Двигателят на Ото

Частите

В цилиндъра се движи бутало. То е свързано с мотовилка към коляновия вал, на който има тежък маховик. Горе има два клапана – всмукателен (през него влиза горивната смес от бензин и въздух) и изпускателен (през него излизат отработените газове), – и запалителна свещ. Най-горното положение на буталото е горната мъртва точка, най-долното – долната мъртва точка.

Четирите такта

1. Всмукване. Буталото слиза, всмукателният клапан е отворен и в цилиндъра влиза свежа смес.
2. Сгъстяване. Буталото се качва, двата клапана са затворени. Сместа се сгъстява около 10 пъти и се нагрява – без пламък!
3. Работен ход. В горната точка прескача искра, сместа изгаря и горещият газ бута буталото надолу. Само в този такт газът върши полезна работа.
4. Изпускане. Буталото се качва, изпускателният клапан е отворен и изгорелите газове излизат към ауспуха.

Един цикъл е два оборота на коляновия вал. През трите такта без работа вала го върти маховикът с енергията, която е запасил в работния ход. Без маховик едноцилиндровият двигател спира след един работен ход.

Топлинна машина и коефициент на полезно действие

Двигателят е топлинна машина. От горенето (нагревателя) газът получава количество топлина Q₁. Част от енергията става полезна работа A, а остатъкът Q₂ отива в околния въздух (хладилника) – с отработените газове и през охлаждането. Енергията се запазва: A = Q₁ − Q₂.

η = 1 − Q₂/Q₁

• Пример: Q₁ = 1200 J, Q₂ = 900 J. Тогава η = 1 − 900/1200 = 0,25 = 25 %, а работата е 300 J. Внимание: 900/1200 = 75 % е делът, който отива във въздуха, а не коефициентът на полезно действие.
• Бензиновите коли превръщат в работа около 20–40 % от енергията на горивото (обикновена кола – около 25 %). Коефициентът на полезно действие винаги е под 100 %.
• Мощността е работата за единица време: P = A/t. Един цилиндър дава един работен ход на два оборота; четири цилиндъра при същите обороти – четири пъти по-голяма мощност.

Първият принцип по тактове

Вътрешната енергия на газа се мени чрез топлообмен и чрез работа:

ΔU = Q + A

Тук A е работата на външните сили върху газа. При сгъстяването маховикът бута буталото и върши работа върху газа (A > 0) – вътрешната енергия расте, макар да няма пламък. В работния ход газът бута буталото, значи външните сили вършат A < 0 и вътрешната му енергия намалява. За целия цикъл газът се връща в същото състояние и ΔU = 0.

Знаеш ли, че… за един цикъл в цилиндъра изгарят около 0,03 g бензин – колкото капчица. А най-добрите парни локомотиви са превръщали в работа само 7–8 % от енергията на въглищата.

Отработени газове и топлинно замърсяване

В отработените газове има главно азот и водна пара (безвредни) и въглероден диоксид (парников газ). Има и отровни замърсители: въглероден оксид (CO), азотни оксиди, несгорял бензин и сажди – затова колите имат катализатор. Топлината Q₂ затопля въздуха около нас: това е топлинното замърсяване.

Какво опростява симулацията

Клапаните се отварят и затварят точно в мъртвите точки, а искрата прескача точно в горната точка. Горенето е мигновено. Делът на работата при сгъстяване и деленето на загубите наполовина между газовете и охлаждането са наша оценка; коефициентът на полезно действие е 20–40 % и „около половината с газовете“ са измерени факти.

Безопасност

• Двигателят и ауспухът на кола са горещи дълго след спирането. Не ги пипай.
• Отработените газове съдържат въглероден оксид, който е силно отровен. Никога не оставяй двигател да работи в затворен гараж или помещение.
• Бензинът е лесно запалим. Не си играй с него и не го пали „за опит“.
• „Чукането“ и пламъците от смукателя са опасни за истинския двигател. В симулацията ги правим, за да разберем защо не бива да стават.