ЦИКЛ ОТТО, АБО ДВИГУН З ІСКРОВИМ ЗАПАЛЕННЯМ
Кимось було помічено, що французи винаходять, німці розвивають, а американці використовують. Цей жартівливий афоризм добре ілюструється історією розвитку автомобільного двигуна. Справді, саме француз Альфонс Бо де Роша запропонував 1862 р. наступний чотиритактний цикл (показаний на рис. 11.1). Цикл складається з наступних тактів:
1. Такт впуску, під час якого поршень в циліндрі опускається і через відкритий впускний клапан втягує горючу суміш.
2. Такт стиснення, під час якого при піднятті поршня та стисненні горючої суміші закриті і впускний, і випускний клапани. Так як стиск дуже швидкий, його можна вважати майже адіабатичним; отже, зростають і температура, і тиск.
Мал. 11.1. Чотирьохтактний цикл Отто, що використовується у сучасних автомобільних моторах.
Мал. 11.2. Цикл Отто на p-V (або індикаторній) діаграмі.
При аналізі шлях da розглядається як ізохоричне охолодження. У реальних двигунах на цій ділянці відбувається вихлоп відпрацьованого газу (шлях ) та заміщення його свіжою повітряно-паливною сумішшю . Цикл Отто складається з наступних етапів: ab – адіабатичний стиск (ізентропа); be - підведення теплоти при постійному обсязі (ізохору); cd - адіабатичне розширення (ізентропа), da - охолодження при постійному обсязі (ізохора), - реальний вихлоп і впуск, еквівалентні етапу da (майже ізобари); - можливе додаткове розширення, при якому може бути виконана робота.
3. Робочий такт, під час якого гарячий газ, що виник у результаті горіння, викликаного іскрою під час такту стиснення, з великим тиском діє на поршень, штовхаючи його вниз і виконуючи роботу над колінчастим валом. 4. Такт вихлопу, під час якого поршень виштовхує назовні продуктизгоряння через відкритий випускний клапан.
Бо де Роша був теоретиком і жодного двигуна не збудував. Його ідеї не знаходили практичного застосування аж до 1876, коли німецький інженер Ніколаус Отто сконструював перший діючий зразок двигуна. У 1877 р. Отто було видано патент, а 1878 р. у Сполучених Штатах почалося виробництво моторів. Коли йдеться про сучасників, люди зазвичай найчастіше захоплюються практиками, ніж мислителями. Можливо, саме тому чотиритактний цикл має ім'я свого конструктора Отто, а не ім'я винахідника Бо де Роша. І дуже мало хто з тих, хто щодня сідає за кермо, чули хоча б одне з цих імен.
Простежимо за ходом циклу по діаграмі станів на площині p-V, показаної на рис. 11.2. Почнемо з точки а. У той момент, коли поршень знаходиться в нижній мертвій точці випускного такту, обсяг V дорівнює . Протягом такту стиснення, під час якого поршень піднімається, стан газу змінюється шляхом ab до точки b, в якій . Так як поршень рухається досить швидко, часу на теплообмін між газом і стінками циліндра практично не залишається, тому стиснення можна вважати адіабатичним. У точці b іскра спалахує суміш, яка горить так швидко, що рух поршня під час горіння можна знехтувати. Таким чином, згоряння створює приплив теплоти при постійному обсязі, що викликає зростання тиску і температури по лінії be до точки с.
Фактично, приплив теплоти відбувається в результаті хімічної реакції, проте для аналізу зручно замінити стадію згоряння повністю еквівалентною тепловою взаємодією газу та зовнішнього джерела теплоти. Потім поршень починає свій робочий хід вниз, під час якого газ розширюється (знову майже адіабатично) вздовж лінії CD. У реальному двигуні в точці dвідкривається випускний клапан і поршень піднімається, виштовхуючи продукти згоряння. Після цього вводиться свіжа порція суміші, тому цикл замикається в точці а. Ця досить складна послідовність процесів, що включає газообмін у двигуні, показана на діаграмі пунктирною лінією . Однак складний процес впуску-випуску можна апроксимувати так само, як і шлях be. Він відповідає простим відведенням теплоти при постійному обсязі по лінії da, і в принципі його можна замінити тепловою взаємодією газу із зовнішнім холодильником. Отже, перерахуємо ще раз ключові етапи циклу Отто:
1) адіабатичний стиск ab;
2) ізохоричний підведення тепла bс;
3) адіабатичне розширення cd;
4) ізохоричний відвід тепла da.
