Меню Закрыть

Циклы работы двигателя внутреннего сгорания: Ошибка 404. Запрашиваемая страница не найдена

Содержание

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Категория:

   1Отечественные автомобили

Публикация:

   Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Читать далее:



Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигатег л я. Первый такт — впуск (рис. 5, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение (0,7—0,9 кгс/см2) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Температура смеси в конце впуска 75— 125 °С.

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 9—15 кгс/см2 и 350— 500 °С.

Третий такт — расширение, или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 35—50 кгс/см2, а температура 2200— 2500 °С. Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун — на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 3—5 кгс/см2, а температура до 1000—1200 °С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а — впуск, 6 — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1 — впускной клапан, 2 — выпускной клапан, 3 — поршень

Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2, а температура до 700—800 °С.

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт — расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск — заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. При впуске поршень движется от в. м. т к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,85—0,95 кгс/см2, температура 40— 60°С.

При такте сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 35—55 кгс/см2 и 450—650 °С.

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 50—90 кгс/см2, а температура — 1700—2000 °С. В конце расширения давление снижается до 2—4 кгс/см2, а температура — до 800—1000 °С. * При такте выпуска поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2.

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают на отечественных автомобилях большой и очень большой грузоподъемности (МАЗ, КрАЗ, КамАЗ и БелАЗ).

С освоением мощностей Камского автозавода дизели будут устанавливать на грузовые автомобили ЗИЛ и Уральского автозавода, а также на автобусы ЛАЗ и ЛиАЗ.

Диаграмма рабочего цикла двигателя. Рабочий цикл двигателя можно представить в виде диаграммы, на которой по вертикальной оси откладывают давление р, а по горизонтальной—объем цилиндра V.

На диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя линия впуска 7—1 располагается ниже линии атмосферного давления (1 кгс/см2). При такте сжатия (линия I—2—3) давление повышается, достигая наибольшей величины в точке 3.

Точка соответствует моменту проскаки-вания искры в свече зажигания и началу процесса сгорания. Линия 3—4—5—6 иллюстрирует рабочий ход, причем линия 3—4, соответствующая резкому возрастанию давления, означает процесс сгорания рабочей смеси, а линия 4—5—6— расширение газов. В точке 4 давление газов достигает наибольшей величины.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля ЯМЗ: а —впуск, б — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1—форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

В точке начинает открываться выпускной клапан. Линия соответствует такту выпуска. Она располагается несколько выше линии, соответствующей атмосферному давлению.

Рис. 3. Диаграмма рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (а) и схема сил, действующих от давления газов (б)

На рис. 3, б показана схема сил, действующих от давления газов в одноцилиндровом двигателе. Сила Р давления газов, действующая на поршень при рабочем ходе, раскладывается на две силы: N и S. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, а действие силы S передается через шатун на коленчатый вал двигателя.

Сила Г, составляющая силы S и касательная к окружности вращения шатунной шейки, действует на плече R. Произведение TR называют крутящим моментом двигателя. Крутящий момент вызывает вращение коленчатого вала. Далее он передается через механизмы трансмиссии на ведущие колеса, вызывая движение автомобиля.

Вторая составляющая силы S сила F воспринимается коренными подшипниками коленчатого вала.

Рекламные предложения:


Читать далее: Маховик и картер

Категория: — 1Отечественные автомобили

Главная → Справочник → Статьи → Форум


Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс. —  

Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Обрати внимание!

Двигатель внутреннего сгорания — распространённый вид теплового двигателя, который работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или горючем газе.

 

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень \( 3\), соединённый при помощи шатуна \(4\) с коленчатым валом \(5\).

 

Два клапана, впускной \(1\) и выпускной \(2\), при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты.

 

Через клапан \(1\) в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется при помощи свечи \(6\), а через клапан \(2\) выпускаются отработавшие газы.

 

Топливо в нём сгорает прямо в цилинде.

 

 

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками.

 

Расстояние, проходимое поршнем между мёртвыми точками, называют ходом поршня.

 

Такие двигатели называют четырёхтактными, т.к. рабочий цикл происходит за четыре хода или такта: впуск (а), сжатие (б), рабочий ход (в) и выпуск (г).

 

 

1 такт (впуск) — при такте впуска поршень от верхней мёртвой точки перемещается к нижней мёртвой точке. Цилиндр заполняется горючей смесью через

открытый впускной клапан. Т.е. поршень всасывает горючую смесь.

 

 

2 такт (сжатие) — при такте сжатия поршень от нижней мёртвой точки перемещается к верхней мёртвой точке. Поршень движется вверх. Оба клапана плотно закрыты, и поэтому рабочая смесь сжимается. При сжатии температура смеси и давление повышаются. 

 

3 такт (рабочий ход) —  рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. А т.к. впускной и выпускной клапаны

всё ещё закрыты, то расширяющимся газам остаётся только один единственный выход — давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления начинает перемещаться к нижней мёртвой точке, создаётся крутящий момент.  

 

 

4 такт (выпуск) — при движении поршня от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан (впускной всё ещё закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.

 

 

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, всё повторяется.

Для того чтобы вращение вала было более равномерным, двигатель обычно делают многоцилиндровым: 2-, 3-, 4-, 6-, 8-цилиндровым и т.д.

Источники:

http://webmyoffice.ru/media/files/99/dvigatel-moto-2.jpg

http://usauto.ucoz.ru/news/bilet_6/2011-04-26-4

http://autooboz.info/wp-content/uploads/2007/09/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-3.jpg

4 такта работы ДВС. Основные решения поломок ДВС

Рассмотрим 4 такта работы ДВС:

  1. Впуск
  2. Сжатие
  3. Сгорание
  4. Выпуск
  1. При первом такте открывается клапан и в блок цилиндра добавляется топливная смесь. Топливная смесь состоит из воздуха и топлива в пропорции 14.7 к 1. При этом различают обогащенную топливную смесь, где пропорция бензина к воздуху примерно 40 к 1 и обедненную топливную смесь, где соотношение воздуха по отношению к бензину преобладает.
  2. При втором такте происходит сжатие топливной смеси в камере сгорания в блоке цилиндра.
  3. При третьем такте топливная смесь зажигается при помощи свечи зажигания.
  4. На четвертом такте происходит выпуск отработанных газов через выпускные клапаны ГБЦ.

ГБЦ оборудован маслосъемными и компрессионными кольцами.

Маслосъемные кольца позволяют оптимально использовать топливо, смазывая весь цилиндр и равномерно распределяя масло по его поверхности.

Компрессионные кольца играют роль уплотнителей, которые блокируют выход отработанных газов в тепловой зазор.

!!! Закоксовка колец — проблема, с которой сталкиваются автовладельцы. Ее суть в том, что компрессионные кольца становятся слишком плотными и больше не могут обеспечивать герметичность внутри цилиндра.

Распредвал синхронизирует работ впускных/выпускных клапанов с работой коленчатого вала.
Верхняя мертвая точка — это верхняя граница хода поршня, нижняя мертвая точка — это нижняя граница хода поршня.

Впускные и выпускные клапаны цилиндра имеют клапанную пружину, клапанную тарелку и фиксирующий сухарь.

Впускные и выпускные клапана открываются и закрываются благодаря приводу ГРМ.

Привод ГРМ приводит в движение распределительный вал, масляный и водяной насос.

Различают верхневальные и нижневальные двигатели.

Верхневальные двигатели более распространены, ими оснащены все легковые автомобили. Нижневальные встречаются в грузовых автомобилях и в спец. технике, также в автомобилях УАЗ и Газель.
Главное отличие нижневальных и верхневальных двигателей в том, что в верхневальных двигателях больший крутящий момент на высоких оборотах, а в нижневальных — на низких.

Самые частые поломки ДВС и их основные решения:
— износ деталей цилиндро-поршневой группы — замена деталей цилиндро-поршневой группы
— разрыв или растяжение привода на распредвал — замена, правильная установка и регулировка элементов привода ГРМ!!! При заказе деталей учитывайте обстоятельства малой выработки шестерней и направляющих, чтобы ремонт не обошелся еще дороже.

!!! Соблюдайте метки при замене цепи, ремня, шестерни или эвольвенты привода ГРМ. Так вы точно правильно выставите положение коленчатого и кулачкового (распределительного) валов двигателя.

— неисправность системы зажигания — чаще всего замена катушки зажигания или конденсатора распределителя зажигания решают проблему
— поломка топливного насоса — чаще всего проблему решает замена топливного фильтра или промывка сетки приемника
— замена топливного насоса
— нарушение зазоров между элементами — необходимо отрегулировать зазоры
— заклинивание шатунов, поршней — ремонт ДВС посредством гильзовки цилиндра/цилиндров, замена цилиндра/цилиндров, замена маслосъемных колец!!! Желательно загильзовывать все цилиндры, в противном случаеесть вероятность изменения геометрии цилиндров полублока
— отсутствие компрессии — замена компрессионных колец\ поршня или клапанов
— прогар поршня — замена поршня!!! Соблюдайте правила, прописанные в рукаводстве эксплуатации. Не допускайте прогара поршня, ведь это эксплуатационный дефект

Опубликовано: 18.05.2016

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

 

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

 

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

 

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

 

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

 

 


После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

 



РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

 

Принцип работы и рабочие циклы двигателя автомобиля (ДВС)

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ).

Принцип работы ДВС — схематично

1. Впуск

По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

2. Сжатие

После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

3. Расширение или рабочий ход

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

4. Выпуск

При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход

Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск

Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Значит после рабочего хода в первом цилиндре следующий происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Принцип работы 2-х и 4-х тактных двигателей

Чем четырехтактный мотор лучше двухтактного?

Для начала рассмотрим устройство двигателей внутреннего сгорания.

Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.

Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.

В случае с двухтактным процессом всё уже не так просто. Такты условно называются сжатие и расширение. Как видно, места отдельным тактам впуска и выпуска здесь не нашлось. Это не случайно. Хотя в двухтактном двигателе процессы впуска и выпуска присутствуют, для их осуществления необходимо, чтобы давление на входе в цилиндр было выше атмосферного. То есть нужен принудительный наддув. Те, кто знаком с двухтактными мотоциклетными бензиновыми двигателями, могут возразить: на мотоциклах нет никаких турбо- или механических компрессоров. Отдельного компрессора в мотоциклетном двухтактнике действительно нет. Функция компрессора возложена на картер двигателя.

В простых мотоциклетных моторах нет клапанов в головке цилиндра, вместо них существуют впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, перекрываемые телом поршня. Впускные окна связаны с карбюратором не напрямую, а через перепускные каналы, выходящие в картер. В течение хода поршня вверх нижний край открывает окно, на котором находится карбюратор, рабочая смесь под действием разрежения, создаваемого идущим вверх поршнем, устремляется в картер. Когда поршень идёт вниз, он перекрывает это окно, рабочая смесь начинает сжиматься. Поршень идёт далее вниз, открывая перепускные окна, рабочая смесь под давлением подаётся в цилиндр, где вытесняет отработанные газы в выпускное окно. Поршень идёт снова вверх, и процессы под его днищем повторяются, а в это время в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Затем сжатая смесь воспламеняется свечой, и поршень идёт вниз, совершая такт расширения, или рабочий ход.

По материалам сайта airbase.ru

Преимущества и недостатки двух и четырех тактных ЛОДОЧНЫХ моторов.

Двухтактные преимущества

1. Меньший вес. Пример: 15 л.с. 2х тактный 36 кг 4-х тактный 45 кг. Казалось — бы 45 кг. — легко. Все не так просто. Вес мотора распределен крайне неравномерно. Примерно 90% весит голова (сам двигатель) 10% нога. Не нужно также забывать и о большем у 4-х тактников размере головы. Все это + одна маленькая не всегда удобная ручка для переноски делает этот процесс крайне затруднительным. 

2. Цена. 4-х тактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже 2-х тактников.

3. Удобство перевозки 2-х тактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал. 

4. 2-х такт мотор живее реагирует на ручку газ. В 4-х тактниках для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в 2-х тактных только один. Частый вопрос: А правда ли что 4-х такная 15 л.с. бежит быстрее чем такая же 2-х тактная? Ответ: нет не правда. У обеих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один мотор должен ехать быстрее второго?

Двухтактные недостатки

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для 2х такта 300 грамм на одну лошадинную силу для 4х такта 200 грамм.

2. Шумноcть. На максимальных оборотах 2-х тактные моторы как правило работают немного громче 4х тактников.

3. Комфорт. 4-х тактные моторы не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 2-х и 4-х тактники вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как 2-х тактники. Дымность важный момент, особенно если вы любите тролить.

4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что 2-хтактные моторы менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от  4-х тактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны 4-х тактный мотор по конструкции намного сложнее конкурента, состоит из значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики «Чем проще тем надежнее» еще никто не отменял.

Какой же лодочный мотор выбрать? 

Взвесьте все за и против изложенные выше и сделайте выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из моторов лучше Вы не найдете ни в одной из книг ни на одном из форумов. И у тех и у других типов двигателей есть свои поклонники. Личное мнение автора: мотор до 40 л.с. должен быть 2-х тактным, а свыше 40 л.с. — четырехтактником.

Выберите свой лодочный мотор Тохатсу!

Принцип работы 2х тактного и 4х тактного двигателей

При выборе силового оборудования необходимо уделить особое внимание типу двигателя. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: 2-х тактный и 4-х тактный.

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания основан на использовании такого свойства газов, как расширение при нагревании, которое осуществляется за счет принудительного воспламенения горючей смеси, впрыскиваемой в воздушное пространство цилиндра.

Зачастую можно услышать, что 4-х тактный двигатель лучше, но чтобы понять, почему, необходимо более подробно разобрать принципы работы каждого.

Основными частями двигателя внутреннего сгорания, независимо от его типа, являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы, отвечающие за охлаждение, питание, зажигание и смазку деталей.

Передача полезной работы расширяющегося газа осуществляется через кривошипно-шатунный механизм, а за своевременный впрыск топливной смеси в цилиндр отвечает механизм газораспре6деления.

Четырехтактные двигатели — выбор компании Honda

Четырехтактные двигатели экономичные, при этом их работа сопровождается более низким уровнем шума, а выхлоп не содержит горючей смеси и значительно экологичней чем у двухтактного двигателя.  Именно поэтому компания Honda при изготовлении силовой техники использует только четырехтактные двигатели. Компания Honda уже многие годы представляет свои четырехтактные двигатели на рынке силовой техники и добилась высочайших результатов, при этом их качество и надежность ни разу не подвергались сомнению. Но всё же, давайте рассмотрим принцип работы 2х и 4х тактных двигателей.

Принцип работы двухтактного двигателя

Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух этапов: сжатие и рабочий ход.

Сжатие. Основными положениями поршня являются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Двигаясь от НМТ к ВМТ, поршень поочередно перекрывает сначала продувочное, а затем выпускное окно, после чего газ, находящийся в цилиндре, начинает сжиматься. При этом через впускное окно в кривошипную камеру поступает свежая горючая смесь, которая будет использована в последующем сжатии.

Рабочий ход. После того, как горючая смесь максимально сжата, она воспламеняется при помощи электрической искры, образуемой свечой. При этом температура газовой смеси резко возрастает и объем газа стремительно растет, осуществляя давление, при котором поршень начинает движение к НМТ. Опускаясь, поршень открывает выпускное окно, при этом продукты горения горючей смеси выбрасываются в атмосферу. Дальнейшее движение поршня приводит к сжатию свежей горючей смеси и открытию продувочного отверстия, через которое горючая смесь поступает в камеру сгорания.

Основным недостатком двухтактного двигателя является большой расход топлива, причем часть топлива не успевает принести пользу. Это связано с наличием момента, при котором продувочное и выпускное отверстие одновременно открыты, что приводит к частичному выбросу горючей смеси в атмосферу. Еще идёт постоянный расход масла, так как 2х тактные двигатели работают на смеси бензина и масла. Очередное неудобство — в необходимости постоянно готовить топливную смесь. Главными преимуществами двухтактного двигателя остаются его меньшие размеры и вес по сравнению с 4х тактным аналогом, но размеры силовой техники позволяют использовать на них 4х тактные двигатели и испытывать намного меньше хлопот в ходе эксплуатации. Так что уделом 2х тактных моторов осталось различное моделирование, в частности, авиамоделирование, где даже лишних 100г имеют значение. 

Принцип работы четырехтактного двигателя

Работа четырехтактного двигателя значительно отличается от работы двухтактного. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, что стало возможным за счет применения системы клапанов.

Во время впускного этапа поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь, которая при смешении с остатками отработанной смеси образует рабочую смесь.

При сжатии поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Чем выше поднимается поршень, тем выше давление и температура рабочей смеси.

Рабочий ход четырехтактного двигателя представляет собой принудительное движение поршня от ВМТ к НМТ за счет воздействия резко расширяющейся рабочей смеси, воспламененной искрой от свечи. Как только поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан.

Во время выпускного этапа продукты сгорания, вытесняемые поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ, выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан.

За счет применения системы клапанов четырехтактные двигатели внутреннего сгорания более экономичны и экологичны — ведь выброс неиспользованной топливной смеси исключен. В работе они значительно тише, чем 2х тактные аналоги, и в эксплуатации намного проще, ведь работают на обычном АИ-92, которым вы заправляете свою машину. Нет необходимости в постоянном приготовлении смеси масла и бензина, ведь масло в данных двигателях заливается отдельно в масляный картер, что значительно уменьшает его потребление. Вот именно поэтому компания Honda производит только 4х тактные двигатели и достигла в их производстве колоссальных успехов.

ТАКТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ — это… Что такое ТАКТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ?

ТАКТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ТАКТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

— отдельные процессы, протекающие в цилиндре за один ход поршня и составляющие полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Например, в четырехтактном двигателе рабочие процессы (всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп), составляющие рабочий цикл, совершаются за 4 хода поршня, а в двухтактных двигателях за 2 хода. См. также Двигатели внутреннего сгорания.


Самойлов К. И.
Морской словарь. — М.-Л.: Государственное Военно-морское Издательство НКВМФ Союза ССР,
1941

.

  • ТАКЕЛЬГАРН
  • ТАКСИМЕТР
Смотреть что такое «ТАКТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ» в других словарях:
  • Поршневой двигатель внутреннего сгорания — 4 тактный цикл двигателя внутреннего сгорания Такты: 1. Всасывание горючей смеси. 2. Сжатие. 3. Рабочий ход. 4. Выхлоп. Двухтактный цикл. Такты: 1. При движении поршня вверх  сжатие топливной смеси в …   Википедия

  • Бензиновый двигатель внутреннего сгорания — Бензиновый двигатель W16 Bugatti Veyron Бензиновые двигатели  это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической и …   Википедия

  • Двигатель внутреннего сгорания — Схема: Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с глушителем …   Википедия

  • Объём двигателя — 4 тактный цикл двигателя внутреннего сгорания Такты: 1. Всасывание горючей смеси. 2.Сжатие. 3.Рабочий ход. 4.Выхлоп. Двухтактный цикл. Такты: 1. При движении поршня вверх  сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего… …   Википедия

  • Поршневой авиационный двигатель — 4 тактный цикл двигателя внутреннего сгорания Такты: 1.Всасывание горючей смеси. 2.Сжатие. 3.Рабочий ход. 4.Выхлоп. Двухтактный цикл. Такты: 1. При движении поршня вверх  сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего… …   Википедия

  • Четырёхтактный двигатель — Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены такты Четырёхтактный двигатель  поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за… …   Википедия

  • Пятитактный роторный двигатель —   роторный двигатель с простым и равномерным вращательным движением главного рабочего элемента и с использованием такого же простого вращательного движения уплотнительных элементов. История Впервые такая схема расширительной машины в виде… …   Википедия

  • Четырехтактный двигатель — Бензиновые двигатели это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило,… …   Википедия

  • Четырёхтактный мотор — Бензиновые двигатели это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило,… …   Википедия

  • Дизельный двигатель — Дизельный двигатель  поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.[1] Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все… …   Википедия

Основы двигателя внутреннего сгорания

| Министерство энергетики

Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, от них в Соединенных Штатах полагаются более 250 миллионов транспортных средств по шоссе. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для повышения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал.В конечном итоге это движение приводит в движение колеса автомобиля через систему шестерен трансмиссии.

В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, а это означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня. Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.

Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

Улучшение двигателей внутреннего сгорания

За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС определенных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. .Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.

Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

  • Образование
  • Исследовать
  • Инновации
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT
  • Подробнее ↓
    • Прием + помощь
    • Студенческая жизнь
    • Новости
    • Выпускников
    • О MIT

Меню ↓

Поиск

Меню

Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!

Что вы ищете?

Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Ступени двигателя внутреннего сгорания

Чтобы самолет двигался по воздуху,
тяга создается какой-то
двигательная установка. Начиная с братьев Райт ‘
первый полет,
многие самолеты использовали
двигатель внутреннего сгорания
повернуть
пропеллеры
для создания тяги.
Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов
с двигателем внутреннего сгорания (IC) , как и
двигатель в вашем семейном автомобиле.
Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как
механическая работа
машина и
термодинамический
процессы, которые позволяют машине производить полезные
Работа.
На этой странице мы рассматриваем термодинамику
четырехтактный
Двигатель IC .

На рисунке показан внутренний вид
Двигатель братьев Райт 1903 года в шесть раз, или ступеней ,
во время
термодинамический цикл.
Двигатель Райта был выбран из-за его простоты, но
те же шесть ступеней встречаются во всех четырехтактных двигателях IC .
Этапы идут от левого верхнего угла к левому нижнему, затем от
от нижнего правого до верхнего правого в непрерывном цикле.
Мы обозначаем этапы по тем же причинам, что и
станции
из
газотурбинный двигатель;
чтобы лучше организовать наши
анализ
производительности двигателя. Разработан термодинамический цикл для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
доктора Н. А. Отто, 1876 г. Цикл протекает следующим образом:

  • Цикл начинается, когда впускной клапан открывается и смесь топлива
    и воздух всасывается в цилиндр из
    впускной коллектор.
    Поршень тянется к коленчатому валу, на рисунке слева,
    при постоянном давлении, потому что клапан открыт. Движение
    поршневой называется ход . Этап 1 — начало
    впускной ход.
  • В конце такта впуска впускной клапан закрывается, а поршень
    вернулся к камере сгорания.
    Поскольку клапаны закрыты, давление и температура
    увеличиваются
    адиабатическое сжатие.
    Этап 2 — начало
    ход сжатия.
  • В конце такта сжатия,
    давление в камере сгорания максимальное.
    Свеча зажигания в современном двигателе, или
    контактный переключатель
    двигателя Райта, а затем генерирует электрическую искру, которая воспламеняет
    топливно-воздушная смесь. Этап 3 — начало
    процесс горения.
  • В двигателе внутреннего сгорания сгорание происходит очень быстро и при постоянном
    объем
    в камере сгорания. Высокое давление заставляет поршень вернуться в исходное положение.
    в сторону коленчатого вала. Этап 4 — начало
    рабочий ход.
  • В конце рабочего хода
    нагревать
    отклоняется в окружение, как того требует
    второй закон
    термодинамики. Этап 5 — начало
    теплоотдача.
  • После отвода тепла выпускной клапан открывается и остаточный
    газ вытесняется в окружающую среду, чтобы подготовиться к следующему
    впускной ход. Этап 6 — начало
    такт выхлопа.

В конце такта выпуска условия вернулись к Стадия 1
условий, и цикл повторяется. Вариация
давление и цилиндр
объем
может отображаться на
диаграмма p-V
для
Цикл Отто.
Площадь участка равна полезной
Работа
генерируется одним цилиндром двигателя.


Деятельность:


Экскурсии с гидом


Навигация . .

Руководство для начинающих Домашняя страница

Как работает двигатель внутреннего сгорания — x-engineer.org

Подавляющее большинство автомобилей (легковые и коммерческие), которые продаются сегодня, оснащены двигателями внутреннего сгорания . В этой статье мы расскажем, как работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания .

Двигатель внутреннего сгорания классифицируется как тепловой двигатель . Он называется внутренний , потому что сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри двигателя, в камере сгорания, а некоторые сгоревшие газы являются частью нового цикла сгорания.

В основном двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горящей топливовоздушной смеси в механическую энергию . Он называется 4 такта , потому что для выполнения полного цикла сгорания поршню требуется 4 хода. Полное название двигателя легкового автомобиля: 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания , сокращенно ICE (Двигатель внутреннего сгорания).

Теперь давайте посмотрим, какие компоненты являются основными компонентами ДВС.

Изображение: Детали двигателя внутреннего сгорания (DOHC)

Обозначения:
  1. выпускной распредвал
  2. ковш выпускного клапана
  3. свеча зажигания
  4. ковш впускного клапана
  5. впускной распредвал
  6. выпускной клапан
  7. впускной клапан
  8. головка блока цилиндров
  9. поршень
  10. поршневой палец
  11. шатун
  12. блок цилиндров
  13. коленчатый вал

ВМТ — верхняя мертвая точка

НМТ — нижняя мертвая точка

Головка блока цилиндров (8 ) обычно содержит распределительный вал (ы), клапаны, клапанные лопатки, возвратные пружины клапанов, свечи зажигания / накаливания и форсунки (для двигателей с прямым впрыском). Через головку блока цилиндров протекает охлаждающая жидкость двигателя.

Внутри блока цилиндров (12) мы можем найти поршень, шатун и коленчатый вал. Что касается головки блока цилиндров, то через блок цилиндров течет охлаждающая жидкость, которая помогает контролировать температуру двигателя.

Поршень перемещается внутри цилиндра из НМТ в ВМТ. Камера сгорания — это объем, создаваемый между поршнем, головкой блока цилиндров и блоком двигателя, когда поршень находится близко к ВМТ.

На Рисунке 1 мы можем рассмотреть полный набор механических компонентов ДВС.Некоторые компоненты неподвижны (например, головка блока цилиндров, блок цилиндров), а некоторые из них движутся. На рисунке ниже мы рассмотрим основную движущуюся часть ДВС, которая преобразует давление газа в цилиндре в механическую силу.

Изображение: Движущиеся части двигателя внутреннего сгорания

Обозначения:

  1. звездочка распределительного вала
  2. поршень
  3. коленчатый вал
  4. шатун
  5. клапан
  6. ковш клапана
  7. распредвал

Вращение синхронизированного вала распределительного вала составляет с вращением коленчатого вала через зубчатый ремень или цепь. Положение впускных и выпускных клапанов должно быть точно синхронизировано с положением поршня, чтобы циклы сгорания могли происходить соответствующим образом.

Полный цикл двигателя для 4-тактного ДВС имеет следующие фазы (такты):

  1. впуск
  2. сжатие
  3. мощность (расширение)
  4. выпуск

Ход — это движение поршня между двумя мертвыми центры (нижний и верхний).

Теперь, когда мы знаем, какие компоненты ДВС, мы можем изучить, что происходит на каждом такте цикла двигателя.В таблице ниже вы увидите положение поршня в начале каждого хода и подробную информацию о событиях, происходящих в цилиндре.

Ход 1 — ВПУСК

Такт впуска двигателя внутреннего сгорания

В начале такта впуска поршень близок к ВМТ. Впускной клапан открывается, поршень начинает двигаться в сторону НМТ. Воздух (или топливовоздушная смесь) втягивается в цилиндр. Этот ход называется ВПУСКОМ, потому что в двигатель попадает свежий воздух / смесь. Такт впуска заканчивается, когда поршень находится в НМТ.

Во время такта впуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Ход 2 — СЖАТИЕ

Такт сжатия двигателя внутреннего сгорания

Такт сжатия начинается с поршня в НМТ, после завершения такта впуска. Во время такта сжатия оба клапана, впускной и выпускной, закрываются, и поршни движутся в сторону ВМТ.Когда оба клапана закрыты, воздух / смесь сжимаются, достигая максимального давления, когда поршень находится близко к ВМТ.

Прежде, чем поршень достигнет ВМТ (но очень близко к нему), во время такта сжатия:

  • для бензинового двигателя: генерируется искра
  • для дизельных двигателей: впрыскивается топливо

Во время такта сжатия двигатель потребляет энергии (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов) больше, чем такт впуска.

Ход 3 — МОЩНОСТЬ

Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания

Рабочий ход начинается с поршня в ВМТ. Оба клапана, впускной и выпускной, по-прежнему закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в конце такта сжатия, что вызывает значительное повышение давления внутри цилиндра. Давление внутри цилиндра толкает поршень вниз по направлению к НМТ.

Только во время рабочего такта двигатель вырабатывает энергию.

Ход 4 — ВЫПУСК

Такт выпуска двигателя внутреннего сгорания

Такт выпуска начинается с поршня в НМТ после завершения рабочего такта.Во время этого хода выпускной клапан открыт. Движение поршня от НМТ к ВМТ выталкивает большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы.

Во время такта выпуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Как видите, для того, чтобы иметь цикл полного сгорания (двигатель), поршень должен совершить 4 хода. Это означает, что на один цикл двигателя уходит два полных оборота коленчатого вала (720 °).

Единственный ход, который производит крутящий момент (энергию), — это рабочий ход , все остальные потребляют энергию.

Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала через шатун.

Для лучшего понимания мы суммируем исходное положение поршня, положение клапана и баланс энергии для каждого хода.

9014 9014 9015 9015 9015 9015 9015 9015 9015

Порядок хода Название хода Исходное положение поршня Состояние впускного клапана Состояние выпускного клапана15 9014 9014 Энергия энергии TDC Открыто Закрыто Потребляет
2 Сжатие BDC Закрыто Закрыто Потребляет 3 Производит
4 Выхлоп BDC Закрыто Открыто Потребляет

На анимации ниже вы можете ясно увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания. Обратите внимание на положение поршня, положение клапана, момент зажигания и последовательность ходов.

Анимация двигателя внутреннего сгорания

В следующих статьях мы более подробно рассмотрим параметры, характеристики и компоненты двигателя внутреннего сгорания. Если у вас есть вопросы или комментарии по поводу этой статьи, используйте форму ниже для публикации.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Проверьте свои знания в области двигателей внутреннего сгорания, пройдя тест ниже:

ВИКТОРИНА! (щелкните, чтобы открыть)

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания

Шон Кэссиди

10 декабря 2016

Представлено как курсовая работа для Ph440,

Стэнфордский университет, осень 2016 г.

Введение

Фиг. 1: Цикл Отто для искрового зажигания
Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Двигатель внутреннего сгорания — один из самых
важные изобретения в истории человечества. Он произвел революцию в путешествиях благодаря
на машине, поезде, на лодке и по воздуху. Есть два основных типа
двигатели внутреннего сгорания (IC): прерывистое и непрерывное сгорание
двигатели. Например, четырехтактный поршневой двигатель — это прерывистый двигатель.
Двигатель внутреннего сгорания, в то время как газотурбинный двигатель использует непрерывное сгорание.IC
двигатели используют сгорание топлива с окислителем для преобразования
химическая энергия в разумную энергию и работу. После зажигания
высокотемпературный газ оказывает давление на поршень или турбину, поскольку
расширяется, принося полезную работу. Основной экзотермический углеводород
реакцию горения (на воздухе) можно записать [1]

C x H y + w O 2 + 3,76 w
N 2 → a CO 2 + b H 2 O
+ c O 2 + d N 2 + ε

, где w, a, b, c и d представляют молярный
коэффициенты, зависящие от конкретного углеводородного реагента и
количество воздуха, реагенты wO 2 +
3. 76wN 2
представляют собой инженерный воздух, а ε
представляет энергию. [1] Однако на практике углекислый газ, азот,
и кислород — не единственные продукты сгорания. Такие виды, как
оксид азота (NO), диоксид азота (NO 2 ) и углерод
монооксид (CO) также являются обычными продуктами реакции и могут быть обнаружены
в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. [1] Краткий обзор двух двигателей IC
Здесь представлены: поршневой двигатель с искровым зажиганием и газотурбинный жиклер.
двигатель.

Двигатель с искровым зажиганием

Термодинамический цикл Отто описывает идеальный
двигатель с искровым зажиганием. Топливно-воздушная смесь втягивается в поршень на
постоянное давление (1-2), а затем сжимается изоэнтропически до тех пор, пока
поршень достигает верхней мертвой точки (2-3). Искровое зажигание смеси
моделируется как добавление тепла к рабочему телу с постоянным объемом
(3-4), который затем изоэнтропически расширяется (4-5), пока не достигнет дна
мертвая точка (BDC). В BDC тепло отводится при постоянном объеме, и
Затем выхлопные газы удаляются при постоянном давлении. Схема
Цикл Отто показан на рис. 1. Идеальный рабочий результат цикла равен
область, ограниченная технологическим трактом.

В настоящем двигателе с искровым зажиганием идеализированный
добавление тепла постоянного объема заменяется сжиганием топлива. В
чтобы приблизиться к идеальным условиям, текущие исследования стремятся гомогенизировать
топливной смеси в камере сгорания, а также изучить
время задержки воспламенения, распространение пламени и другие виды горения
характеристики.

Газотурбинный двигатель

Рис.2: Цикл Брайтона для газовой турбины
Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Газотурбинный двигатель идеально моделируется
Термодинамический цикл Брайтона. [2] Воздух поступает через воздухозаборник,
сжато изоэнтропически (1-2) и смешано с топливом. [2] Тепло добавлено
при постоянном давлении в процессе, моделирующем идеальное сгорание
топливо (2-3), и газ адиабатически расширяется через сопло
(3-4).[2] Процесс показан на рис. 2. Как и в случае с циклом Отто,
идеальный результат работы — это область, ограниченная технологическим трактом.

Настоящий газотурбинный двигатель имеет впускное отверстие,
компрессор, камера сгорания, турбина и сопло. [3] Турбина подключена
к компрессору, так что газ, проходящий через турбину, приводит в движение
ступень сжатия двигателя. [3] Воздух поступает через впускное отверстие и
подается в компрессор. Сжатие часто происходит в нескольких
этапы.После сжатия воздух смешивается с топливом и поступает в
камера сгорания. [3] Высокотемпературный газ устремляется через
турбина и расширяется через сопло. [3] Весь процесс происходит
непрерывно, при этом газ непрерывно проходит через двигатель.
[3]

Заключение

Термодинамический анализ искрового зажигания и газа
газотурбинных двигателей раскрывает общие процессы, с помощью которых каждый преобразователь
химическая потенциальная энергия в двигательную работу.Понимание настоящего
химические реакции, происходящие внутри двигателей, дают представление о
сам процесс горения, а также образование токсичных и экологически чистых
вредные газы. Повышение эффективности и сокращение выбросов будут
требуют инновационных исследований с глубоким пониманием термодинамики и
газовая динамика, участвующая в системах двигателей внутреннего сгорания.

© Шон Кэссиди. Автор дает разрешение на
копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с
указание на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные
права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] K. Wark, Advanced Thermodynamics for
Инженеры
(McGraw-Hill, 1995), гл. 10.

[2] Y. Cengel and M. Boles Термодинамика: An
Инженерный подход
, 7-е издание (McGraw-Hill, 2011), гл. 9.

[3] С. Фарохи, Движение самолета , 2-я
Издание (Wiley, 2014), гл.4.

Двигатель внутреннего сгорания — Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math].Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (Рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ. Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания . Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная страница

Рис. 2. 4-тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Возгорание топлива (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и диоксид углерода. Могут быть загрязнители, а также окись углерода от неполного сгорания.

Двигатель двухтактный

главная страница

Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная

Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет обычные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора — создавая трех тактов мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons «, Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Дата обращения: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Двигатель внутреннего сгорания и рабочий цикл для него (Патент)


Гераче, А. Двигатель внутреннего сгорания и рабочий цикл для него . США: Н. П., 1987.
Интернет.


Джерас, А. Двигатель внутреннего сгорания и рабочий цикл для него . Соединенные Штаты.


Джерас, А. Вт.
«Двигатель внутреннего сгорания и рабочий цикл для него».Соединенные Штаты.

@article {osti_6838317,
title = {Двигатель внутреннего сгорания и рабочий цикл для него},
author = {Gerace, A},
abstractNote = {Описан двигатель внутреннего сгорания, содержащий: средство блока, имеющее, по меньшей мере, один сформированный в нем цилиндр; первый и второй поршни, расположенные внутри цилиндра, для управляемого возвратно-поступательного движения, чтобы продвигаться друг к другу и отводиться друг от друга; клапанное средство, расположенное внутри цилиндра между первым и вторым поршнями и работающее между открытым положением, позволяющее сообщаться между первой камерой, образованной между первым поршнем, цилиндром, и клапанным средством, второй камерой, образованной между вторым поршнем, цилиндром и клапанное средство; средство управления, соединенное с первым и вторым поршнями, для управления их возвратно-поступательным движением, заставляя каждый из поршней перемещаться в заранее определенное первое положение, смежное с клапанным средством, и для обеспечения возможности каждого из поршней отводиться от своих соответствующих первых положений до соответствующих вторая позиция; и средство ввода для подачи воздуха во вторую камеру, когда второй поршень находится в положении, отличном от первого упомянутого заранее заданного положения, и для введения воздушно-топливной смеси заданного соотношения в первую камеру.Средство управления, заставляющее первый поршень сжимать воздух и топливо в первой камере до заданного давления, меньшего, чем то, которое могло бы вызвать воспламенение, и заставляло второй поршень сжимать воздух во второй камере до заданного давления, которое достаточной для повышения температуры сжатого таким образом воздуха до температуры выше температуры самовоспламенения сжатой воздушно-топливной смеси.},
doi = {},
url = {https: // www.osti.gov/biblio/6838317},
journal = {},
number =,
объем =,
place = {United States},
год = {1987},
месяц = ​​{1}
}

.

Рабочий цикл ДВС

Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя

В автомобилях применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) названные так потому, что сгорание топлива происходит непосредственно в цилиндре. Основными деталями ДВС, кроме цилиндра, являются поршень, шатун, коленчатый вал. На кривошипе коленчатого вала подвижно закрепляется шатун. К верхней головке шатуна шарнирно, с помощью пальца, крепится поршень. Цилиндр сверху закрывается крышкой, которая называется головкой цилиндра. В головке имеется углубление, называемое камерой сгорания. Также в головке имеются впускное и выпускное отверстия, закрываемые клапанами. К коленчатому валу крепится маховик – массивный круглый диск.

При вращении коленвала происходит перемещение поршня внутри цилиндра. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (В.М.Т.), крайнее нижнее положение – нижней мертвой точкой (Н.М.Т.). Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. Пространство, находящееся над поршнем, когда он находится в н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра. Когда поршень находится в в.м.т., над ним остается пространство, называемое объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называются полным объемом цилиндра. В технических данных объем указывается в литрах или кубических сантиметрах. Объем многоцилиндрового двигателя равен сумме полных объемов всех его цилиндров. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя. Она показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре.

Рабочий цикл двигателяПараметры КШМ

Один ход поршня от одной мертвой точке к другой называется тактом. Коленвал при этом совершает полоборота. Как работает ДВС? Во время первого такта происходит впуск горючей смеси в цилиндр. Клапан впускного отверстия открыт, выпускного – закрыт. Поршень, перемещаясь от в.м.т к н.м.т, подобно насосу, создает разряжение в цилиндре и топливо, перемешанное с воздухом, заполняет его.

Во время второго такта, при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., происходит сжатие горючей смеси. При этом и выпускной, и впускной клапаны закрыты. В результате давление и температура в цилиндре повышаются. В конце такта сжатия, при приближении поршня к в.м.т., горючая смесь поджигается искрой от свечи зажигания (в бензиновых ДВС) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных ДВС).

Порядок работы цилиндров

Во время третьего такта происходит сгорание рабочей смеси. Клапана остаются закрытыми. Воспламенившаяся рабочая смесь резко повышает температуру и давление в цилиндре, которое заставляет поршень с усилием двигаться вниз. Поршень через шатун передает усилие на коленвал, создавая на нем крутящий момент. Таким образом, происходит преобразование энергии сгорания топлива в механическую энергию, которая двигает автомобиль. Поэтому этот такт называется рабочим ходом. Маховик, закрепленный на коленчатом валу, запасает энергию, обеспечивая вращение коленвала за счет сил инерции во время подготовительных тактов.

В ходе четвертого такта происходит выпуск отработанных газов и очистка цилиндра. Поршень, двигаясь от н.м.т. к в.м.т., выталкивает продукты горения через открытый выпускной клапан.

Далее весь процесс повторяется. Таким образом, рабочий цикл описанного ДВС происходит за четыре такта. Поэтому он и называется четырехтактным. Коленвал за это время совершает два оборота. Существуют и двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл происходит за два такта. Однако такие ДВС в настоящее время на автомобилях практически не применяются.

Для плавной работы многоцилиндрового двигателя и уменьшения неравномерных нагрузок на коленчатый вал такты рабочего хода в разных цилиндрах должны происходить в определенной последовательности. Такая последовательность называется порядком работы двигателя. Он определяется расположением шеек коленчатого вала и кулачков распределительного вала. Например, в двигателях ВАЗ порядок работы 1-3-4-2. Так как в четырехтактном двигателе полный цикл в каждом цилиндре совершается за два оборота коленчатого вала, то, следовательно, в четырехцилиндровом двигателе для равномерной его работы за каждые пол-оборота коленчатого вала в одном из цилиндров должен происходить рабочий такт.

