Otto-syklin lämpöhyötysuhde
Yleisesti minkä tahansa lämpövoimakoneen lämpöhyötysuhde ηth määritellään lämpövoimakoneen tekemän työn W suhteena korkeassa lämpötilassa syötettyyn lämpöenergiamäärään QH.
Lämpöhyötysuhde ηth kuvaa lämpöenergiamäärän QH:n osuutta lämpöenergiasta QH:sta, joka muunnetaan työksi. Koska energia säilyy termodynamiikan ensimmäisen lain mukaisesti eikä energiaa voida muuttaa kokonaan työksi, lämpöpanoksen, QH, on oltava yhtä suuri kuin tehty työ, W, lisättynä lämmöllä, joka on haihdutettava hukkalämpönä QC ympäristöön. Näin ollen voimme kirjoittaa lämpöhyötysuhteen kaavan uudelleen seuraavasti:
Saostunut lämpö syntyy polttoaine-ilmaseoksen palamisen aikana, kun kipinä syttyy, suunnilleen vakiotilavuudessa. Koska isokoorisen prosessin aikana systeemi ei tee työtä tai siihen ei kohdistu työtä, termodynamiikan ensimmäinen laki määrää ∆U = ∆Q. Näin ollen lisätty ja hylätty lämpö saadaan:
Qadd = mcv (T3 – T2)
Qout = mcv (T4 – T1)
Substituoimalla nämä lisätyn ja hylätyn lämmön lausekkeet termisen hyötysuhteen lausekkeeseen saadaan:
Voidaan yksinkertaistaa yllä olevaa lauseketta käyttämällä sitä tosiasiaa, että prosessit 1 → 2 ja 3 → 4 ovat adiabaattisia ja adiabaattiselle prosessille pätee seuraava p,V,T-kaava:
Voidaan johtaa, että:
Tässä yhtälössä suhdetta V1/V2 kutsutaan puristussuhteeksi, CR. Kun kirjoitamme lämpöhyötysuhteen lausekkeen uudelleen puristussuhteen avulla, voimme päätellä, että ilman vakio-Otto-pyörän lämpöhyötysuhde on puristussuhteen funktio ja κ = cp/cv.
Tämä on erittäin hyödyllinen päätelmä, koska on suotavaa saavuttaa korkea puristussuhde, jotta tietystä ilma-polttoaineseoksen massasta saadaan irrotettua suurempi mekaaninen energia. Suurempi puristussuhde mahdollistaa saman palamislämpötilan saavuttamisen vähemmällä polttoaineella ja samalla pidemmän paisuntasyklin. Tämä lisää mekaanista tehoa ja alentaa pakokaasun lämpötilaa. Pakokaasun lämpötilan aleneminen alentaa ilmakehään joutuvan energian määrää. Tämä suhde on esitetty kuvassa tilanteessa κ = 1,4, joka edustaa ympäröivää ilmaa.