігі оң жақтанғы басқыш процесі арқылы қайта шығарылады. Жүйеге қосылған жұмыстың, қосылған жылудың және алынып тасталған жылудың қосындысы жүйе өндірген таза механикалық жұмыстың мөлшерін анықтайды.

Процестер

Процестер былай сипатталады: Бұрын, шамамен 1854–57 жылдары екі итальяндық (Евгенио Барсанти мен Феличе Маттуччи) өте ұқсас қозғалтқыш ойлап тапқандығы туралы әңгіме тарады, бірақ патенті жоғалып кетті. Жұмыс істейтін төрт тактты қозғалтқышты, отын ретінде көмір газы мен ауа қоспасын пайдаланатын стационарлық қозғалтқышты (газ қозғалтқышы) алғаш құрастырған адам – неміс инженері Николаус Отто болды. Сондықтан, төрт тактты принцип бүгінде Отто циклы деп белгілі, ал тұтандыру шамдарын қолданатын төрт тактты қозғалтқыштар көбінесе Отто қозғалтқыштары деп аталады.

Процестер

Цикл төрт бөлімнен тұрады: отын мен оттегі қоспасы төмен қозғалатын поршень арқылы цилиндрге сорылады, содан кейін поршень жоғары көтерілу арқылы оны қысымдайды, масса ұшқынмен тұтанады, нәтижесінде жылу түрінде энергия бөлінеді, кеңейген газ поршеньді төмен итеріп, кеңейеді, және соңында поршень екінші рет жоғары көтерілгенде масса шығарылады. Поршень цилиндр бойымен қозғала алатындықтан, газдың көлемі цилиндрдегі орнына қарай өзгереді. Поршеньнің қозғалысынан туындаған газдың қысылу және кеңею процестері идеалды түрде қайтымды болып есептеледі, яғни, турбуленттік немесе үйкеліс салдарынан пайдалы жұмыс жоғалмайды және осы екі процесс кезінде газға немесе одан жылу берілмейді. Цилиндрде кеңею аяқталғаннан кейін қалған жылу алынып, газ ақырында қоршаған ортаға шығарылады. Кеңею процесінде механикалық жұмыс жасалады, оның бір бөлігі келесі циклдің ауа массасын қысуға жұмсалады. Механикалық жұмыстың жасалғанынан қысылу процесіне жұмсалғаны қалған таза жұмысты құрайды, оны қозғалысқа келтіру үшін немесе басқа машиналарды іске қосу үшін пайдалануға болады. Сондай-ақ, таза жұмыс – бұл өндірілген жылу мен алынған жылу арасындағы айырмашылық.

01 процесс (көк түс)

Ауа массасы (жұмыс сұйықтығы) ашық кіріс клапаны арқылы цилиндрге 0-ден 1-ге дейін атмосфералық қысымда (тұрақты қысыммен) сорылады, ал осы процесте шығару клапаны жабық болады. Кіріс клапаны 1-ші нүктеде жабылады.

12 процесс қысылу жүрісі (B диаграммаларда)

Пістон бастапқы күйі 1 болған жұмыс газының изоэнтропиялық түрде 2-ші күйге дейін қысылуымен, кривошиптің төменгі нүктесінен (BDC, төменгі өлі орта және ең үлкен көлем) цилиндр қақпағына (TDC, жоғарғы өлі орта және ең аз көлем) қозғалады, бұл қысылу қатынасы (V1/V2) арқылы жүзеге асырылады. Механикалық тұрғыдан алғанда, бұл цилиндрдегі ауа-отын қоспасының изоэнтропиялық сығылуы, сонымен қатар қысылу тактысы деп аталады. Бұл изоэнтропиялық процесс сүрткіштен механикалық энергияның жоғалмауы және газға немесе одан жылу алмасу болмауы есебінен жүзеге асырылады, сондықтан процесс қайтымды болып табылады. Сығу процесі жұмыс газына механикалық жұмыс салуды қажет етеді. Әдетте, қысылу қатынасы стандартты қозғалтқышта 9–10:1 (V1:V2) шамасында болады.

