För att förflytta ett flygplan genom luften genereras dragkraft av någon form av framdrivningssystem.Sedan bröderna Wrights första flygning har många flygplan använt sig av förbränningsmotorer för att driva propellrar för att generera dragkraft.Idag drivs de flesta allmänflygplan eller privatflygplan av förbränningsmotorer, ungefär som motorn i din familjebil.När vi diskuterar motorer måste vi ta hänsyn till både maskinens mekaniska funktion och de termodynamiska processer som gör det möjligt för maskinen att producera användbart arbete.På den här sidan behandlar vi termodynamiken hos en fyrtakts-CI-motor.
För att förstå hur ett framdrivningssystem fungerar måste vi studera gasers grundläggande termodynamik.Gaser har olika egenskaper som vi kan observera med våra sinnen, bland annat gastrycket p, temperaturen T, massan och volymen V som innehåller gasen.Noggranna vetenskapliga observationer har visat att dessa variabler är relaterade till varandra och att värdena för dessa egenskaper bestämmer gasens tillstånd.En termodynamisk process, t.ex. uppvärmning eller komprimering av gasen, förändrar värdena för tillståndsvariablerna på ett sätt som beskrivs av termodynamikens lagar. Det arbete som utförs av en gas och den värme som överförs till en gas beror på gasens begynnelse- och sluttillstånd och på den process som används för att ändra tillståndet.Det är möjligt att utföra en serie processer där tillståndet ändras under varje process, men där gasen slutligen återgår till sitt ursprungliga tillstånd. En sådan serie processer kallas för en cykel och utgör grunden för att förstå motordrift.
På den här sidan diskuterar vi Ottos termodynamiska cykel som används i alla förbränningsmotorer.Figuren visar ett V-diagram över Otto-cykeln. Med hjälp av numreringssystemet för motorstadier börjar vi längst ner till vänster, där steg 1 är början på motorns intagsslag. Trycket är nära det atmosfäriska trycket och gasvolymen är minimal.Mellan steg 1 och steg 2 dras kolven ut ur cylindern med insugningsventilen öppen.Trycket förblir konstant och gasvolymen ökar när bränsle/luftblandningen sugs in i cylindern genom insugningsventilen.I steg 2 börjar motorns kompressionsslag när insugningsventilen stängs. Mellan steg 2 och steg 3 rör sig kolven tillbaka in i cylindern, gasvolymen minskar och trycket ökar eftersom kolven utför ett arbete på gasen. Steg 3 är början på förbränningen av bränsle/luftblandningen. Förbränningen sker mycket snabbt och volymen förblir konstant.Värme frigörs under förbränningen, vilket ökar både temperaturen och trycket, enligt tillståndsekvationen.I steg 4 inleds motorns kraftslag.Mellan steg 4 och steg 5 drivs kolven mot vevaxeln, volymen ökar och trycket sjunker eftersom gasen arbetar på kolven. I steg 5 öppnas avgasventilen och restvärmen i gasen utbyts mot omgivningen. Volymen förblir konstant och trycket anpassas tillbaka till atmosfäriska förhållanden. I steg 6 inleds motorns utloppsslag under vilket kolven rör sig tillbaka in i cylindern, volymen minskar och trycket förblir konstant. I slutet av utloppsslaget har förhållandena återgått till steg 1 och processen upprepar sig.
Under cykeln utförs arbete på gasen av kolven mellan steg 2 och 3. Arbete utförs av gasen på kolven mellan steg 4 och 5. Skillnaden mellan det arbete som utförs av gasen och det arbete som utförs på gasen är den yta som omges av cykelkurvan och är det arbete som produceras av cykeln. Arbetet multiplicerat med cykelns hastighet (cykler per sekund) är lika med den effekt som motorn producerar.
Området som omges av cykeln i ett p-V-diagram är proportionellt mot det arbete som produceras av cykeln. På den här sidan har vi visat en ideal Otto-cykel där ingen värme kommer in i (eller lämnar) gasen under kompressions- och kraftslagen, inga friktionsförluster och omedelbar förbränning sker vid konstant volym. I verkligheten förekommer inte den ideala cykeln och det finns många förluster i samband med varje process. Dessa förluster redovisas normalt genom effektivitetsfaktorer som multiplicerar och ändrar det ideala resultatet. För en verklig cykel liknar formen på p-V-diagrammet det ideala, men arean (arbetet) är alltid mindre än det ideala värdet.
Aktiviteter:
Guidade turer
Navigation ..
Begynnelsehandledning Home Page