Az Otto-ciklus termikus hatásfoka
A hőmotor termikus hatásfokát, ηth, általában úgy határozzuk meg, mint az általa végzett munka, W, és a magas hőmérsékleten bevitt hő, QH, hányadosa.
A termikus hatásfok, ηth, a hő, QH, munkává alakított hányadát jelenti. Mivel az energia a termodinamika első törvénye szerint megmarad, és az energia nem alakítható át teljesen munkává, a bevitt hőnek, QH, meg kell egyeznie az elvégzett munkával, W, plusz azzal a hővel, amelyet hulladékhő formájában, QC, el kell vezetni a környezetbe. Ezért a termikus hatásfok képletét átírhatjuk a következőképpen:
A felvett hő az üzemanyag-levegő keverék égése során, a szikra keletkezésekor keletkezik, nagyjából állandó térfogat mellett. Mivel az izokorikus folyamat során a rendszerben vagy a rendszerben nem történik munka, a termodinamika első törvénye azt diktálja, hogy ∆U = ∆Q. Ezért a hozzáadott és az elutasított hő a következőképpen adódik:
Qadd = mcv (T3 – T2)
Qout = mcv (T4 – T1)
A hozzáadott és az elutasított hőnek ezeket a kifejezéseit behelyettesítve a termikus hatásfok kifejezésébe megkapjuk:
A fenti kifejezést egyszerűsíthetjük azzal a ténnyel, hogy az 1 → 2 és a 3 → 4 folyamatok adiabatikusak, és egy adiabatikus folyamatra a következő p,V,T képlet érvényes:
Azt lehet levezetni, hogy:
Ebben az egyenletben a V1/V2 arányt sűrítési aránynak, CR-nek nevezzük. Ha a termikus hatásfok kifejezését átírjuk a sűrítési arány segítségével, akkor megállapíthatjuk, hogy a levegő-szabványos Otto ciklus termikus hatásfoka a sűrítési arány függvénye és κ = cp/cv.
Ez nagyon hasznos következtetés, mert kívánatos a nagy sűrítési arány elérése, hogy adott tömegű levegő-üzemanyag keverékből több mechanikai energiát nyerjünk ki. A nagyobb sűrítési arány lehetővé teszi, hogy ugyanazt az égési hőmérsékletet kevesebb tüzelőanyaggal érjük el, miközben hosszabb tágulási ciklust biztosít. Ez nagyobb mechanikai teljesítményt eredményez, és csökkenti a kipufogógáz hőmérsékletét. A kipufogógáz-hőmérséklet csökkentése a légkörbe visszavezetett energia csökkenését okozza. Ezt az összefüggést mutatja az ábra κ = 1,4 esetén, ami a környezeti levegőt jelenti.