오토 사이클

Otto cycle
압력-볼륨 다이어그램
온도-엔트로피 다이어그램
4행정 오토 사이클의 이상화된 도표 두 가지 도표 모두: 섭취 (A) 행정은 이소바르식 팽창에 의해 수행되며, 그 다음에 부차적 압축 (B) 행정으로 이루어진다. 연료 연소를 통해 일정한 체적(소소성 공정) 공정에서 열을 가한 다음 단열 팽창 공정 출력(C) 스트로크가 뒤따른다. 이 사이클은 배기(D) 스트로크로 폐쇄되며, 이소콜리컬 냉각과 이소바르 압축 과정이 특징이다.

오토 사이클은 전형적인 스파크 점화 피스톤 엔진의 기능을 설명하는 이상적인 열역학 사이클이다. 그것은 자동차 엔진에서 가장 흔히 발견되는 열역학 사이클이다.[1]

오토 사이클은 기체 덩어리가 압력, 온도, 부피, 열 추가, 열 제거 등의 변화를 겪으면서 어떤 일이 일어나는지에 대한 설명이다. 그러한 변화에 따르는 기체의 질량을 계통이라고 한다. 이 경우 시스템은 실린더 내의 유체(가스)로 정의된다. 시스템 내에서 일어나는 변화를 기술함으로써, 또한 시스템이 환경에 미치는 영향을 역순으로 기술할 것이다. 오토 사이클의 경우, 그 효과는 자동차와 자동차 탑승자를 환경에서 밀어낼 수 있도록 시스템으로부터 충분한 순작업량을 생산하는 것이다.

오토 사이클은 다음과 같이 구성된다.

루프 상단 및 하단: 준병렬 및 등방성 공정(마찰성, 단열성 가역성)의 쌍.
루프의 왼쪽과 오른쪽: 병렬 등소차 프로세스(정규 볼륨) 쌍.

압축 또는 팽창의 등방성 프로세스는 비효율성(기계적 에너지의 손실)이 없을 것이며, 그 과정 동안 시스템 내부 또는 외부로 열이 전달되지 않음을 의미한다. 실린더와 피스톤은 그 시간 동안 열에 영향을 주지 않는 것으로 가정한다. 낮은 등방성 압축 프로세스 동안 시스템에 대한 작업이 수행된다. 열은 왼쪽 가압 과정을 통해 오토 사이클로 흐르고 그 중 일부는 오른쪽 감압 과정을 통해 다시 흘러나온다. 시스템에 추가된 작업량과 제거된 열을 뺀 열을 합하면 시스템에 의해 생성된 순 기계적 작업이 산출된다.

과정

이 프로세스는 다음과 같이 설명된다.[2][page needed]

  • 프로세스 0–1의 공기 덩어리는 일정한 압력으로 피스톤/실린더 배열로 흡입된다.
  • 프로세스 1–2는 피스톤이 하단 데드 중심(BDC)에서 상단 데드 중심(TDC)으로 이동할 때 하중을 보조(등방성) 압축하는 것이다.
  • 프로세스 2-3은 피스톤이 상사점에 있는 동안 외부 공급원으로부터 작동 가스로 일정량의 열전달이다. 이 과정은 연료-공기 혼합물의 점화 및 후속 급속 연소를 나타내기 위한 것이다.
  • 공정 3-4는 부등방성(이방성) 확장(파워 스트로크)이다.
  • 프로세스 4–1은 피스톤이 바닥 데드 중심에 있는 동안 공기에서 열이 방출되는 일정한 체적 공정에 의해 사이클을 완료한다.
  • 프로세스 1-0 공기의 질량은 일정한 압력 프로세스에서 대기로 방출된다.

오토 사이클은 등방성 압축, 일정 부피에서의 열 추가, 등방성 팽창, 일정 부피에서의 열 제거로 구성된다. 오토 4행정 사이클의 경우 기술적으로 두 가지 추가 과정이 있는데, 하나는 일정한 압력(등가압)에서 폐열과 연소물의 배출을 위한 것이고, 다른 하나는 일정한 압력에서 산소가 풍부한 시원한 공기를 섭취하는 것이다. 그러나 이러한 과정은 단순화된 분석에서 생략되는 경우가 많다. 열역학 사이클의 단순화된 분석을 위해 열전달과 연소 화학의 세부 정보가 관련된 실제 엔진의 기능에 이 두 프로세스가 매우 중요하더라도 단일 체적 변화 시 모든 폐열이 제거된다고 가정하는 것이 더 편리하다.