Використовуючи самі методи, як і під час аналізу циклу Карно, визначимо ідеальний ККД циклу Отто. Згадаймо, що відповідно до рівняння (19) гол. 8 (див. також затвердження 19 в гл. 9), при адіабатичному розширенні або стисненні 1 моль газу здійснює роботу
Отже, у наведеному на рис. 11.2 циклі Отто
Нас цікавить ККД чи відношення результуючої роботи до витраченої теплоти, тобто теплоти, виділеної згорілим паливом. Згідно з першим початком термодинаміки, для нескінченно малої зміни внутрішньої енергії в ізохоричному процесі маємо вираз
Після інтегрування від початкової до кінцевої температури отримуємо
Об'єднаємо рівняння (2) і (4) і здійснимо деякі перетворення; це дає
У гол. 8 [див. рівняння (25)] було показано, що при адіабатичному стиску або розширенні величина залишається постійною. Отже, можна записати
Віднімемо одиницю з обох частинрівняння; тоді маємо
Поєднавши цей результат з рівняннями (5) та (6), отримаємо
Відношення об'єму циліндра в той момент, коли поршень знаходиться в нижній мертвій точці, до об'єму при верхньому положенні поршня відомо як ступінь стиснення, яку ми позначимо через а. Так,
Це вираз говорить, що ККД двигуна, що працює на основі циклу Отто, зі зростанням ступеня стиснення збільшується. У межі, з наближенням ступеня стиснення до нескінченності, ККД двигуна міг би досягти 100%! На жаль, для досягнення нескінченного ступеня стиснення був би необхідний циліндр непомірної довжини; тоді обсяг завжди був би зникаюче малий. Крім того, отриманий тиск було б дуже важко утримати!
Цікаво порівняти ККД циклів Карно та Отто. У циклі Карно, що діє між нагрівачем з температурою і холодильником з температурою , маємо, згідно з ПТМ,
Права частина нерівності (13) являє собою максимальний ККД будь-якого двигуна, що працює між термостатами з двома температурами і Згідно з рівнянням (І), для циклу Отто
Таким чином, ККД циклу Карно перевершує ККД циклу Отто на таку величину, на яку перевищує . Це відбувається тому, що в машині Карно поглинання теплоти йде повністю при найвищій температурі, а віддача теплоти відповідно повністю при найвищій температурі. У двигуні Отто теплота поглинається в температурному інтервалі від до а віддається в інтервалі від до . У реальному двигуні Отто вся віддача теплоти насправді відбувається за найвищої температури оскільки за цієї температури весь газ викидається через випускний клапан.
Крім того, зауважимо, що при температурі тиск гарячого газу перевищує атмосферний тиск Отже, подальше розширення може дати додаткову роботу. Її величина відповідає площі, укладеній на діаграмі станів між пунктирними лініями, що з'єднують точки і а (див. рис. 11.2).
У часи, коли в авіації застосовувалися двигуни Отто, ця робота часто використовувалася. Вихлопних газів давали можливість розширюватися через турбіну, що приводила в дію компресор. Компресор підвищував тиск газу, який надходив до циліндра під час такту впуску, тобто в точці а. Такий пристрій дозволяв спалювати більше повітря та пального за цикл. Так званий турбонаддув збільшував потужність двигуна понад ту, яку можна було досягти при природному "диханні" двигуна. Підвищення потужності було особливо важливим для польоту на великих висотах. Раніше пристрої для турбонаддуву іноді застосовувалися і двигунів легкових автомобілів. Тепер їх поєднують з двигунами Отто в основному в гоночних машинах. Навіть при врахуванні економії пального, що отримується завдяки збільшенню ККД. ціна пристроїв для турбонаддуву надто висока і їхнє повсюдне використання не виправдане. Однак не слід думати, що ККД двигуна не важливий або ніхто не дбає про економію палива. Навпаки, конструктори автомобілів продовжують спроби підвищити ККД двигунів. Вони шукають економічніший спосіб підвищення ступеня стиснення, користь якого була продемонстрована вище. Однак підвищити ступінь стиснення все ж таки не так просто. Нижче буде розглянуто деякі пов'язані з цим питання.