ओटो चक्र: चरण, प्रदर्शन, अनुप्रयोग, हल किए गए अभ्यास - शारीरिक - 2025

ओटो चक्र एक thermodynamic के चक्र है कि दो isochoric प्रक्रियाओं और दो स्थिरोष्म प्रक्रियाओं से बना है है। यह चक्र एक संकुचित थर्मोडायनामिक तरल पदार्थ पर होता है। यह 19 वीं सदी के अंत में जर्मन इंजीनियर निकोलस ओटो द्वारा बनाया गया था, जिन्होंने आंतरिक दहन इंजन को पूरा किया, जो आधुनिक ऑटोमोबाइल में पाया गया था। बाद में उनके बेटे गुस्ताव ओटो ने प्रसिद्ध बीएमडब्ल्यू कंपनी की स्थापना की।

ओटो चक्र को आंतरिक दहन इंजनों पर लागू किया जाता है जो वायु और गैस, गैस या अल्कोहल जैसे वाष्पशील ईंधन के मिश्रण के साथ काम करते हैं, और जिसका दहन इलेक्ट्रिक स्पार्क के साथ शुरू होता है।

चित्र 1. नस्कर प्रतियोगिता में कारें। स्रोत: पिक्साबे

ओटो चक्र के चरण

ओटो चक्र के चरण हैं:

1. एडियाबेटिक संपीड़न (पर्यावरण के साथ गर्मी विनिमय के बिना)।
2. आइसोकोरिक रूप में ऊष्मा ऊर्जा का अवशोषण (बिना आयतन बदले)।
3. एडियाबेटिक विस्तार (पर्यावरण के साथ गर्मी विनिमय के बिना)।
4. आइसोकोरिक रूप में ऊष्मा ऊर्जा का निष्कासन (आयतन बदले बिना)।

चित्रा 2, नीचे दिखाया गया है, एक पीवी (दबाव-मात्रा) आरेख में ओटो चक्र के विभिन्न चरणों को दर्शाता है।

चित्रा 2. ओटो चक्र के पीवी आरेख। स्रोत: स्व बनाया

आवेदन

ओटो चक्र चार-स्ट्रोक और दो-स्ट्रोक आंतरिक दहन इंजन के लिए समान रूप से लागू होता है।

-4-स्ट्रोक इंजन

इस इंजन में एक सिलेंडर में एक या अधिक पिस्टन होते हैं, प्रत्येक में एक (या दो) इनटेक वाल्व और एक (या दो) एग्जॉस्ट वाल्व होते हैं।

इसका नाम इसलिए रखा गया है क्योंकि इसके संचालन में ठीक चार बार या अच्छी तरह से चिह्नित चरण हैं:

1. प्रवेश।
2. संपीड़न।
3. विस्फोट।
4. पलायन।

ये चरण या समय क्रैंकशाफ्ट के दो मोड़ के दौरान होते हैं, क्योंकि पिस्टन 1 और 2 बार नीचे और ऊपर जाता है, और 3 और 4 बार फिर नीचे और ऊपर जाता है।

नीचे हम विस्तार से वर्णन करते हैं कि इन चरणों के दौरान क्या होता है।

चरण 1

सेवन वाल्व खुले और निकास वाल्व बंद होने के साथ उच्चतम बिंदु से पिस्टन को कम करना, ताकि वायु-ईंधन मिश्रण पिस्टन में अपने वंश के दौरान खींचा जाए।

वायुमंडलीय दबाव पीए पर ओटो चक्र आरेख के चरण OA के दौरान सेवन होता है। इस चरण में वायु-ईंधन मिश्रण को शामिल किया गया है, जो संपीड़ित तरल पदार्थ है जिस पर ओटो चक्र के चरणों AB, BC, CD और DA को लागू किया जाएगा।

चरण 2

पिस्टन के कुछ समय पहले अपने सबसे निचले बिंदु पर पहुँच जाता है, दोनों वाल्व बंद हो जाते हैं। फिर यह इस तरह से बढ़ना शुरू करता है कि यह हवा-ईंधन मिश्रण को संकुचित करता है। यह संपीड़न प्रक्रिया इतनी तेजी से होती है कि यह आस-पास के वातावरण को व्यावहारिक रूप से गर्मी नहीं देती है। ओटो चक्र में यह एडियाबेटिक प्रक्रिया एबी से मेल खाती है।

चरण 3

पिस्टन के उच्चतम बिंदु पर, मिश्रण संपीड़ित और वाल्व बंद होने के कारण, स्पार्क द्वारा शुरू किए गए मिश्रण का विस्फोटक दहन होता है। यह विस्फोट इतना तेज है कि पिस्टन मुश्किल से नीचे उतरा है।

ओटो चक्र में यह आइसोकोरिक ई.पू. प्रक्रिया से मेल खाती है जहां गर्मी को सराहनीय मात्रा में परिवर्तन के बिना इंजेक्ट किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप मिश्रण का दबाव बढ़ जाता है। ईंधन के साथ हवा में ऑक्सीजन के दहन की रासायनिक प्रतिक्रिया से गर्मी प्रदान की जाती है।