역사

4행정 엔진은 1861년 알퐁스 보 드 로차스에 의해 처음 특허를 받았다.[3] 이전인 1854~57년경에는 두 명의 이탈리아인(에우게니오 바르산티펠리체 마테우치)이 매우 유사하다는 소문이 있던 엔진을 발명했으나 특허는 상실되었다.

연료(가스엔진)에 석탄 가스-공기 혼합물을 사용하는 고정식 엔진인 4행정 엔진을 처음으로 만든 사람은 독일의 엔지니어 니콜라우스 오토였다.[4] 오늘날 4행정 원리를 흔히 오토 사이클이라고 하고, 스파크 플러그를 이용한 4행정 엔진을 오토 엔진이라고 하는 것도 이 때문이다.

과정

이 시스템은 대기에서 실린더로 흡입되는 공기의 질량으로 정의되며, 피스톤에 의해 압축되고, 추가된 연료의 스파크 점화에 의해 가열되며, 피스톤이 피스톤을 밀면서 팽창할 수 있고, 마지막으로 대기 중으로 다시 소진된다. 공기의 질량은 다양한 열역학적 단계 동안 공기의 부피, 압력 및 온도가 변화함에 따라 뒤따른다. 피스톤이 실린더를 따라 움직일 수 있기 때문에, 공기의 부피는 실린더의 위치에 따라 변한다. 피스톤의 움직임에 의해 기체에 유도되는 압축 및 팽창 프로세스는 가역성으로 이상화된다. 즉, 난류나 마찰로 인해 유용한 작업이 손실되지 않고 그 두 프로세스 동안 기체로 또는 기체로부터 열이 전달되지 않는다. 에너지는 연료의 연소에 의해 공기에 추가된다. 유용한 작업은 실린더 안의 기체의 팽창에 의해 추출된다. 실린더에서 팽창이 완료된 후 남은 열을 추출하여 최종적으로 가스가 환경으로 소진된다. 유용한 기계적 작업이 확장 프로세스 중에 생산되며, 그 중 일부는 다음 사이클의 공기량을 압축하는 데 사용된다. 압축 공정에 사용되는 유용한 기계 작업은 얻은 순 작업량에서 제외되며 추진 또는 다른 기계를 운전하는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 얻은 유용한 작업은 추가된 열과 제거된 열 사이의 차이이다.

Otto Cycle

프로세스 0–1 흡기 행정(파란색 음영)

공기 질량(작동유체)은 개방된 흡기 밸브를 통해 대기압(정수 압력)에서 0부터 1까지 실린더로 흡입되며, 이 과정에서 배기 밸브는 닫힌다. 흡기 밸브는 지점 1에서 닫힌다.

프로세스 1–2 압축 행정(도표에서 B)

초기 상태 1의 작동 가스가 압축비(V1/V2)를 통해 상태 2로 압축됨에 따라 피스톤이 크랭크 엔드(BDC, 하단 데드 중앙 및 최대 체적)에서 실린더 헤드 엔드(TDC, 상단 데드 중앙 및 최소 체적)로 이동한다. 기계적으로 이것은 실린더 내 공기/연료 혼합물의 등방성 압축이며 압축 행정이라고도 한다. 이 등방성 공정은 마찰로 인해 기계적 에너지가 손실되지 않고 가스로 또는 기체로부터 열이 전달되지 않는다고 가정하므로 공정을 되돌릴 수 있다. 압축 공정은 작동 가스에 기계적 작업을 추가해야 한다. 일반적으로 압축비는 일반적인 엔진의 경우 약 9-10:1(V1:V2)이다.[5]

프로세스 2~3 점화 단계(C ON 다이어그램)

피스톤은 TDC에서 순간적으로 정지한다. 점화 단계라고 알려진 이 순간 동안 공기/연료 혼합물은 압축 행정의 상단에 작은 부피로 남아 있다. 열은 주입된 연료의 연소에 의해 작동 유체에 추가되며, 부피는 기본적으로 일정하게 유지된다. 압력이 상승하고 비율 3/ 2) 을 "폭발비"라고 한다.

프로세스 3-4 확장 스트로크(D on design)

늘어난 고압은 피스톤에 힘을 작용하여 BDC 쪽으로 밀어낸다. 작동 유체의 팽창은 등전적으로 이루어지며 피스톤의 시스템에 의해 작업이 이루어진다. 체적비 / V 을(를) "등방성 확장비"라고 한다.(Otto 사이클의 경우 압축비 / 기계적으로 이것은 팽창 (동력) 스트로크라고 알려진 실린더의 뜨거운 기체 혼합물의 팽창이다.

