Otto Cycle | Ses relations et formules importantes

Sujet de discussion: Cycle d'Otto

Qu'est-ce que le cycle Otto?

Cycle Otto idéal | Cycle Otto en thermodynamique

Définition du cycle d'Otto

«Un cycle Otto est un cycle thermodynamique idéal qui explique le fonctionnement d'un moteur à piston à allumage par étincelle typique et ce cycle explique spécifiquement ce qui se passe si la masse de gaz est soumise à des changements dus à la pression, à la température, au volume, à l'apport de chaleur et à la libération de Chauffer."

au jugement, Moteur à cycle Otto | Diagramme de synchronisation des soupapes

  1. La vanne d'admission s'ouvre à 5-100 avant le Top Dead Center. Ceci permet de garantir que l'entrée doit s'ouvrir complètement lorsque le piston atteint le PMH et que la charge fraîche commence à entrer dans le cylindre le plus tôt possible après le PMH.
  2. Clapet d'aspiration fermé à 20-300 après le point mort bas BDC pour profiter de l'élan des gaz en mouvement.
  3. L'étincelle a lieu 30-400 avant TDC. Ceci afin de permettre un délai entre l'étincelle et la fin de la combustion.
  4. La pression en fin de course motrice est supérieure à la pression atmosphérique, ce qui augmente le travail d'expulsion des gaz d'échappement. Donc la soupape d'échappement s'ouvre à 20-300 avant BDC de sorte qu'à BDC la pression se réduit à la pression atmosphérique et que le travail utile puisse être économisé.
  5. La soupape d'échappement se ferme à 15-200 après le PMH de sorte que l'inertie des gaz d'échappement a tendance à balayer le cylindre, ce qui augmentera le rendement volumétrique.

Efficacité du cycle Otto | efficacité thermique d'Otto Cycle Laits en poudre

L'efficacité du cycle Otto est spécifiée par

\ eta = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

Où r = taux de compression.

Diagramme de cycle d'Otto

Diagramme PV du cycle d'Otto | Diagramme TS du cycle Otto

Diagramme PV cycle Otto
Diagramme PV
Diagramme TS du cycle Otto
Diagramme TS

Otto, diesel et double cycle | Comparaison

Cas 1: Pour un taux de compression similaire et une chaleur similaire i / p, cette relation sera

[Qin]huit = [Qin]Diesel.

[QR]huit<[QR]Diesel.

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D <\ eta_O

Dans ce cas de même taux de compression et de même apport de chaleur, il sera

\ eta_D <\ eta_ {dual} <\ eta_O

Cas 2: Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur, cette relation sera

[Qin]huit> [Qin]Diesel.

[QR]huit= [QR]Diesel.

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D <\ eta_O

Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur.

\ eta_D <\ eta_ {dual} <\ eta_O

Cas 3: Dans ce cas, même température maximale et même rejet de chaleur.

[QR]huit= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]huit

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D> \ eta_O

Pour la même température maximale et le même rejet de chaleur

\ eta_D> \ eta_ {dual}> \ eta_O

Taux de compression du cycle Otto

Le taux de compression du cycle d'Otto est défini comme le rapport du volume avant expansion au volume après expansion

r = \ frac {V_s + V_c} {V_s} = \ frac {V_1} {V_2}

Où vs = Volume balayé du cylindre

Vc = Volume de jeu du cylindre

Dans ce cycle, le taux de compression est généralement de 6 à 10. Il est limité à 10 en raison du cognement du moteur.

Formule de pression effective moyenne pour le cycle Otto

Habituellement, la pression à l'intérieur du cylindre sur un moteur IC change continuellement; la pression effective moyenne est une pression imaginaire qui est supposée constante tout au long du processus.

P_m=\frac{P_1 r(r_p-1)(r^{\gamma-1}-1)}{(\gamma-1)(r-1)}

Où rp = Rapport de pression = P3/P2 = P4/P1

Analyse du cycle d'Otto | Calculs du cycle d'Otto | Dérivation de l'efficacité du cycle Otto

 Considérez un cycle Otto standard d'air avec la pression initiale, le volume et la température comme P1, V1T1 respectivement.

Diagramme PV cycle Otto
Diagramme TS du cycle Otto
Diagramme TS

Processus 1-2: Compression adiabatique réversible.

\frac{T_2}{T_1}=[\frac{V_1}{V_2}]^{\gamma-1}

Où,

r est le taux de compression.

Processus 2 -3: L'ajout de chaleur à volume constant est calculé comme suit:

Qin = mCv [T3-T2].

