ОТТО ЦИКЛ ИЛИ ИСКОРЕН ДВИГАТЕЛ ЗА ЗАПАЛВАНЕ
Някой забеляза, че французите изобретяват, германците се развиват, а американците използват. Този хумористичен афоризъм е добре илюстриран от историята на развитието на автомобилния двигател. Всъщност именно французинът Алфонс Бо Бо дьо Роша е този, който предлага следния четиритактов цикъл през 1862 г. (показан на фиг. 11.1). Цикълът се състои от следните мерки:
1. Всмукателен ход, по време на който буталото в цилиндъра се спуска и през отворения всмукателен клапан вкарва горимата смес.
2. Компресионен ход, по време на който, когато буталото се повдигне и горивната смес се компресира, както всмукателните, така и изпускателните клапани са затворени. Тъй като компресията е много бърза, тя може да се счита за почти адиабатна; следователно и температурата, и налягането се повишават.
Фигура: 11.1. Четиритактовият цикъл на Ото, използван в съвременните автомобилни двигатели.
Фигура: 11.2. Ото цикъл на p-V (или индикатор) диаграма.
При анализа пътят da се разглежда като изохорно охлаждане. При реални двигатели отработените газове се изчерпват в този раздел (път ) и го замени със свежа въздушно-горивна смес . Цикълът на Ото се състои от следните етапи: ab - адиабатна компресия (изентроп); be - подаване на топлина при постоянен обем (изохора); cd - адиабатно разширение (изентроп), da - охлаждане при постоянен обем (изохора), - истински отработени газове и всмукване, еквивалентни на степен да (почти изобари); - възможно допълнително разширяване, при което работата може да бъде извършена.
3. Работен ход, по време на който горещият газ, произтичащ от горенето, причинено от искрата в края на хода на компресията, с голямо налягане действа върху буталото, изтласквайки го надолу и извършвайки работа по коляновия вал. 4. Изпускателен ход, по време на който буталото изтласква продуктите от горенето през отворения изпускателен клапан.
Бо дьо Роша беше теоретик и не построи никакъв двигател. Неговите идеи намират практическо приложение едва през 1876 г., когато немският инженер Николаус Ото проектира първия работещ прототип на двигателя. През 1877 г. на Ото е издаден патент, а през 1878 г. в САЩ започва производството на двигатели. Що се отнася до съвременниците, хората са склонни да се възхищават на практикуващите по-често, отколкото на мислителите. Може би затова цикълът от четири цикъла носи името на своя конструктор Ото, а не името на изобретателя Бо дьо Рош. И много малко от тези, които шофират всеки ден, са чували поне едно от тези имена.
Нека да проследим хода на цикъла според диаграмата на състоянието на равнината p - V, показана на фиг. 11.2. Нека започнем от точка а. В момента, когато буталото е в долната мъртва точка на изпускателния ход, обемът V е равен на . По време на хода на компресия, по време на който буталото се издига, състоянието на газа се променя по пътя ab до точка b, при което . Тъй като буталото се движи доста бързо, на практика не остава време за топлообмен между газа и стените на цилиндъра, така че компресията може да се счита за адиабатна. В точка б искрата запалва сместа, която изгаря толкова бързо, че движението на буталото по време на горенето може да бъде пренебрегнато. По този начин изгарянето създава приток на топлина с постоянен обем, което причинява повишаване на налягането и температурата по линията да бъде до точка с.
По същество притокът на топлина възниква в резултат на химична реакция, но за анализ е удобно да се замени етапът на горене с напълно еквивалентно термично взаимодействие между газа и външен източник на топлина. След това буталото започва своя ход надолу, по време на който газът се разширява (отново почти адиабатно) по линията на компактдиска. При истински двигател, в точка d, изпускателният клапан се отваря и буталото се повдига, изтласквайки продуктите от горенето. След това се въвежда прясна порция от сместа, така че цикълът се затваря в точка а. Тази доста сложна последователност от процеси, включително обмен на газ в двигателя, е показана на диаграмата с пунктирана линия. . Сложният процес на всмукване и изпускане обаче може да бъде апроксимиран по същия начин, както и пътят. Това съответства на простото отстраняване на топлината при постоянен обем по линията da и по принцип може да бъде заменено от термичното взаимодействие на газа с външен охладител. И така, нека изброим отново ключовите етапи от цикъла на Ото:
1) адиабатна компресия ab;
2) изохорна входна топлина bc;
3) адиабатно разширение cd;
4) изохорно отстраняване на топлината da.
Използвайки същите методи, както при анализа на цикъла на Карно, ние определяме идеалната ефективност на цикъла на Ото. Припомнете си, че според уравнение (19) гл. 8 (виж също изявление 19 в глава 9), при адиабатно разширение или свиване, 1 мол газ върши работата