프로세스 4–1 이상 열 제거( 다이어그램에 A 표시)

피스톤은 BDC에서 순간적으로 정지해 있다. 실린더 헤드와 접촉하는 이상적인 외부 싱크대에 열이 제거됨에 따라 일정한 체적 공정 동안 작동 가스 압력이 지점 4에서 지점 1로 즉시 떨어진다. 현대의 내연기관에서 열-싱크는 주변 공기(저전력 엔진의 경우) 또는 냉각수와 같은 순환유체일 수 있다. 가스가 1번 상태로 돌아왔다.

프로세스 1-0 배기 스트로크

배기 밸브는 1번 지점에서 개방된다. 배기 밸브가 열린 상태에서 피스톤이 "BDC"(점 1)에서 "TDC"(점 0)로 이동하면 기체 혼합물이 대기 중으로 배출되고 프로세스가 새로 시작된다.

사이클 분석

프로세스 1-2에서 피스톤은 기체에 작용하고 프로세스 3-4에서 가스는 각각 등방성 압축과 팽창 프로세스 동안 피스톤에 작용한다. 프로세스 2–3 및 4–1은 등축 과정이다. 열은 2-3에서 시스템으로 전달되고 4-1에서 시스템 밖으로 전달되지만, 이러한 프로세스 동안 시스템에 대한 작업은 수행되거나 시스템에서 추출되지 않는다. 시스템에서 작업을 추가하거나 제거하려면 시스템 경계의 이동이 필요하므로 이소차(정규 볼륨) 프로세스 중에는 작업이 수행되지 않으므로 실린더 용적이 변경되지 않으므로 시스템에 샤프트 작업이 추가되거나 시스템에서 제거되지 않는다.

4개의 공정을 설명하기 위해 4개의 다른 방정식이 사용된다. 단순화는 시스템에서 일어나는 운동 에너지와 전위 에너지의 변화를 방치할 수 있다고 가정하고, 기체의 온도, 압력, 부피가 특징인 상태로 상태가 변화함에 따라 열역학(에너지 절약)의 제1 법칙을 기체의 질량에 적용하는 것이다.[2][page needed][6][page needed]

전체 사이클 동안 가스는 원래 온도, 압력 및 부피 상태로 복귀하므로 시스템(가스)의 순 내부 에너지 변화는 0이다. 결과적으로 시스템에 추가된 에너지(열 또는 작업)는 시스템을 떠나는 에너지(열 또는 작업)에 의해 상쇄되어야 한다. 열역학 시스템의 분석에서, 그 시스템에 들어가는 에너지를 양성으로, 시스템을 떠나는 에너지는 음성으로 회계처리하는 것이 관례다.

방정식 1a.

전체 사이클 동안 시스템의 에너지 순변동은 0이다.

상기에 따르면 시스템(기체 질량)은 사이클이 시작될 때 원래 열역학 상태로 복귀한다.

여기서 는 1–2–3부터 시스템에 추가된 에너지이고 은 3–4–1에서 시스템에서 제거된 에너지입니다. 시스템에 추가된 작업 및 열 측면에서

방정식 1b:

방정식의 각 항은 공정의 각 지점에서 기체의 내부 에너지로 표현될 수 있다.

에너지 균형 방정식 1b는 다음과 같이 된다.

예를 설명하기 위해 그림의 포인트에 대한 몇 가지 값을 선택하십시오.

이 값들은 임의로 선택되지만 합리적으로 선택된다. 그러면 작업 조건과 열 조건을 계산할 수 있다.

1에서 2까지 압축하는 동안 시스템에 작업으로 추가되는 에너지는

2 지점부터 3 지점까지의 열로서 시스템에 추가된 에너지는

3에서 4로 확장하는 동안 작업으로 시스템에서 제거되는 에너지는

4 지점부터 1 지점까지의 열로 시스템에서 제거되는 에너지는

에너지 균형은

시스템에 추가된 에너지는 양성으로 계산되고 시스템을 떠나는 에너지는 음성으로 계산되며, 시스템을 원래 상태로 되돌리는 전체 사이클에 대해 예상대로 합계는 0이다.

에너지 균형으로부터 시스템의 작동은 다음과 같다.

작업 시 시스템 밖으로 나오는 순 에너지는 -1로, 시스템이 작업 형태에서 시스템을 떠나는 하나의 순 에너지 단위를 생성했다는 것을 의미한다.

시스템의 순열은 다음과 같다.

열로서 시스템에 에너지가 추가되면 양성이 된다. 위에서 보면 마치 시스템이 하나의 열을 얻은 것처럼 나타난다. 이것은 시스템에서 나온 작업으로 시스템에 의해 생성되는 에너지와 일치한다.