Processus 3-4: l'expansion adiabatique réversible est calculée comme

\frac{T_3}{T_4}=[\frac{V_4}{V_3}]^{\gamma-1}=r^{\gamma-1}

Processus 4-1: le rejet de chaleur à volume constant sera

QR = mCv [T4-T1]

Travail effectué = Qin - QR.

L'efficacité du cycle Otto est représentée par.

\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}}

\\\eta=1-\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\ \frac{T_2}{T_1}=\frac{T_3}{T_4}\\\\ \frac{T_4}{T_1}=\frac{T_3}{T_2}\\\\ \eta=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}

Où r = taux de compression.

Fonctionnement du moteur à deux temps

Les moteurs à deux temps fonctionnent à la fois sur le cycle Otto et sur le cycle diesel.

Cycle d'Atkinson vs cycle d'Otto

Cycle d'AtkinsonCycle d'Otto
Le cycle d'Atkinson utilise un diagramme de distribution des soupapes légèrement différent. La vanne d'admission reste ouverte jusqu'au début de la course de compressionLa vanne d'admission s'ouvre à 5-100 avant le Top Dead Center. Ceci permet de garantir que l'entrée doit s'ouvrir complètement lorsque le piston atteint le PMH et que la charge fraîche commence à entrer dans le cylindre le plus tôt possible après le PMH.
Fournit une économie de carburant plus élevée par rapport au cycle Otto.Fournit une économie de carburant inférieure par rapport au cycle Atkinson.
Fournit une puissance de crête inférieure par rapport au cycle Otto.Fournit une puissance de pointe supérieure à celle du cycle Atkinson.
Principalement utilisé dans les véhicules hybrides où le moteur électrique compense le manque de puissance.Principalement utilisé dans les moteurs SI à 4 et 2 temps où une puissance plus élevée est requise
Diagramme PV à double cycle

Cycle de Brayton vs cycle d'Otto

Cycle de BraytonCycle d'Otto
L'ajout de chaleur à pression constante et le rejet de chaleur ont lieu dans le cycle de Brayton.Volume constant L'ajout de chaleur et le rejet de chaleur ont lieu dans le cycle Otto.
Il a des capacités pour traiter un grand volume de gaz à basse pression.Incapable de traiter un grand volume de gaz à basse pression en raison de la restriction dans l'espace du moteur à mouvement alternatif.
Une température élevée est ressentie tout au long du processus d'écoulement en régime permanent.Une température élevée est ressentie par le moteur uniquement pendant la course de puissance.
Convient pour turbine à gazConvient pour les moteurs IC et SI.

Avantages et inconvénients du moteur à cycle Otto

Avantages:

  • Ce cycle a plus d'efficacité thermique par rapport au diesel et à double cycle pour un taux de compression identique et un taux d'entrée de chaleur égal et le même taux de compression et le même rejet de chaleur.
  • Ce moteur à cycle nécessite moins d'entretien et est de conception simple et légère.
  • Pour une combustion complète, les émissions de polluants sont faibles pour les moteurs Otto.

Désavantages:

  • A un taux de compression inférieur, il est donc médiocre pour déplacer des charges lourdes à faible vitesse.
  • Ne pourra pas résister à des contraintes et des contraintes plus élevées par rapport au moteur diesel

Exemple de cycle d'Otto | Problèmes de cycle d'Otto

Q.1] Un moteur à allumage par étincelle conçu pour avoir un taux de compression de 10. Il fonctionne à basse température et pression à une valeur de 2000C et 200 kilopascals respectivement. Si le travail O / P est de 1000 kilo-Joule / kg, calculez l'efficacité maximale possible et la pression effective moyenne.

L'efficacité de ce cycle est donnée par

\ eta = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

Où r = taux de compression = 10

\eta =1-\frac{1}{10^{1.4-1}}=0.602=60.2\%

Pour le processus de compression

\ frac {T_2} {T_1} = r ^ {\ gamma-1}

\frac{T_2}{473}=10^{1.4-1}

T_2 = 1188 \; K

Pour le processus d'expansion, nous pouvons supposer que

\ frac {T_3} {T_4} = r ^ {\ gamma-1}

\frac{T_3}{T_4}=10^{1.4-1}

T_3 = 2.512T_4

Le travail net effectué peut être calculé par la formule

W = C_v [T_3-T_2] -C_v [T_4-T_1]

\\1000=0.717*[473-1188+T_3-T_4]\\\\ 1000=0.717*[473-1188+2.512 T_4-T_4]\\\\ T_4=1395 K

T_3 = 2.512 * 1395 = 3505 K

Selon la théorie des gaz parfaits, nous savons

P1v1 = RT1

v1= (RT1) / (P1) = (0.287 * 473) / 200 = 0.6788 m3/ kg

mep=\frac{W}{v_1-v_2}=\frac{1000}{0.6788-\frac{0.6788}{10}}=1636.87\;kPa

Q.2] quel sera l'effet sur l'efficacité d'un cycle d'Otto ayant un taux de compression 6, si Cv augmente de 20%. Aux fins du calcul Supposons que Cv est de 0.718 kJ / kg.K.

\\\ frac {\ mathrm {d} C_v} {C_v} = 0.02 \\\\ \ eta = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma -1}} = 1- \ frac {1} { 6 ^ {1.4 -1}} = 0.511 \\\\ \ gamma -1 = \ frac {R} {C_v} \\\\ \ eta = 1 - [\ frac {1} {r}] ^ \ frac { R} {C_v}

Prise du journal des deux côtés

ln (1- \ eta) = \ frac {R} {C_v} ln \ frac {1} {r}

Différencier les deux côtés

\\\frac{d\eta}{1-\eta}=\frac{-R}{C_v^2}*dC_v*ln[1/r]\\\\ \frac{d\eta}{1-\eta}=\frac{-R}{C_v}*\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\ \frac{d\eta}{\eta}=\frac{1-\eta}{\eta}*\frac{-R}{C_v}*\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\ \frac{d\eta}{\eta}=\frac{1-0.511}{0.511}*\frac{-0.287}{0.718}*0.02*ln[1/6]\\\\ \frac{d\eta}{\eta}=-0.0136\\\\ \frac{d\eta}{\eta}*100=-0.0136*100=-1.36\%

Ie Si Cv augmente de 2% puis η diminue de 1.36%.

Foire aux questions

Quelle est la différence entre le cycle Otto et le cycle diesel?

Dans le cycle Otto, l'ajout de chaleur a lieu à volume constant tandis que dans le cycle diesel, l'ajout de chaleur à pression constante a lieu et le cycle Otto a un taux de compression inférieur à 12 tandis que le cycle diesel a un taux de compression plus élevé jusqu'à 22. Otto-cycle utilise une bougie d'allumage pour l'allumage tandis que le cycle diesel n'a pas besoin d'assistance pour l'allumage. Otto-cycle a une efficacité inférieure par rapport au cycle diesel.

Quel carburant est utilisé dans le cycle Otto ? | Qu'est-ce que le carburant 4 temps?

Généralement, de l'essence ou de l'essence mélangée à 3-5% d'éthanol est utilisée dans le moteur Otto. Dans le cycle Otto standard de l'air, l'air est supposé être un carburant.

Quel est le cycle Otto ou Diesel le plus efficace?

La plage normale de taux de compression pour le cycle diesel est de 16 à 20, tandis que le taux de compression à cycle Otto est de 6 à 10 et, en raison du taux de compression plus élevé utilisé dans le cycle diesel, l'efficacité du cycle diesel est supérieure à celle du cycle Otto.

Comment fonctionne le cycle Otto?

  1. La vanne d'admission s'ouvre à 5-100 avant le Top Dead Center. Ceci permet de garantir que l'entrée doit s'ouvrir complètement lorsque le piston atteint le PMH et que la charge fraîche commence à entrer dans le cylindre le plus tôt possible après le PMH.
  2. Clapet d'aspiration fermé à 20-300 après le point mort bas BDC pour profiter de l'élan des gaz en mouvement.
  3. L'étincelle a lieu 30-400 avant TDC. Ceci afin de permettre un délai entre l'étincelle et la fin de la combustion.
  4. La pression en fin de course motrice est supérieure à la pression atmosphérique, ce qui augmente le travail d'expulsion des gaz d'échappement. Donc la soupape d'échappement s'ouvre à 20-300 avant BDC de sorte qu'à BDC la pression se réduit à la pression atmosphérique et que le travail utile puisse être économisé.
  5. La soupape d'échappement se ferme à 15-200 après le PMH de sorte que l'inertie des gaz d'échappement a tendance à balayer le cylindre, ce qui augmentera le rendement volumétrique.

Processus 1-2: compression adiabatique réversible

\frac{T_2}{T_1}=[\frac{V_1}{V_2}]^{\gamma-1}=r^{\gamma-1}

Où r = taux de compression

Processus 2-3: Apports de chaleur à volume constant

Qin = mCv [T3-T2]

Processus 3-4: Expansion adiabatique réversible

\frac{T_3}{T_4}=[\frac{V_4}{V_3}]^{\gamma-1}=r^{\gamma-1}

Processus 4-1: le rejet de chaleur à volume constant sera

QR = mCv [T4-T1]

Travail effectué = Qin - QR.

L'efficacité du cycle Otto est représentée par.

\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}}

\\\eta=1-\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\ \frac{T_2}{T_1}=\frac{T_3}{T_4}\\\\ \frac{T_4}{T_1}=\frac{T_3}{T_2}\\\\ \eta=1-\frac{1}{r^{\gamma-1}}

Où r = taux de compression.

Différence entre le cycle diesel Otto cycle et le cycle double

Cycle Otto vs cycle double

Cycle d'Otto vs cycle de Carnot

Cycle de CarnotCycle d'Otto
Il se compose de deux processus isothermes réversibles et de deux processus adiabatiques réversibles.L'air idéal standard Otto-cycle se compose de deux processus isochoriques et de deux processus adiabatiques réversibles.
 C'est un cycle hypothétique et il n'est pratiquement pas possible de construire.C'est un vrai cycle et est la base du fonctionnement du moteur d'allumage Spark moderne.
Il sert d'étalon pour mesurer les performances des autres cycles moteurs.Il ne sert pas d'étalon pour mesurer les performances d'autres cycles moteurs.
Il a une efficacité de 100%.Son efficacité thermique globale se situe entre 50 et 70%.
Il peut être inversé pour obtenir une pompe à chaleur / réfrigération Carnot avec un coefficient de performance maximal.C'est un cycle irréversible.

Cycle d'Otto vs cycle d'Atkinson

Cycle d'AtkinsonCycle d'Otto
Le cycle d'Atkinson utilise un diagramme de distribution des soupapes légèrement différent. La vanne d'admission reste ouverte jusqu'au début de la course de compressionLa vanne d'admission s'ouvre à 5-100 avant le Top Dead Center. Ceci permet de garantir que l'entrée doit s'ouvrir complètement lorsque le piston atteint le PMH et que la charge fraîche commence à entrer dans le cylindre le plus tôt possible après le PMH.
Fournit une économie de carburant plus élevée par rapport à Otto-cycle.Fournit une économie de carburant inférieure par rapport au cycle Atkinson.
Fournit une puissance de crête inférieure par rapport à Ottocycle.Fournit une puissance de crête plus élevée par rapport au cycle Atkinson.
Principalement utilisé dans les véhicules hybrides où le moteur électrique compense le manque de puissance.Principalement utilisé dans les moteurs SI à 4 et 2 temps où une puissance plus élevée est requise

Formule du cycle Otto

L'efficacité d'Otto-cycle est donnée par l'équation

\ eta = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

Où r = taux de compression = 10

Cycle d'Otto avec exemple de procédé polytropique

Un moteur SI a un taux de compression 8 tout en fonctionnant à basse température de 3000C et une basse pression de 250 kPa. Si le travail o / p est de 1000 kilo-Joule / kg, alors calculez le rendement le plus élevé. La compression et l'expansion ont lieu de manière polytropique avec un indice polytropique (n = 1.33).

Solution: L'efficacité d'Otto- cycle est donnée par l'équation

\ eta = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

Ici γ = n

\eta =1-\frac{1}{r^{n-1}}=1-\frac{1}{8^{1.33-1}}=49.65\%

Pourquoi le cycle d'Otto est-il connu comme un cycle à volume constant?

Pour ce cycle, l'ajout et le rejet de chaleur se produisent au volume fixe et la quantité de travail effectuée est proportionnelle à l'ajout de chaleur et au taux de rejet de chaleur, pour cette raison, le cycle Otto est appelé cycle à volume constant.

Quelles sont les limites du cycle Otto?

  • Il a un taux de compression inférieur, il est donc médiocre pour déplacer des charges lourdes à faible vitesse.
  • Ne peut pas résister à des contraintes et des contraintes plus élevées par rapport au moteur diesel.
  • L'efficacité globale du carburant est inférieure à celle du cycle diesel.

Les moteurs à deux temps sont-ils considérés comme des moteurs à cycle Otto?

Les moteurs à deux temps fonctionnent à la fois sur le cycle Otto et le cycle diesel. Le fonctionnement du moteur 2 temps est donné ci-dessous:

  1. Le piston descend et la puissance utile est obtenue. Le mouvement descendant du piston comprime la charge fraîche stockée dans le carter.
  2. Vers la fin de la course d'expansion, le piston révélera d'abord l'orifice d'échappement. Ensuite, la pression du cylindre chutera à la pression atmosphérique, car pendant ce temps, le matériau de combustion partira du cylindre.
  3. Un mouvement supplémentaire du piston révèle l'orifice de transfert permettant à la charge légèrement comprimée dans le carter de vilebrequin d'entrer dans le cylindre du moteur.
  4. La projection dans le piston empêche la charge fraîche de passer directement à l'orifice d'échappement et d'évacuer les matériaux de combustion.
  5. Lorsque le piston monte du point mort bas au point mort haut et que l'orifice de transfert se ferme d'abord, l'orifice d'échappement se ferme et la compression se produit. En même temps, le vide est créé dans le carter et la charge fraîche entre dans le carter pour le cycle suivant.

Pourquoi le cycle Atkinson est-il plus efficace même s'il produit une compression et une pression plus faibles que le cycle Otto?

Dans le cycle d'Atkinson, le processus d'expansion isentropique dans le cycle d'Otto est en outre autorisé à se dérouler et à s'étendre à une pression de cycle plus basse afin d'augmenter le rendement du travail et nous savons que l'efficacité augmente avec l'augmentation du travail produit. C'est pourquoi le cycle Atkinson est plus efficace même s'il produit une compression et une pression plus faibles que le cycle Otto.

Quel est le taux de compression du cycle Otto

Le taux de compression de ce cycle est élaboré comme

r = \ frac {V_s + V_c} {V_s} = \ frac {V_1} {V_2}

Où,

Vs = Volume balayé du cylindre.

Vc = Volume de dégagement du cylindre.

En général, le taux de compression du cycle Otto est de 6 à 10. Il est limité à 10 en raison du cognement du moteur.

Cycle Otto vs efficacité du cycle diesel

La plage normale de taux de compression pour le cycle diesel est de 16 à 20, tandis que dans le cycle Otto, le taux de compression est de 6 à 10 et pour plus de taux de compression utilisé dans le cycle diesel, l'efficacité du cycle diesel est supérieure à celle du cycle Otto.

Cas 1: pour un même taux de compression et un apport de chaleur exactement identique, la relation sera

[Qin]huit = [Qin]Diesel.

[QR]huit<[QR]Diesel.

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D <\ eta_O

Dans ce cas de même taux de compression et de même apport de chaleur, il sera

\ eta_D <\ eta_ {dual} <\ eta_O

Cas 2: Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur, cette relation sera

[Qin]huit> [Qin]Diesel.

[QR]huit= [QR]Diesel.

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D <\ eta_O

Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur.

\ eta_D <\ eta_ {dual} <\ eta_O

Cas 3: Dans ce cas, même température maximale et même rejet de chaleur.

[QR]huit= [QR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]huit

\\\ eta = 1- \ frac {Q_R} {Q_ {in}} \\\\ \ eta_D> \ eta_O

Pour la même température maximale et le même rejet de chaleur

\ eta_D> \ eta_ {dual}> \ eta_O

Sous quelles conditions l'efficacité du cycle de Brayton et du cycle d'Otto sera égale.

L'efficacité du cycle d'Otto est donnée par l'équation

Solution: L'efficacité du cycle d'Otto est donnée par l'équation

\ eta_o = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

r = taux de compression = V1/V2

L'efficacité du cycle de Brayton est donnée par l'équation

\ eta_B = 1- \ frac {1} {r ^ {\ gamma-1}}

r = taux de compression = V1/V2

Pour le même taux de compression du cycle Brayton et Otto, leur efficacité sera égale.

Pour connaître le procédé polytropique (cliquer ici)et numéro Prandtl (Cliquez ici)

À propos de Hakimuddin Bawangaonwala

Je suis Hakimuddin Bawangaonwala, un ingénieur en conception mécanique avec une expertise en conception et développement mécanique. J'ai terminé M. Tech en ingénierie de conception et j'ai 2.5 ans d'expérience en recherche. Jusqu'à maintenant publié Deux documents de recherche sur le tournage dur et l'analyse par éléments finis des appareils de traitement thermique. Mon domaine d'intérêt est la conception de machines, la résistance des matériaux, le transfert de chaleur, l'ingénierie thermique, etc. En dehors de la recherche.
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