Рассмотренные детали составляют в совокупности кривошипно-шатунный механизм. Кроме него, для обеспечения работы ДВС нужны газораспределительный механизм, система охлаждения, система смазки, система питания и система зажигания (в бензиновых двигателях).

Газораспределительный механизм, управляя работой клапанов, обеспечивает своевременное их открытие и закрытие. Система охлаждения отводит тепло от деталей двигателя, нагревающихся при работе. Система смазки подает масло к трущимся поверхностям. Система питания служит для приготовления рабочей смеси и подачи ее в цилиндры. Система зажигания преобразует низковольтное напряжение от АКБ в высоковольтное и подает его на свечи для воспламенения рабочей смеси.

5 Теоретические циклы двигателей — СтудИзба

Лекция №5.

Теоретические циклы двигателей.

Термодинамическим циклом поршневого двигателя называется незамкнутый необратимый цикл, который осуществляется реальным рабочим телом переменного состава при тех же значениях степени сжатия , коэффициент избытка воздуха  и начальных параметров газа в цилиндре, при которых протекает и реальный (действительный) рабочий цикл, на при отсутствии потерь теплоты, связанных с неполнотой сгорания и теплообменом между газами и стенками цилиндра.

Основные особенности теоретического цикла можно сформулировать следующим образом:

1)                    Рабочим телом является смесь реальных газов (воздух, топливо и продукты сгорания) переменного состава и количества, изменяющихся в процессе сгорания и в процессе смены заряда. Теплоемкость газов переменная.

2)                    Сгорание топлива полное и происходит условно при постоянном давлении, или по смешанному циклу.

3)                    Максимальное давление  в смешанном теоретическом цикле такое же, как и в действительном рабочем цикле, а в теоретическом цикле со сгоранием при , давление, максимально возможное для заданных условий осуществления цикла, будет всегда больше, чем в действительном цикле.

4)                    Процессы сжатия и расширения протекают адиабатически и без утечек газов через неплотности в цилиндре.

Рекомендуемые файлы

5)                    Процесс очистки цилиндра от отработавших газов заменен выпуском газов при постоянном объеме в конце расширения, т.е. в точке b.

6)                    Параметры и состав газов в начале хода сжатия такие же, как и в действительном рабочем цикле.

Анализ и сравнение показателей рабочего цикла двигателя, полученных в действительных условиях работы, с показателями теоретического цикла позволяют определить степень приближения действительного цикла к теоретическому.

Сравнение же показателей теоретического и идеального циклов позволяет установить степень и характер влияния состава и переменности теплоемкости смеси газов и потерь процессе очистки и зарядки цилиндра на показатели работы реального двигателя.

Рабочий (действительный) цикл двигателя внутреннего сгорания.

Рабочий цикл значительно отличается от рассмотренных ранее идеальных и теоретических циклов.

1)                    В рабочем цикле происходят не только физические, но и химические изменения состава газа, и количество его не остается постоянным.

2)                    Вследствие конечной скорости сгорания и диссоциации продуктов сгорания скрытая в  топливе химическая энергия выделяется не мгновенно. В процессе расширения происходит догорание и ассоциация диссоциированных газов с выделением теплоты.

3)                    В рабочем цикле рабочее тело нельзя принимать с постоянными теплоемкостями, т.к. температура и состав газов в цилиндре значительно изменяются.

4)                    В рабочем цикле существуют тепловые и аэродинамические потери.

 смешан-

                                 ный  подвод теплоты.

Рабочий цикл состоит из ряда последовательно сменяющих друг друга тактов, чисто позволяет использовать в процессе рабочего хода (такта) при средних низких температурах цикла высокие максимальные температуры рабочего тела (до 3000 К). В связи с этим поршневые двигатели и тем более двигатели с турбонаддувом среди тепловых двигателей являются самыми экономичными.

При рассмотрении действительного и теоретического циклов подразумевается, что в обоих случаях количество подведенной теплоты одинаковое, т.е.

Под  в действительном цикле имеется в виду количество теплоты затрачиваемой на создание индикат. работы. С включением всех потерь: от теплопередачи, от неполноты сгорания топлива к концу расширения и от несвоевременно выделившейся теплоты в процессе сгорания.

Предполагается, что в теоретич. цикле поступление свежего заряда и выпуск отработавших газов происходит без сопротивлений, т.е. линия впуска и выпуска совпадают с атмосферой . Гидравлические потери на впуск в действительном процессе приводит к уменьшению давления  и давления . На уменьшение  оказывают влияние еще потери теплоты в стенки в процессе сжатия и возможные утечки заряда через кольца, поэтому Pct> Pc.

Снижение  в реальном цикле позволяет увеличить площадь индикаторной диаграммы по линии сжатия АС, но это увеличение не приводит к увеличению индикаторной мощности, т.к. в дальнейшем оно перекрывается потерями на линии расширения, что вызвано снижением  и вызванного этим снижения всей линии расширения  в действительном цикле.

При сгорании по изобаре  по условию в обоих циклах подводится одинаковое количество теплоты , а поэтому при наличии в действительном цикле тепловых потерь в охлаждающую среду, недогорание и несвоевременное выделение теплоты приводит к уменьшению линии СУ по сравнению с СтУт., а значит и к уменьшению . Последующее уменьшение  идет в связи с увеличением объема камеры сгорания при перемещении поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. Процесс от Y до Z протекает примерно по изобаре, т.е. при P = const (малые отклонения) с недовыделением теплоты при сгорании топлива и с последующим догоранием на линии расширения. Это приводит к тому, что в реальном цикле степень предварительного расширения  по сравнению с теоретическим циклом имеет меньшие значения.   

В теоретическом цикле теплота вводится до т.  и последняя определяет начало адиабатического расширения, т.е. по сравнению с реальным циклом процесс протекает без потерь теплоты в стенки.

В результате приближения сгорания к т.  концентрация кислорода заметно понижается, скорость сгорания в связи с этим понижается и сгорание переносится на линию расширения, что называется явлением догорания (т. ). Наименьшее значение продолжительности этого догорания могут быть равными 45÷600 угла поворота коленвала (после В.М.Т.)., но в быстроходных дизелях догорание может продолжаться до открытия выпускного клапана (т.).

В первой половине кривой  обычно развиваются максимальные значения температуры сгорания , что объясняется сильным притоком теплоты от догорания на линии расширения.

Из рассмотренного видно, что теоретический цикл значительно отличается от реального, т.к. по сравнению с реальным циклом в нем процесс расширения (начиная от т. ) протекает без потерь теплоты, а теплота отводится холодному источнику только по линии bтат. В реальном цикле надо принудительно удалить отработавшие газы в атмосферу, а вследствие сопротивления в выпускной системе давление  будет выше атмосферного >.

Заблаговременное удаление отработавших газов (т.) приводит также к уменьшению площади индикаторной диаграммы действительного цикла.

Вывод: главными потерями действительного цикла являются теплопередача на линии сжатия, сгорания и расширения, догорание и неполнота сгорания топлива в цилиндре.

Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность.

Индикаторная диаграмма, снятая с двигателя, изображает собой действительный цикл с учетом потерь теплоты, а площадь индикаторной диаграммы – индикаторную работу цикла.

В четырехтактных двигателях площадь диаграммы, определяющая работу за цикл, состоит из площади, соответствующей «положительной» работе, полученной за такты сжатия и расширения, и площади, представляющей собой «отрицательную» работу газов при осуществлении тактов впуска и выпуска.

В двигателях без наддува на очистку и накопления затрачивается работа, которая будет отрицательной. В двигателях с наддувом эта работа может быть как отрицательной, так и положительной. Работу газов в период газообмена обычно учитывают в числе механических потерь в двигателе.

Диаграмма выпуска и впуска четырехтактного двигателя без наддува

Диаграмма выпуска и впуска четырехтактного двигателя с наддувом

В двухтактных двигателях вся площадь индикаторной диаграммы представляет собой полезную индикаторную работу. Чем больше индикаторная работа , тем лучше степень использования рабочего объема цилиндра двигателя .

Эффективность действительного рабочего цикла двигателя характеризуется средним индикаторным давлением.

Среднее индикаторное давление представляет собой условное постоянное по значению давление, которое, действуя на поршень, совершает работу, равную работе газов за весь цикл.

Среднее индикаторное давление представляет собой высоту прямоугольника, основание которого равно , а площадь равна площади индикаторной диаграммы. Этот прямоугольник есть разность площадей соответствующих работе расширения (прямоугольник с высотой ).

Чем больше , тем больше . Значения  в различных двигателях зависят от многих факторов: способа смесеобразования, осуществляемого цикла, коэффициента избытка воздуха, накопления цилиндра и т.д.

Среднее индикаторное давление рассчитывают следующим образом:

1)                    сначала определяют среднее расчетное индикаторное давление  для расчетной диаграммы, ограниченной линиями сжатия и расширения, включая схематизированный участок видимого сгорания;

2)                    затем уменьшают полученное расчетное давление  на величину, учитывающую отклонение формы действительной индикаторной диаграммы от расчетной. Для смешанного цикла

=

n1 и n2 – средние значения показателей

Для действительного цикла четырехтактного двигателя.

,

где — коэффициент полноты диаграммы, учитывающий площади диаграммы.

÷0,97 (большие значения относятся к карбюраторным двигателям, а меньше – к быстроходным дизелям ) .

Для двухтактных двигателей

, для всего хода поршня

где  — потерянная доля хода (10-38%).

Значения  современных двигателей при номинальной нагрузке в кг/см2:

, кг/см2

Карбюраторные четырехтактные

9-11

                                           Газовые

6-8

Четырехтактные дизели без наддува

7-9

                                         С наддувом

До25

Двухтактные дизели без наддува

5-7

С наддувом

До15

Внутренняя работа двигателя, развиваемая газами в полости цилиндра в единицу времени (сек), называется индикаторной мощностью .

Работа в кг*м, совершаемая газами в цилиндре за 1 цикл:

,

где  — диаметр цилиндра, см;

 — ход поршня, см;

Индикаторная работа всего двигателя в минуту

,

где  — число цилиндров в двигателе;

 — число ходов в минуту;

 — тактность – число ходов поршня (тактов) за один цикл;

 — число циклов в минуту;

 — рабочий объем всех цилиндров двигателя (литраж), л.;

 — частота вращения вала, об/мин.

Индикаторная мощность двигателя, л.с.

Для четырехтактных двигателей ()

Для двухтактных двигателей

;

Индикаторный К.П.Д. и удельный индикаторный расход топлива.

Экономичность действительного цикла двигателей внутреннего сгорания характеризуется двумя показателями: индикаторным К.П.Д. и индикаторным удельным расходом топлива.

Индикаторным К.П.Д. называется отношение количества теплоты, превращенной в механическую работу, к затраченному количеству теплоты.

где  — тепловой эквивалент индикаторной работы , полученной при сжигании единицы количества топлива;

 — расход топлива в кг/ч или м3

 — низшая теплота сгорания топлива, ккал/кг

Индикаторный К.П.Д. в отличие от термического К.П.Д. учитывает не только потери теплоты, вызванные отдачей ее холодному источнику, но и потери теплоты вследствие теплоотдачи в стенки, от неполноты сгорания и от диссоциации, т.е. всю сумму потерь при осуществлении действительного рабочего цикла.

А= 632,3 ккал/ч – полезно использованная теплота при работе двигателя в течении часа где 632,3 – тепловой эквивалент работы 1 л.с.ч. в ккал

                         

Индикаторный К.П.Д. и удельный индикаторный расход топлива  характеризуют экономичность рабочего цикла. Величина их зависит от ряда факторов: степени сжатия Е, , способа смесеобразования, скорости и полноты сгорания топлива,  и др.

Индикаторный К.П.Д. двигателей различных типов при номинальной нагрузке колеблется в довольно широких пределах:

                                                                                                                                   ηi

Карбюраторные двигатели

0,25÷0,35

Газовые двигатели

0,28÷0,33

Дизели

0,39÷0,53

Значение удельного индикаторного расхода топлива двигателей, работающих на жидком топливе, при номинальной нагрузке в кг/(л.с.ч.) следующие:

Карбюраторные двигатели 0,18÷0,25

Дизели 0,12÷0,16

Удельный индикаторный расход теплоты  газовых двигателей при номинальной нагрузке равен 1900÷2300 ккал/(л.с.ч.).

Для двигателей, работающих на жидком топливе

, где  — кг/ч

Для газовых двигателей

, где  — м3

Влияние различных факторов на индикаторные показатели.

Влияние степени сжатия Е

Повышение Е в двигателях с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием приводит к увеличению экономичности работы, связанному с ростом термического К.П.Д. цикла. Повышение Е в двигателях с внутренним смесеобразованием не приводит к заметному улучшению индикаторных показателей и используется только для расширения диапазона топлив, на которых может работать двигатель.

Влияние формы камеры сгорания.

Существенным фактором, влияющим на величину  является теплопередача стенкам, зависящая от формы камеры сгорания, т.е. от размеров ее поверхности. Критерием оценки камеры сгорания будет поверхности к ее объему. Уменьшение этого отношения сократит отдачу теплоты охлаждаемым стенкам, вследствие этого возрастает .

Влияние состава смеси.

Изменение состава горючей смеси приводит к изменению скорости распространения пламени.

Влияние регулировочных параметров.

На индикаторные показатели двигателя влияют угол опережения зажигания и угол опережения подачи топлива. По мере увеличения угла опережения зажигания и подачи топлива  возрастает, т.к. основной процесс тепловыделения завершается до В.М.Т.,  достигает максимума при некотором оптимальном угле опережения . Этому углу соответствует и минимальный  и максимальный

В лекции «Древнегерманский эпос» также много полезной информации.

. Слишком раннее зажигание приводит к уменьшению  и способствует появлению детонационного сгорания. Оптимальный угол опережения зажигания возрастает с увеличением числа оборотов коленвала. Оптимальные углы опережения зажигания в двигателях с зажиганием электрической искрой находятся в пределах 15÷400 угла поворота коленвала до В.М.Т. Также как и угол опережения зажигания, оптимальный угол опережения подачи топлива находят опытным путем. Для двигателей разных типов значения этого угла составляет 10÷350 до В.М.Т.

Влияние частоты вращения коленвала.

В карбюраторном двигателе с увеличением   возрастает, что объясняется возрастанием турбулентного воздействия на скорость и полноту сгорания топлива, а также сокращением времени  контакта газов со стенками цилиндра и уменьшением топливных потерь.

Энергетическое образование

1. Циклы газовых двигателей

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Термодинамические циклы это круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия). Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых двигателях.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Прямой термодинамический цикл.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты $Q_1$ у нагревателя и отдаёт количество теплоты $Q_2$ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом:

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

Изменение внутренней энергии $ΔU$ в круговом процессе равно нулю (это функция состояния), а работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен:

$$η=\frac{A}{Q_1} =\frac{Q_1-Q_2}{Q_1} =\frac{M·q_1-M·q_2}{M·q_1}=\frac{q_1-q_2}{q_1} =1-\frac{q_2}{q_1}.$$

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую.

Цикл Карно.

В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ передает теплоту рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту $q_1$ по изотерме AB. На процессе BC рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от $T_1$ до $T_2$. В обратимом процессе CD рабочее тело передает теплоту $q_2$ холодному источнику по изотерме $T_2=const$. На процессе DA рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от $Т_2$ до $Т_1$.

Для цикла Карно в $T-s$ диаграмме подведенная $q_1$ и отведенная $q_2$ теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для $q_1$ – с $T_1$ и $Δs$, для $q_2$ – с $T_2$ и $Δs$. Величины $q_1$ и $q_2$ определяются по формулам изотермического процесса:

$$q_1=T_1·Δs,$$ $$q_2=T_2·Δs.$$

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

$$l_ц=q_1-q_2=(T_1-T_2)·Δs.$$

В соответствии с выражением выше получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при $Т_2=0$ K, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около $300$ K. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота $q_1$ превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота $q_2$, отдается холодному источнику, и при заданных $Т_1$ и $Т_2$ она не может быть использована для получения работы, величина $q_2$ является тепловыми потерями (тепловым сбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

$$η=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{T_2·Δs}{T_1·Δs}=1-\frac{T_2}{T_1}.$$

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше $T_1$ и меньше $T_2$. При $T_1=T_2$ КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый часто циклом Отто. В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты $q_2$. осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном объеме $v=const$ (цикл Отто).

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_v·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1 — \frac{ \frac{T_4}{T_1} — 1 }{ \frac{T_3}{T_2} — 1 } · \frac{T_1}{T_2}.$$

Сравнивая адиабаты 1-2 и 3-4, можно показать, что:

$$\frac{T_4}{T_1} =\frac{T_3}{T_2}.$$

и, следовательно получим:

$$η_t=1-\frac{T_1}{T_2}.$$

Отношение всего объема цилиндра $v_1$ к объему камеры сгорания $v_2$ называется степенью сжатия $ε$:

$$ε=\frac{v_1}{v_2}.{k-1}}.$$

Из этого выражения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия $ε$, и с увеличением $ε$ $η_t$ возрастает. Понятно, что температура в конце сжатия $T_2$ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет порядка $7-10$ или несколько больше, в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеля. Рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2, а изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.{k-1}}.$$

Это выражение показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия $ε$, с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Нижний предел для $ε$ обусловлен необходимостью получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. Верхний предел $ε$ (до $20$) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения $ρ$ вызывает снижение термического КПД цикла. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать, наряду с другими обстоятельствами, при определении оптимального режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели, осуществляется по следующей схеме.{k-1}}.$$

Параметр $λ$ называется степенью повышения давления и рассчитывается так:

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыл топлива производится механическим топливным насосом высокого давления, а воздушный компрессор, применяемый в двигателе Дизеля, отсутствует. Степень сжатия $ε$ в рассматриваемом цикле может достигать $18$ и более.

Легко показать, что математическое выражение термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов поршневых ДВС.

Сравнение эффективности рассмотренных циклов проведем на $T-s$ диаграмме, предположив, что в каждом из них достигается одинаковая максимальная температура $T_3$.

Одинаковы и количества отведенной теплоты $q_2$ в каждом цикле (площадь 14аb). При таких условиях теплота цикла $q_ц$, равная полезной работе цикла $l_ц$, будет наибольшей для цикла Дизеля 12”34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 12’3’34 занимает промежуточное положение.

Сравнение циклов ДВС на $T-s$ диаграмме 1234 – цикл Отто; 12”34 – цикл Дизеля; 12’3’34 – цикл Тринклера.

Таким образом, термический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла Отто с подводом теплоты при постоянном объеме.

Цикл двигателя Стирлинга представляет собой цикл газового двигателя поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга. Например двигатель стирлинга модификации «Альфа» состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов. В процессе 3 холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе $T_2=const$ при интенсивном отводе теплоты $q_2»$. В процессе 4 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что $v=const$ (изохорный процесс), а температура увеличивается от $T_2$ до $T_1$ при подводе теплоты $q_1’$.

В изотермическом процессе расширения 1 $T_1=const$ к рабочему телу подводится теплота $q_1»$. Затем в процессе 2 поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную ($v=const$) с отводом теплоты $q_2’$. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты $q_1»$), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты $q_2»$:

$$l_ц=q_1»-q_2».$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1»-q_2»}{q_1′-q_1»}.$$

Дизельная электростанция как правило, объединяет в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, а также систему контроля и управления установкой. Такие электростанции и установки применяются в качестве основных, резервных или аварийных источников электроэнергии для потребителей одно- или трёхфазного переменного тока.

Схема дизельной электростанции.

Цикл газотурбинной установки. Одним из основных недостатков поршневых двигателей является невозможность достижения больших мощностей в одном агрегате, что сужает нишу возможного использования ДВС поршневого типа. Это связано, прежде всего с наличием кривошипно-шатунного механизма, предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Периодичность производства рабочего хода поршня неизбежно вызывает неравномерность работы конструкции и требует наличие маховика, что заметно увеличивает удельный вес двигателя – отношение веса двигателя к вырабатываемой им мощности. Этих недостатков лишены двигатели внутреннего сгорания газотурбинного типа, к числу которых относятся воздушно-реактивные двигатели.

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри).

Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении содержит в себе все основные элементы, присущие турбокомпрессорному воздушно-реактивному двигателю. Газотурбинный двигатель состоит из размещенных на одном валу турбины, компрессора, топливного насоса и потребителя мощности. В схему входит также камера сгорания, выхлопное сопло или патрубок отвода отработавших газов и свеча зажигания.

