4.3. Цикл Отто

Первый четырёхтактный двигатель разработал немецкий инженер Николаус Отто в 1876 году. Принцип работы двигателя называется «цикл Отто» или четырёхтактный цикл. В настоящее время четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания имеют самое широкое применение. Их имеют почти все автомобили, грузовики и мотоциклы.

Цикл Отто – это термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания с воспламенением сжатой смеси от постороннего источника энергии. Цикл Отто реализован в карбюраторных двигателях, использующих высокосортные быстро сгорающие сорта бензинов.

В цикле Отто подводимая теплота повышает давление газа при постоянном объеме, а затем газ адиабатически расширяется с совершением полезной работы. После достижения заданного объема теплота отводится, а часть работы затрачивается на адиабатическое сжатие газа, после чего цикл может повториться (рис. 7-9).

Рис. 7. Цикл Отто.

Рис. 8. Цикл Отто.

При этом в цилиндре происходят следующие процессы:

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 – изохорный подвод теплоты к рабочему телу;

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела;

4-1 – изохорное охлаждение рабочего тела.

Коэффициент полезного действия цикла Отто вычисляется так:

, (3) где n = V₁/V₂ – степень сжатия, k – показатель адиабаты.

Идеальный цикл лишь приблизительно описывает процессы, происходящие в реальном двигателе, но для технических расчётов в большинстве случаев точности такого приближения достаточно.

Реальные машины используют порцию горючего за один цикл, затем отработанное топливо должно быть выброшено, а цилиндр двигателя – пополнен новой порцией горючего.

Участок 1- 2 диаграммы соответствует адиабатному (быстрому) сжатию топлива. При адиабатном сжатии внутренняя энергия паров бензина повышается, повышается температура и в состоянии 2 горючее воспламеняется при помощи искры. Так как оно сгорает быстро, процесс 2-3 можно считать изохорическим, поскольку объём не успевает измениться, а давление возрастает. На этом этапе за счёт сгорания топлива к рабочему телу поступает количество теплоты Q_Н, которое определяется по формуле:

Q_Н = С_v(T₃ – T₂). (4)

Рис. 9. Цикл Отто в p-v координатах.

На участке 3-4 газ быстро адиабатно расширяется (рабочий ход поршня). При этом его внутренняя энергия, а, следовательно, и температура уменьшается. Дальнейшее охлаждение газа до первоначальной температуры происходит изохорически (участок 4-1). При этом часть количества теплоты, полученной от нагревателя, отдаётся холодильнику. Холодильником для двигателей внутреннего сгорания обычно является атмосфера.

Цикл Отто – прямой газовый изохорный цикл неполного расширения представлен в p-v координатах на рис. 9.

Этот цикл неполного расширения (Р_b>Р_а) состоит из двух изохорных и двух адиабатных процессов:

ac – сжатие рабочего тела по адиабате;

cz – подвод теплоты q₁ к рабочего тела по изохоре;

zb – расширение рабочего тела по адиабате;

ba – отвод теплоты q₂ в холодильник от рабочего тела по изохоре.

После прохождения этого цикла рабочее тело возвращается в начальное состояние. В результате этого цикла совершается положительная результатирующая работа, равная площадь aczba, которая передается на вал двигателя. В T-s координатах цикл Отто имеет вид, показанный на рис. 10.

Рис. 10. Цикл Отто в координатах T-s.

Основные характеристики (параметры) цикла Отто:

- степень сжатия: , где v_a – полный объем цилиндра (в начале процесса сжатия), v_c – объем камеры сгорания (в конце процесса сжатия);

- степень повышения давления в процессе подвода теплоты (при горении топливо-воздушной смеси): , где P_z – давление рабочего тела в конце подвода теплоты q₁, P_c – давление рабочего тела в начале подвода теплоты q₁. Параметрами цикла называются величины, которые полностью определяют цикл. Их число равно числу процессов в цикле без двух.

Термический коэффициент полезного действия цикла Отто:

, (5)

где и .

После подстановки q₁ и q₂ в выражение для имеем:

. (6) После подстановки в эту формулу (6) величин (для адиабаты ac) и учитывая, что (для изохоры c-z) и что , окончательно имеем: , то есть . (7)

С ростом степени сжатия увеличивается максимальная температура в системе Т₁ и в соответствии со 2-м законом термодинамики увеличивается термический коэффициент полезного действия. С ростом показателя адиабаты k термический коэффициент полезного действия увеличивается из-за влияния рода рабочего тела, то есть теплоемкости идеального газа.

Недостатком цикла Отто является невозможность применения высоких степеней сжатия. Обычно применяются степени сжатия в диапазоне: , что определяется температурой воспламенения топлива Т_топ, которую не может превышать температура в конце процесса сжатия Т_с из-за опасности взрывного самовозгорания топлива. Чем выше октановое число бензина, тем до больших степеней сжатия можно сжать топливо-воздушную смесь (без взрыва).