열효율은 시스템으로부터 시스템에 추가된 열까지의 순작업의 몫이다. 방정식 2:

그 대신에 열효율은 엄격하게 열을 가하여 열 제거에 의해 도출될 수 있다.

가상 값 제공

오토 사이클에서, 공정 1-2와 3-4는 등방성 공정이기 때문에 공정 1-2와 공정 3-4 동안 열 전달이 없다. 열은 일정한 부피 공정 2-3 동안만 공급되며, 열은 부피 공정 4-1 동안만 거부된다.

위의 값은 예를 들어, 줄의 단위(단위 MKS 시스템을 사용해야 한다고 가정할 경우)를 가질 수 있는 절대값이며 특정 치수의 특정 엔진에 사용할 수 있다. 열역학 시스템의 연구에서는 에너지, 체적 또는 엔트로피와 같은 광범위한 양이 단위 질량 기준으로 배치되며, 계산도 마찬가지여서 이러한 양이 보다 일반적이 되고 따라서 보다 일반적인 사용이 된다. 따라서, 광범위한 양을 포함하는 각 용어는 질량으로 나눌 수 있으며, 질량별로 jouls/kg(특정 에너지), 미터3/kg(특정 체적), jouls/(kelvin/kg)(특정 엔트로피, 열 용량) 등의 단위를 나타낼 수 있으며, 소문자 u, v, s 등을 사용하여 나타낼 수 있다.

방정식 1은 이제 상수 부피의 특정 열 방정식과 관련될 수 있다. 특정 가열은 특히 이상적인 가스 모델을 포함하는 열역학 계산에 유용하다.

수익률 조정:

열효율 방정식(등분 2) 수율에 특정 열 방정식을 삽입한다.

재배열 시:

다음으로, 도표 / 1= T / {2}}(이상적인 가스는 등방성 관계 참조)에서 언급하므로 이 두 가지를 모두 생략할 수 있다. 그러면 방정식은 다음과 같이 감소한다.

방정식 2:

오토 사이클은 압축(1~2)과 팽창(3~4) 동안 등방성 공정을 사용하기 때문에 이상적인 기체의 등방성 방정식과 일정한 압력/부피 관계를 사용하여 등방성 공정을 산출할 수 있다.[7]

방정식 3:

방정식 4:

어디에
특정 열비
이전 방정식의 도출은 각각 이 4개의 방정식을 풀어서 찾을 수 있다(여기서 (는) 특정 기체 상수임).

방정식 4를 더욱 단순화하며, 서 r (는) 압축비 / 2 ){\

방정식 5:

방정식 4를 뒤집어서 방정식 2에 삽입하는 것으로부터 최종 열효율은 다음과 같이 표현할 수 있다.[page needed][6][page needed]

방정식 6:

식 6을 분석해 보면 오토 사이클 효율은 r 에 직접 의존한다는 것이 명백하다 공기의 이(가) 1.4이므로 의 증가가 \gma}의 증가를 그러나,연료/공기 혼합물의 연소 생성물의 경우 을(를) 약 1.3에서 섭취하는 경우가 많다. 앞에서 설명한 내용은 높은 압축비율을 갖는 것이 더 효율적이라는 것을 의미한다. 표준 비율은 일반 자동차의 경우 대략 10:1이다. 보통 이것은 자동점화 가능성, 즉 압축비에 상한을 두는 "노크" 때문에 크게 증가하지 않는다.[2][page needed] 압축 프로세스 1-2 동안 온도가 상승하므로 압축비가 증가하면 온도가 상승한다. 자동점화는 연료/공기 혼합물의 온도가 너무 높아지면 불꽃 전방에 의해 점화된다. 압축 행정은 불꽃이 혼합물에 점화되기 전에 제품을 압축하기 위한 것이다. 압축비가 증가하면 혼합물이 압축 스트로크가 완료되기 전에 자동점화하여 "엔진 노크"로 이어질 수 있다. 이것은 엔진 구성품을 손상시킬 수 있고 엔진의 브레이크 마력을 감소시킬 것이다.

오토 사이클에 의해 생성되는 동력은 시간의 단위당 발전한 에너지다. 오토 엔진은 4행정 엔진이라고 불린다. 흡기 스트로크와 압축 스트로크는 엔진 크랭크축을 한 번 회전시켜야 한다. 파워 스트로크와 배기 스트로크는 한 번 더 회전이 필요하다. 두 번 회전하는 경우 스트로크를 생성하는 작업이 한 가지 있다.