Процесс 23 тұтану кезеңі (C диаграммаларда)

Пістіргіш Жоғарғы Өлі Нүктеде (TDC) уақытша тоқталады. Осы тұтану фазасы деп аталатын сәтте, ауа-отын қоспасы қысылу соққысының жоғарғы бөлігінде кішкентай көлемде қалады. Инъекцияланған отынның жануы арқылы жұмыс сұйықтығына жылу беріледі, көлем шамалы өзгермейді. Қысым артады және бұл қатынас "жарылыс коэффициенті" деп аталады.

34 процесс кеңейту соққысы (диаграммаларда D)

Жоғары қысымның артуы поршеньге күш түсіріп, оны төменгі өлі нүктеге (BDC) қарай итеріп жібереді. Жұмыс сұйықтығының кеңеюі изоэнтропиялық түрде жүзеге асады және жүйе поршеньге жұмыс жасайды. Көлем қатынасын "изоэнтропиялық кеңею қатынасы" деп атайды. (Отто циклы үшін бұл қатынас қысым қатынасына тең). Механикалық тұрғыдан алғанда, бұл цилиндрдегі ыстық газ қоспасының кеңеюі, ол кеңею (жұмыс) тақырыбы деп аталады.

41 үрдіс, жылуды идеалдандыру (A диаграммаларда)

Пістен төменгі өлі нүктеде (BDC) сәтте тоқталады. Жұмыс газының қысымы тұрақты көлемді процесс кезінде 4-нүктеден 1-нүктеге бірден төмендейді, себебі жылу идеалды сыртқы жылу қабылдағышқа шығарылады, ол цилиндр басымен жанасады. Қазіргі заманғы ішкі жану қозғалтқыштарында жылу қабылдағыш – қоршаған ауа (төмен қуатты қозғалтқыштар үшін) немесе салқындатқыш сияқты айналымдағы сұйықтық болуы мүмкін. Газ 1-ші күйге қайта оралды.

10 процесс, ауа ағыны

Қоқыс шығару клапаны 1-нүктеде ашылады. Поршень "BDC" (1-нүкте) -ден "TDC" (0-нүкте) -ге қозғалғанда, қоқыс клапаны ашық күйде, газдар атмосфераға шығарылады және процесс жаңадан басталады.

Қуат пен тиімділікті арттыру

Шығарылатын және сіңірілетін газдардың қысымы мен температурасы арасындағы айырмашылық турбокомпрессорды пайдалану арқылы тиімділікті арттыруға мүмкіндік береді, ол қалдық энергияның бір бөлігін шығарынды ағынынан алып, сіңірілетін ағынға жеткізіп, сіңірілетін қысымды арттырады. Газ турбинасы шығарынды ағыннан пайдалы жұмыс энергиясын алады, осы энергия сіңірілетін ауаны қысыммен толтыру үшін қолданылады. Газ турбинасы арқылы кеңейген кезде түтін газдарының қысымы мен температурасы төмендейді, ал алынған жұмыс сіңірілетін газ ағынына қолданылып, оның қысымы мен температурасын арттырады. Энергияны беру тиімділікті жақсартады, сонымен қатар қозғалтқыштың қуат тығыздығы да артады. Сіңірілетін ауа көбінесе көлемін азайту үшін салқындатылады, себебі бір циклдағы жұмыс цилиндрге түскен массаға тікелей байланысты; тығыз ауа бір циклда көбірек жұмыс жасайды. Іс жүзінде, бензинмен жұмыс істейтін қозғалтқышта ерте тұтанудың алдын алу үшін сіңірілетін ауаның температурасын төмендету қажет, сондықтан интеркулер жылу түріндегі энергияны алып тастап, сіңірілетін ауаның температурасын төмендетеді. Мұндай схема қозғалтқыштың тиімділігі мен қуатын арттырады. Краншафтпен қоздырылатын суперкомпрессор қуатты (қуат тығыздығын) арттырса да, тиімділікті арттырмайды, өйткені ол қозғалтқыш өндірген таза жұмыстың бір бөлігін сіңірілетін ауаны қысымға түсіруге жұмсайды және жоғары температурадағы және қоршаған ортаға қысыммен шығарылатын газдардың ысырап болатын энергиясын пайдаланбайды.