Турбина приводит во вращение компрессор, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды. Процесс сжатия предполагается протекающим по адиабате 1-2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда насосом из топливной емкости прокачивается топливо. Тщательно перемешенная смесь в камере сгорания воспламеняется свечой зажигания, и при постоянном давлении реализуется процесс сжигания топлива.{\frac{k-1}{k}} },$$

где $ε=\frac{v_1}{v_2}$ – степень сжатия, а $λ=\frac{p_2}{p_1}$ – степень повышения давления.

Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.

Отличие регенеративной газотурбинной установки от рассмотренной ранее состоит во введением дополнительного конструктивного узла в виде теплообменника регенератора, в котором тепло от уходящих газов передается к газу, сжатому компрессоре установки.

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

По условиям организации цикла не все избыточное тепло уходящих газов может быть передано воздуху, сжатому в компрессоре. Тогда коэффициент полезного действия можно определить:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =\frac{ (T_5-T_1)-(T_3-T_2) }{T_4-T_2}.$$

Цикл Гемфри. Газотурбинная установка со сгоранием при $v=const$ в случае, если предельные давления одинаковы и подведенные теплоты равны, будут иметь несколько большую эффективность по сравнению с изобарным циклом. Это связано с тем, что при отмеченных условиях сравнения в цикле с $v=const$ по сравнению с циклом $p=const$ отводимая теплота будет несколько меньше, чем в цикле со сгоранием при $p=const$. Это видно из сравнения циклов, построенных в $T-s$ диаграмме.

Сравнение циклов газотурбинных установок с подводом тепла при $v=const$ и $p=const$.

Однако в конструкторском отношении газотурбинная установка с подводом тепла при $v=const$ заметно сложнее. Турбина приводит во вращение сидящие с ней на одном валу компрессор, насос и потребитель выработанной установкой механической энергии, обычно в виде трехфазного электрогенератора. Одновременно в камеру сгорания поступает воздух, сжатый в компрессоре, и топливо подаваемое насосом. В камере сгорания при закрытых клапанах, свечой зажигания осуществляется воспламенение топлива. Сгорание топлива происходит при закрытых клапанах, т.е. при постоянном объеме. В конце процесса сгорания при достижении заданного давления открываются выпускные клапаны и рабочее тело – продукты сгорания в виде высокоэнтальпийного потока – поступает на лопатки соплового аппарата, а затем рабочего колеса, на которых энтальпия рабочего тела срабатывается, превращаясь в механическую энергию, воспринимаемую приводами. Отработавшие продукты сгорания – газы отводятся из двигателя через выхлопной патрубок.

Коэффициент полезного действия такого цикла определяется и соотношения:

$$η_t=1-\frac{k}{ε^{k-1}}·\frac{λ^{\frac{1}{k}}-1}{λ-1}.$$

где $λ=\frac{p_3}{p_2}$ – степень повышения давления.

Парогазовая установка – электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около $500$ °C позволяет получать перегретый пар при давлении около $100$ атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор.

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

При анализе термодинамических циклов делаются следующие допущения:

    1. химический состав и количество рабочего тела – постоянны;

    2. процесс горения топлива заменен обратимым процессом подведения теплоты;

    3. выпуск продуктов сгорания заменен обратимым процессом отведения теплоты в окружающую среду;

    4. температура рабочего тела не зависит от температуры окружающей среды;

    5. рабочее тело находится в равновесии с источником теплоты и охладителем (окружающей средой).

Основные циклы ДВС:

    • со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении (цикл Сабатэ) – отражает процесс дизеля без компрессора, который наиболее близок к реальным условиям сгорания топлива;

    • с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) – отражает процесс тихоходного дизеля;

    • с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл отто) – отражает процесс двигателя быстрого сгорания (карбюраторного и газового).

    Теоретические циклы, давая максимально возможное превращение теплоты в работу при приведенных выше условиях, схематизируют действительные явления и позволяют изучать эти явления, отмечая главные факторы, которые влияют на экономику этих явлений.

    Цикл со смешанным (комбинированным) подводом теплоты (рисунок 1)

    смешанный цикл, в котором подвод теплоты осуществляется частично при v = const, а частично при р = const был предложен советским инженером Г.В. Тринклером. Работающие по этому циклу двигатели называются без компрессорными дизелями. в настоящее время дизели строятся только с комбинированным подводом тепла.

    По этой схеме цикла ДВС работают с внутренним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси.

    Рисунок 1– Смешанный цикл ДВС в pv и Ts координатах

    В этом виде цикла (рисунок 1) в процессе 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится теплота сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, наконец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).

    Процессы всасывания (линия 0-1) и выхлопа (линия 1-0) в термодинамике не рассматриваются, так как это механические процессы.

    Характеристики цикла:

    ; (2)

    . (3)

    Термический кпд цикла (см. прямой цикл Карно – )

    ; (4)

    и ; (5)

    термический КПД: , если поделить числитель и знаменатель на на сv, то получим:

    . (6)

    Выразим T2, T3, T4, T5 через T1.

    Рассмотрим процессы.

    1-2 – процесс адиабатического сжатия:

    T2 = T1ε k – 1. (7)

    2-3 – процесс нагрева при ν = const:

    ;

    T3 = T2λ;

    T3 =T1ε k – 1λ. (8)

    3-4 – процесс нагрева при р= const:

    ;

    T4 = T3ρ;

    T4 = T1ε k – 1λρ; (9)

    4-5 – процесс адиабатического расширения: ,

    v5 = v1, а v4 = v2, тогда .

    . (10)

    Подставив в формулу (6) t2,t3,t4,T5 через t1 из формул (7), (8), (9), (10) получим:

    . (11)

    из уравнения (11) видно, что ηt растет с увеличением ε и k.

    Таблица 1 – Значения р2 и T2при различных значениях ε

    k

    ε

    8

    9

    12

    13

    14

    15

    16

    17

    1,30

    p2

    13,42

    15,70

    22,70

    25,20

    27,80

    30,30

    33,00

    35,80

    T2

    708

    734

    801

    822

    840

    856

    873

    889

    1,35

    p2

    14,90

    17,50

    25,70

    28,80

    31,80

    34,90

    38,20

    41,40

    T2

    795

    850

    901

    932

    956

    980

    1 004

    1 020

    Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

    в таких двигателях топливо распыляется сжатым воздухом.

    если сжимать один воздух, а топливо вводить в цилиндр после сжатия, то степень сжатия может быть значительно большей. Такая схема применяется в дизель-моторах, и была предложена инженером Дизелем в 1897 г.

    в цикле с подводом тепла при р = const первоначальное состояние рабочего тела в pv-координатах характеризуется точкой 1 (рисунок 2).

    В течение первого хода справа налево совершается сжатие воздуха, которое происходит без теплообмена с внешней средой (линия 1-2). На участке 2-3 к рабочему телу подводится тепло q1 таким образом, что давление при этом остается постоянным (так как увеличивается объем), что приближенно соответствует реальным условиям сгорания трудно сгораемого топлива.

    Дальнейшее расширение рабочего тела (линия 3-4) происходит без теплообмена с внешней средой (по адиабате). Для приведения рабочего тела в первоначальное состояние 1, от него отводится тепло q2 при v =const (линия 4-1).

    Рисунок 2 – Цикл ДВС в pv и Ts- координатах с подводом тепла при р = const

    Теоретический цикл – (1-2-3-4). процессами 0-1 (процесс всасывания) и 1- 0 (процесс выхлопа) – пренебрегают, считая, что в цилиндре находится

    постоянное количество газа (механические процессы).

    В рассматриваемом цикле степень повышения давления при сгорании топлива .

    Основные величины этого цикла:

    (12)

    Тогда подставив в уравнение (173) λ = 1 в ηt цикла с комбинированным подводом теплоты получим:

    . (13)

    Выводы:

    1. термический КПД двигателя Дизеля зависит от степени предварительного расширения ρ и с увеличением  уменьшается экономичность цикла;

    2. с увеличением степени сжатия ε увеличивается термический КПД цикла.

    Таблица 2– Значения термического КПД цикла Дизеля при различных значениях и k = 1,35

    ε

    10

    12

    14

    16

    18

    ρ = 1,5

    ηt

    0,52

    0,54

    0,57

    0,59

    0,61

    ρ = 2,1

    ηt

    0,49

    0,52

    0,55

    0,57

    0,58

    ρ = 2,5

    ηt

    0,46

    0,49

    0,52

    0,54

    0,56

    Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

    Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

    Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

    автор: Самойленко А. Ю.

    УДК 621.431.74

    Россия, Новороссийск, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

    [email protected]

     

    Введение

    Известные методы теоретического и практического анализа и синтеза циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) базируются исключительно на термодинамических представлениях о цикле. Этим методам посвящено огромное число  работ теоретического и практического характера, перечислить которые в рамках статьи не представляется возможным. Достаточно указать на ставшую классической в данной области работу отечественных ученых [1]. 

    Как известно,  в теории тепловых двигателей в качестве термодинамического эталона рассматривается цикл Карно. Менее известен в этом качестве регенеративный цикл, например, цикл Стирлинга [2]. В тоже время, когда речь идет о цикле ДВС,  и, в частности, о  судовых дизелях, эти эталоны практически не рассматриваются, поскольку они весьма далеки по составу и характеру процессов от реального цикла ДВС. B практических расчетах и  теоретических исследованиях анализ циклов ДВС ограничен, как правило,  вариациями от цикла с изохорным, до цикла с изобарным подводом тепла и их комбинацией, что подробно рассмотрено в той же работе [1] или, например, в работе [3].

    Кроме этого, в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) процессы изменения объема цилиндра и давления газов протекают не ступенчато, а плавно в функции угла  φ  поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. В итоге это существенно изменяет вид реальных циклов, по сравнению с рассматриваемыми в теории.

    В данной работе  сделана попытка устранить эти противоречия и  предложить цикл, который мог бы использоваться в качестве эталонного цикла ДВС, как альтернативы известным эталонам. Дальнейшее изложение материала статьи базируется на  данных, полученных автором на  дизелях морских судов. Однако никаких принципиальных ограничений по применению полученных результатов к другим разновидностям  ДВС, с традиционной конструкцией КШМ, автор не усматривает.

     

    Метод исследования

    Для решения этой задачи, в отличие от традиционных методов, цикл дизеля анализируется автором не в функции объема, а в функции угла ПКВ, с использованием методов гармонического анализа. При рассмотрении цикла двигателя в функции угла  ПКВ, как периодически повторяющегося процесса, его развернутая индикаторная диаграмма р(φ) представлена суммой гармоник  k с амплитудами  Pimax  начальными фазами  φi, отсчитываемыми относительно положения верхней мертвой точки, и некоторой постоянной составляющей ро

    ,                                  (1)

    где i=1, 2, 3… — номер гармоники. Частота первой гармоники равна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

    В качестве примера на рис. 1 представлена развернутая индикаторная диаграмма судового высокооборотного дизеля  4L20, с частотой вращения 900 1/мин, а также компоненты ее разложения на гармоники в соответствии с выражением (1).

     

     

    Рис. 1 Исходная индикаторная диаграмма и ее компоненты разложения: 1- первая гармоника; 1, 2 – сумма первых двух гармоник; 1…6 — сумма первых 6 гармоник

     

    Роль гармоник в индикаторной диаграмме

    При таком представлении развиваемое в цикле дизеля среднее индикаторное давление рmi, как показано автором в работе  [4], определяется выражением

    ,                          (2)

    где P1max и φ1 – амплитуда и начальная фаза первой гармоники;

           P2max и φ2 – амплитуда и начальная фаза второй гармоники;

           λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна двигателя, характеризующее КШМ.

    Из выражения (2) следует, что среднее индикаторное давление, то есть полезный эффект от  работы двигателя, создается только первыми двумя гармониками. В работе [5] автором данной статьи доказано, что кроме первой гармоники в рmi теоретически вносят  вклад все четные гармоники. Однако, начиная с 4-й гармоники их суммарный вклад незначителен, не превышает 1 %, и его можно не учитывать.

    Из выражения (2) напрашивается естественный вывод — поскольку гармоники, начиная с третьей,  с позиции получения рmi  бесполезны, то цикл дизеля целесообразно организовать так, чтобы он содержал только первые две гармоники.

     Третья и более высокие гармоники не просто бесполезны с точки зрения выработки pmi, но и в определенной степени вредны. Так, одним из основных параметров механической напряженности судового дизеля является максимальное давление его цикла Рmax. По данному параметру конструкции современных судовых дизелей приблизились к пределу прочности применяемых конструкционных материалов. Это является сдерживающим фактором на пути дальнейшего форсирования дизелей, в частности – повышения развиваемого в цилиндре среднего индикаторного давления pmi.   Третья и более высокие гармоники не дающие  вклада в среднее индикаторное давление, тем не менее, вносят существенный вклад в максимальное давление. Это наглядно видно на рис. 1, где максимальное давление суммы первых двух гармоник составляет примерно 92 бара, а для суммы первых шести гармоник оно возрастает уже до 128 бар.

     

    Цикл ДВС из двух гармоник

    Исходя из вышеизложенного, на рис. 2 приведено сравнение двух индикаторных диаграмм судового малооборотного дизеля (МОД) – исходной, полученной на реальном двигателе, и синтезированной из ее двух первых гармоник. Для упрощения реализации синтезированная диаграмма, по сравнению с диаграммой, показанной на рис. 1 обнулена в своих окончаниях.

     

     

    Рис. 2. Индикаторная диаграмма МОД, исходная (а)  и синтезированная из двух гармоник (б), развернутая (1) и нормальная (2)

     

    Исходная диаграмма МОД имеет показатели: рmi  = 13.6 бар,   Pmax  = 105 бар. Показатели синтезированной диаграммы:  рmi  = 14.6 бар, а  Pmax = 76 бар.

    Таким образом, при примерно одинаковых средних индикаторных давлениях, у синтезированной диаграммы выигрыш по максимальному давлению цикла очевиден. Заметим также, что в  цикле с двумя гармониками работа поршнем при его движении в цилиндре совершается более равномерно. В то же время у исходной диаграммы (рис. 2, нормальная диаграмма) по мере удаления поршня от верхней мертвой точки производимая им работа на единицу пути сильно уменьшается.

     

    Цикл ДВС в виде первой гармоники

    Обработка многочисленных реальных индикаторных диаграмм  показывает, что произведения P1maxsinφ1 и P2maxsinφ2, входящие в выражение (2), примерно равны по величине, отличаясь не более чем на 10 %. Поэтому, относительный вклад второй гармоники в рmi фактически определяется коэффициентом λ/2 формулы (2). Для λ=0,2…0,47 этот вклад составляет соответственно 0,1…0,235, что существенно меньше  вклада первой гармоники. Большие значения соответствуют длинноходовым МОД, меньшие – средне- и высокооборотным судовым дизелям.

    В этой связи возникает вопрос – насколько полезна вторая гармоника, ведь помимо вклада в среднее индикаторное давление она также повышает Pmax. Это наглядно проявляется на рис. 1 – максимальное давление суммы первых двух гармоник существенно выше максимума первой гармоники. Поэтому важно выяснить, что сильнее возрастает  при использовании второй гармоники — среднее индикаторное давление или максимальное давление.

    Исследование, проведенное автором в работе [6], показало, что при условии постоянства  рmi  по сравнению с циклом из одной первой гармоники  введение второй гармоники увеличивает Pmax на 0…15 % в диапазоне изменения λ=0,5…0,2. При этом для длинноходовых судовых МОД, у которых λ приближается к теоретическому пределу 0,5, практически нет разницы в значениях Pmax, полученных для циклов, содержащих только одну первую гармонику или  первые две гармоники. Для двигателей же с более низкими значениями λ, а это судовые средне- и высокооборотные дизели, с позиции снижения Pmax теоретически более выгодным является цикл с одной первой гармоникой. В этом случае выражение (2) примет вид

    .                                 (3)

    Индикаторные диаграммы двухтактного дизеля для этого случая показаны на рис. 3, а развернутая индикаторная диаграмма представляется выражением

    .

     

     

    Рис. 3. Желаемая индикаторная диаграмма дизеля в виде первой гармоники, при отсутствии (1) и наличии (2) топливоподачи, развернутая (а) и нормальная (б)

     

    В отсутствие топливоподачи (рис. 3, кривая а,1) цикл дизеля  представляет собою косинусоиду, симметричную относительно верхней мертвой точки, при этом  ее начальный фазовый сдвиг φ1=0. Вследствие этого и среднее индикаторное давление, в соответствии с выражением (3), равно нулю. При наличии топливоподачи, за счет горения топлива косинусоида смещается в сторону процесса расширения на величину фазового угла  φ1 (рис. 3, кривая а, 2). Это, а также некоторое увеличение Pmax, и обеспечивают  ненулевое значение среднего индикаторного давления. В функции объема цилиндра индикаторная диаграмма при наличии топливоподачи приобретает форму эллипса (рис. 3, б),  вырождающегося в прямую линию при отключении топливоподачи.  Обработка диаграмм,  в том числе представленной на рис. 1, показывает, что  в современных конструкциях судовых дизелей на нагрузках, близких к номинальным, фазовый сдвиг первой гармоники находится в диапазоне φ1=12…14  0ПКВ.

     

    Преимущества, новизна предложенных эталонных циклов

    Представленные на рис. 2 и рис. 3  диаграммы в виде двух или одной гармоник могут использоваться в качестве  эталонных циклов дизеля, являясь альтернативой традиционным эталонам. Они обеспечивают наименьшее возможное значение максимального давления в цикле при заданном среднем индикаторном давлении, более низкие максимальные температуры цикла и, как следствие, снижение вредных выбросов (оксидов азота и др.),  более благоприятные условия работы подшипников. Если цикл состоит только из  первой гармоники, давление в цилиндре дизеля изменяется плавно, по синусоиде, как  в цикле Стирлинга [2]. Это косвенно указывает на определенную  общность процессов получения рmiв ДВС и в двигателе Стирлинга.

    Тенденция  к применению более сглаженной формы индикаторной диаграммы подтверждается практикой современного судового дизелестроения [7]. В качестве примера  на рис. 4 показана индикаторная диаграмма  судового малооборотного дизеля с электронным управлением типа 6SMEC фирмы MANB&W. на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота. Ее спектральный анализ  (рис. 5) показывает существенное снижение доли высших гармоник и на этом фоне усиление первых двух гармоник.

     

     

    Рис. 4. Индикаторная диаграмма МОД типа 6SMEC  на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота,  частота вращения 91 об/мин.

     

     

    Рис. 5 Спектральный состав диаграммы традиционного вида (кривая 1) и диаграммы, представленной на рис. 4 (кривая 2)

     

    Заключение

    Практическая  реализация предложенных эталонных циклов в виде одной или двух гармоник, безусловно, будет сопровождаться теми или иными отклонениями от желаемой формы. Важно однако отметить, что в настоящее время их реализация  принципиально возможна, в связи  с появлением нового поколения судовых дизелей — с электронным управлением. В таких двигателях электронными средствами реализуется управление подачей топлива в цилиндры, выпускными клапанами и др.  При этом возможно оперативное и гибкое формирование не только желаемого закона топливоподачи, но и процесса горения топлива, фаз газораспределения, а в конечном итоге – формы индикаторной диаграммы, как это иллюстрирует рис. 4.  Наибольшие возможности для этого имеются в мощных судовых МОД, где процессы протекают сравнительно медленно.

     

    Список литературы

     

    1. Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983.- 372 с.

    2. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: пер. с англ.- М.: Мир, 1986.- 464 с.

    3.Танатар Д.Б. Судовые дизели. Теория рабочего процесса.- Л.: Морской транспорт, 1962.- 306 с.

    4. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления на основе гармонического анализа индикаторной диаграммы дизеля // Двигателестроение.- 2004.-№ 1. — С. 17-19.

    5. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления по параметрам гармоник развернутой индикаторной диаграммы дизеля // Сборник научных трудов НГМА.- Новороссийск: НГМА, 2005.- Вып.10.- С. 179-183.

    6. Самойленко А.Ю., Шостак Н.А. Максимальное давление индикаторной диаграммы, представленной суммой гармоник // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки.- 2008.- Спец. выпуск.- С. 64-67.

    7. Конкс Г.А., Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: учеб. пособие.- М.: Машиностроение, 2005.- 512 с.

    Принцип работы поршневого двигателя

    / рабочие циклы

    Соотношения между давлением, объемом и температурой газов являются основными принципами работы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. Бензин испаряется и смешивается с воздухом, нагнетается или втягивается в цилиндр, сжимается поршнем, а затем воспламеняется электрической искрой. Преобразование полученной тепловой энергии в механическую, а затем в работу осуществляется в цилиндре.На рис. 1-35 показаны различные компоненты двигателя, необходимые для выполнения этого преобразования, а также представлены основные термины, используемые для обозначения работы двигателя.

    Рисунок 1-35. Компоненты и терминология работы двигателя.

    Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания включает в себя серию событий, необходимых для индукции, сжатия, воспламенения и горения, вызывающих расширение заряда топлива / воздуха в цилиндре и удаления или выпуска побочных продуктов процесса сгорания.Когда сжатая смесь воспламеняется, образующиеся при сгорании газы расширяются очень быстро и заставляют поршень отодвигаться от головки блока цилиндров. Это движение поршня вниз, воздействующее на коленчатый вал через шатун, преобразуется коленчатым валом в круговое или вращательное движение. Клапан в верхней части или в головке цилиндра открывается, чтобы позволить сгоревшим газам уйти, а импульс коленчатого вала и гребного винта заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он готов к следующему событию в цикле.Затем открывается другой клапан в головке блока цилиндров, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Клапан, позволяющий отводить горящие выхлопные газы, называется выпускным клапаном, а клапан, который впускает свежий заряд топливно-воздушной смеси, называется впускным клапаном. Эти клапаны открываются и закрываются механически в нужное время с помощью механизма управления клапанами.

    Отверстие цилиндра — это его внутренний диаметр. Ход — это расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца цилиндра к другому, в частности, от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) или наоборот.[Рис. 1-35]

    Соотношения между давлением, объемом и температурой газов являются основными принципами работы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. Бензин испаряется и смешивается с воздухом, нагнетается или втягивается в цилиндр, сжимается поршнем, а затем воспламеняется электрической искрой. Преобразование полученной тепловой энергии в механическую, а затем в работу осуществляется в цилиндре. На рис. 1-35 показаны различные компоненты двигателя, необходимые для выполнения этого преобразования, а также представлены основные термины, используемые для обозначения работы двигателя.

    Рисунок 1-35. Компоненты и терминология работы двигателя.

    Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания включает в себя серию событий, необходимых для индукции, сжатия, воспламенения и горения, вызывающих расширение заряда топлива / воздуха в цилиндре и удаления или выпуска побочных продуктов процесса сгорания. Когда сжатая смесь воспламеняется, образующиеся при сгорании газы расширяются очень быстро и заставляют поршень отодвигаться от головки блока цилиндров. Это движение поршня вниз, воздействующее на коленчатый вал через шатун, преобразуется коленчатым валом в круговое или вращательное движение.Клапан в верхней части или в головке цилиндра открывается, чтобы позволить сгоревшим газам уйти, а импульс коленчатого вала и гребного винта заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он готов к следующему событию в цикле. Затем открывается другой клапан в головке блока цилиндров, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Клапан, позволяющий отводить горящие выхлопные газы, называется выпускным клапаном, а клапан, который впускает свежий заряд топливно-воздушной смеси, называется впускным клапаном.Эти клапаны открываются и закрываются механически в нужное время с помощью механизма управления клапанами.

    Отверстие цилиндра — это его внутренний диаметр. Ход — это расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца цилиндра к другому, в частности, от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) или наоборот. [Рис. 1-35]

    Многие факторы влияют на синхронизацию конкретного двигателя, и очень важно, чтобы рекомендации производителя двигателя в этом отношении выполнялись при техническом обслуживании и капитальном ремонте.Время срабатывания клапана и зажигания всегда указывается в градусах хода коленчатого вала. Следует помнить, что для полного открытия клапана требуется определенный ход коленчатого вала; следовательно, указанное время соответствует началу открытия, а не полностью открытому положению клапана. Примерную диаграмму фаз газораспределения можно увидеть на Рисунке 1-37.

    Рисунок 1-37. Временная диаграмма клапана.

    Ход впуска

    Во время такта впуска поршень в цилиндре тянется вниз за счет вращения коленчатого вала.Это снижает давление в цилиндре и заставляет воздух под атмосферным давлением проходить через карбюратор, который дозирует правильное количество топлива. Топливно-воздушная смесь проходит через впускные трубы и впускные клапаны в цилиндры. Количество или вес заправки топливом / воздухом зависит от степени открытия дроссельной заслонки.

    Впускной клапан открывается значительно раньше, чем поршень достигает ВМТ на такте выпуска, чтобы вызвать большее количество топлива / воздуха в цилиндр и, таким образом, увеличить мощность в лошадиных силах.Однако расстояние, на которое клапан может быть открыт до ВМТ, ограничено несколькими факторами, такими как возможность того, что горячие газы, оставшиеся в цилиндре от предыдущего цикла, могут вернуться во впускную трубу и систему впуска.

    Во всех авиационных двигателях большой мощности впускные и выпускные клапаны находятся вне седел клапанов в ВМТ в начале такта впуска. Как упоминалось выше, впускной клапан открывается перед ВМТ на такте выпуска (ход клапана), а закрытие выпускного клапана значительно задерживается после того, как поршень прошел ВМТ и начал такт впуска (запаздывание клапана).Эта синхронизация называется перекрытием клапанов и предназначена для помощи в охлаждении цилиндра изнутри за счет циркуляции холодной поступающей топливно-воздушной смеси, для увеличения количества топливно-воздушной смеси, вводимой в цилиндр, и для помощи в удалении побочных продуктов сгорания. из цилиндра.

    Впускной клапан закрывается примерно на 50–75 ° после НМТ на такте сжатия, в зависимости от конкретного двигателя, чтобы позволить импульсу поступающих газов более полно заряжать цилиндр.Из-за сравнительно большого объема цилиндра над поршнем, когда поршень находится рядом с НМТ, небольшое перемещение поршня вверх в это время не оказывает большого влияния на набегающий поток газов. Это позднее время может зайти слишком далеко, потому что газы могут быть вытеснены обратно через впускной клапан и нарушить цель позднего закрытия.

    Ход сжатия

    После закрытия впускного клапана продолжающееся движение вверх поршня сжимает топливно-воздушную смесь для получения желаемых характеристик горения и расширения.Заряд запускается с помощью электрической искры при приближении поршня к ВМТ. Время зажигания варьируется от 20 ° до 35 ° до ВМТ, в зависимости от требований конкретного двигателя, чтобы обеспечить полное сгорание заряда к тому времени, когда поршень немного пройдет мимо положения ВМТ. Многие факторы влияют на угол опережения зажигания, и производитель двигателя потратил много времени на исследования и испытания, чтобы определить наилучшую настройку. Все двигатели имеют устройства для регулировки угла опережения зажигания, и очень важно, чтобы система зажигания была синхронизирована в соответствии с рекомендациями производителя двигателя.

    Рабочий ход

    По мере того, как поршень движется через положение ВМТ в конце такта сжатия и начинает опускаться на рабочем такте, он толкается вниз за счет быстрого расширения горящих газов в головке блока цилиндров с силой. которая может превышать 15 тонн (30 000 фунтов на кв. дюйм) при максимальной выходной мощности двигателя. Температура этих горящих газов может составлять от 3000 до 4000 ° F. Поскольку поршень прижимается вниз во время рабочего хода под давлением горящих газов, оказываемых на него, движение шатуна вниз изменяется на вращательное движение коленчатого вала.Затем вращательное движение передается на карданный вал, приводящий в движение воздушный винт. Когда горящие газы расширяются, температура падает до безопасных пределов, прежде чем выхлопные газы выйдут через выхлопное отверстие.

    Время открытия выпускного клапана определяется, среди прочего, желательностью использования как можно большей расширяющей силы и как можно более полной и быстрой продувки цилиндра. Клапан открывается значительно перед НМТ на рабочем ходе (на некоторых двигателях при 50 ° и 75 ° перед НМТ), в то время как в цилиндре все еще сохраняется некоторое давление.Это время используется для того, чтобы давление могло как можно скорее вытеснить газы из выпускного отверстия. Этот процесс освобождает цилиндр от отработанного тепла после достижения желаемого расширения и позволяет избежать перегрева цилиндра и поршня. Тщательная продувка очень важна, потому что любые продукты выхлопа, остающиеся в цилиндре, разбавляют поступающий заряд топлива / воздуха в начале следующего цикла.

    Ход выхлопа

    По мере того, как поршень проходит через НМТ при завершении рабочего такта и начинает движение вверх на такте выпуска, он начинает выталкивать сгоревшие выхлопные газы из выпускного отверстия.Скорость выхлопных газов, выходящих из цилиндра, создает в цилиндре низкое давление. Это низкое или пониженное давление ускоряет поток свежего топлива / воздуха в цилиндр, когда впускной клапан начинает открываться. Открытие впускного клапана должно происходить под углом от 8 ° до 55 ° до ВМТ на такте выпуска на различных двигателях.

    Двухтактный цикл

    Двухтактный двигатель снова используется в сверхлегких, легких спортивных и многих экспериментальных самолетах. Как следует из названия, двухтактным двигателям требуется только один ход поршня вверх и один ход вниз, чтобы завершить требуемую серию событий в цилиндре.Таким образом, двигатель завершает рабочий цикл за один оборот коленчатого вала. Функции впуска и выпуска выполняются во время одного хода. Эти двигатели могут иметь воздушное или водяное охлаждение и обычно требуют наличия корпуса редуктора между двигателем и гребным винтом.

    Цикл вращения

    Цикл вращения имеет трехсторонний ротор, который вращается внутри эллиптического корпуса, совершая три из четырех циклов за каждый оборот. Эти двигатели могут быть однороторными или многороторными с воздушным или водяным охлаждением.Они используются в основном с экспериментальными и легкими самолетами. Вибрационные характеристики также очень низкие для этого типа двигателя.

    Дизельный цикл

    Дизельный цикл зависит от высокого давления сжатия, обеспечивающего воспламенение топливно-воздушного заряда в цилиндре. Когда воздух втягивается в цилиндр, он сжимается поршнем, и при максимальном давлении в цилиндр распыляется топливо. В этот момент из-за высокого давления и температуры в цилиндре топливо сгорает, увеличивая внутреннее давление в цилиндре.Это опускает поршень, поворачивая или приводя в движение коленчатый вал. В двигателях с водяным и воздушным охлаждением, которые могут работать на топливе JETA (керосин), используется вариант дизельного цикла. Существует много типов дизельных циклов, включая двухтактные и четырехтактные.

    Термодинамический анализ цикла Отто

    Термодинамика это раздел физики, имеющий дело с энергией и работа системы. Он родился в 19 веке как ученые. впервые открыли, как строить и эксплуатировать паровые двигатели.Термодинамика имеет дело только с крупномасштабный ответ системы которые мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Как аэродинамики, нас больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также высокоскоростные потоки. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный внутреннее сгорание двигатель. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов приводится в действие двигателями внутреннего сгорания (IC) , как и двигатель в вашем семейном автомобиле.

    Работа двигателя состоит из двух основных частей: механическая операция принадлежащий части двигателя, и термодинамика через который двигатель производит Работа а также власть.На этой странице мы обсуждаем основные термодинамические уравнения, которые позволяют для проектирования и прогнозирования характеристик двигателя.

    В двигателе внутреннего сгорания топливо и воздух воспламеняется внутри цилиндра. Горячий выхлоп толкает поршень, который соединен к коленчатый вал производить мощность. Сжигание топлива не является непрерывным процессом, но происходит очень быстро через равные промежутки времени. Между возгоранием детали двигателя двигаться в повторяющейся последовательности, называемой циклом . Двигатель называется четырехтактным, потому что в нем четыре движения, или удары поршня за один цикл.

    На рисунке мы показываем сюжет давление против газа объем на протяжении одного цикла. Мы разорвали цикл на шесть пронумерованные этапы на основе механической операции двигателя. Для идеального четырехтактного двигателя впускной ход (1-2) а также ход выпуска (6-1) делаются при постоянном давлении и не способствуют генерации мощности двигателем. В течение ход сжатия (2-3), работа производится на газе поршнем. Если предположить, что тепло не поступает газа во время сжатия, мы знаем связи между изменением объема и изменением давления и температуры из наших решений уравнение энтропии для газа.(гамма — 1)

    где p — давление, T — температура, а гамма это соотношение удельные плавки. В течение процесс горения (3-4), объем поддерживается постоянным и выделяется тепло. Изменение температуры составляет дано

    T4 = T3 + f * Q / cv

    где Q — количество тепла, выделяемое на фунт топлива, которое зависит от топлива, f — соотношение топливо / воздух для сгорания, которое зависит от нескольких факторов. связанные с конструкцией и температурой в камере сгорания, и cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме.(1 — гамма)

    Между этапом 5 и этапом 6 остаточное тепло переведен к окружающей среде так что температура и давление возвращаются к начальным условиям 1 этап (или 2).

    Во время цикла Работа осуществляется на газе поршнем между ступенями 2 и 3. Работа выполняется газ на поршне между ступенями 4 и 5. Разница между работой, проделанной на газ и работа, проделанная с газом, показаны желтым цветом и являются произведенной работой. по циклу. Мы можем рассчитать работу, определив прилегающую площадь по циклу на p-V диаграмме.Но поскольку процессы 2-3 и 4-5 кривые, это сложно. расчет. Также мы можем оценить работу W по разнице тепла в газ. минус тепло, отводимое газом. Зная температуры, это более простой расчет.

    W = cv * [(T4 — T3) — (T5 — T2)]

    Время работы, умноженное на скорость цикла (циклов в секунду cps ), равно в мощность P производится двигателем.

    P = W * cps

    На этой странице у нас есть показан цикл Отто , идеальный , в котором нет поступления тепла (или уходящий) газ при сжатии и силовых тактах, трения нет потери и мгновенное горение, происходящее при постоянном объеме.В реальности, идеального цикла не происходит, и есть много потерь, связанных с каждый процесс. Эти потери обычно учитываются коэффициентами эффективности. которые умножают и видоизменяют идеальный результат. Для реального цикла форма диаграммы p-V аналогичен идеальному, но площадь (работа) равна всегда меньше идеального значения.



    Деятельность:

    Экскурсии с гидом

    Навигация ..


    Руководство для начинающих Домашняя страница

    Рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания






    Поршневой двигатель известен как тепловой двигатель внутреннего сгорания.Двигатели внутреннего сгорания можно описать как любую группу устройств, в которых реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания служат рабочими жидкостями двигателя. Концепция поршневого двигателя заключается в том, что подача топливовоздушной смеси подается внутрь цилиндра, где она сжимается, а затем сгорает. Это внутреннее сгорание высвобождает тепловую энергию, которая затем преобразуется в полезную механическую работу, поскольку создаваемое высокое давление газа вынуждает поршень двигаться вдоль своего хода в цилиндре..
    Чтобы использовать движение поршня, движущая сила на поршне передается через шатун на коленчатый вал, функция которого состоит в преобразовании линейного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала (см. Рис. 1). Таким образом, можно заставить поршень повторять свое движение вперед и назад из-за ограничений круговой траектории шатунной шейки коленчатого вала и направляющего цилиндра.
    Смещение поршня назад и вперед обычно называют возвратно-поступательным движением поршня, поэтому эти силовые агрегаты также известны как поршневые двигатели.
    Объем цилиндра двигателя определяется как общий рабочий объем цилиндра. Таким образом, объем цилиндра двигателя равен объему поршня каждого цилиндра, умноженному на количество цилиндров,
    где = объем цилиндра двигателя, V = рабочий объем поршня
    n = количество цилиндров.

    Поршневой двигатель известен как тепловой двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания можно описать как любую группу устройств, в которых реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания служат рабочими жидкостями двигателя.Концепция поршневого двигателя заключается в том, что подача топливовоздушной смеси подается внутрь цилиндра, где она сжимается, а затем сгорает. Это внутреннее сгорание высвобождает тепловую энергию, которая затем преобразуется в полезную механическую работу, поскольку создаваемое высокое давление газа вынуждает поршень двигаться вдоль своего хода в цилиндре.
    Чтобы использовать движение поршня, движущая сила на поршне передается через шатун на коленчатый вал, функция которого состоит в преобразовании линейного движения поршня в цилиндре во вращательное движение коленчатого вала (см. Рис. 1).Таким образом, можно заставить поршень повторять свое движение вперед и назад из-за ограничений круговой траектории шатунной шейки коленчатого вала и направляющего цилиндра.
    Смещение поршня назад и вперед обычно называют возвратно-поступательным движением поршня, поэтому эти силовые агрегаты также известны как поршневые двигатели.
    Объем цилиндра двигателя определяется как общий рабочий объем цилиндра. Таким образом, объем цилиндра двигателя равен объему поршня каждого цилиндра, умноженному на количество цилиндров,
    где = объем цилиндра двигателя, V = рабочий объем поршня
    n = количество цилиндров.

    Поршневые кольца: Это круглые кольца, которые закрывают зазоры между поршнем и цилиндром, их цель — предотвратить утечку газа и контролировать количество смазки, которое может достигать верхней части цилиндра.
    Gudgeon -pin: Этот палец передает усилие от поршня к узкому концу шатуна, позволяя штоку качаться вперед и назад при вращении коленчатого вала.
    Соединительная тяга: Действует как распорка и как тяга.Он передает действующие на поршень линейные импульсы давления на шейку шатуна коленчатого вала, где они преобразуются в крутящее усилие.
    Коленчатый вал: Простой коленчатый вал состоит из вала с круглым сечением, который изогнут или изогнут, образуя два перпендикулярных шатуна и смещенную шейку шатуна. Отогнутая часть вала обеспечивает основные шейки. Коленчатый вал косвенно связан шатуном с поршнем — это позволяет преобразовать прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала вокруг оси главной шейки.
    Шапки коленчатого вала: Это цилиндрические штифты с высокой степенью обработки, обработанные параллельно как по центральным осям, так и по смещенным осям коленчатого вала. В собранном состоянии эти шейки вращаются в подшипниках скольжения втулочного типа, установленных в картере (главные шейки) и на одном конце шатуна (шейка шатуна).
    Узкий конец: Это относится к шарнирному соединению, выполненному поршневым пальцем между поршнем и шатуном, так что шатун может свободно колебаться относительно оси цилиндра при его перемещении взад и вперед в цилиндре. .

    Шатун: Это относится к соединению между шатуном и шейкой шатуна коленчатого вала, которое обеспечивает относительное угловое перемещение между двумя компонентами при вращении двигателя.
    Основные концы: Это относится к парам трения, образованным между коренными шейками коленчатого вала и соответствующими подшипниками скольжения, установленными в картере.
    Линия хода: Центральная траектория, по которой поршень вынужден следовать из-за ограничений цилиндра, известна как линия хода.
    Внутренняя и внешняя мертвые точки: Когда кривошип и шатун выровнены по линии хода, поршень будет находиться в одном из двух крайних положений. Если поршень находится в наиболее близком к головке цилиндра положении, кривошип и поршень считаются находящимися во внутренней мертвой точке (IDC) или верхней мертвой точке (TDC). Когда поршень находится в самом дальнем от головки цилиндра положении, кривошип и поршень находятся во внешней мертвой точке (ODC) или нижней мертвой точке (BDC).Эти контрольные точки имеют большое значение для синхронизации между клапанами и коленчатым валом, а также для настроек зажигания или впрыска.
    Зазорный объем: Пространство между головкой блока цилиндров и днищем поршня в ВМТ называется зазором или пространством камеры сгорания.

    Ход кривошипа: Расстояние от центра главной шейки коленчатого вала до центра шейки шатуна называется ходом коленвала. Эта радиальная длина влияет на рычаг, который давление газа, действующее на поршень, может оказывать при вращении коленчатого вала.
    Ход поршня: Перемещение поршня от внутренней мертвой точки к внешней называется ходом поршня и соответствует вращению коленчатого вала на половину оборота или 180 °. Он также равен удвоенному ходу кривошипа.
    т.е. L = 2R
    где L = ход поршня
    и R = ход кривошипа
    Таким образом, длинный или короткий ход позволит приложить к коленчатому валу соответственно большое или малое вращающее усилие.
    Диаметр цилиндра: Блок цилиндров изначально отлит с песчаными стержнями, занимающими пространства цилиндров.После удаления песчаных кернов грубые отверстия обрабатываются однонаправленным режущим инструментом, прикрепленным радиально к концу вращающегося стержня. Удаление нежелательного металла в отверстии обычно называют расточкой цилиндра до нужного размера. Таким образом, готовое цилиндрическое отверстие называется отверстием цилиндра, а его внутренний диаметр — просто размером отверстия.