위의 주기 분석에서 시스템에 의해 생성된 순 작업:

(각각, 부호 규약을 사용하여, 마이너스 부호는 에너지가 작업으로 시스템을 떠난다는 것을 의미한다)

만약 사용된 단위가 MKS였다면, 그 사이클은 작업 형태에서 1줄의 에너지를 생산했을 것이다. 1리터와 같은 특정 변위 엔진의 경우, 엔진이 표준 온도(20°C)와 압력(1 atm)에서 작동한다고 가정하여 시스템의 가스 중량을 계산할 수 있다. 보편적 가스법을 사용하는 경우 1리터의 가스 중량은 실온과 해수면 압력이다.

V=0.001 m3, R=0.286 kJ/(kg·K), T=293 K, P=101.3 kN/m2
M=0.00121 kg

3000rpm의 엔진 속도에서는 1500개의 워크 스트로크/분 또는 25개의 워크 스트로크가 있다.

파워는 25개의 워크 스트로크가 있기 때문에 25배이다/초

엔진이 다중 실린더인 경우 그 결과에 그 인수를 곱할 것이다. 각 실린더의 변위가 서로 다른 경우, 그 결과도 그 인수에 곱할 것이다. 이러한 결과는 4행정(2회 회전)의 각 끝에서 시스템의 4개 상태에 대해 가정된 내부 에너지 값의 산물이다. 그들은 단지 삽화를 위해 선발된 것이고, 분명히 가치가 낮다. 실제 엔진에서 실제 값을 대체하면 엔진에 더 가까운 결과를 얻을 수 있다. 비효율성을 간과하는 분석에서 이루어지는 많은 단순화 가정들이 있기 때문에 누구의 결과가 실제 엔진보다 높을 것인가. 그러한 결과는 전력 출력을 과대평가할 것이다.

전력 및 효율성 향상

배기 압력 및 흡기 압력 및 온도 차이는 터보차저를 사용하여 효율을 어느 정도 높일 수 있음을 의미하며, 남은 에너지의 일부를 배기 흐름에서 제거하고 이를 흡기 흐름으로 전달하여 흡기 압력을 증가시킨다. 가스 터빈은 배기 스트림에서 유용한 작업 에너지를 추출하여 흡기를 가압하는 데 사용할 수 있다. 배출 가스의 압력과 온도는 가스터빈을 통해 팽창하고 그 작업이 흡입 가스 흐름에 적용되어 가스의 압력과 온도를 증가시킬 것이다. 에너지 전달은 효율 개선에 해당하며, 그에 따른 엔진의 출력 밀도 또한 개선된다. 흡입 공기는 일반적으로 스트로크 당 생성되는 작업이 실린더로 흡수되는 질량의 직접적인 함수인 만큼 부피를 줄이기 위해 냉각된다. 보다 밀도가 높은 공기는 사이클당 더 많은 작업을 생산하게 된다. 실질적으로 말하면, 가솔린 엔진에서 조기 점화를 방지하기 위해 흡입 공기량 온도도 감소시켜야 한다. 따라서 중간 냉각기는 열로서 일부 에너지를 제거하여 흡기 온도를 낮추기 위해 사용된다. 그러한 계획은 엔진의 효율과 동력을 증가시킨다.

크랭크축에 의해 구동되는 슈퍼차저의 적용은 출력(전력밀도)을 증가시키지만 엔진에 의해 생성된 순작업의 일부를 흡입 공기를 가압하기 위해 사용하므로 효율은 증가하지 않으며 고온의 배기 흐름과 암비 압력에 관련된 낭비된 에너지를 추출하지 못한다.…을 수반하다

참조

  1. ^ 우, 치. 열역학 사이클: 컴퓨터 지원 설계최적화. 뉴욕: M. 데커, 2004년 99페이지
  2. ^ Jump up to: a b c 모란, 마이클 J, 하워드 N. 샤피로 엔지니어링 열역학 기초. 제6판 뉴저지 호보켄: 치커스터: Wiley; John Wiley, 2008. 인쇄하다
  3. ^ Mike Busch. "150-Year-Old Technology". Sport Aviation: 26.
  4. ^ Gunston, Bill (1999). Development of Piston Aero Engines (2 ed.). Sparkford, UK: Patrick Stephens Ltd. p. 21. ISBN 978-0-7509-4478-6.
  5. ^ "Heat Cycles - Electropeaedia". Woodbank Communications Ltd. Retrieved 2011-04-11.
  6. ^ Jump up to: a b Gupta, H. N. 내연소의 기초. 뉴델리: 프렌티스 홀, 2006. 인쇄하다
  7. ^ Reynolds & Perkins (1977). Engineering Thermodynamics. McGraw-Hill. pp. 249. ISBN 978-0-07-052046-2.