चरण 4

उच्च दबाव मिश्रण फैलता है जिससे पिस्टन उतरता है जबकि वाल्व बंद रहते हैं। यह प्रक्रिया इतनी तेजी से होती है कि बाहर के साथ गर्मी विनिमय नगण्य है।

इस बिंदु पर सकारात्मक काम पिस्टन पर किया जाता है, जो प्रेरक बल का उत्पादन करने वाली क्रैंकशाफ्ट से कनेक्टिंग रॉड द्वारा प्रेषित होता है। ओटो चक्र में यह एडियाबेटिक प्रक्रिया सीडी से मेल खाती है।

चरण 5

स्ट्रोक के निचले हिस्से के दौरान, गर्मी को रेफ्रिजरेंट में सिलेंडर के माध्यम से निष्कासित कर दिया जाता है, बिना वॉल्यूम को सराहनीय रूप से बदल दिया जाता है। ओटो चक्र में यह डीए आइसोकोरिक प्रक्रिया से मेल खाती है।

चरण 6

पिस्टन स्ट्रोक के अंतिम भाग में, जले हुए मिश्रण को निकास वाल्व द्वारा बाहर निकाल दिया जाता है जो खुला रहता है, जबकि सेवन वाल्व बंद रहता है। जली हुई गैसों का पलायन ओटो चक्र आरेख में चरण AO के दौरान होता है।

पूरी प्रक्रिया को एक नए वायु-ईंधन मिश्रण के सेवन वाल्व के माध्यम से प्रवेश के साथ दोहराया जाता है।

चित्रा 3. चार स्ट्रोक इंजन। स्रोत: पिक्साबे

ओटो चक्र में किया गया शुद्ध कार्य

ओटो चक्र एक हीट इंजन की तरह काम करता है और इसे दक्षिणावर्त दिशा में चलाया जाता है।

एक गैस द्वारा किया गया काम W जो दीवारों को फैलाता है, इसकी गणना निम्न सूत्र द्वारा की जाती है:

जहां Vi प्रारंभिक मात्रा है और अंतिम मात्रा Vf है।

एक थर्मोडायनामिक चक्र में शुद्ध कार्य पी - वी आरेख के चक्र में संलग्न क्षेत्र से मेल खाता है।

ओटो चक्र के मामले में, यह ए से बी प्लस तक किए गए यांत्रिक कार्य से मेल खाती है और सी से डी के बीच बी और सी से किया गया यांत्रिक कार्य शून्य है क्योंकि वॉल्यूम में कोई परिवर्तन नहीं हुआ है। इसी तरह डी और ए के बीच का कार्य शून्य है।

A से B तक किया गया कार्य

मान लीजिए कि हम बिंदु A से शुरू करते हैं, जहाँ इसकी मात्रा Va, इसका दबाव Pa और इसका तापमान Ta ज्ञात है।

बिंदु ए से बिंदु बी तक एक एडियाबेटिक संपीड़न किया जाता है। अर्ध-स्थैतिक स्थितियों के तहत, एडिबैटिक प्रक्रियाएं पॉइसन के कानून का अनुपालन करती हैं, जो बताता है कि:

जहाँ the एडियाबेटिक भागफल को स्थिर दबाव पर विशिष्ट ऊष्मा और स्थिर आयतन पर विशिष्ट ऊष्मा के बीच भागफल के रूप में परिभाषित किया जाता है।

तो ए से बी तक किए गए कार्य की गणना संबंध द्वारा की जाएगी:

अभिन्न प्रक्रिया के लिए इंटीरन लेने और पोइसन के अनुपात का उपयोग करने के बाद, हमारे पास है:

जहाँ r, संपीड़न अनुपात r = Va / Vb है।

C से D तक किया गया कार्य

इसी प्रकार C से D तक किए गए कार्य की गणना अभिन्न द्वारा की जाएगी:

जिसका परिणाम है

जहाँ r = Vd / Vc = Va / Vb संपीड़न अनुपात है।

शुद्ध कार्य दो नौकरियों का योग होगा:

ओटो चक्र में शुद्ध गर्मी

ए से बी और सी से डी तक की प्रक्रियाओं में किसी भी तरह के ताप का आदान-प्रदान नहीं किया जाता है क्योंकि वे एडियाबेटिक प्रक्रियाएं हैं।

बी से सी की प्रक्रिया के लिए, कोई काम नहीं किया जाता है और दहन द्वारा जारी गर्मी गैस की आंतरिक ऊर्जा को बढ़ाती है और इसलिए इसका तापमान Tb से Tc तक होता है।

इसी तरह, डी से ए की प्रक्रिया में गर्मी हस्तांतरण होता है जिसे इस प्रकार भी गिना जाता है:

शुद्ध गर्मी होगी:

प्रदर्शन

एक चक्रीय मोटर के प्रदर्शन या दक्षता की गणना ऑपरेशन के प्रत्येक चक्र के लिए सिस्टम को दिए गए शुद्ध काम और गर्मी के बीच भागफल को खोजने के द्वारा की जाती है।