    Четырехтактный двигатель с искровым зажиганием (бензин)
    Бензиновые двигатели используют легковоспламеняющуюся смесь воздуха и бензина, которая воспламеняется от синхронизированной искры при сжатии заряда.Поэтому эти двигатели иногда называют двигателями с искровым зажиганием (S.I.). Эти двигатели требуют четырех тактов поршня для завершения одного цикла: такта впуска воздуха и топлива, движущегося наружу от головки блока цилиндров, движения внутрь к головке блока цилиндров, сжимающей заряд, такта мощности наружу и такта выхлопа внутрь.
    Ход индукции
    Впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. Поршень опускается, удаляясь от ГБЦ. Скорость поршня, движущегося по цилиндру, вызывает снижение или разрежение давления, которое достигает максимального значения около 0.Давление на 3 бара ниже атмосферного на одной трети от начала хода. Депрессия вызывает (всасывает) свежий заряд воздуха и распыленный бензин в пропорциях от 10 до 17 частей воздуха на одну часть бензина по весу.
    Ход сжатия
    И впускной, и выпускной клапаны закрыты. Поршень начинает подниматься к головке блока цилиндров. Индуцированный воздушно-бензиновый заряд постепенно сжимается до примерно от 1/8 до 1/10 первоначального объема цилиндра в самом внутреннем положении поршня.Это сжатие сжимает воздух и молекулы распыленного бензина ближе друг к другу и не только увеличивает давление наддува в цилиндре, но и повышает температуру.

    Рабочий ход
    Как впускной, так и выпускной клапаны закрыты, и непосредственно перед тем, как поршень приближается к верхней точке своего хода во время сжатия, свеча зажигания воспламеняет плотный горючий заряд. К тому времени, когда поршень достигает самой внутренней точки своего хода, зарядовая смесь начинает гореть, выделяет тепло и быстро повышает давление в цилиндре до тех пор, пока силы газа не превысят сопротивляющуюся нагрузку.Затем горящие газы расширяются и, таким образом, изменяют направление движения поршня и толкают его в крайнее крайнее положение. Затем давление в цилиндре падает с пикового значения примерно 60 бар при полной нагрузке до примерно 4 бар вблизи крайнего движения поршня.

    Ход выпуска
    В конце рабочего хода впускной клапан остается закрытым, а выпускной — открытым. Поршень меняет направление движения и теперь перемещается из крайнего крайнего положения в крайнее внутреннее.Большая часть сгоревших газов будет вытеснена существующей энергией давления газа, но возвращающийся поршень вытолкнет последние отработавшие газы из цилиндра через порт выпускного клапана в атмосферу.

    Рабочий объем: объем, смещаемый при перемещении поршня из ВМТ в НМТ, т. Е.
    Среднее эффективное давление: это среднее давление внутри цилиндра на протяжении всего рабочего хода.
    Крутящий момент двигателя: это вращающее усилие вокруг оси вращения коленчатого вала, равное произведению силы, действующей вдоль шатуна, на перпендикулярное расстояние между этой силой и центром вращения коленчатого вала, т.е.е.
    Мощность двигателя: это скорость выполнения работы, которая может быть рассчитана на основе «указанной мощности» (i.p), то есть мощности, фактически развиваемой в цилиндре, или на основе тормозной мощности, измеренной на коленчатом валу. Тормозная мощность всегда меньше указанной мощности из-за потерь на трение и накачку в цилиндре, т.е.



    Рабочий объем цилиндра двигателя: это сравнительный размер общего рабочего объема цилиндра, равный объему поршня каждого цилиндра, умноженному на рабочий объем.т.е.

    Площадь поперечного сечения днища поршня влияет на силу, действующую на шатун, поскольку произведение площади поршня и среднего эффективного давления в цилиндре равно общему усилию поршня, т. Е.

    Длина хода поршня влияет как на вращающее усилие, так и на угловую скорость коленчатого вала. Это связано с тем, что длина хода коленчатого вала определяет рычаг на коленчатом валу, а скорость поршня, деленная на удвоенный ход, равна скорости вращения коленчатого вала, т.е.е.

    Степень сжатия: это отношение максимального объема цилиндра, когда поршень находится в крайнем крайнем положении, к тому, когда поршень находится в крайнем внутреннем положении, то есть


    Тепловые двигатели обычно классифицируются по тепловым циклам, участвующим в процессе преобразования энергии, разница между которыми заключается в способе подачи и отвода тепла от рабочего тела в начале и в конце цикла. Все термические циклы включают в себя четыре стадии сжатия воздуха для повышения температуры и давления / объема, расширение воздуха для выполнения работы и снижение температуры / давления и, наконец, отказ от любого излишка тепла для возврата воздуха в исходное состояние. цикла.
    На рис. 7, созданном Полаком, показаны четыре общих термических цикла, которые слева: Отто или постоянный объем, постоянное давление, дизельное топливо и смешанный. В четырехтактном, конечно, два оборота двигателя на цикл, и типичный график зависимости давления от времени показан на рис. 8 (левый вид), в то время как правый вид показывает тот же цикл на основе хода поршня, чтобы дать знакомая индикаторная диаграмма или рабочий график, связывающий давление и объем. Произведенная чистая работа — это разница между площадями верхней и нижней частей контуров, нижняя часть представляет собой насосную работу при заполнении двигателя воздухом, который может быть эффективно удален за счет наддува.В типичном двухтактном двигателе насосная работа в большинстве случаев выполняется нижней стороной поршня для создания давления в картере для продувки.

    Реальные диаграммы индикаторов отличаются от теоретических идеалов, а острые углы становятся изогнутыми. На графике для тихоходного лабораторного двигателя на рис. 9 фактическая диаграмма (полная линия) сравнивается с идеальной (цепная линия). Построив график в логарифмическом масштабе, можно легко измерить показатели коэффициентов сжатия и расширения.Вместо идеализированного адиабатического расширения, для которого в данном примере r = 1,38, что отражает как эффекты потери тепла, так и тот факт, что воздух не является идеальным газом с термодинамической точки зрения.
    Также можно отметить нагрев начальной воздушно-топливной смеси остаточными продуктами сгорания. Чем выше степень сжатия, тем меньше остается объем таких продуктов выхлопа, и любые другие средства удаления этих продуктов выхлопа улучшают характеристики двигателя
    Средняя высота индикаторной диаграммы — это площадь, разделенная на ее ширину, и соответствует среднему эффективному давлению P двигателя на протяжении цикла сгорания, и ее использование устраняет необходимость обращаться к индикаторной диаграмме в последующих расчетах.Указанная мощность может быть выражена как ПЛАН, где A — площадь поршня, L — ход и скорость N; Среднее эффективное давление в тормозной системе получается путем умножения на механический КПД

    Во время цикла Отто, рис.10, если температуры в точках a, b, c и d равны

    можно показать, что КПД равен:

    На ранней стадии проектирования двигателя для конкретного транспортного средства необходимо установить требуемую форму характеристики крутящий момент / скорость, определяемую такими факторами, как фазы газораспределения, размеры портов и клапанов, впускной и выпускной коллекторы и топливная система.На рис. 11 показаны относительные характеристики различных конструкций двигателей, основанные на новаторской работе Ricardo Plc по детонации. Кривая показывает, что разработчик может выбрать 2: 1 диапазон максимального крутящего момента-bmep и 4: 1 максимальных мощностей.

    Прямая нагрузка на поршень из-за давления газа может быть рассчитана по индикаторной диаграмме, предпочтительно с использованием логарифмической шкалы. Вертикальная нагрузка на шатун (давление газа, умноженное на площадь поршня) может быть затем сведена в таблицу для полного цикла сгорания на основании картера.Газовая нагрузка изменяется за счет инерционной нагрузки на возвратно-поступательные части. Инерция снижает максимальное сжимающее напряжение во время сгорания, но вызывает растягивающее напряжение в конце такта выпуска. Сила инерции может быть приблизительно равна:

    Наряду с алгебраической суммой газовой и инерционной нагрузок на поршень, нагрузка на конец шатуна
    Также увеличивается на компонент силы из-за его угловатости, рис. 12, который также создает боковое давление поршня на стенку цилиндра.Сила Q является максимальной при 90 ° и в целом равна:


    Из-за частичного вращательного движения шатуна на него также действует значительная инерционная изгибающая сила на высокой скорости, приблизительно равная:

    Совокупный эффект этих сил заключается в создании модели колеблющихся напряжений, как показано на рис. 13 для тихоходного лабораторного двигателя. Их важность также проявляется в сложных процедурах балансировки, необходимых для ограничения движения двигателя на его опорах и улучшения качества автомобиля.
    Поскольку поршневой двигатель представляет собой высокоразвитый механизм, всегда имеет смысл обращаться к истории проектирования и разработки решений, поскольку часто возникает определенное удивление по поводу того, сколько «новых» решений было опробовано ранее.

    Потребность в более чем одном цилиндре: для увеличения мощности и крутящего момента, создаваемых двигателем, необходимо увеличить объем цилиндра, но увеличение размера одноцилиндрового двигателя до вдвое большего размера потребует многих трудностей. При сравнении двух одноцилиндровых двигателей, у одного из которых диаметр цилиндра и ход поршня в два раза больше, чем у другого: объем цилиндра равен произведению площади головки или днища поршня и его хода;
    Площадь головки поршня; поэтому удвоение диаметра увеличит площадь в четыре раза.Кроме того, удвоение объема цилиндра пропорционально ходу поршня, поэтому увеличение хода поршня в два раза увеличивает его объем в два раза. Таким образом, в конечном итоге объем цилиндров увеличится в восемь раз. При одинаковом среднем эффективном давлении газа в цилиндре в обоих двигателях тяга поршня будет увеличиваться пропорционально площади головки поршня, поэтому удвоение диаметра цилиндра увеличит тягу поршня в четыре раза. Для данной скорости поршня и среднего эффективного давления газа мощность двигателя будет увеличиваться пропорционально квадрату диаметра цилиндра, поэтому удвоение диаметра цилиндра увеличивает мощность в четыре раза.И наоборот, объем и, следовательно, масса компонентов, совершающих возвратно-поступательное движение, будут увеличиваться пропорционально кубу их размеров, поэтому удвоение размеров поршня увеличит массу в восемь раз, поэтому максимальная скорость должна быть уменьшена.
    При удвоении хода поршня для данной скорости коленчатого вала скорость поршня также будет удвоена; поэтому, чтобы поддерживать одинаковую скорость поршня для обоих двигателей, скорость коленчатого вала более крупного двигателя должна быть уменьшена вдвое.
    Наконец, крутящий момент пропорционален усилию поршня и длине хода кривошипа; поэтому удвоение диаметра поршня и хода увеличивает усилие поршня в четыре раза и удваивает рычаг поворота кривошипа, следовательно, крутящий момент увеличится в восемь раз.

    Разница между двигателями с искровым зажиганием и двигателями с воспламенением от сжатия (или бензиновыми и дизельными) заключается в способе подачи топлива в двигатель и его воспламенения. Такт сжатия сжимает только воздух, но не топливо. На такте зажигания (нет необходимости в искре, как в бензиновом двигателе) воздух сжимается до очень высокого давления, и это генерирует огромное тепло, которое затем воспламеняет топливо, которое впрыскивается в камеру сгорания в тот точный момент максимума. давление.Таким образом, дизельный двигатель имеет гораздо более высокую «степень сжатия», чем бензиновый двигатель (дизельные двигатели обычно 20 к 1, бензиновые двигатели обычно 9 к 1).
    Как и четырехтактный бензиновый двигатель, двигатель с воспламенением от сжатия выполняет один цикл событий за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня. Четыре фазы этих тактов: i) подача свежего воздуха, ii) сжатие и нагрев этого воздуха, iii) впрыск топлива, его сгорание и расширение, и iv) выброс продуктов сгорания.

    Ход впуска (Рис. 14a) При открытом впускном клапане и закрытом выпускном клапане поршень отходит от головки блока цилиндров. При движении наружу в цилиндре образуется депрессия, величина которой зависит от площадей поперечного сечения цилиндра и впускного отверстия, а также от скорости, с которой движется поршень. Разница давлений, устанавливаемая между внутренней и внешней частью цилиндра, заставляет воздух атмосферного давления входить в цилиндр и заполнять его.Максимальное разрежение, возможно, на 0,15 бар ниже атмосферного давления, будет происходить примерно на одной трети расстояния по ходу поршня наружу, в то время как общее среднее давление в цилиндре может составлять 0,1 бар или даже меньше.
    Такт сжатия (рис. 14b) При закрытых впускных и выпускных клапанах поршень движется к головке блока цилиндров. Воздух, заключенный в цилиндре, будет сжат в гораздо меньшее пространство от 1/12 до 1/24 от его первоначального объема. Типичное соотношение максимального и минимального объема наддува воздуха в цилиндре составляет 16: 1, но это во многом зависит от размера двигателя и расчетного диапазона скоростей.Во время такта сжатия объем нагнетаемого воздуха первоначально при атмосферном давлении и температуре уменьшается до тех пор, пока давление в цилиндре не поднимется до 30–50 бар. При сжатии воздуха выделяется тепло, которое увеличивает температуру заряда как минимум до 600 ° C при нормальных условиях работы.
    Рабочий ход (Рис. 14c) Когда впускной и выпускной клапаны закрыты, а поршень почти в конце такта сжатия, дизельное топливо впрыскивается в плотный и нагретый воздух в виде струи под высоким давлением мелких частиц, которые быстро испаряются. и воспламеняются, быстро превращаясь в энергию давления.Затем следует расширение, отталкиваясь от головки блока цилиндров, заставляя поршневой конец шатуна опускаться, обеспечивая вращательное движение коленчатого вала
    . Такт выпуска (Рис. 14d) Когда сжигание заряда почти завершено и поршень достиг крайнего крайнего положения, выпускной клапан открывается. Это внезапное открытие в конце рабочего такта выпускает еще горящие продукты сгорания в атмосферу. Энергия давления газов в этот момент ускорит их выход из цилиндра, и только ближе к концу обратного хода поршня он фактически догонит хвостовую часть выходящих газов.

    Экономия топлива: различные двигатели сравниваются по их тепловому КПД, который представляет собой отношение произведенной полезной работы к общей поставленной энергии. Бензиновые двигатели могут иметь тепловой КПД от 20 до 30%. Соответствующие дизельные двигатели обычно имеют повышенный КПД от 30 до 40%.
    Мощность и крутящий момент: новое поколение дизельных двигателей легковых автомобилей имеет конструктивные параметры, отличные от тех, которые использовались в прошлом для коммерческих автомобилей, и, как правило, не уступает по мощности аналогичным бензиновым двигателям.
    Надежность: из-за особого процесса сгорания дизельные двигатели построены более прочно, имеют тенденцию к более низкой температуре и имеют только половину диапазона скоростей большинства бензиновых двигателей. Факторы s делают дизельный двигатель более надежным и значительно продлевают срок его службы по сравнению с бензиновым двигателем.
    Загрязнение: дизельные двигатели имеют тенденцию становиться шумными и вибрировать на опорах при снижении рабочей нагрузки. В бензиновом двигателе сгорание происходит тише и плавнее, чем в дизельном.В бензиновом двигателе не используется шумное оборудование для впрыска, в отличие от дизельного двигателя. Продукты сгорания более заметны у дизельных двигателей. Сомнительно, что вреднее.
    Безопасность: в отличие от бензина, дизельное топливо невоспламеняется при нормальной рабочей температуре, поэтому с ним не возникает опасности при обращении, а риск возгорания из-за несчастных случаев сводится к минимуму.
    Стоимость: из-за тяжелой конструкции и оборудования для впрыска дизельные двигатели обычно дороже бензиновых, двигатели

    Ниже приведены основные факторы, которые необходимо учитывать при сравнении двигателей разной кубатуры и разного количества цилиндров:
    (a) Чем короче ход поршня, тем выше может быть частота вращения коленчатого вала для данной максимальной скорости поршня.
    (b) Чем меньше цилиндр, тем легче будет поршень пропорционально размеру цилиндра, так что ограничивающие силы инерции позволят использовать более высокие скорости поршня.
    (c) При одинаковом объеме цилиндров двигателя и максимальной скорости поршня многоцилиндровый двигатель будет производить больше мощности, чем одноцилиндровый.
    (d) Одноцилиндровый двигатель, имеющий такую ​​же площадь поршня, как сумма площадей поршней многоцилиндрового двигателя, будет развивать больший выходной крутящий момент.
    (e) Чем меньше цилиндр, тем больше будет его отношение площади поверхности к объему, поэтому допустимы более высокие степени сжатия из-за улучшенного охлаждения цилиндра с последующим улучшением теплового КПД двигателя.
    (f) Реакция на ускорение улучшается с увеличением количества цилиндров для данного общего объема. Это связано с более легкими возвратно-поступательными элементами и меньшей зависимостью от маховика, поэтому можно использовать маховик меньшего размера.
    (g) По мере увеличения длины цилиндров и двигателя крутильные колебания становятся проблемой
    (h) По мере увеличения количества цилиндров на преодоление торможения при вращении и возвратно-поступательном движении расходуется больше энергии.
    (i) По мере увеличения количества цилиндров распределение смеси для карбюраторных двигателей становится более трудным
    (j) По мере увеличения количества цилиндров стоимость дублирования компонентов становится все выше.
    (k) По мере увеличения количества цилиндров частота импульсов мощности также увеличивается, поэтому выходная мощность становится более постоянной

    0. Принцип работы поршневого двигателя

    | Авиационные системы

    Соотношения между давлением, объемом и температурой газов являются основными принципами работы двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую. Бензин испаряется и смешивается с воздухом, нагнетается или втягивается в цилиндр, сжимается поршнем, а затем воспламеняется электрической искрой.Преобразование полученной тепловой энергии в механическую, а затем в работу осуществляется в цилиндре. На рисунке показаны различные компоненты двигателя, необходимые для выполнения этого преобразования, а также представлены основные термины, используемые для обозначения работы двигателя.

    Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания включает в себя серию событий, необходимых для индукции, сжатия, воспламенения и горения, вызывающих расширение заряда топлива / воздуха в цилиндре и удаления или выпуска побочных продуктов процесса сгорания.Когда сжатая смесь воспламеняется, образующиеся при сгорании газы расширяются очень быстро и заставляют поршень отодвигаться от головки блока цилиндров. Это движение поршня вниз, воздействующее на коленчатый вал через шатун, преобразуется коленчатым валом в круговое или вращательное движение. Клапан в верхней части или в головке цилиндра открывается, чтобы позволить сгоревшим газам уйти, а импульс коленчатого вала и гребного винта заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он готов к следующему событию в цикле.
    Затем открывается другой клапан в головке блока цилиндров, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Клапан, позволяющий отводить горящие выхлопные газы, называется выпускным клапаном, а клапан, который впускает свежий заряд топливно-воздушной смеси, называется впускным клапаном. Эти клапаны открываются и закрываются механически в нужное время с помощью механизма управления клапанами.
    Рисунок 1. Компоненты и терминология работы двигателя

    Отверстие цилиндра — это его внутренний диаметр.Ход — это расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца цилиндра к другому, в частности, от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) или наоборот. [Рис. 1]


    СВЯЗАННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

    Типы двигателей
    Редуктор гребного винта и гребные валы
    Рабочие циклы
    Мощность поршневого двигателя
    Эффективность поршневого двигателя

    10

    Газ силовые циклы

    10.1 Циклы поршневого внутреннего сгорания двигатели

    Как видно из его имя, двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой тепло добавляется к рабочая среда за счет сгорания топлива внутри двигателя. В этих двигателях на На первом этапе рабочая среда — воздух или смесь воздуха и легко легковоспламеняющееся топливо, а на втором этапе продукты сгорания этого жидкое или газовое топливо (бензин, керосин, солярка и др.). В газовых двигателях рабочая среда не подвергается очень высоким давлениям и ее температура значительно выше критической температуры, что позволяет считать рабочую среды как идеального газа, что значительно упрощает термодинамические анализ цикла.

    Двигатели внутреннего сгорания обладают двумя важными преимуществами по сравнению с другими типами тепловых двигателей. Во-первых, поскольку высокотемпературный источник тепла, связанный с внутренним двигатель внутреннего сгорания, расположен как бы внутри самого двигателя, нет необходимости для больших поверхностей теплообмена, через которые передается тепло от высокотемпературный источник рабочего тела.Это преимущество позволяет компактно конструкции двигателей внутреннего сгорания по сравнению с ТЭЦ. В Второе преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в следующем. Для тепловые двигатели, в которых к рабочему телу добавляется тепло от внешнего высокотемпературный источник, максимальная температура цикла рабочего тела ограничивается температурой, допустимой для конструкционных материалов (например, повышение температуры пара, используемого в качестве рабочего тела в паротурбинных установок, ограничивается свойствами используемых марок стали изготовить детали парового котла и турбины; увеличение температура сопровождается снижением предела прочности материалы).Верхнее значение постоянно меняющейся температуры рабочая среда, к которой тепло подводится не через стенки внутреннего двигатель внутреннего сгорания, но за счет тепла, выделяемого в объеме рабочего тела сам по себе может значительно превышать этот предел. Также следует иметь в виду, что Стенки цилиндров и головка двигателя имеют положительное охлаждение, что позволяет значительное увеличение температурного диапазона цикла, и тем самым повышение его термического КПД.

