Otto-ciklus

Az Otto-ciklus az a termodinamikai körfolyamat, amely modellezi a Nikolaus August Otto által feltalált Otto-motor vagy benzinmotor működése közben fellépő állapotváltozásokat. Az ideális Otto-ciklusnál mind a hőbevezetés (a keverék égése), mind a hőelvonás (kipufogás) állandó térfogaton történik (izochor folyamat), szemben a Diesel-ciklussal, melynél a hőbevezetés állandó nyomáson (izobár folyamat) zajlik le.

Az ideális Otto-ciklus

Az ideális Otto-ciklus p-v diagramja

Az ideális Otto-ciklus T-s diagramja

Az ábrán látható az ideális Otto-ciklus a p-v diagramban, p a keverék nyomása, v a fajlagos térfogata. A körfolyamat négy állapotváltozásból áll:

• 1 - 2 izentropikus kompresszió
• 2 - 3 állandó térfogatú (izochor) állapotváltozás (égés)
• 3 - 4 izentropikus expanzió
• 4 - 1 állandó térfogatú (izochor) hőelvonás

Az 1-2-3-4-1 terület az egy ciklus alatt elméletileg kinyerhető mechanikai munkával egyenlő.

Az elméletileg elérhető termikus hatásfok

A maximális termikus hatásfok csak a kompresszióviszonytól függ:

$\eta _{t}=1-{\frac {1}{\epsilon ^{\kappa -1}}}$,

ahol

$\eta _{t}\,$ a termikus hatásfok,

$\epsilon ={\frac {V_{1}}{V_{2}}}$ a kompresszióviszony,

$\kappa ={\frac {c_{p}}{c_{v}}}$ a gáz fajlagos hőkapacitásainak viszonya.

A hatásfok a kompresszióviszony növelésével nő. Összehasonlítva a Diesel-körfolyamattal, annak termikus hatásfoka azonos kompresszióviszony esetén kisebb az Otto-ciklusénál. Mindenki ismeri azonban azt a tényt, hogy a dízelmotorral hajtott gépkocsik üzemanyag-fogyasztása kisebb (és így az összhatásfoka jobb), mint az Otto-motorokkal hajtott gépkocsiké. Ez azért igaz, mert az Otto-motorok kompresszióviszonya lényegesen alacsonyabb, mint a dízelmotoroké. A benzin-levegő keverék ugyanis magasabb hőmérsékleten (így magasabb kompresszióviszony mellett) öngyulladást szenvedne. A másik ok, hogy a benzinmotort a légbeömlés fojtásával vezérlik, a fojtás pedig energiaveszteséget okoz. A valóságos összhatásfok természetesen a termikus, mechanikai és egyéb veszteségek miatt mindkét erőgépnél az elméletinél lényegesen kisebb.

Az egy idealizált ciklusban 1 kg tömegű közegből kinyerhető hasznos munka: $L=c_{v}T_{1}(\lambda -1)({\epsilon ^{\kappa -1}}-1)\,$,

ahol

$\lambda ={\frac {p_{3}}{p_{2}}}$ az égés végnyomásának és kezdőnyomásának hányadosa.

Források

• Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.