سیکل اتو1

[amir315hossein]

در ابتدا دکتر Nikolaus August Otto، دانشمند آلمانی بود که مفاهیم سیکل اتو را ارائه کرد. هم‌چنین او بود که برای اولین بار موتور چهار مرحله‌ای درون‌سوز را ساخت. البته برای اولین بار  Alphonse Beau de Rochas، مهندس فرانسوی بود که توانست موتور احتراق داخلی چهار مرحله‌ای را ثبت اختراع کند.
سیکل اتو به مجموعه فرآیند‌هایی ایده‌آلی اتلاق می‌شود که مبنای کاری موتورهای احتراق داخلی هستند. در حقیقت در اکثر وسایل نقلیه عمومی از این سیکل استفاده می‌شود. گفتنی است که در سیکل اتو از گاز به عنوان سیال کاری استفاده می‌شود. البته هم‌چون سیکل رانکین و یا سیکل یخچال، سیال کاری در حالت واقعی یک چرخه را طی نمی‌کند و تنها به منظور مدل‌سازی راحت‌تر است که فرآیند‌ها به صورت یک چرخه در نظر گرفته می‌شوند. در ادامه در مورد نحوه کارکرد و چرخه‌ای بودن سیکل اتو بیشتر صحبت خواهیم کرد. در سیکل اتو گاز موجود در سیلندر را به عنوان سیستم در نظر می‌گیرند.

فرآیندهای سیکل اتو
 در آنجا گفتیم که این سیکل از ۲ فرآیند فشار ثابت و دو فرآیند آیزنتروپیک تشکیل شده است. اگر در همان سیکل، به جای دو فرآیند فشار ثابت، از دو فرآیند حجم ثابت استفاده شود، سیکل بدست آمده همان سیکل اتو است. به‌منظور تشریح فرآیند‌های رخ داده در سیکل اتو در ابتدا نمودار زیر را در نظر بگیرید. این نمودار نشان دهنده تغییرات فشار بر حسب حجم سیلندر در هر مرحله از سیکل است.

در سیکل اتو در ابتدا مخلوط هوا و سوخت به شکل فشار ثابت به سیلندر تزریق می‌شود [این فرآیند را مکش نیز می‌نامند]. پس از آن گاز به صورت آیزنتروپیک فشرده شده و دمای آن افزایش می‌یابد. در مرحله بعد، زمانی که پیستون به بالا‌ترین نقطه می‌رسد (اصطلاحاً به این نقطه، «مرگ بالا» گفته می‌شود)، احتراق رخ داده و منجر به پایین آمدن پیستون و در نتیجه تولید کار می‌شود. در مرحله آخر دما و فشار گاز به صورت آیزنتروپیک کاهش می‌یابد. پس از آن دوباره مخلوط سوخت و هوا مکیده می‌شود و همین مراحل تکرار خواهند شد. شکل زیر فرآیندهای رخ داده در سیکل اتو را نشان می‌دهد.

به طور خلاصه و با توجه به شکل ۱ فرآیند‌ها را می‌توان به شرح زیر بیان کرد:
[list]
[*]5→1
[/list][list]
[*]: تخلیه مخلوط هوا و گاز به محیط
[/list]
هم‌چنین انیمیشن زیر مراحل مختلف سیکل اتو را که در موتور احتراق داخلی مورد استفاده قرار گرفته، نشان می‌دهد.

سیکل واقعی اتو، تغییرات ناگهانی سیکل ایده‌آل را تجربه نمی‌کند. شکل زیر نمودار فشار-حجم مربوط به یک سیکل واقعی را نشان می‌دهد. همان‌طور که در آن می‌بینید، ارتباط میان فرآیند‌ها به شکلی پیوسته و به نسبت سیکل ایده‌آل، آرام‌تر اتفاق می‌افتد.

راندمان سیکل ایده‌آل اتو
در مبحث سیکل‌های ترمودینامیکی بیان کردیم که راندمان یک سیکل ایده‌آل معادل با نسبت کار خالص خروجی به گرمای ورودی به سیستم است. در حقیقت راندمان یک سیکل را می‌توان مطابق با رابطه زیر بیان کرد:

در این سیکل نیز همانند بقیه‌ سیکل‌های ترمودینامیکی گرمای ورودی به سیستم مثبت و گرمای خروجی از آن منفی در نظر گرفته می‌شود. در سیکل اتو گرمای دریافتی در طی فرآیند احتراق و در حجم ثابت اتفاق می‌افتد. در حقیقت با توجه به نمودار شکل ۱ این گرما در فرآیند ۲-۳ رخ می‌دهد. از این رو می‌توان تغییرات انرژی درونی در این فرآیند‌ها را برابر با گرمای ورودی به سیستم در نظر گرفت. در نتیجه می‌توان گفت:

با توجه به این‌که این فرآیند به صورت حجم ثابت در نظر گرفته شده‌، بنابراین می‌توان تغییرات انرژی درونی را به شکل زیر و وابسته به دمای اولیه و نهایی نوشت.

روابط مربوط به دفع حرارت نیز همانند بالا قابل بیان است. از آنجایی که دفع حرارت در فرآیند ۱→۴ اتفاق می‌افتد، می‌توان نوشت:

با توجه به مقادیر بدست آمده راندمان سیکل برابر است با:

با توجه به آیزنتروپیک بودن فرآیند ۱-۲ و ۳-۴، نسبت دمایی سمت چپ رابطه بالا را به شکل زیر و بر حسب نسبت حجم در این دو نقطه بیان می‌کنیم.

مقدار v2/v1 را نسبت تراکم می‌نامند و آن را با r نمایش می‌دهند. با توجه به فرض‌های صورت گرفته، راندمان سیکل بر حسب r، به صورت زیر بدست می‌آید.