    Двигатели внутреннего сгорания (поршневого типа) применяются в автомобилях, тракторах, малой самолеты и др.

    Основная составляющая любого возвратно-поступательный, или поршневой, двигатель — это цилиндр с соединенным поршнем потребителю внешних работ с помощью кривошипа. Цилиндр имеет два отверстия с клапанами, через один из которых рабочая среда (воздух или топливно-воздушная смесь) втягивается (нагнетается) в цилиндр, а через другой клапаном рабочее тело истощается по окончании цикла.

    Три основных цикла Различают двигатели внутреннего сгорания: цикл Отто (сгорание при В = const), дизельный цикл (сгорание при p = const) и Цикл Тринклера (сгорание сначала при V = const, а затем при p = const).

    Рассмотрим Otto цикл (назван в честь немецкого инженера Н. Отто, разработавшего этот цикл в 1876 ​​г.).

    Принципиальная схема двигатель, работающий по циклу Отто, и индикаторная диаграмма этого двигателя изображенный на рис.10.1.

    Фиг.10.1

    Поршень I возвратно-поступательный в цилиндре II с впускным ( III ) и выпускным (IV) клапанами. В процессе a-I поршень движется слева направо, внутри создается разрежение. цилиндра, открывается впускной клапан III а горючая смесь, приготовленная в специальном устройстве — карбюраторе, — впрыскивается в цилиндр.В цикле Отто топливная смесь состоит из воздуха. смешанный с определенным количеством испаренного бензина (или паром другого топливо). После того, как поршень достигнет крайнего правого положения и процесс заполнение цилиндра топливной смесью прекращается и впускной клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении, справа на левый. Во время этого хода поршня топливная смесь, заполняющая цилиндр, сжимается. и его давление повышается (процесс 1-2). После давления топлива смесь достигает определенной величины, соответствующей точке 2 на Диаграмма индикатора, зажигание топливной смеси осуществляется с помощью свечи зажигания В. С момента сгорания топливной смеси происходит мгновенно и поршень не успевает двигаться, процесс сгорания можно предположить, что они протекают изохорически. Горение сопровождается выделение тепла, затрачиваемого на нагрев рабочего тела, заполняющего цилиндр. Как в результате его давление повышается до величины, соответствующей точке 3 на индикаторная диаграмма.Это давление заставляет поршень снова двигаться слева вправо и выполнить работу по расширению, которая передается на внешний потребитель. После того, как поршень достигает правой мертвой точки (RDC), специальная устройство задействуется для открытия выпускного клапана IV и давление в баллоне снижается до значения, несколько превышающего атмосферное. давление (процесс 4-5), с выходом части газа из баллона. Затем поршень снова перемещается справа налево, выталкивая оставшуюся часть. отходов или выхлопных газов в атмосферу.

    Затем новый цикл инициирует при всасывании новой порции топливной смеси сжатие смесь и так далее.

    Таким образом, поршень внутреннего работа двигателя внутреннего сгорания по циклу Отто осуществляется в течение цикл четыре такта: впуск или впуск, сжатие, расширение при сгорание топливной смеси и выхлоп или выброс горения продукты в атмосферу.

    Удобно анализировать цикл Отто с термодинамической точки зрения, рассматривая идеальный цикл соответствует приведенной выше индикаторной диаграмме.Такой идеальный Отто цикл представлен на диаграмме p-v , показанной на рис. 10.2, построенном на единицу массы рабочего тела.

    Фиг.10.2

    Реальный цикл внутреннего двигатель внутреннего сгорания — открытого цикла, так как рабочее тело втягивается в двигатель снаружи и по завершении выбрасывается в атмосферу цикла.Таким образом, в каждом из них участвует новая порция рабочего тела. цикл. Поскольку количество топлива, содержащегося в топливной смеси и доставляется в цилиндр двигателя относительно мало по сравнению с количеством воздуха, чтобы облегчить анализ цикла двигателя внутреннего сгорания можно считать закрытым. Также будем предполагать, что рабочая среда цикл представляет собой воздух, количество которого в двигателе остается постоянным, и это тепло q 1 добавляется к рабочему среды от внешнего высокотемпературного источника изохорически через цилиндр (процессы 2-3) и, соответственно, тепло q 2 отклоняется из рабочая среда к низкотемпературному источнику по изохоре 4-1. От С точки зрения термодинамического анализа такой замкнутый цикл ничем не отличается из открытого цикла Отто.

    Поскольку в этом цикле процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) продолжаются в относительно короткие промежутки времени, заметного теплообмена с окружающей среде, и можно предположить, что эти процессы протекают адиабатически с хорошее приближение.

    Таким образом, идеальный закрытый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и два изохоры (изохора отвода тепла 2-3 и изохора отвода тепла 4-1). Отображается работа, выполняемая двигателем за цикл (выходная мощность цикла). по площади 2-3-4-1-2.

    Определим тепловой КПД цикла Отто.

    Количество тепла q 1 добавлено к рабочему телу в изохорный процесс 2-3 определяется по формуле. (7-6):

    (10,1)

    , где T 2 и T 3 — температуры рабочей среды до и после подвода тепла соответственно, а c v — средняя теплоемкость рабочего тела в рассматриваемом интервале температур (если предполагается, что рабочее тело идеальный газ с постоянной теплоемкостью, тогда c v — постоянная теплоемкость такого газа).

    Количество отклоненного тепла от рабочего тела в изохорном процессе 4-1 составляет

    (10,2)

    , где T 4 и T 1 — температуры рабочая среда до и после сброса тепла.

    Отсюда следует, что в в соответствии с общим определением

    тепловой КПД цикл Отто можно выразить следующим образом:

    (10.3)

    Если теплоемкость c v предполагается постоянной, выражение (10.3) принимает следующий вид:

    (10,4)

    Для идеального газа, проходящего адиабатический процесс соотношение определяется из соотношения (7.60a):

    Обозначим через ε отношение удельных объемов рабочего тела до и после сжатия:

    (10.5)

    Величина ε называется сжатием . соотношение.

    Принимая уравнение. (10.5) мы можем представить уравнение. (7.60a) в следующих форма:

    (10,6)

    Для адиабат 1-2 и 3-4 мы можем записать уравнение Пуассона:

    (10,7)

    и

    (10.8)

    Деление уравнения. (10.8) по (10.7) и учитывая, что v 2 = v 3 , а v 4 = v 1 получаем:

    (10,9)

    или

    (10,10)

    Если мы возьмем уравнения (10.6) и (10.10), уравнение. (10.4) для теплового КПД цикла Отто принимает вид:

    (10,11)

    Тепловой КПД цикл Отто показан на рис. 10.3 как функция степени сжатия. ε для k = 1,35.

    Фиг.10.3

    В соответствии с формулой. (10.11) тепловой КПД цикла Отто зависит только от степени сжатие рабочего тела в адиабатическом процессе 1-2; г. чем выше степень сжатия ε, тем выше термический КПД цикл.

    Вывод, что предварительное сжатие (предварительное сжатие) рабочего тела (газа) приводит к очень важен более высокий тепловой КПД двигателя, и это будет Как показано ниже, этот вывод справедлив для любого двигателя внутреннего сгорания.

    Говорящий циклов, реализуемых в двигателях внутреннего сгорания, следует отметить двигатель созданный французским изобретателем Ж. Э. Ленуар в 1859 г. В при этом топливо (осветительный газ) сжигалось в камере сгорания при атмосферное давление.Тепловой КПД этого двигателя был довольно низким. (3-4%).

    вывод, что предварительное сжатие воздуха позволит значительно увеличить тепловой КПД двигателя стал большим шагом вперед в развитии теории двигателей внутреннего сгорания. Интересно отметить, что идея о целесообразности сжатия воздуха перед подачей в Камера сгорания двигателя внутреннего сгорания впервые была предложена С.Карно еще в 1824 году. Конструкция двигателя, основанная на постоянном объеме сжатие и горение воздуха было впервые предложено А. Бо де Роша в 1862; позже Отто сконструировал двигатель, в котором был реализован этот цикл.

    Таким образом, с точки зрения выше термический КПД, степень сжатия целесообразно увеличивать в всячески возможны. Однако на практике оказывается невозможным работать. двигателей с очень высокой степенью сжатия ε, сопровождающейся увеличением температура и давление, в связи с тем, что при достижении определенного степень сжатия часто имеет место самовозгорание топливной смеси до того, как поршень перейдет в крайнее левое положение в цилиндре.Как Правило: этот процесс предполагает появление детонации или детонации, и разрушает компоненты двигателя. Таким образом, для обычных карбюраторных двигателей степень сжатия не превышает двенадцати. Степень сжатия зависит от качество сжигаемого топлива, повышающееся с улучшенными антидетонационными свойствами топлива характеризуется октановым числом.

    Тепло q 1 добавлено к рабочему среды в цикле Отто (см. диаграмму T-s , показанную на рис.10.4) является представлен на диаграмме T-s областью a-2-3-b-a, и тепло q 2 отклонено от рабочей среды площадью 1-2-3-4-1.

    Фиг.10,4

    Карбюраторные двигатели с приводом на цикле Отто широко используются на практике для питания легковых автомобилей, грузовиков, и самолеты с поршневыми двигателями.

    Степень сжатия ε можно повысить, если бы не топливная смесь, а только чистый воздух сжатый. Затем топливо впрыскивается в цилиндр двигателя после сжатие прекращено. Дизельный цикл (назван в честь немецкого инженера Р. Дизель) основан именно на этом принципе. Двигатель внутреннего сгорания работающий на этом цикле был построен Дизелем в 1897 году. Принципиальная схема двигателя, работающего по дизельному циклу, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рис.10.5. В процессе а-1 атмосферный воздух втягивается в цилиндр, и в процессе 1-2 этот воздух подвергается адиабатическое сжатие до давления p 2 (Дизельные двигатели обычно работают с степень сжатия ε от 15 до 16). Затем сжатый воздух начинает расширяться и одновременно заправляется (керосин или солярка) впрыскивается в цилиндр через специальный впрыск топлива клапан. Из-за высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется. и горит при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от v 2 до v 3 при p = const.Поэтому дизельный цикл называется сгоранием при постоянном давлении. цикл.

    Фиг.10,5

    После процесса заправки закачка прекращается (точка 3), далее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. В состоянии соответствует точке 4 выпускной клапан открывается, давление в цилиндре восстанавливается до атмосферного (по изохоре 4-5) , а затем газ выбрасывается из баллона в атмосферу (строка 5-б). Таким образом, Дизельный цикл — это четырехтактный цикл.

    Для облегчения анализа пусть мы заменим этот дизельный цикл термодинамически эквивалентным идеальным замкнутым цикл, реализованный на чистом воздухе. Диаграмма этого цикла p-v показана на Рис. 10.6. Как видно из этой диаграммы, идеальный дизельный цикл включает две адиабаты (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4), изобара 2-3 , по которой тепло q 1 передается от высокотемпературного источника, а изохора 4-1 , по которому тепло q 2 отклоняется к низкотемпературному источник или сток.

    Фиг.10,6

    Рассчитаем тепловую КПД этого цикла (при условии, как и прежде, что воздух, используемый в качестве рабочего среда в этом цикле — идеальный газ с постоянной теплоемкостью).

    Представляем еще один обозначения, степень предварительного расширения ρ:

    (10.12)

    Из общего выражения для, тепловой КПД любого цикла,

    с учетом факт, что в изохорическом процессе 4-1 [см. (10.2)]

    и в изобарическом процессе 2-3

    (10.13)

    получаем:

    (10,14)

    или, принимая уравнение. (7.55) во внимание,

    (10,15)

    Когда проходит идеальный газ изобарный процесс,

    (10,16)

    Для процессов 1-2 и 3-4 уравнения адиабаты дают:

    Допуск для v 4 = v 1 и p 2 = p 3 и деление уравнения.(10.8) по формуле. (10.7) получаем:

    (10,17)

    Замена в ур. (10.17) p 1 и p 4 на изохоре v 4 = v 1 , в соответствии с Clapeyron уравнение и с учетом уравнения. (10.12) получаем:

    (10,18)

    Подставляя уравнения.(10.16) и (10.18) в уравнении. (10.15) получаем следующие выражения для теплового КПД дизельного цикла:

    (10,19)

    Эта связь показывает что тепловой КПД дизельного цикла тем выше, чем выше степень сжатия отношения ε (как и в цикле Отто) и тем меньше величина ρ.

    Тепловой КПД Дизельный цикл показан на рис.10.7 как функция сжатия отношение ε для различных значений величины ρ и при k = 1,35.

    Фиг.10.7

    Дизельный цикл представлена ​​на схеме T-s на рис. 10.8. Количество q 1 представлено на диаграмма площадью a-2-3-ba, количество q 2 площадью a-1-4-ba и работа цикла l c представлена площадь 1-2-3-4-1.

    Фиг.10,8

    Сравним тепловую КПД циклов Отто и Дизеля. Эти циклы можно сравнить предполагая для двух циклов либо равную степень сжатия ε, либо одинаковая максимальная температура рабочего тела, подвергающегося циклам ( T 3 ). Также подразумевается, что исходные свойства рабочего тела при начальная точка цикла ( p 1 , v 1 , T 1 ) одинаковы для двух циклов.

    Если степень сжатия предполагается, что они одинаковы для двух циклов, то это ясно из Ур. (10.11) и (10.21) видно, что тепловой КПД цикла Отто превышает тепловой КПД Дизельный цикл. Однако вряд ли целесообразно сравнивать тепловые коэффициенты полезного действия. этих циклов при той же степени сжатия ε, поскольку, как уже было Как уже упоминалось выше, преимущество дизельного цикла заключается в его способности реализовать цикл с более высокими степенями сжатия.

    Сравнение теплового КПД циклов Отто и Дизеля, реализованных в одном и том же самом высоком цикле температура (T 3 ) показывает, что термический КПД Дизельный цикл выше. В частности, это можно увидеть на диаграмме T-s , показанной на рис. 10.8; поскольку c p > c v т.е.

    , это следует, что на диаграмме T-s изохора проходит круче, чем изобара. (на рис.10.8 изохора цикла Отто изображена пунктирной линией), что указывает на что соотношение площадей дизельного цикла превышает таковое в цикле Отто. Сравнение двух циклов при условии, что работа l c = q 1 q 2 одинакова для двух циклы реализованы с одинаковым максимумом давления, мы можем легко увидеть, что больше тепла q 2 участвует в Цикл Отто, чем в дизельном цикле, и термический КПД ниже.Такой сравнение более оправдано и дает основания рассматривать дизельный цикл как быть более эффективным, чем цикл Отто.

    Следует также отметить что дизельный двигатель, не требующий карбюрации горючего, может быть работал на топливе более низкого качества.

    Основные недостатки Дизельные двигатели, по сравнению с двигателем Отто, заключаются в необходимости проводя работу по приводу устройства, обеспечивающего распыление топлива и в относительно невысокая скорость из-за меньшей скорости сгорания топлива.

    Этакий гибрид Циклы Отто и Дизеля — это Тринклер смешанного горения (или сдвоенный) . цикл , иногда также называемый циклом Сабатье . Двигатели работающие по этому циклу (рис. 10.9) имеют так называемую форкамеру , открытую для рабочий цилиндр через узкий канал. Схема p-v для этого цикл показан на рис. 10.10. В рабочем цилиндре сжимается воздух. адиабатически за счет инерции маховика, установленного на валу двигателя; в воздух нагревается в процессе сжатия до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкое топливо подается в форкамеру (процесс 1-2 ) . Форма и расположение форкамеры способствуют лучшему перемешиванию топлива и воздуха, в результате быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (процесс 2-5 ).

    Фиг.10.9

    Из-за повышения давления в форкамере смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов образующееся в нем сгорание нагнетается в рабочий цилиндр, где сгорание имеет место несгоревшее топливо, сопровождающееся смещением поршня из слева направо при приблизительно постоянном давлении (процесс 5-3 ) . По окончании заправки при сгорании продукты сгорания расширяются адиабатически (процесс 3-4 ) ; выхлопные газы затем выгружен из цилиндра (процесс 4-1 ).

    Фиг.10.10

    Таким образом, при двойном горении тепло двигателя q 1 , первый сложено по изохоре ( q ‘ 1 ), , затем следуя изобаре ( q 1 «).

    В отличие от дизельного двигателя a двигатель двойного сгорания не требует компрессора высокого давления для обеспечения распыления жидкого топлива: жидкое топливо, вводимое в форкамеру на сравнительно низкое давление распыляется (распыляется) струей сжатого воздуха идущий от цилиндра двигателя. Кроме того, двойной цикл сгорания до некоторой степени сохраняет преимущества дизельного цикла над циклом Отто. цикла, поскольку часть процесса сгорания топлива протекает с постоянной давление.

    Определим тепловой КПД двойного цикла сгорания.

    Количество тепла q 2 [тепло отводится изохора ( 4-1 )] в общем соотношении для термического КПД

    находится, как и раньше, из соотношения (10.2):

    , тогда как количество q 1 является суммой тепла добавлен в изохорическом процессе 2-5 ( q ‘ 1 ) и тепло, добавленное в изобарическом процессе 5-3 ( q 1 «), i.е.

    (10.20)

    Понятно, что

    (10.21)

    и

    (10,22)

    Отсюда следует, что тепловая КПД смешанного или двойного цикла сгорания составляет

    (10.23)

    или

    (10,24)

    Для изохора 4-1 Клапейрона уравнение дает:

    (10,25)

    Уравнения для адиабаты 1-2 и 3-4 могут принимать форму ,

    Деление уравнения. (10.8) по формуле. (10.7) и учитывая это, мы получить:

    (10.26)

    Начиная с p 3 = p 5 (изобара 5-3) и v 2 = v 5 (изохор 2-5), и выше отношение может быть преобразовано в

    (10,27)

    , где — степень давления в изохорическом процессе горения, а — степень предварительного расширения в изобарный процесс горения.

    Учет ур. (10.27), мы получаем из уравнения. (10.26):

    (10,28)

    Для изохора 2-5

    (10.29)

    и для изобары 5-3

    (10.30)

    Наконец, в соответствии с Уравнение(10,6),

    С учетом уравнения (10.28) — (10.30) и (10.6), из соотношения (10.24) получаем:

    (10,31)

    Для ρ = 1 (что соответствует к циклу без изобарического процесса) Ур. (10.31) превращается в уравнение. (10.11) для тепловой КПД цикла Отто, а для λ = 1 (цикл с нет изохорного процесса) Ур.(10.31) превращается в уравнение. (10.19) для теплового КПД дизельного цикла.

    Сравнение теплового КПД двойного цикла сгорания с тепловыми КПД Отто и дизельного цикла, мы видим, что при одинаковой степени сжатия ε

    (10,32)

    и при одинаковых максимальных температурах цикла ( T 3 )

    (10.33)

    Указанные выше неравенства проиллюстрировано графически на схеме T-s , показанной на рис. 10.11. В В частности, соотношение (10.33) следует из того, что во всех трех циклах количество тепла q 2 , равно площади a-1-4-b-a, — это максимальная производительность в дизельном цикле (область 1-2b-3-4-1 ), средняя производительность в двойном цикл сгорания (зона 1-2-5-3-4-1 ) и минимальный объем работы в цикле Отто (область 1-2a-3-4-1 ).

    Фиг.10.11

    Следует также отметить, что в четырехтактных двигателях во время тактов впуска и выпуска (выброс продуктов сгорания), протекающей примерно при атмосферном давлении, двигатель выполняет нехарактерную работу. Поэтому в современных высокоскоростных поршневые двигатели, например двигатели мотоциклов, весь рабочий цикл реализуется в два удара.Впускной и выпускной (выбрасывающий) ходы исключаются, так как рабочее тело попадает в цилиндр и истощается от него через специальные отверстия, заменяющие впускные и выпускные клапаны и не закрывается движущимся поршнем. Двухтактные двигатели реализуют те же циклы, что и четырехтактные двигатели.

    Результаты этого анализ эффективности циклов внутреннего сгорания двигатели верны только для идеальных циклов без учета необратимости и по ряду других факторов.В реальных циклах свойства рабочих средний (воздух, во время первых двух тактов дизельного цикла и двойного цикл сгорания, или топливная смесь в цикле Отто; воздух и продукты сгорание при следующих тактах) отличается от идеального газа с постоянная теплоемкость; из-за неизбежного трения процессы адиабатическое сжатие и расширение происходит не по изоэнтропе, а с возрастающая энтропия; принудительное охлаждение стенок цилиндров еще больше увеличивает отклонение этих процессов от изоэнтропических.Горение происходит в короткие, но тем не менее конечные промежутки времени, в течение которых поршень время переместиться на определенное расстояние, чтобы условие не так строго соблюдается изохорность процесса; есть механические потери в механизме тоже.

