Chu trình Otto: Mô hình lý tưởng của động cơ xăng
1 · Dự đoán
Chu trình Otto (nén đoạn nhiệt, đốt nóng đẳng tích, giãn nở đoạn nhiệt, làm mát đẳng tích) mô hình động cơ xăng. Không giống như chu trình Carnot, hai chân của nó có thể tích không đổi thay vì nhiệt độ không đổi. Trong những chặng có thể tích không đổi đó, khí có thực hiện công không?
- Công việc vẫn được thực hiện vì áp suất thay đổi ở những chân đó.
- Các chân có thể tích không đổi thực hiện công âm.
- Không có công nào được thực hiện trong các chặng có thể tích không đổi, vì W = PΔV và ΔV = 0.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước otto-cycle và nhấn Reset. 1 mol nitơ (f = 5 ) nén từ 0.04 m³ thành 0.01 m³, sau đó nung nóng ở thể tích không đổi thành 900 K.
- Kích hoạt tính năng đo nhiệt độ và công việc trên mỗi chân.
- Đối với mỗi chặng của chu kỳ (1 đến 4), hãy đọc thể tích mục tiêu của chân và công do khí thực hiện trong chặng đó.
3 · Thu thập dữ liệu
| Số chân | Khối lượng mục tiêu của chân V (m³) | Công việc do khí thực hiện ở chân này (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Vẽ sơ đồ P-V cho cả 4 nhánh. Đánh dấu chân nào là đoạn có âm lượng không đổi (dọc) và xác nhận số đọc công việc của bạn là 0 ở đó.
4 · Phân tích
- Xác nhận các chân 2 và 4 (các chân đẳng tích) hiển thị W = 0 trong bảng của bạn, trong khi các chân 1 và 3 (đoạn nhiệt) hiển thị hoạt động khác 0. Tính tỷ số nén r = V₁/V₂ = 4 và hiệu suất chu trình η = 1 − 1 /r^(γ−1) sử dụng γ = 1.4 .
- Công thực của chu trình này là dương mặc dù một nửa số chân của nó không sinh công. Giải thích tại sao chỉ riêng hai chân đoạn nhiệt có thể tạo ra công thực dương.
5 · Gia hạn
- Động cơ xăng thực sự bị giới hạn ở tỷ số nén khoảng 10-12 (tỷ số nén cao hơn gây ra hiện tượng đánh lửa/gõ trước). Sử dụng η = 1 − 1/r^(γ−1), giải thích lý do tại sao các nhà thiết kế động cơ lại thúc đẩy tỷ số nén cao hơn khi có thể.
- Động cơ Diesel sử dụng một chu trình khác (gia nhiệt đẳng áp thay vì đẳng tích) nhưng có ý tưởng nén đoạn nhiệt tương tự. Cả hai đều dựa vào các chân đoạn nhiệt để chuyển công nén thành nhiệt độ cao hơn. Tại sao việc giảm thiểu tổn thất nhiệt trong quá trình nén lại quan trọng đối với cả hai thiết kế?
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Hiệu suất chu trình Otto
Đối với chu trình Otto lý tưởng hóa, hiệu suất chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén r = V₁/V₂ và tỷ lệ công suất nhiệt của khí γ: η = 1 − 1/r^(γ−1). Tỷ số nén cao hơn mang lại hiệu quả cao hơn.