यदि पिछले परिणामों को पिछली अभिव्यक्ति में प्रतिस्थापित किया जाता है और यह धारणा बनाई जाती है कि ईंधन वायु मिश्रण एक आदर्श गैस के रूप में व्यवहार करता है, तो चक्र की सैद्धांतिक दक्षता तक पहुंच जाता है, जो केवल संपीड़न अनुपात पर निर्भर करता है:

ओटो चक्र हल अभ्यास

-अभ्यास 1

7.5 संपीड़न अनुपात के साथ 1500 सीसी का चार स्ट्रोक वाला पेट्रोल इंजन 100 kPa और 20 डिग्री सेल्सियस के वायुमंडलीय दबाव वाले वातावरण में काम करता है। प्रति चक्र किए गए शुद्ध कार्य का निर्धारण करें। मान लें कि दहन प्रत्येक वायु-ईंधन मिश्रण के लिए 850 जूल का योगदान देता है।

उपाय

शुद्ध कार्य अभिव्यक्ति की गणना पहले की गई थी:

हमें किए गए शुद्ध कार्य को निर्धारित करने के लिए चक्र के बिंदुओं बी और सी पर मात्रा और दबाव निर्धारित करना होगा।

बिंदु ए पर मात्रा जहां सिलेंडर को हवा-गैसोलीन मिश्रण से भर दिया गया है, 1500 सीसी विस्थापन है। बिंदु B पर आयतन Vb = Va / r = 200 cc है।

बिंदु C का आयतन भी 200 cc है।

ए, बी और सी पर दबाव की गणना

बिंदु A पर दबाव वायुमंडलीय दबाव है। बिंदु बी पर दबाव को एक एडियाबेटिक प्रक्रिया के लिए पॉइसन के अनुपात का उपयोग करके गणना की जा सकती है:

इस बात को ध्यान में रखते हुए कि मिश्रण मुख्य रूप से हवा है जिसे डायटोमिक आदर्श गैस के रूप में माना जा सकता है, गामा एडियाबेटिक गुणांक 1.4 मान लेता है। तब बिंदु B पर दबाव 1837.9 kPa होगा।

बिंदु C का आयतन बिंदु B के समान है, जो कि 200 cc है।

दहन के कारण तापमान में वृद्धि के कारण बिंदु C पर दबाव बिंदु B से अधिक है। इसकी गणना करने के लिए हमें यह जानना होगा कि दहन ने कितनी गर्मी का योगदान दिया है।

दहन द्वारा योगदान की गई गर्मी उस मिश्रण की मात्रा के आनुपातिक है जो जलाया जाता है।

राज्य के आदर्श गैस समीकरण का उपयोग करना:

तो दहन द्वारा योगदान की गई गर्मी 1.78 ग्राम x 850 जूल / ग्राम = 1513 जूल है। यह एक तापमान वृद्धि का कारण बनता है जिससे गणना की जा सकती है

Tb की गणना 718 K में होने वाले राज्य के समीकरण से की जा सकती है, इसलिए हमारे डेटा के लिए, Tc का परिणामी मान 1902 है।

बिंदु C पर दबाव उस बिंदु पर लागू राज्य के समीकरण द्वारा दिया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप 4868.6 kPa होता है।

प्रति चक्र शुद्ध काम 838.5 जूल है।

-उपचार 2

व्यायाम से मोटर की दक्षता या प्रदर्शन का निर्धारण करें। मान लें कि मोटर 3000 आरपीएम पर चलता है, शक्ति निर्धारित करें।

उपाय

आपूर्ति की गई गर्मी द्वारा शुद्ध कार्य को विभाजित करने से 55.4% की दक्षता प्राप्त होती है। यह परिणाम संपीड़न अनुपात के एक समारोह के रूप में दक्षता के लिए सूत्र के प्रत्यक्ष आवेदन द्वारा प्राप्त के साथ मेल खाता है।

शक्ति समय की प्रति इकाई काम है। 3000 आरपीएम प्रति सेकंड 50 क्रांतियों के बराबर होता है। लेकिन ओटो चक्र इंजन के हर दो क्रांतियों के लिए पूरा होता है क्योंकि यह एक चार-स्ट्रोक इंजन है, जैसा कि हमने पहले बताया था।

इसका मतलब यह है कि एक सेकंड में ओटो चक्र को 25 बार दोहराया जाता है इसलिए किया गया कार्य एक सेकंड में 25 x 838.5 जूल होता है।

यह 28 हॉर्सपावर के बराबर 20.9 किलोवाट बिजली से मेल खाती है।

संदर्भ

1. थर्मोडायनामिक चक्र। से पुनर्प्राप्त: fis.puc.cl
2. मार्टिन, टी। और सेरानो, ए। ओटो चक्र। से पुनर्प्राप्त किया गया: 2.montes.upm.es।
3. सेविला विश्वविद्यालय। एप्लाइड फिजिक्स ओटो साइकिल केस स्टडी विभाग के विकी। से पुनर्प्राप्त: laplace.us.es।
4. विकिपीडिया। ओटो चक्र। से पुनर्प्राप्त: es.wikipedia.com
5. विकिपीडिया। ओटो इंजन। से पुनर्प्राप्त: es.wikipedia.com