    То же самое относится и к процессу выхлопа при открытии выпускного клапана.

    Следовательно, при переходе от идеальной термодинамической исследованных выше циклов к реальным циклам необходимо ввести понятие относительный КПД двигателя, величина которого определяется тестирование двигателя.

    Двигатели внутреннего сгорания

    Двигатели внутреннего сгорания THE АМЕРИКАНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В КАИРЕ
    ОТДЕЛЕНИЕ ИНЖЕНЕРИИ
    МАШИНОСТРОЕНИЕ БЛОК
    MENG 365- Термодинамика II

    Отчет по
    Внутренний Двигатели внутреннего сгорания
    Термодинамика и механизм

    Кому предоставлено:
    Др.Салах Эль-Хаггар

    Автор:

    Моатаз Мохаммад Атталлах

    Май 1999



    РЕФЕРАТ:

    Целью данного отчета является ознакомление с основы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Отчет отслеживает механизм работы ДВС и его различных видов на основе рабочий механизм, особенно двухтактные и четырехтактные двигатели. Он также включает термодинамические соотношения, которые регулируют процессы этих двигателей, выделяя два основных важных цикла, а именно: Отто Цикл и дизельные циклы.Таким образом, он использует оба цикла для введения второго категоризация ДВС на основе термодинамических соотношений; введение Бензиновые двигатели и дизельные двигатели. По возможности в отчете упоминается к текущим исследованиям и будущим разработкам в этой области.

    Ключевые слова : Внутреннее сгорание двигатели; механизм, двухтактные двигатели, четырехтактный
    двигатели, цикл Отто, Дизельные циклы, Бензиновые двигатели, Дизельные двигатели, Исследования.


    СОДЕРЖАНИЕ И ЦИФРЫ:

    Аннотация
    Введение
    Цель
    Общие Аспекты о механизме двигателя
    Инсульт Категоризация
    1.Двухтактный двигатель
    2. Четырехтактный двигатель
    категоризация цикла
    1. Цикл Отто
    2. Дизельный цикл
    Будущие разработки и текущие исследования
    Заключение
    Ссылки



    НОМЕНКЛАТУРА:

    Кол-во Общий символ Установка SI Размеры
    Энтропия с кДж / кг.K L 2 T -2 K -1
    Температура Т по Цельсию (° К) К
    Давление -п. Паскаль МЛ -1 Т -2
    Объем В м3 Л-3

    ВВЕДЕНИЕ:

    «Я верю что изобретение автомобиля было самым замечательным событием, которое я пережил за всю мою жизнь » Сэр Уинстон Черчилль Возможно изобретение двигателя или даже представление его концепции стало важнейшим научным событием в человеческая история.Замена конного экипажа на автомобиль или безлошадный экипаж, как его первоначально называли, был событием, которое увеличили расстояние, на которое люди могут проникнуть в космос. Двигатели основные устройства машиностроения, и они имеют множество применений в движущихся и неподвижных машинах.

    Двигатель определяется как машина, которая преобразует химическую энергию, выделяемую при сгорании определенного топливо, в механическую энергию, которая используется для создания определенного транспортного средства. В определении выделяются два важных факта о двигателях.Первый, двигатель — это машина, следовательно, существует механизм. Этот механизм может быть разным, и, таким образом, у нас может быть более одного механизма работы. Два самых Известным механизмом действия являются двухтактные и четырехтактные двигатели. Как видно из названия, разница только в так называемом штрихе. Это приводит к различным конструктивным соображениям и, соответственно, к различимая эффективность для каждого вида. Есть третья конструкция двигателей. это называется роторным двигателем. Студенты MENG 491 работают над дизайном и производство роторного двигателя в этом семестре.

    Второй пункт в определении — это преобразование химической энергии в результате сгорания определенного топливо. В зависимости от типа топлива и метода конверсии хим. энергия в механическую энергию, можно выделить два основных типа двигателей, К которым относятся: Дизельный двигатель и Бензиновые двигатели. Первый двигатель основан на термодинамическом цикле, называемом дизельным циклом, в то время как второй основан на цикле, называемом циклом Отто. Из-за разницы в термодинамических цикл, который используется для сжигания отработанного топлива, определенное топливо было выбрано для подходят процессу.В двигателях с циклом Отто бензин (известный как бензол) топливо. В двигателях с дизельным двигателем дизельное топливо (известное как солнечное топливо) топливо.

    Применение двигателей зависит от его эффективности и необходимых условий труда. Например, некоторые приложения требуют использования двухтактных двигателей, а не четырехтактных двигатели. С другой стороны, некоторые автомобили имеют дизельные двигатели, в том числе легковые автомобили. Тем не менее, есть и другие типы двигателей, кроме чем вышеупомянутые типы, которые были изобретены столетие или более назад.Из новых типов двигатели на сжатом природном газе выглядят как одно целое. из наиболее перспективных двигателей; из-за того, что это двигатель, основанный на экологически чистых чистое топливо.



    ЦЕЛЬ:

    Целью данного технического отчета является:
    1 — Представляем разные типы двигателей внутреннего сгорания, основанные на разной категоризации.
    2 — Ознакомление с механизм работы каждого и термодинамические соотношения, лежащие в основе его теоретические циклы.


    ОБЩЕЕ АСПЕКТЫ МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ:

    Энкарта 97

    Рисунок 1 Первый двигатель внутреннего сгорания Изображение выше — это ранний дизайн для внутреннего четырехтактный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Основная идея для любого двигателя наличие камеры сгорания, в которой существует топливно-воздушная смесь. Затем этой смеси дают гореть; либо с помощью искры, либо путем увеличения его температура и давление смеси.За счет сгорания энергия высвобождается, и поршень вынужден двигаться. Соответственно, он преобразует мощность, вырабатываемая коробкой передач с помощью коленчатого вала. Следует также Обратите внимание, что воздух может входить и смешиваться с топливом через распределительный вал. механизм.
    Как уже упоминалось ранее, основное отличие между двигателями — это либо количество тактов, либо цикл, используется для воспламенения топлива.


    ХОД КАТЕГОРИЗАЦИЯ

    Ход определяется как длина путь, по которому поршень проходит внутри цилиндра.Верхний конец цилиндра называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а нижняя конец называется нижней мертвой точкой (BDC). Использование коленчатого вала механизм, линейное движение, которое исходит из поршня из-за горение преобразуется во вращательное движение. Вращательное движение — это требовалось одно вывести колеса.
    Ниже приводится объяснение двухтактного и четырехтактные двигатели.

    ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛИ:

    Двухтактные двигатели обычно используются в маломощные транспортные средства, такие как: садовая техника, водные мотоциклы и некоторые мотоциклы двигатели.По своему названию двухтактный двигатель относится к типу двигателя. в котором процесс сгорания топлива и высвобождение механических энергия происходит всего за два хода поршня, первый идет от от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, и наоборот для второй Инсульт.
    Начиная с точки, в которой сжато топливно-воздушно-масляная смесь находится внутри поршня, искра зажигается от свеча зажигания, следовательно, сгорание. Сгорание производит большую энергию, которая толкает поршень вниз, и при сгорании образуются выхлопные газы.Таким образом, двигатель начинает свой первый такт, при котором он передает мощность, используя коленчатый вал и выхлопные газы выходят из цилиндра из выпускной клапан.

    Рисунок 2
    Первый такт двухтактного двигателя

    По мере движения поршня вниз, открывается другой клапан, который является топливно-воздушным клапаном. Смеси воздух / топливо / масло выходят из карбюратора, в котором он был перемешан, в соседний топливная камера. Когда поршень движется вниз еще больше и цилиндр больше нет газов, топливная смесь начинает поступать в камеру сгорания и начинается второй процесс сжатия топлива.Стоит отметить, что в конструкции тщательно учтено то, что топливно-воздушная смесь не должна смешать с выхлопом. Следовательно, процессы впрыска и выпуска топлива следует синхронизировать, чтобы избежать этой проблемы.
    Следует отметить, что поршень имеет три функции в его работе:
    1 — Поршень действует как камера сгорания с цилиндром, а также сжимает воздух / топливо смеси и получает обратно высвободившуюся энергию и передает ее коленчатый вал.
    2 — Движение поршня создает вакуум для такой смеси топлива и воздуха из карбюратора, и выталкивает его из картера (соседней камеры) в камеру сгорания.
    3 — Боковые стороны поршня действуют как клапаны, закрывая и открывая впускной и выпускной отверстия просверлены в боковой стенке цилиндра.



    ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ 2-ТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ:

    ПРЕИМУЩЕСТВА НЕДОСТАТКИ
    Не имеет клапанов или механизма распредвала, следовательно, упрощается его механизм и конструкция. · Отсутствие смазки система, защищающая детали двигателя от износа. Соответственно, 2-тактный у двигателей короче срок службы.
    · За один полный оборот коленчатого вала двигатель выполняет один цикл 4-тактный двигатель выполняет 1 цикл на 2 оборота коленчатого вала. · Они не потребляют экономно расходовать топливо.
    · Меньше веса и проще для производства. · Производят партии загрязнения.
    · Высокая мощность для веса соотношение · Иногда входит в состав утечка топлива в выхлоп с выхлопными газами.
    В заключение, исходя из вышеперечисленных преимуществ и недостатки, двухтактные двигатели предназначены для работы в транспортных средствах. где требуется небольшой вес двигателя, а используется непрерывно в течение длительного времени.


    ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ХОД ДВИГАТЕЛИ:

    В 1867 году Николаус Август Отто, немец инженер, разработавший четырехтактный цикл «Отто», который широко используется. в транспорте даже сегодня. Отто разработал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. двигатель когда ему было 34 года.На самом деле большинство сегодняшних бензиновых автомобилей использовать четырехтактные двигатели, что является прямым применением термодинамических цикл «Цикл Отто».

    Цилиндр четырехтактного двигателя отличается от двухтактного двигателя. Основное различие между обоими Двигатели — это клапаны, которые расположены в верхней части цилиндра. Эти два клапана открываются и закрываются поочередно, чтобы пропустить воздушно-топливную смесь входить или выхлопные газы выходить. Как уже упоминалось ранее, движение двух клапанов происходит через систему распределительных валов.Искра заглушка — та, которая воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь за один раз когда оба клапана закрыты. Соответственно, поршень толкается вниз, передача мощности на коленчатый вал. Затем мощность передается на колесо через другие механизмы. Рисунок 4

    Можно идентифицировать четыре штриха следующее:
    Такт всасывания (всасывания): во время этого хода поршень начинает движение сверху вниз по цилиндру.Синхронно, впускной клапан открывается (на основе механизма распредвала), что позволяет смесь воздух / парообразное топливо, поступающая в камеру сгорания. Рисунок 5а
    Ход сжатия: В этом случае оба клапаны должны быть закрыты. Поршень начинает двигаться вверх, чтобы сжать топлива, пока не достигнет верхней мертвой точки. Сжимая топливо, температура и давление топлива возрастают. Рисунок 5b
    Рабочий ход: когда поршень достигает В верхней мертвой точке свеча зажигания воспламеняет искру, позволяя горючему сгореть.Сгорание дает большую мощность, которая передается через коленчатый вал. механизм. Следует отметить, что для того, чтобы энергия сгорания расходуется эффективно при перемещении поршня, оба клапана должны быть закрыты. 5c
    Ход выхлопа: после достижения максимальное смещение поршня, большая часть выделяемой энергии передается. Соответственно, поршни начинают обратное движение вверх, чтобы избавиться от выхлопные газы, образующиеся при сгорании.В этот момент выхлоп клапан открывается, чтобы позволить ему выйти за пределы цилиндра. Рисунок 5d
    Из приведенного выше аргумента должно быть ясно что для выполнения одного полного цикла коленчатый вал должен пройти два революции.

    ЦИКЛ КАТЕГОРИЗАЦИЯ:

    Это один из важных моментов обсудить, что является термодинамикой процесса горения. Есть два основных цикла, на основе которых можно разделить двигатели внутреннего сгорания, а именно: цикл Отто и дизельный цикл.

    ОТТО ЦИКЛ:

    Цикл Отто — типичный цикл для большинства двигателей внутреннего сгорания автомобилей, работающих на бензине в качестве топливо. Цикл Отто точно такой же, который был описан для четырехтактного двигателя. двигатель. Он состоит из тех же четырех основных этапов: впуск, сжатие, зажигание и выхлоп.

    Рисунок 6 PV диаграмма для цикла Отто На PV-диаграмме
    1-2: Впуск: такт всасывания
    2-3: Ход изэнтропического сжатия
    3-4: Ход добавления тепла
    4-5: Такт выпуска (изэнтропическое расширение)
    5-2: Отвод тепла
    Расстояние между точками 1-2 равно ход двигателя.Разделив V2 / V1, мы получим: где r называется степенью сжатия двигатель. КПД принимается равным:

    ДИЗЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ:

    В дизельном цикле имени Рудольфа Кристиан Карл Дизель (1858-1913), во впускной ход впускается только воздух. Затем воздух адиабатически сжимается, и топливо впрыскивается в горячий воздух в виде множества мелких капель (не пара). Каждая капля горит за малое время, что дает приближение изобарического взрыва.В взрыв выталкивает цилиндр наружу. Рабочий ход клапана выхлопа, и последующие такты выпуска идентичны таковым в цикле Отто.

    A — 1-2: изэнтропическое сжатие
    B — от 2 до 3: обратимая константа нагрев под давлением
    C — от 3 до 4: Изэнтропическое расширение
    D — от 4 до 1: обратимая константа объемное охлаждение
    Другими словами, единственная разница между двигатель Отто и дизельный двигатель в том, что последний не требует свеча зажигания для воспламенения топлива; топливо здесь воспламеняется под воздействием повышения давления и температуры.В дизельных двигателях компрессия передаточные числа достигают 22,5: 1, в то время как для двигателей Отто это обычно не достичь даже одной пятой этого числа.

    Четыре цикла дизельного двигателя:
    1 — Поршень отведен от головки блока цилиндров за коленчатый вал, втягивая в цилиндр только воздух.
    2 — Поршень движется в сторону ГБЦ, сжимая воздух. В конце хода испарился топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется от высокой температуры воздуха.
    3 — Поршень принудительный от головки блока цилиндров газом, расширяясь после воспламенения топливо.
    4 — Выпускной клапан открывается, и поршень движется к головке блока цилиндров, вызывая выхлоп газы из баллона.


    ТЕКУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

    Роторный двигатель
    В 1950-е годы немецкий инженер Феликс Ванкель разработал двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень и цилиндр были заменены на трехугольный ротор, имеющий примерно овальную форму. камера.Топливно-воздушная смесь всасывается через впускной канал и задерживается. между одной стороной вращающегося ротора и стенкой овальной камеры. Вращение ротора сжимает смесь, которая воспламеняется от свеча зажигания. Затем выхлопные газы выводятся через выхлопное отверстие. за счет действия вращающегося ротора. Цикл происходит поочередно на каждой стороне ротора, давая три рабочих хода на каждый оборот ротор. Из-за компактных размеров двигателя Ванкеля и, как следствие, меньшего вес по сравнению с поршневым двигателем, это оказалось важным вариант для автомобилей.Кроме того, его механическая простота обеспечила низкие производственные затраты, низкие требования к охлаждению и низкие центр тяжести делал вождение безопаснее. Линия автомобилей с двигателем Ванкеля был произведен в Японии в начале 1970-х годов, и несколько автомобильных производители тоже исследовали эту идею. Однако производство Ванкеля двигатель был снят с производства из-за его низкой топливной экономичности и высокого выбросы загрязняющих веществ.
    Взято из Encarta 97® ©



    ВЫВОД:

    Двигатели внутреннего сгорания относятся к числу наиболее важные инженерные приложения.Теория применения либо зависит от циклов Дизеля или Отто. Они подразделяются на следующие категории: к рабочему циклу, или из-за механизма работы.
    Каждый тип двигателей имеет свои преимущества над другим. Таким образом, выбор подходящего двигателя требует определение условий применения.



    ССЫЛКИ:

    http://www.howstuffworks.com/engine.htm
    http://encarta.msn.com/index/conciseindex/08/0085e000.htm
    http://www.howstuffworks.com/two-stroke.htm
    http://www.siu.edu/~autoclub/frange.html
    http://www.astro.virginia.edu/~eww6n/physics/OttoCycle.html
    http://www.uq.edu.au/~e4nsrdja/teaching/e4213/Related/Cycles/Diesel.htm
    http://www.merlin.net.au/~bhampton/holdfast/howengines.html
    http://www.taftan.com/thermodynamics/DIESEL.HTM
    Microsoft® Encarta © 97: Внутренний Двигатель внутреннего сгорания


    Справочник Дом

    Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы

    Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели с циклом Отто (обновлено 22 апреля 2012 г.)

    Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

    г) Цикл Отто стандарта воздуха (искровое зажигание) Двигатель

    The Air Стандартный цикл Отто — идеальный цикл для Искрового зажигания (SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные Николаус Отто более 130 лет назад, и который в настоящее время используется чаще всего автомобили.Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство представляет Описание четырехтактного двигателя Операция цикла Отто , включая короткую история Николауса Отто. И снова у нас отличная анимация производство Matt Keveney представляет как четырехтактный и двухтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием операция

    Анализ цикла Отто очень похож на цикл дизельного двигателя, который мы проанализировали в предыдущей модели Раздел .Мы воспользуемся идеалом «стандартное» допущение в нашем анализе. Таким образом, рабочий жидкость — это фиксированная масса воздуха, совершающего полный цикл, который относился во всем как к идеальному газу. Все процессы идеальны, сгорание заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп — заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в начальное состояние.

    Самое существенное отличие идеального Цикл Отто и идеальный дизельный цикл — это метод зажигания топливно-воздушная смесь.Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температура воспламенения топлива. Затем впрыскивается топливо так, чтобы процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеале Отто цикл: топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжат до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1) и является затем воспламеняется от искры. Возгорание приводит к внезапному скачку давление, в то время как объем остается практически постоянным.В продолжение цикла, включая расширение и выхлоп процессы практически идентичны идеальным дизельным двигателям. цикл. Мы считаем удобным разработать аналитический подход идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:

    Решенная задача 3.7 An идеальный двигатель с воздушным стандартным циклом Отто имеет степень сжатия 8. При начало процесса сжатия рабочая жидкость на 100 кПа, 27 ° C (300 K) и 800 кДж / кг тепла во время процесс добавления тепла с постоянным объемом.Аккуратно нарисуйте давление-объем [ P-v ] диаграмму для этого цикла, и используя значения удельной теплоемкости воздуха при типичная средняя температура цикла 900K определяет:

    • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса

    • б) сеть производительность / цикл [кДж / кг], и

    • c) тепловой КПД [η th ] этого цикла двигателя.

    Подход к решению:

    Первым шагом является построение диаграммы P-v полный цикл, включая всю необходимую информацию.Мы замечаем что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будет в конкретных количествах.

    Мы предполагаем, что топливно-воздушная смесь представлена чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и адиабатический процесс для воздуха:

    Напомним из предыдущего раздела, что номинальная Значения удельной теплоемкости, используемые для воздуха при 300K, составляют C v = 0,717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они функции температуры, а также с чрезвычайно высокой температурой диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить существенные ошибки.В этой задаче мы используем типичный средний цикл температура 900K взята из таблицы Specific Теплоемкость воздуха .

    Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определить температуру и давление в конце каждого процесса, как а также о проделанной работе и тепле, передаваемом во время каждого процесса.

    Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2 выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.Мы делаем это ниже в качестве проверки действительности, но мы находим это больше По возможности удобно использовать уравнение состояния идеального газа. Любой метод удовлетворителен.

    Мы продолжаем последний процесс определения отклонено тепло:

    Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к все четыре процесса, позволяющие нам два альтернативных способа оценки «чистая производительность за цикл» и термический КПД, следующим образом:

    Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости более цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из коэффициент удельных теплоемкостей k по формуле:


    где r — степень сжатия

    Quick Quiz: Использование тепла и уравнения энергии работы, полученные выше, выводят это соотношение

    Проблема 3.8 Это является расширением Решенной задачи 3.7, в котором мы хотим использовать во всех четырех процессах номинальная стандартная удельная теплоемкость значения емкости для воздуха при 300К. Используя значения C v = 0,717 кДж / кг · К и k = 1,4, определите:

    • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса [P 2 = 1838 кПа, Т 2 = 689К, Т 3 = 1805K, P 3 = 4815 кПа, P 4 = 262 кПа, Т 4 = 786 КБ]

    • б) сеть выход / цикл [451.5 кДж / кг], и

    • c) тепловой КПД этого цикла двигателя. [η th = 56%]

    ______________________________________________________________________________________


    Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Соединенные Штаты Лицензия

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *