Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания: Принцип работы и рабочие циклы двигателя автомобиля (ДВС)

  • 31.08.1978

Содержание

Принцип работы и рабочие циклы двигателя автомобиля (ДВС)

Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте (грузовые и легковые авто, спецтехника, моторные лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели внутреннего сгорания бывают бензиновыми и дизельными, также могут успешно работать на газу и даже на водороде (водородный двигатель внутреннего сгорания). Еще моторы отличаются по конструкции, компоновке, бывают двухтактными и четырехтактными.

Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл. Далее мы поговорим о том, что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

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).

Конструктивные особенности

Помимо различий в принципе работы у этих моторов еще и существуют конструктивные особенности.

2-тактный двигатель конструктивно проще. Механизм газораспределения – это дополнительное оснащение мотора, которое усложняет конструкцию.

У 2-тактного мотора этот механизм отсутствует и его роль выполняет поршень, открывая и закрывая те или иные окна.

Помимо этого, данный двигатель не нуждается в системе смазки. Обусловлено это тем, что в процессе работы задействовано и подпоршневое пространство, где располагается колен. вал.

Но поскольку кривошипно-шатунный механизм требует смазки, то у этого двигателя она производится вместе с топливом, то есть моторное масло добавляет в топливо, и при поступлении топлива в это пространство, имеющееся масло смазывает механизм.

У 4-тактных двигателей конструкция включает и механизм газораспределения, и отдельную систему смазки.

Это значительно усложняет конструкцию, однако эти двигателя являются более приоритетными, чем двухтактные из-за ряда эксплуатационных недостатков последних.

Принцип работы ДВС — схематично

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.

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.

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.

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.

Расширенная классификация термометров

Оговоримся, что в рамках обзора не отделяем от темы пирометры. Это чуть иной класс приборов, активно используется для аналогичных целей, что и датчики температуры. Итак, принято различать:

Термометры расширения. Базируются на способности тел менять геометрические размеры:

  1. Стеклянные жидкостные термометры — за окном. Уже считаются датчиками температуры. Чаще в качестве жидкости используется ртуть по ряду причин: сохраняет агрегатное состояние в широком диапазоне условий окружающей среды, не смачивает стекло, легко извлекается из природных компонентов. К недостаткам относятся токсичность, малый коэффициент температурного расширений и застывание уже при минус 35 градусах Цельсия. Это напоминает о пользе спиртовых термометров.
  2. Манометрические термометры основаны на зависимости давления паров вещества в рабочей камере от температуры. Подобные системы охотно применяются в качестве термостатов стареньких холодильников, где нет электроники. Плюсы: система не нуждается в питании электрическим током, что сильно упрощает конструкцию прибора. Эти температурные датчики размещаются в районе испарителя, через трубку соединяются с регулятором (находится в холодильном отсеке), где стоит реле.

Термометрические датчики и термометры сопротивления включают в состав термопары и термисторы. Это избитая тема, коснёмся чуть ниже. В качестве материалов для указанных датчиков температуры применяются металлы, полупроводники, прочие классы таблицы Менделеева.

Термометр сопротивления

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.

Где применяется

4-х тактные моторы применяются в нашей повседневной жизни очень широко. Их мощность напрямую зависит от объема и количества цилиндров. Устанавливают ДВС в автомобилях и самолетах, тракторах и тепловозах. Применяются они также на судах морского и речного флота.

На 4-х тактные силовые агрегаты обратили внимание и энергетики. Используют их для питания стационарных и аварийных электрогенераторов, установленных в местах, где линии электропередач подвести невозможно или экономически нецелесообразно

Кроме того, такие генераторы устанавливают на объектах, где отключение подачи электроэнергии невозможно (больницы, банки, воинские части и пр.).

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).

  • Как устроен двигатель внутреннего сгорания

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.

Информация о происхождении

При выборе имени для ребенка родители могут уделять внимание каждой мелочи. Их интересует не только то, какое влияние на судьбу окажет тот или иной способ наречь малыша

В поле внимания попадают история имени, существующие версии его происхождения и даже редкость использования.

О происхождении и значении имени Элиана есть несколько версий. Среди них выделяются три основных. Каждая предлагает свою интерпретацию того, откуда появилось это женское имя.

Первая базируется на римском происхождении и значении имени Элиана. История говорит о том, что оно образовалось от родового либо же личного прозвища Aelianus. В свою очередь, это прозвище берет корни от греческого слова «хелиос». В этом случае имя несет в себе смысл «солнечная», что делает его несколько родственным по отношению к Елене.

Во второй версии указывается, что имя Элиана имеет еврейское происхождение. В таком варианте перевод звучит как «Бог ответил мне» либо же «мой Бог – моя семья».

Третья версия того, откуда берет свое начало значение имени Элиана, является французской. Согласно этой теории, у слова есть два перевода. Первый звучит как «дочь солнца», что частично пересекается с греко-римской теорией. Во втором же варианте — как «доброго времени суток».

Камера сгорания топливной смеси

Разные модели дизельных двигателей отличаются между собой строением. Одной из немаловажных особенностей является конструкция камеры сгорания. Камера сгорания – пространство, где происходит непосредственно сгорание топлива.

Неразделенная камера расположена в самой конструкции поршня или над ним, топливо на такте впуска попадает в нее, где и воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Это наиболее простой вариант, который, к тому же, снижает расход топлива, но сам двигатель при этом работает очень громко.

Другой вариант – разделенная камера, то есть камера, которая расположена не в цилиндре, а на входе к нему и связана с ними каналом. Топливо подается в камеру, где перемешивается с вихревым потоком воздуха, что лучше распределяет его капли по объему камеры сгорания и способствует полному его сгоранию. Такой вариант подходит для небольших установок и легковых автомобилей, но он значительно увеличивает расход топлива.

Исходя из конструкции поршня и камеры сгорания, различают разные способы смесеобразования в дизельных ДВС:

— объемное смесеобразование – самый простой вариант. Камера сгорания представляет собой пространство между поршнем, стенками и головкой цилиндров. Топливо впрыскивается под давлением через распылители форсунок

Здесь важно, чтобы капли топлива равномерно распределились по всему объему и тщательно перемешались с горячим воздухом, поэтому в камере сгорания должен быть организован вихреобразный поток топливного заряда, а само топливо должно подаваться под высоким давлением;

— объемно-пленочное смесеобразование используется в высокооборотных двигателях с небольшим диаметром цилиндров. Это как раз тот случай, когда камера сгорания частично размещена в конструкции поршня. В двигателях отечественного производства такие камеры имеют форму усеченного конуса. При впрыскивании заряда топливо попадает на поверхность камеры сгорания, образуя «пленку», после чего практически сразу испаряется. Вихревые потоки, образующиеся под воздействием перемещения поршня, дают возможность равномерно распределить капли топлива по всему объему;

— предкамерное смесеобразование предусматривает наличие предкамеры, расположенной в крышке цилиндров. Она соединяется с основной камерой сгорания небольшими каналами с диаметрами не более 1% от диаметра поршня. Объем предкамеры составляет до 30% общего объема камер. По форме она может быть овальной, цилиндрической или сферической;

— вихрекамерное смесеобразование происходит за счет вихревых потоков воздуха, что дает возможность максимально смешать топливный заряд с воздухом даже при невысоком давлении его подачи в камеру сгорания. Для такого смесеобразования необходима раздельная камера, состоящая из двух частей: вихревой и основной. На такте сжатия воздух из основной камеры вытесняется в вихревую, которая имеет сферическую или цилиндрическую форму. Поток воздуха создает вихревые движения, двигаясь по кругу, а в это время из форсунки под давлением до 12 МПа подается заряд топлива. Поскольку воздушная волна находится в движении, капли равномерно распределяются по всему ее объему.

Двигатель внутреннего сгорания презентация. Презентация на тему » двигатели внутреннего сгорания»

1 слайд

2 слайд

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) – это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу. ДВС классифицируют: По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные. По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо). По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС. По способу воспламенения (искра или сжатие). По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные, V-образные, VR-образные и W-образные двигатели.

3 слайд

Элементы ДВС: Цилиндр Поршень — двигается внутри цилиндра Клапан впрыска топлива Свеча – производит зажигание топлива внутри цилиндра Клапан выпуска газа Коленчатый вал — раскручивается поршнем

4 слайд

Циклы работы поршневых ДВС Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные. Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.

5 слайд

6 слайд

1. В процессе впуска поршень перемещается от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), а освобождающееся надпоршневое пространство цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом. Из-за разности давлений во впускном коллекторе и внутри цилиндра двигателя при открытии впускного клапана смесь поступает (всасывается) в цилиндр

7 слайд

2. В процессе сжатия оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от н.м.т. к в.м.т. и уменьшая объём надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.

8 слайд

3. В процессе сгорания происходит окисление топлива кислородом воздуха, входящего в состав рабочей смеси, вследствие чего давление в надпоршневой полости резко возрастает.

9 слайд

4. В процессе расширения раскаленные газы, стремясь расшириться, перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на шатунную шейку коленчатого вала и проворачивает его.

10 слайд

5. В процессе выпуска поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через второй открывающийся к этому времени клапан, выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объёме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочих циклов.

11 слайд

12 слайд

История автомобиля История автомобиля началась ещё в 1768 году вместе с созданием паросиловых машин, способных перевозить человека. В 1806 году появились первые машины, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания на англ. горючем газе, что привело к появлению в 1885 году повсеместно используемого сегодня газолинового или бензинового двигателя внутреннего сгорания.

13 слайд

Изобретатели-первопроходцы Немецкий инженер Карл Бенц, изобретатель множества авто- мобильных технологий, считается изобретателем и современного автомобиля.

14 слайд

Карл Бенц В 1871 году совместно с Августом Риттером организовал механическую мастерскую в Мангейме, получил патент на двухтактный бензиновый двигатель, вскоре им были запатентованы системы будущего автомобиля: акселератор, систему зажигания, карбюратор, сцепление, коробку передач и радиатор охлаждения.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

2 слайд

Описание слайда:

1860 г. Этьен Ленуар изобрел первый двигатель, работавший на светильном газе Этьен Ленуар (1822-1900) Этапы развития ДВС: 1862 г. Альфонс Бо Де Роша предложил идею четырехтактного двигателя. Однако свою идею осуществить он не сумел. 1876 г. Николаус Август Отто создает четырехтактный двигатель по Роше. 1883 г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать как на газе, так и на бензине К 1920 г. ДВС становятся лидирующими. экипажи на паровой и электрической тяге стали большой редкостью. Карл Бенц изобрел самоходную трехколесную коляску на основе технологий Даймлера. Август Отто (1832-1891) Даймлер Карл Бенц

3 слайд

Описание слайда:

4 слайд

Описание слайда:

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. Четырехтактный двигатель 1 такт – впуск (горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр) Различают 4 такта: 2 такт – сжатие (клапаны закрыты и смесь сжимается, в конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива) 3 такт – рабочий ход (происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в механическую работу) 4 такт – выпуск (отработавшие газы вытесняются поршнем)

5 слайд

Описание слайда:

На практике мощность двухтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания часто не только не превышает мощность четырёхтактного, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых клапанах Двухтактный двигатель Существует также двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. Сжатие Сгорание выпуск впуск 1 такт 2 такт

6 слайд

Описание слайда:

Способы увеличения мощности двигателя: КПД двигателя внутреннего сгорания мал и примерно составляет 25% – 40%. Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных ДВС около 44%.Поэтому многие ученые пытаются увеличить КПД, а также и при этом саму мощность двигателя. Использование многоцилиндровых двигателей Использование специального топлива (правильного соотношения смеси и рода смеси) Замена частей двигателя (правильных размеров составных частей, зависящие от рода двигателя) Устранение части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра

7 слайд

Описание слайда:

Одной из важнейших характеристик двигателя является его степень сжатия, которая определяется следующее: Степень сжатия e V2 V1 где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.

8 слайд

Описание слайда:

жидкостные газовые с искровым зажиганием без искрового зажигания (дизельные) (карбюраторный)

9 слайд

Описание слайда:

Строение яркого представителя ДВС – карбюраторного двигателя Остов двигателя (блок-картер, головки цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, масляный поддон) Механизм движения (поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик) Механизм газораспределения (кулачковый вал, толкатели, штанги, коромысла) Система смазки (масло, фильтр грубой отчистки, поддон) жидкостная (радиатор, жидкость, др.) Система охлаждения воздушная (обдув потоками воздуха) Система питания (топливный бак, топливный фильтр, карбюратор, насосы)

10 слайд

Описание слайда:

Строение яркого представителя ДВС – карбюраторного двигателя Система зажигания (источник тока – генератор и аккумулятор, прерыватель + конденсатор) Система пуска (электрический стартер, источник тока – аккумулятор, элементы дистанционного управления) Система впуска и выпуска (трубопроводы, воздушный фильтр, глушитель) Карбюратор двигателя

создания..

История создания

Этьен Ленуар (1822-1900)

Этапы развития ДВС:

1860 г. Этьен Ленуар изобрел первый двигатель, работавший на светильном газе

1862 г. Альфонс Бо Де Роша предложил идею четырехтактного двигателя. Однако свою идею осуществить он не сумел.

1876 г. Николаус Август Отто создает четырехтактный двигатель по Роше.

1883 г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать как на газе, так и на бензине

Карл Бенц изобрел самоходную трехколесную коляску на основе технологий Даймлера.

К 1920 г. ДВС становятся лидирующими. экипажи на паровой и электрической тяге стали большой редкостью.

Август Отто (1832-1891)

Карл Бенц

История создания

Трехколесная коляска, изобретенная Карлом Бенцом

Принцип действия

Четырехтактный двигатель

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала.

Различают 4 такта:

1 такт – впуск (горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр)

2 такт – сжатие (клапаны закрыты и смесь сжимается, в конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива)

3 такт – рабочий ход (происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в механическую работу)

4 такт – выпуск (отработавшие газы вытесняются поршнем)

Принцип действия

Двухтактный двигатель

Существует также двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала.

1 такт 2 такт

На практике мощность двухтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания часто не только не превышает мощность четырёхтактного, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых клапанах

КПД двигателя

КПД двигателя внутреннего сгорания мал и примерно составляет 25% – 40% . Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных ДВС около 44%. Поэтому многие ученые пытаются увеличить КПД, а также и при этом саму мощность двигателя.

Способы увеличения мощности двигателя:

Использование многоцилиндровых двигателей

Использование специального топлива (правильного соотношения смеси и рода смеси)

Замена частей двигателя (правильных размеров составных частей, зависящие от рода двигателя)

Устранение части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра

КПД двигателя

Степень сжатия

Одной из важнейших характеристик двигателя является его степень сжатия, которая определяется следующее:

e V 2 V 1

где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.

Разновидности ДВС

Двигатели Внутренненго Сгорания

Основные компоненты двигателя

Строение яркого представителя ДВС – карбюраторного двигателя

Остов двигателя (блок-картер, головки цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, масляный поддон)

Механизм движения (поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик)

Механизм газораспределения (кулачковый вал, толкатели, штанги, коромысла)

Система смазки (масло, фильтр грубой отчистки, поддон)

жидкостная (радиатор, жидкость, др.)

Система охлаждения

воздушная (обдув потоками воздуха)

Система питания (топливный бак, топливный фильтр, карбюратор, насосы)

Основные компоненты двигателя

Система зажигания (источник тока – генератор и аккумулятор, прерыватель + конденсатор)

Система пуска (электрический стартер, источник тока – аккумулятор, элементы дистанционного управления)

Система впуска и выпуска (трубопроводы, воздушный фильтр, глушитель)

Карбюратор двигателя

Слайд 1


Урок физики в 8 классе

Слайд 2

Вопрос 1:
Какая физическая величина показывает, сколько энергии выделяется при сжигании 1кг топлива? Какой буквой ее обозначают? Удельная теплота сгорания топлива. g

Слайд 3

Вопрос 2:
Определите количество теплоты, выделившееся при сгорании 200г бензина. g=4,6*10 7дж/кг Q=9,2*10 6дж

Слайд 4

Вопрос 3:
Удельная теплота сгорания каменного угля примерно в 2 раза больше, чем удельная теплота сгорания торфа. Что это значит. Это значит, что для сгорания каменного угля потребуется в 2 раза большее количество теплоты.

Слайд 5

Двигатель внутреннего сгорания
Внутренней энергией обладают все тела – земля, кирпичи, облака и так далее. Однако чаще всего извлечь ее трудно, а порой и невозможно. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь некоторых, образно говоря, «горючих» и «горячих» тел. К ним относятся: нефть, уголь, теплые источники вблизи вулканов и так далее. Рассмотрим один из примеров использования внутренней энергии таких тел.

Слайд 6

Слайд 7

Карбюраторный двигатель.
карбюратор – устройство для смешивания бензина с воздухом в нужных пропорциях.

Слайд 8

Основные Основные части ДВС части ДВС
1 – фильтр для всасываемого воздуха, 2 – карбюратор, 3 – бензобак, 4 – топливопровод, 5 – распыляющийся бензин, 6 – впускной клапан, 7 – запальная свеча, 8 – камера сгорания, 9 – выпускной клапан, 10 – цилиндр, 11 – поршень.
:
Основные части ДВС:

Слайд 9

Работа этого двигателя состоит из нескольких повторяющихся друг за другом этапов, или, как говорят, тактов. Всего их четыре. Отсчет тактов начинается с момента, когда поршень находится в крайней верхней точке, и оба клапана закрыты.

Слайд 10

Первый такт называется впуск (рис. «а»). Впускной клапан открывается, и опускающийся поршень засасывает бензино-воздушную смесь внутрь камеры сгорания. После этого впускной клапан закрывается.

Слайд 11

Второй такт – сжатие (рис. «б»). Поршень, поднимаясь вверх, сжимает бензино-воздушную смесь.

Слайд 12

Третий такт – рабочий ход поршня (рис. «в»). На конце свечи вспыхивает электрическая искра. Бензино-воздушная смесь почти мгновенно сгорает и в цилиндре возникает высокая температура. Это приводит к сильному возрастанию давления и горячий газ совершает полезную работу – толкает поршень вниз.

Слайд 13

Четвертый такт – выпуск (рис «г»). Выпускной клапан открывается, и поршень, двигаясь вверх, выталкивает газы из камеры сгорания в выхлопную трубу. Затем клапан закрывается.

Слайд 14

физкультминутка

Слайд 15

Дизельный двигатель.
В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ, подтверждающий изобретение) на двигатель, впоследствии названный его фамилией.

Слайд 16

Принцип работы:
В цилиндры двигателя Дизеля попадает только воздух. Поршень, сжимая этот воздух, совершает над ним работу и внутренняя энергия воздуха возрастает настолько, что впрыскиваемое туда топливо сразу же самовоспламеняется. Образующиеся при этом газы выталкивают поршень обратно, осуществляя рабочий ход.

Слайд 17

Такты работы:
всасывание воздуха; сжатие воздуха; впрыск и сгорание топлива – рабочий ход поршня; выпуск отработавших газов. Существенное отличие: запальная свеча становится ненужной, и ее место занимает форсунка – устройство для впрыскивания топлива; обычно это низкокачественные сорта бензина.

Слайд 18

Некоторые сведения о двигателях Тип двигателя Тип двигателя
Некоторые сведения о двигателях Карбюраторный Дизельный
История создания Впервые запатентован в 1860 г. французом Ленуаром; в 1878 г. построен нем. изобретателем Отто и инженером Лангеном Изобретен в 1893 г. немецким инженером Дизелем
Рабочее тело Воздух, насыщ. парами бензина Воздух
Топливо Бензин Мазут, нефть
Макс. давление в камере 6 × 105 Па 1,5 × 106 — 3,5 × 106 Па
Т при сжатии рабочего тела 360-400 ºС 500-700 ºС
Т продуктов сгорания топлива 1800 ºС 1900 ºС
КПД: для серийных машин для лучших образцов 20-25% 35% 30-38% 45%
Применение В легковых машинах сравнительно небольшой мощности В более тяжелых машинах большой мощности (тракторы, грузовые тягачи, тепловозы).

Слайд 19

Слайд 20

Назови основные части ДВС:

Слайд 21

1. Назовите основные такты работы ДВС. 2. В каких тактах клапаны закрыты? 3. В каких тактах открыт клапан 1? 4. В каких тактах открыт клапан 2? 5. Отличие ДВС от дизеля?

Слайд 22

Мертвые точки – крайние положения поршня в цилиндре
Ход поршня – расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой
Четырехтактный двигатель – один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (4 такта).

Слайд 23

Заполнить таблицу
Название такта Движение поршня 1 клапан 2 клапан Что происходит
Впуск
Сжатие
Рабочий ход
выпуск
вниз
вверх
вниз
вверх
открыт
открыт
закрыт
закрыт
закрыт
закрыт
закрыт
закрыт
Всасывание горючей смеси
Сжатие горючей смеси и воспламенение
Газы выталкивают поршень
Выброс отработанных газов

Слайд 24

1. Тип теплового двигателя, в котором пар вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. 2. Обозначение удельной теплоты плавления. 3. Одна из частей двигателя внутреннего сгорания. 4. Такт цикла двигателя внутреннего сгорания. 5. Переход вещества из жидкого состояния в твердое. 6. Парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Исследование теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания проводят при следующих допущениях все процессы, протекающие в двигателях внутреннего сгорания, обратимы цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла, так как предполагается, что топливо не сгорает в цилиндре, а теплота подводится к рабочему телу извне и часть ее передается поглотителю теплоты (холодильнику) процессы сжатия рабочего тела и его расширения адиабатны теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.  [c.224]
Расскажите о теоретических циклах двигателей внутреннего сгорания.  [c.242]

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.7]

Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, изображенный в виде графика на рис. 1, состоит из следующих процессов.  [c.8]

Рис. 23. Индикаторные диаграммы теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания а — сгорание при постоянном объеме, б — смешанный цикл
Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания представляются индикаторными диаграммами, отражающими особенности тех или иных циклов.  [c.52]

Индикаторные диаграммы теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания и рабочих процессов компрессоров позво-52  [c.52]

Теоретические циклы двигателей внутреннего «сгорания можно разделить на три вида  [c.372]

В первой части учебного пособия кратко изложены исторические данные, показана роль, которую играли русские и советские ученые в развитии основных положений теоретической теплотехники. Подробно рассмотрены основные законы термодинамики, термодинамические процессы, дифференциальные уравнения термодинамики и истечение газов и паров. В прикладной части рассмотрены циклы двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и паротурбинных установок, а также циклы атомных электростанций,  [c.3]

На рис. 169 изображена теоретическая диаграмма расчетного цикла двигателя внутреннего сгорания. По оси абсцисс отложен объем рабочей смеси, заключенной в цилиндре (этот объем пропорционален перемещению поршня), а по оси ординат — давление в цилиндре.  [c.153]

Теоретически работа двигателей внутреннего сгорания происходит по определенным циклам, рассмотренным выше (см. стр. 69—77).  [c.420]


Диаграмму цикла двигателя внутреннего сгорания, вычерченную в системе координат v — р и характеризующую величину работы, получаемой в цилиндре двигателя за один цикл, можно построить на основе расчетов (теоретическая диаграмма) или снять непосредственно с работающего двигателя его индицированием (действительная индикаторная диаграмма) специальными приборами — индикаторами.  [c.432]

Принятое направление в теплотехнике — внедрение высоких параметров пара для повышения к. п. д. установок — требовало новых научных исследований. В 1939 г. советские ученые внесли ценный вклад в теоретические основы теплотехники было предложено уравнение состояния водяного пара, проведено исследование регенеративного цикла, разработана методика сравнения циклов двигателей внутреннего сгорания и введено понятие о средней термодинамической температуре.  [c.43]

Таким образом, по характеру теоретического теплового цикла двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели со сгоранием топлива при постоянном объёме, со сгоранием топлива при постоянном давлении и со сгоранием — по смешанному циклу.  [c.350]

В действительных циклах двигателей внутреннего сгорания имеются потери тепла, вызванные отклонением линии сжатия и расширения от линий адиабат, отдачей тепла стенкам цилиндра, догоранием топлива на линии расширения и т. д. В результате наличия этих потерь индикаторная работа действительного цикла будет меньше теоретической работы по идеальному циклу.  [c.314]

В чем различие между теоретическим и действительным циклом двигателя внутреннего сгорания  [c.242]

Хотя двигатели внутреннего сгорания и не работают по замкнутому круговому процессу, все же их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и для изучения процессов превращения в них теплоты в работу, а также для выявления экономичности двигателей пользуются тем же термодинамическим методом исследования, какой применялся для изучения ранее рассмотренных циклов. Применяя этот метод к циклам двигателей внутреннего сгорания, процессы горения топлива рассматривают как процессы подвода к газу теплоты для превращения ее в работу Л/ и определяют теоретическое максимально возможное значение Получаемая  [c.158]

Диаграммы действительных циклов двигателей внутреннего сгорания отличаются от теоретических наличием ряда факторов, которые не учитываются при рассмотрении теоретических циклов. Эти факторы следующие сопротивление во впускном трубопроводе, опережение зажигания или впрыска, фазы газораспределения. Действительные циклы лишь в большей или меньшей мере приближаются к теоретическим.  [c.14]

Книга состоит из двух частей первая посвящена технической термодинамике, вторая—теплопередаче. В первой части рассматриваются основные понятия, первое и второе начала термодинамики, термодинамические процессы идеальных и реальных газов, циклы двигателей внутреннего сгорания, паротурбинных установок и компрессоров, процессы истечения газов. Во второй части освещены вопросы переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением, метод подобия и основы теплового расчета теплообменников. При изложении материала авторы старались обращать особое внимание на физическую сущность изучаемых явлений, формировать у учащихся научное понимание основ теплотехники и прививать им практические навыки в решении задач прикладного характера. При этом авторы исходили из того, что изучение теоретических основ теплотехники должно предшествовать изучению специальных курсов, посвященных парогенераторам, паротурбинным установкам, автоматизации тепловых процессов, эксплуатации теплоэнергетических установок.  [c.3]

Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАМКНУТЫЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.9]

Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнивать в реальных условиях. Действительно, в этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов сравнивают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях в воображаемой тепловой машине. Таким образом, каждый цикл двигателя внутреннего сгорания можно рассматривать происходящим в теоретических (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) или действительных условиях. В соответствии с этим следует ввести понятие о теоретическом и действительном (рабочем) циклах.  [c.11]


Действительный цикл двигателей внутреннего сгорания значительно отличается от рассмотренных выше теоретических циклов. Если в теоретическом цикле предполагается, что состав и количество газа остаются неизменными, то в действительном цикле происходят не только физические, но и химические изменения состава газа, а количество его не остается постоянным. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не возвращается в свое первоначальное состояние в цилиндре и выпускается в атмосферу, уступая место горючей смеси или воздуху таким образом, действительный цикл по существу является разомкнутым. Процессы сжатия и расширения происходят при наличии теплообмена с внешней средой, а в процессе расширения происходит, кроме того, догорание топлива. Таким образом, при осуществлении действительного цикла использование теплоты в нем происходит с большими потерями по сравнению с теоретическим циклом, вследствие чего действительный к. п. д. будет ниже термического.  [c.376]

Таким образом, в теоретическом анализе действительные процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания, заменяются теоретическим термодинамическим циклом, состоящим из обратимых процессов.  [c.111]

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказал теоретический рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня I — всасывание воздуха  [c.95]

Раскрытие указанной функциональной связи возможно при условии принятия такого теоретического цикла двигателя, который автором был предложен и изложен в учебнике по теории двигателей внутреннего сгорания [1 ]. Все исходные показатели и параметры газов в начале процесса  [c.258]

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.266]

Теоретические циклы и действительные процессы двигателей внутреннего сгорания 267  [c.267]

Рис. 16,3, Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при V = oпst (Г—з-диа-грамма)
Рис. 16.12. Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты (Т—з-ди-аграмма)
Цикл с изохорным подводом теплоты цикл Отто). На рис. 169, а показан теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты. Точка 1 соответствует состоянк ю 1 кг рабочего тела перед сжатием с параметрами р , Vi, Ti. Рабочее тело адиабатно (кривая 1—2) сжимается, и в точке 2 его параметры р2, v , Т. . Затем к рабочему телу изохорно (кривая  [c.224]

Во втором случае прикладные части термодинамики не отрываются от соответствующих теоретических частей курса. При такой постановке каждая часть общего курса как термодинамика газов, так и термодинамика паров будет иметь большую законченность. Целесообразность такой постановки определяется также тем, что термодинамические методы исследования циклов двигателей внутреннего сгорания и паротурбинных установок различны. Как известно, при исследовании циклов паротурбинных установок имеет широкое применение диаграмма г—5. Кроме того, метод, при котором прежде излагается вся теоретическая часть термодинамики, а затем вся ее прикладная часть, является более однообразным и поэтому более тяжелым при изложении на лекциях. Подобный метод постановки циклов имеется во лшогих учебниках, нанример Жуковского, Карпова, Литвг.на, в первых четырех изданиях учебника Сушкова и др.  [c.291]

При общей высокой оценке по учебнику могут быть сделаны следующие замечания. Раздел Дифференциальные уравнения термодина.мики является менее методически отработанным, чем др угие разделы учебника. Автор не гюказал метода развития и обоснования приводимой теории. Не показано автором и огромное теоретическое и практическое значение этого раздела. А без этих данных рассматриваемая 3 разделе теория имеет слишком формальный, отвлеченный характер. Следовало бы упростить выводы формул термического к. п. д. циклов двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. Целесообразно было бы привести общий метод сравнения циклов. Нельзя согласиться с с зормально-математической постановкой рассмотрения политропного процесса.  [c.342]

Во всех приведенных выше теоретических циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания уравнения для определения количества подведенной и отведенной теплоты, а также для термического к. п. д. даны для случая с — onst.  [c.130]

Практически наиболее удобно подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или смешанным способом — по изохоре и изобаре. В соответствии с этим для двигателей внутреннего сгорания разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение.  [c.112]

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком ули газообразном топливе. Двигатели внутреннего сгорания делят на две группы карбюраторные, работающие на легком топливе, и дизельные. Теоретическим циклом карбюраторного двигателя внутреннего сгорания является цикл с подводом тепла при постоянном объеме (u = onst). В карбюраторных двигателях топливо и воздух смешиваются вне цилиндра — в карбюраторе и после сжатия смеси в цилиндре она принудительно воспламеняется электрической искрой.  [c.414]


Теоретическая машина, осуществляющая этот цикл, принимается идеальной абррак-цией, к которой могут приближаться действительные двигатели внутреннего сгорания высокого сжатия (компрессорные дизели . Соотношения параметров по адиабате а с.  [c.464]

Теоретическая машина, осуществляющая этот цикл, принимается идеальной абстракцией, к котброй могут приближаться действительные двигатели внутреннего сгорания высокого сжатия с бескомпрессорной подачей топлива (бескомпрессорные дизели). Соотношения параметров  [c.464]

В 1910 г. Н.Р. Брилинг издал свой первый курс по двигателям внутреннего сгорания, который лег затем в основу капитального труда по двигателям внутреннего сгорания, изданного в 1935 г. Изданный литографически на восьми печатных листах, этот курс, непрерывно пополнявшийся новыми теоретическими и экспериментальными работами автора, выдержал пять изданий и за последуюш,ие 25 лет увеличился в объеме более чем в 5 раз — до 45 печатных листов. В этом труде сконцентрированы как основные теоретические разработки Николая Романовича по теории двигателей (потери действительного цикла, уравнение сгорания в двигателе и др.), так и огромный опыт мирового двигателестроения. Эта работа легла в основу многочисленных трудов по теории, расчету и конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания в нашей стране и за рубежом.  [c.254]


11 циклы двигателей внутреннего сгорания

11. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Идея использования в качестве рабочего тела продуктов сгорания органического топлива принадлежит Сади Карно. Он обосновал принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с предварительным сжатием воздуха в 1824 г., но по ограниченным техническим возможностям того времени создание такой машины реализовать было нельзя.

Первый поршневой ДВС без предварительного сжатия был создан в 1857 г. французским изобретателем Э. Ленуаром. Этот двигатель имел малый КПД по сравнению с паровыми машинами и не нашел дальнейшего распространения.

В 1862 г. во Франции был запатентован двигатель Бо-де-Роше со сжатием топливно-воздушной смеси и со сгоранием ее при постоянном объеме. Двигатель, работающий на таком принципе, впервые был построен в Германии инженером Отто. В таких двигателях топливно-воздушная смесь образуется вне цилиндра сжатия: для бензинового двигателя смешение происходит в карбюраторе, для газового – непосредственно перед цилиндром сжатия.

В 1895 г. в Германии инженер Р. Дизель построил двигатель с внутренним смешением воздуха и жидкого топлива. В таком двигателе сжимается только воздух, а потом в него через форсунку впрыскивается топливо. Благодаря раздельному сжатию воздуха в цилиндре такого двигателя получалось большое давление и температура, а впрыскиваемое туда топливо самовозгоралось. Такие двигатели получили название дизельных в честь их изобретателя.

В настоящее время поршневые ДВС получили большое распространени практически на всех видах транспорта и на передвижных энергетических установках.

Основными преимуществами поршневых ДВС по сравнению с ПТУ является их компактность и высокий температурный уровень подвода теплоты к рабочему телу. Компактность ДВС обусловлена совмещением в цилиндре двигателя трех элементов тепловой машины: горячего источника теплоты, цилиндров сжатия и расширения. Поскольку цикл ДВС разомкнутый, то в качестве холодного источника теплоты в нем используется внешняя среда (выхлоп продуктов сгорания). Малые размеры цилиндра ДВС практически снимают ограничения на максимальную температуру рабочего тела. Цилиндр ДВС имеет принудительное охлаждение, а процесс горения быстротечен, поэтому металл цилиндра имеет допустимую температуру. КПД таких двигателей весьма высок.

Основным недостатком поршневых ДВС является техническое ограничение их мощности, находящееся в прямой зависимости от объема цилиндра, о чем будет сказано ниже.

11.1. Принцип работы поршневых ДВС

Рассмотрим принцип работы поршневых ДВС на примере четырехтактного карбюраторного двигателя (двигатель Отто). Схема цилиндра с поршнем такого двигателя и диаграмма изменения давления газа в его цилиндре в зависимости от положения поршня (индикаторная диаграмма) показаны на рис. 11.1.

П
ервый такт двигателя характеризуется открытием впускного клапана 1к и за счет перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) втягиванием воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр. На индикаторной диаграмме это линия 0-1, идущая от давления окружающей среды Рос в область разряжения, создаваемую поршнем при его движении вправо.

Второй такт двигателя начинается при закрытых клапанах движением поршня от НМТ до ВМТ. При этом происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры (линия 1-2). Перед тем как поршень достигнет ВМТ, происходит воспламенение топлива, в результате чего происходит дальнейшее увеличение давления и температуры. Сам процесс сгорания топлива (линия 2-3) завершается уже при прохождении поршнем ВМТ. Второй такт двигателя считается завершенным при достижении поршнем ВМТ.

Третий такт двигателя характеризуется перемещением поршня от ВМТ до НМТ, это рабочий такт. Только в этом такте получается полезная механическая работа. Полное сгорание топлива завершается в точке 3 и на линии 3-4 происходит расширение продуктов сгорания.

Четвертый такт двигателя начинается при достижении поршнем НМТ и открытии выхлопного клапана 2к. При этом давление газов в цилиндре резко падает и при движении поршня в сторону ВМТ газы выталкиваются из цилиндра. При выталкивании газов в цилиндре давление больше атмосферного, т.к. газам необходимо преодолеть сопротивление выхлопного клапана, выхлопной трубы, глушителя и т.п. в выхлопном тракте двигателя. Достигнув поршнем положения ВМТ, клапан 2к закрывается и цикл ДВС начинается заново с открытия клапана 1к и т.д.

Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой 0-1-2-3-4-0, соответствует двум оборотам коленчатого вала двигателя (полных четыре такта двигателя). Для расчета мощности ДВС применяется среднее индикаторное давление двигателя Рi. Это давление соответствует площади 0-1-2-3-4-0 (рис. 11.1), деленной на ход поршня в цилиндре (расстояние между ВМТ и НМТ). Используя индикаторное давление, работу ДВС за два оборота коленчатого вала можно представить в виде произведения Рi на ход поршня L (площадь заштрихованного прямоугольника на рис. 11.1) и на площадь сечения цилиндра f.

Индикаторная мощность ДВС в расчете на один цилиндр в киловаттах определяется выражением

, (11.1)

где Рi – среднее индикаторное давление, кПа;

f – площадь поперечного сечения цилиндра, м2;

L – ход поршня, м;

n – число оборотов коленчатого вала, с-1;

V=fL – полезный объем цилиндра (между ВМТ и НМТ), м3.

Коэффициент ½ в уравнении (11.1) соответствует четырехтактному двигателю, в котором один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала.

Из уравнения (11.1) следует, что мощность ДВС прямо пропорциональна среднему индикаторному давлению, объему цилиндра и числу оборотов коленчатого вала. Максимальное число оборотов у большинства ДВС одинаково, это объясняется прочностными характеристиками металла в двигателе. Среднее индикаторное давление у одинаковых типов ДВС тоже одинаково. Поэтому объем цилиндра ДВС практически определяет его мощность, что и используется в бытовой практике для оценки мощности ДВС.

11.2. Термодинамический анализ циклов ДВС

Действительный цикл ДВС очень сложный по своим физико-химическим превращениям рабочего тела и разомкнут.

Для упрощения термодинамического анализа циклов ДВС примем ряд допущений.

1. Количество рабочего тела в цикле ДВС будем считать неизменным и равным расходу воздуха. Это допущение объясняется малым процентным массовым расходом топлива по отношению к расходу воздуха.

2. Свойства рабочего тела будем считать соответствующими свойствам идеального двухатомного воздуха с постоянными изобарными и изохорными теплоемкостями.

3. Будем считать, что процесс выхлопа отработавших газов и процесс забора новой порции воздуха взаимно компенсируют друг друга (их нет). Это возможно, т.к. оба эти процесса идут практически при постоянном давлении окружающей среды в противоположных направлениях.

4. Процесс отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду заменим изохорным процессом охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды. То есть условно будем считать цикл замкнутым, а охлаждение рабочего тела осуществляется прямо в цилиндре при закрытых клапанах до температуры окружающей среды.

5. Процессы расширения и сжатия рабочего дела соответствуют адиабатным процессам. Эти процессы быстротечны, поэтому можно считать их адиабатными.

6. Процессы подвода теплоты к рабочему будем считать в зависимости от типа двигателя изохорными или изобарными.

11.3. Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

теплоты к рабочему телу при постоянном объеме

Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме соответствует карбюраторному двигателю. В этом двигателе в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, которая сжимается и за счет искры в электрической свече воспламеняется (рис. 11.2). Процесс горения топлива быстротечен и происходит практически при пос
тоянном объеме.

И
сходя из допущений, принятых в разделе 11.2, идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме можно показать в T,s — диаграмме в виде рис. 11.3.

В термодинамическом анализе экономичности циклов ДВС используются отношения объемов и давлений: – степень сжатия и – степень повышения давления. Эти относительные величины позволяют по известным параметрам рабочего тела в точке 1 (состояние равновесия с внешней средой) определить все термические параметры в характерных точках цикла ДВС. Так, при известных v1, P1 и T1 остальные параметры определяются соотношениями:

; ; ;

; ;

;

; ;

.

Используя данные соотношения, определяются основные величины, характеризующие экономичность цикла:

количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу

; (11.2)

количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела

; (11.3)

удельная работа цикла

; (11.4)

термический КПД цикла

; (11.5)

где , т.к. для адиабатных процессов 1-2 и 3-4, проходящих в интервале одинаковых объемов v1 и v2, справедливо соотношение .

Термический КПД цикла можно выразить через степень сжатия 

. (11.6)

Из уравнения (11.6) следует, что термический КПД ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме определяется показателем адиабаты и степенью сжатия. Чем больше степень сжатия и показатель адиабаты, тем больше КПД цикла (рис. 11.4).

П
оказатель адиабаты зависит от вида топлива и для реальных ДВС находится в диапазоне от к=1,33 до к=1,35.

Степень сжатия в ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме ограничена температурой самовоспламенения топливовоздушной смеси. В зависимости от вида топлива максимальные значения  находятся в диапазоне от 7 до 10. При превышении степени сжатия этих значений самовоспламенение и сгорание топлива происходит раньше, чем поршень достигнет ВМТ. Это явление детонации связано с разрушением цилиндра.

Термический КПД таких двигателей составляет 50 – 55 %. Это весьма большие значения. Однако в реальном цикле таких ДВС необратимости в адиабатных и ряде других процессов (принудительное охлаждение цилиндра, выхлоп и забор рабочего тела и т.д.) снижает их КПД до 25 – 30 %.

11.4. Термодинамический анализ циклов ДВС с подводом

теплоты к рабочему телу при постоянном давлении

Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия) поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями (рис. 11.5).

В
оздух поступает в цилиндр двигателя и сжимается до 30 – 36 бар, в конце сжатия температура воздуха достигает 600 – 800 оС. Впрыск топлива осуществляется при достижении поршнем ВМТ. Для распыления топлива используется форсунка, куда компрессором подается сжатый воздух. Топливо самовоспламеняется, а процесс его горения идет одновременно с движением поршня в сторону НМТ.

Условно такой процесс подвода теплоты к рабочему телу считается изобарным. После полного сгорания топлива расширение продуктов сгорания топлива приводит к перемещению поршня в НМТ. Далее осуществляется выхлоп продуктов сгорания и перемещение поршня в ВМТ.

Условный идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении показан на рис. 11.6.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия и степень предварительного расширения . Используя эти характеристики и параметры первой точки, остальные параметры цикла определяются соотношениями:

; ; ;

; ; ;

; ; .

Термический КПД цикла определяется выражением

. (11.7)

Выразив температуры в выражении (11.7) через Т1 и характеристики цикла, получим выражение КПД в виде

. (11.8)

Из уравнения (11.6) видно, что чем больше степень сжатия и меньше степень предварительного расширения, тем больше КПД. Снижение КПД за счет увеличения степени предварительного расширения объясняется тем, что изобара Р2 более пологая, чем изохора v1. При увеличении  точка 3 стремиться к точке 4, что приводит к большему возрастанию q2 по отношению к q1.

Зависимость КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении от степени сжатия и степени предварительного расширения показана на рис. 11.7.

Из рис. 11.7 видно, что несмотря на большую степень сжатия, дизельный двигатель имеет практически такой же термический КПД, как и цикл карбюраторного двигателя. Внутренний относительный КПД этих двигателей также практически одинаков. При этом необходимо отметить, что нулевые значения КПД дизельного двигателя соответствуют степеням сжатия больше единицы, возрастающим с увеличением значения .

Основным преимуществом дизельного двигателя является отсутствие карбюратора и возможность использования низкосортного жидкого топлива.

Основным недостатком дизельного двигателя является необходимость больших затрат работы на привод топливного насоса и компрессора по сравнению с карбюраторным двигателем.

Этот недостаток вызван большим давлением воздуха в цилиндре, куда впрыскивается топливо, и необходимостью его распыливания воздухом через форсунку (она имеет значительное гидравлическое сопротивление). К недостатку дизельного двигателя относится и его тихоходность (малые обороты коленчатого вала), что определяет медленный процесс сгорания топлива в двигателе.

11.5. Термодинамический анализ цикла ДВС со смешанным

подводом теплоты к рабочему телу

В 1904 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил бескомпрессорный двигатель со смешанным подводом теплоты к рабочему телу. Усовершенствованные двигатели, работающие по предложенному Тринклером принципу, работают во многих современных «дизельных» двигателях (рис 11.8).

В
оздух, сжатый до температуры самовоспламенения топлива в основном цилиндре двигателя (поршень в положении ВМТ), через узкое отверстие поступает в малую камеру (форкамеру), куда через механическую форсунку впрыскивается топливо. Топливо в форкамере самовоспламеняется и создает давление газов большее, чем давление воздуха в основном цилиндре. За счет разности давлений газы и несгоревшее топливо из форкамеры выбрасываются с большой скоростью через узкое отверстие в основной цилиндр. В основном цилиндре происходит интенсивное перемешивание газов и топлива с воздухом и окончательное сгорание топлива при одновременном перемещении поршня в цилиндре в сторону НМТ. Дальнейшее перемещение поршня до НМТ осуществляется за счет расширения продуктов сгорания топлива.

В
таком двигателе процесс сжигания топлива (рис. 11.9) состоит из двух стадий: 1) частичное сгорание топлива в форкамере при постоянном объеме (процесс 2-3), 2) окончательное сгорание топлива при постоянном давлении в основном цилиндре (процесс 3-4).

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия , – степень повышения давления и степень предварительного расширения . Используя эти характеристики и параметры первой точки, могут быть определены остальные параметры цикла. Кроме этого, через данные характеристики можно выразить соотношения температур в характерных точках цикла, что позволит оценить их влияние на термический КПД цикла:

для адиабаты 1-2 справедливо соотношение ;

для изохоры 2-3 – ; для изобары 3-4 – .

Количество удельной теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле, определяется выражением

; (11.9)

количество удельной теплоты, отведенной от рабочего тела

. (11.10)

Термический КПД цикла ДВС можно представить уравнением

, (11.11)

где , т.к. для адиабатных процессов 1-2 и 4-5 справедливы соотношения и , при делении которых одно на другое получается равенство , в котором Р43, v5=v1, v2=v3 , следовательно, ;

соотношение температур , , .

Из уравнения (11.11) следует, что термический КПД будет увеличиваться с возрастанием значений  и  и с уменьшением .

При величине =1 выражение (11.11) превращается в уравнение для КПД компрессорного цикла, а при =1 – в уравнение для КПД дизельного цикла.

Для сопоставления термодинамической экономичности ДВС со смешанным подводом теплоты, с карбюраторными циклами и дизельными циклами необходим анализ всех параметров, определяющих эти циклы. Основные методики такого анализа рассматриваются в следующем разделе.

11.6. Сравнение термодинамической экономичности

циклов ДВС

Сравнение термодинамической экономичности различных циклов ДВС необходимо проводить с учетом выбора определенных реальных условий сравнения. В качестве таких условий могут быть выбраны реальные значения степеней сжатия  или максимально-допустимые давления газов в цилиндрах ДВС Рmax.

Рассмотрим наиболее типичные примеры сравнения экономичности циклов ДВС.

Сравнение экономичности ДВС при одинаковых значениях

q1 и допустимых величинах

В этом варианте сравнения принимаются одинаковые значения величин q1 и реальные величины  для всех типов ДВС.

Для карбюраторных двигателей допустимые значения =510, для дизельных и двигателей со смешанным подводом теплоты – =1220. Приняв равными величины  для дизельных двигателей и двигателей со смешанным подводом теплоты (величина  должна обеспечить условия самовоспламенения топлива), изобразим все три цикла ДВС при одинаковых q1 в T,s- диаграмме (рис. 11.10).

Из рис. 11.10 видно, что у карбюраторного ДВС (цикл 1-2-3-4-1) наибольшее значение потерь теплоты q2, которое соответствует площади под процессом 4-1. У дизельного двигателя (цикл 1-5-6-7-1) потери теплоты меньше, чем у карбюраторного на величину q2’ (площадь под процессом 4-7). У ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл 1-5-8-9-10-1) потери теплоты меньше, чем у дизельного двигателя на величину q2” (площадь под процессом 7-10). Следовательно, термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты наибольший, а КПД карбюраторного двигателя наименьший:

.

При данных условиях сравнения ДВС со смешанным подводом теплоты будет самым экономичным.

Сравнение экономичности ДВС при одинаковых

значениях q1 и Рмах

В этом варианте сравнения принимаются одинаковые значения величин q1 и одинаковые значения максимального давления в цилиндрах для всех типов ДВС. При таком сравнении величина  для двигателя со смешанным подводом теплоты должна быть меньше, чем у дизельного двигателя.

Изображение циклов ДВС при данных условиях сравнения в T,s- диаграмме приведено на рис. 11.11.

Из рис. 11.11 видно, что наибольшие потери теплоты q2 у карбюраторного цикла 1-2-3-4-1 (площадь под процессом 4-1). У ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл 1-8-9-10-11-1) потери q2 меньше, чем у карбюраторного двигателя на величину q2’ (площадь под процессом 4-11). У дизельного двигателя (цикл 1-5-6-7-1) потери q2 наименьшие, они меньше, чем у ДВС со смешанным подводом теплоты на величину q2” (площадь под процессом 11-7). Следовательно, термический КПД дизельного двигателя наибольший, а КПД карбюраторного ДВС наименьший:

.

При данных условиях сравнения дизельный ДВС будет самым экономичным. Из данных примеров сравнения экономичности ДВС видно, что условия, при которых сравнивается экономичность ДВС, могут играть определяющую роль.

Необходимо отметить, что термические КПД ДВС не полностью характеризуют экономичность двигателей. Внутренние абсолютные КПД ДВС, учитывающие необратимости в реальных процессах: сжатия и расширения рабочего тела, принудительного охлаждения цилиндра, забора и выхлопа рабочего тела и т.п., – намного меньше термических КПД. Средние значения эффективных КПД (с учетом механического трения в коленчатом вале) современных ДВС приведены в таблице.

Эффективность современных ДВС

Тип двигателя

Эффективный КПД е

Степень сжатия 

Карбюраторный

0,25 0,30

6 10

Дизельные *

0,30  0,34

12  18

Со смешанным подводом теплоты **

0,33  0,42

13  20

* В настоящее время редко встречаются

** Этот тип двигателей часто называют дизелями, т.к. большинство современных бескарбюраторных ДВС работает со смешанным подводом теплоты

В настоящее время широко используются и карбюраторные двигатели, и двигатели со смешанным подводом теплоты. Последние называют дизелями, поскольку настоящие дизельные ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении сейчас практически не изготавливают. Необходимость установки воздушного компрессора усложняет конструкцию дизельного ДВС и приводит к увеличению его стоимости и снижению надежности работы.

Окончательные выводы о целесообразности установки карбюраторных или дизельных ДВС для привода конкретных устройств (автомобиль, самолет, теплоход, передвижная электростанция и т.п.) требуют технико-экономических расчетов. На практике оба типа ДВС имеют применение, поскольку они вполне конкурентно-способны.

Вопросы для самоподготовки к главе 11

1. Какие основные преимущества у ДВС по сравнению с турбинными двигателями ?

2. Покажите в индикаторной диаграмме основные процессы, соответствующие четырехтактному ДВС.

3. Перечислите основные величины, характеризующие мощность четырехтактного ДВС.

4. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме карбюраторного (с подводом теплоты при v=const) ДВС.

5. Какие величины характеризуют термический КПД карбюраторного ДВС и какие ограничения существуют в технической реализации его увеличения ?

6. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме дизельного (с подводом теплоты при Р=const) ДВС.

7. Какие величины характеризуют термический КПД дизельного ДВС ?

8. Какие основные недостатки имеют дизельные ДВС ?

9. Покажите схему и основные процессы цикла в Т,s- диаграмме ДВС со смешанным подводом теплоты (с подводом теплоты при v=const и Р=const).

10. Какие величины характеризуют термический КПД ДВС со смешанным подводом теплоты ?

11. Какие основные преимущества имеют ДВС со смешанным подводом теплоты по сравнению с дизельными ДВС ?

12. Покажите с помощью изображения карбюраторного, дизельного и со смешанным подводом теплоты циклов ДВС в T,s- диаграмме какой из них имеет наибольший термический КПД при условии их сравнения с одинаковыми значениями q1 и допустимыми значениями  .

13. Покажите с помощью изображения карбюраторного, дизельного и со смешанным подводом теплоты циклов ДВС в T,s- диаграмме какой из них имеет наибольший термический КПД при условии их сравнения с одинаковыми значениями q1 и Рmax.

14. Какой тип современных ДВС имеет наибольший КПД (при учете необратимостей их реальных процессов) и каких значений у этого ДВС достигает степень сжатия рабочего тела в цилиндре ?

12. ЦИКЛЫ ВОЗДУШНЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В реактивном двигателе сила тяги обусловлена силой реакции потока газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих с большой скоростью из сопла двигателя во внешнюю среду.

Идея создания реактивного двигателя принадлежит Н.И. Кибальчичу (1880 г.), а фундаментальное теоретическое обоснование принципа работы таких двигателей было сделано К.Э. Циалковским в 1903 г.

Появление таких двигателей было вызвано необходимостью создания самолетов, а в последствии и ракет, имеющих большие скорости движения. Для достижения больших скоростей самолета или ракеты необходим двигатель с малой удельной массой на единицу его мощности.

Существует два основных типа реактивных двигателей: ракетные, использующие в качестве топлива водород, озон, перекись водорода и т.п., окислитель – кислород; воздушные реактивные двигатели, использующие жидкое топливо, окислитель – атмосферный воздух (это двигатели для самолетов).

Остановимся на рассмотрении циклов воздушных реактивных двигателей (ВРД).

12.1. Цикл прямоточного ВРД

В этом двигателе используется скоростной напор воздуха летательного аппарата для предварительного сжатия воздуха в диффузоре (рис. 12.1).


10

 

Газ циклы питания

 

10.1 Циклы поршневого внутреннего сгорания двигатели

 

Как видно из его Название, двигатель внутреннего сгорания – это тепловой двигатель, в котором тепло передается рабочего тела путем сжигания топлива в двигателе. В этих двигателях на первой ступени рабочей средой является воздух или смесь воздуха и легко легковоспламеняющееся топливо, а на втором этапе продукты сгорания этого жидкое или газообразное топливо (бензин, керосин, солярка и др.). В газовых двигателях этот рабочая среда не испытывает очень высоких давлений, а ее температура значительно выше критической температуры, что позволяет рассматривать рабочую среда как идеальный газ, тем самым значительно упрощая термодинамическую 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, находится как бы внутри самого двигателя, нет необходимости для больших теплообменных поверхностей, через которые тепло передается от высокотемпературный источник рабочей среды.Это преимущество позволяет компактно конструкций двигателей внутреннего сгорания по сравнению с теплоэлектростанциями. То Второе преимущество двигателей внутреннего сгорания состоит в следующем. Для тепловые двигатели, в которых теплота подводится к рабочему телу от внешнего высокотемпературный источник, самая верхняя температура цикла рабочей среды 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 температуры сопровождается снижением предела прочности материалы).Верхнее значение постоянно меняющейся температуры рабочее тело, к которому подводится тепло не через стенки внутреннего двигателя внутреннего сгорания, а за счет тепла, выделяющегося в объеме рабочего тела сама по себе может значительно превысить этот предел. Следует также иметь в виду, что стенки цилиндров и головка двигателя принудительно охлаждаются, что позволяет значительное увеличение температурного диапазона цикла, и тем самым повышение его теплового КПД.

Двигатели внутреннего сгорания (поршневого типа) используются для привода автомобилей, тракторов, малых самолеты и т.п.

Основной компонент любого поршневой или поршневой двигатель представляет собой цилиндр с поршнем, соединенным к внешнему потребителю работы посредством кривошипно-шатунного механизма. Цилиндр имеет два отверстия с клапанами, через одно из которых рабочая среда (воздух или топливно-воздушная смесь) всасывается (нагнетается) в цилиндр, а через другой клапана рабочая среда выбрасывается по завершении 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 В = const, а затем при p = const).

Давайте рассмотрим Отто цикл (назван по имени немецкого инженера Н. Отто, разработавшего этот цикл в 1876 ​​г.).

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

 

 

Рис. 10.1

 

Поршень I поршневой в цилиндре II с впускным ( III ) и выпускным (IV) клапанами. В процессе а-я поршень движется слева направо, внутри создается разрежение цилиндр, впускной клапан III открывается а горючая смесь, приготовленная в специальном устройстве — карбюраторе, впрыскивается в цилиндр.В цикле Отто топливная смесь состоит из воздуха. смешанный с некоторым количеством паров бензина (или паров другого топливо). После достижения поршнем крайнего правого положения и процесса заполнение цилиндра топливной смесью прекращается и впускной клапан закрывается, поршень начинает двигаться в обратном направлении, справа на осталось. 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 индикаторная диаграмма, топливная смесь воспламеняется с помощью свечи зажигания В. С момента сгорания топливной смеси происходит мгновенно и поршень не успевает двигаться, процесс сгорания можно предположить, что они протекают изохорно. Горение сопровождается выделение тепла, затрачиваемого на нагрев рабочего тела, заполняющего цилиндр. Как результате его давление повышается до величины, соответствующей точке 3 на индикаторная диаграмма.Это давление заставляет поршень снова двигаться слева направо. правильно и совершать работу расширения, которая передается внешнему потребитель. После достижения поршнем правой мертвой точки (ПМТ) срабатывает специальный устройство срабатывает для открытия выпускного клапана IV и давление в баллоне снижается до значения, несколько превышающего атмосферное давления (процесс 4-5), с долей газа, выходящей из баллона. Затем поршень снова перемещается справа налево, выбрасывая оставшуюся часть. отработанного или выхлопного газа в атмосферу.

Затем новый цикл инициирует с подсосом новой порции горючей смеси сжатие смесь и так далее.

Так, поршень внутреннего работа двигателя внутреннего сгорания по циклу Отто осуществляется в течение цикл из четырех тактов: впуск или впуск, сжатие, расширение при сгорание топливной смеси и выхлоп или выброс продуктов сгорания продукты в атмосферу.

Анализировать удобно 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, нанесенной на единицу массы рабочего тела.

 

 

 

Рис. 10.2

 

Реальный цикл внутреннего двигатель внутреннего сгорания открытого цикла, так как рабочее тело всасывается в двигатель снаружи и выбрасывается в атмосферу по завершении цикла.Таким образом, в каждом случае участвует новая порция рабочего тела. цикл. Поскольку количество топлива, содержащегося в топливной смеси и подается в цилиндр двигателя относительно мало по сравнению с количеством воздуха, для облегчения анализа цикла двигателя внутреннего сгорания можно считать закрытым. Будем также считать, что рабочее тело циклом является воздух, количество которого в двигателе остается постоянным, и это тепло q 1 добавляется к рабочему среды от внешнего высокотемпературного источника изохорно через цилиндр (процессы 2-3) и, соответственно, теплота q 2 отбрасывается из рабочее тело 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) протекают в достаточно короткие промежутки времени, может отсутствовать заметный теплообмен с окружающей среды, и можно предположить, что эти процессы протекают адиабатически с хорошее приближение.

Таким образом, идеальный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и два изохоры (изохора подвода тепла 2-3 и изохора отвода тепла 4-1). Изображена работа, совершаемая двигателем за цикл (производительность цикла). по телефону 2-3-4-1-2.

Определим тепловой КПД цикла Отто.

Количество теплоты q 1 добавленное к рабочему телу в изохорный процесс 2-3 определяется из уравнения. (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 температурном интервале (если рабочее тело считать — идеальный газ с постоянной теплоемкостью, то c v — постоянная теплоемкость такого газа).

Количество отведенного тепла из рабочей среды в изохорном процессе 4-1 составляет

 

(10.2)

 

, где T 4 и T 1 — температуры рабочее тело до и после отвода тепла.

Отсюда следует, что в в соответствии с общим определением

 

 

тепловой КПД цикл Отто можно выразить следующим образом

 

(10.3)

 

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

 

(10.4)

 

Для идеального газа, подвергающегося адиабатическом процессе отношение определяется из соотношения (7.60а):

 

 

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

 

(10.5)

 

Величина ε называется сжатием соотношение.

Уравнение (10.5) с учетом можно представить уравнение (7.60а) в следующем форма:

 

(10,6)

 

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

 

(10.7)

 

и

 

(10.8)

 

Уравнение деления. (10.8) по (10.7) и учитывая, что v 2 = v 3 , и 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 становится:

 

(10.11)

Термическая эффективность цикл Отто изображен на рис. 10.3 в зависимости от степени сжатия ε для к = 1,35.

 

 

Рис. 10.3

 

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

Вывод о том, что предварительное сжатие (поджатие) рабочего тела (газа) приводит к более высокий тепловой КПД двигателя весьма важен, и он будет ниже показано, что этот вывод справедлив для любого двигателя внутреннего сгорания.

 

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

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

 

Таким образом, с точки зрения более высокий тепловой КПД целесообразно повысить степень сжатия в всеми возможными способами. Однако на практике оказывается, что работать невозможно. двигателей с очень высокой степенью сжатия ε, сопровождающейся увеличением температуры и давления, в связи с тем, что при достижении определенного степень сжатия часто имеет место самовоспламенение топливной смеси до прихода поршня в крайнее левое положение в цилиндре.Как правило, этот процесс связан с появлением стука, или детонации, и разрушает компоненты двигателя. Так, для обычных карбюраторных двигателей степень сжатия не превышает двенадцати. Степень сжатия зависит от качество сжигаемого топлива, повышающееся за счет улучшения антидетонационных свойств топлива, характеризуемого октановым числом.

Тепло q 1 добавлено в рабочий среда в цикле Отто (см. диаграмму T-s , показанную на рис.10.4) есть представлена ​​на диаграмме T-s областью a-2-3-b-a, и тепло q 2 отклонено от рабочей среды, по участку 1-2-3-4-1.

 

 

Рис. 10.4

 

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

Степень сжатия ε можно поднять, если не топливная смесь, а только чистый воздух сжатый. Затем топливо впрыскивается в цилиндр двигателя после компрессия прекращается. Дизельный цикл (назван в честь немецкого инженера Р. Дизель) основан именно на этом принципе. Двигатель внутреннего сгорания работающий по этому циклу, был построен Дизелем в 1897 г. Схематическая диаграмма двигателя, работающего по дизельному циклу, и индикаторную диаграмму этого двигатель представлены на рис.10.5. В процессе а-1 атмосферный воздух всасывается в цилиндр, и в процессе 1-2 этот воздух подвергается адиабатическое сжатие до давления p 2 (Дизельные двигатели обычно работают с степень сжатия ε в диапазоне от 15 до 16). Затем сжатый воздух начинает расширяться и одновременно заправляться топливом (керосином или солярка) впрыскивается в цилиндр через специальный впрыск топлива клапан. Топливо воспламеняется из-за высокой температуры сжатого воздуха. и горит при постоянном давлении, которое обеспечивается расширением газа от v 2 до v 3 at p = const.Поэтому дизельный цикл называют циклом сгорания при постоянном давлении. цикл.

 

 

Рис. 10.5

 

 

После процесса топлива впрыск прекращается (точка 3), далее расширение рабочего тела следует адиабате 3-4. В штате соответствует пункту 4 выпускной клапан открывается, давление в цилиндре восстанавливается до атмосферного (по изохоре 4-5) и затем газ выбрасываются из баллона в атмосферу (строка 5-б). Таким образом, Дизельный цикл представляет собой четырехтактный цикл.

Для облегчения анализа пусть Заменим этот цикл Дизеля термодинамически эквивалентным идеальным замкнутым циклом. цикл, реализуемый с чистым воздухом. Диаграмма p-v этого цикла показана на рис. Рис. 10.6. Как видно из этой диаграммы, идеальный цикл Дизеля включает две адиабаты (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4), изобара 2-3 вдоль которой теплота q 1 переносится из высокотемпературного источника, а изохора 4-1 по которому тепло q 2 отводится в низкотемпературную источник, или сток.

 

 

Рис. 10.6

 

Рассчитаем тепловую эффективности этого цикла (предполагая, как и прежде, что воздух, используемый в качестве рабочего среда в этом цикле – идеальный газ с постоянной теплоемкостью).

Позвольте представить еще один обозначение степень предварительного расширения ρ:

 

(10.12)

 

Из общего выражения для, тепловой КПД любого цикла,

 

 

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

 

 

и в изобарическом процессе 2-3

 

(10.13)

 

получаем:

 

(10.14)

 

или, принимая уравнение (7.55) с учетом,

 

(10.15)

 

 

Когда идеальный газ подвергается изобарический процесс,

 

(10.16)

 

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

 

 

 

С учетом v 4 = v 1 и p 2 = p 3 и разделив уравнение.(10.8) по уравнению (10.7), получаем:

 

(10.17)

 

Замена в уравнении. (10.17) P P 1 и P 4 на Isochor V 4 = V 1 , следующие Clapeyron уравнение и с учетом уравнения (10.12), получаем:

 

(10.18)

 

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

 

(10.19)

 

Это соотношение показывает что тепловой КПД дизельного цикла тем выше, чем больше степень сжатия отношение ε (как и в цикле Отто) и тем меньше величина ρ.

Термическая эффективность Цикл Дизеля изображен на рис.10.7 в зависимости от сжатия отношение ε для различных значений величины ρ и при k = 1,35.

 

 

Рис. 10.7

 

Дизельный цикл представлен на схеме Т-с на рис. 10.8. Количество q 1 представлено на Диаграмма площадью а-2-3-ба, количеством q 2 площадью а-1-4-ба и работой цикла л с представлена площадь 1-2-3-4-1.

 

 

Рис. 10.8

 

Сравним тепловые КПД циклов Отто и Дизеля. Эти циклы можно сравнить предполагая для двух циклов либо одинаковую степень сжатия ε, либо одинаковая наивысшая температура рабочего тела, проходящего циклы ( T 3 ). Также подразумевается, что начальные свойства рабочей среды при начальная точка цикла ( p 1 , v 1 , T 1 ) одинаковы для двух циклов.

Если степень сжатия считается одинаковым для двух циклов, то из уравнений (10.11) и (10.21), что тепловой КПД цикла Отто превышает тепловой КПД Дизельный цикл. Однако вряд ли уместно сравнивать тепловые КПД этих циклов при одной и той же степени сжатия ε, поскольку, как уже было упомянутое выше, преимущество цикла Дизеля состоит в его способности реализовать цикл с более высокими степенями сжатия.

Сравнение тепловых КПД циклов Отто и Дизеля реализуется при одном и том же максимальном цикле. температура (T 3 ) показывает, что тепловой КПД дизельный цикл выше. В частности, это видно из схемы Т-с , представленной на рис. 10.8; начиная с c p > c v т.е.

, это следует, что на диаграмме T-s изохора идет круче, чем изобара (на рис.10.8 пунктирной линией изображена изохора цикла Отто), указывающая что отношение площадей цикла Дизеля больше, чем у цикла Отто. Сравнивая два цикла при условии, что работа l c = q 1 q 2 одинакова для двух циклы реализуются при одном и том же максимуме давление, мы легко можем видеть, что больше тепла q 2 участвует в Цикл Отто, чем в цикле Дизеля, и тепловой КПД ниже.Такой сравнение более оправдано и дает основания считать цикл Дизеля быть более эффективным, чем цикл Отто.

Следует также отметить что дизельный двигатель, не требующий карбюрации топлива, может быть эксплуатировался на менее качественном топливе.

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

Своего рода гибрид Циклы Отто и Дизеля — это смешанный (или двойной) тринклер сгорания. 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 воздух сжимается адиабатически за счет инерции маховика, установленного на валу двигателя; в воздух нагревается в процессе сжатия до температуры, обеспечивающей воспламенение подача жидкого топлива в форкамеру (процесс 1-2 ) . Форма и расположение Форкамера способствует лучшему смешиванию топлива и воздуха, в результате чего быстрое сгорание части топлива в малом объеме форкамера (процесс 2-5 ).

 

 

 

Рис. 10.9

 

Из-за повышения давления в форкамере смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов образующееся в нем горение форсируется в рабочий цилиндр, где происходит сгорание происходит несгорание топлива, сопровождающееся смещением поршня из слева направо при приблизительно постоянном давлении (процесс 5-3 ) . По окончании подачи топлива горение продукты сгорания расширяются адиабатически (процесс 3-4 ) ; выхлопные газы затем выталкивается из цилиндра (процесс 4-1 ).

 

 

Рис. 10.10

 

Таким образом, при двойном сгорании тепло двигателя q 1 , первый добавлено по изохоре ( q’ 1 ), затем по изобаре ( q 1 » ).

В отличие от дизельного двигателя a двигатель двойного сгорания не требует компрессора высокого давления для обеспечения распыления жидкого топлива: жидкое топливо, подаваемое в форкамеру с сравнительно низкого давления распыляется (распыляется) струей сжатого воздуха исходящий из цилиндра двигателя. Кроме того, двойной цикл сгорания сохраняет в некоторой степени преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто. цикла, так как часть процесса сгорания топлива протекает при постоянном давление.

Определим тепловой КПД двойного цикла сгорания.

Количество теплоты q 2 [тепло, отведенное вдоль изохора ( 4-1 )] присутствует, в общем соотношении для теплового КПД,

 

 

находится по-прежнему из соотношения (10.2):

 

 

, тогда как количество q 1 является суммой тепла добавляется в изохорном 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 тепловой КПД смешанного, или двойного, цикла сгорания составляет

 

(10.23)

 

или

 

(10.24)

 

Для изохоры 4-1 Клапейрона уравнение дает:

 

(10.25)

 

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

Уравнение деления. (10.8) по уравнению (10.7) и учитывая, что получить:

 

(10.26)

 

Начиная с р 3 = р 5 (изобара 5-3), а v 2 = v 5 (изохора 2-5), выше отношения могут быть преобразованы в

 

(10.27)

 

, где — отношение давлений в изохорном процессе сгорания, а – степень предварительного расширения в изобарический процесс горения.

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

 

(10.28)

 

Для изохоры 2-5

 

(10.29)

 

и для изобары 5-3

 

(10.30)

 

Наконец, в соответствии с уравнение(10.6),

 

 

С учетом уравнений (10.28)-(10.30) и (10.6), получаем из соотношения (10.24):

 

(10.31)

 

При 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 тепловым КПД циклов Отто и Дизеля, мы видим, что при одинаковой степени сжатия ε

 

(10.32)

 

и при равных максимальных температурах цикла ( T 3 )

 

(10.33)

 

Приведенные выше неравенства проиллюстрировано графически на схеме T-s , представленной на рис. 10.11. В В частности, соотношение (10.33) следует из того, что во всех трех циклах количество теплоты q 2 , равно площади а-1-4-б-а, — максимальный объем работы в цикле Дизеля (область 1-2b-3-4-1 ), средний объем работы в двойном цикле. цикл горения (область 1-2-5-3-4-1 ) и минимальный выход работы в цикле Отто (область 1-2a-3-4-1 ).

 

 

Рис. 10.11

 

Следует также отметить, что в четырехтактных двигателях на такте впуска и выпуска (выброс продукты сгорания), протекающие примерно при атмосферном давлении. двигатель выполняет нехарактерную работу. Поэтому в современных высокоскоростных поршневые двигатели, например, двигатели мотоциклов, весь рабочий цикл реализуется в два такта.Такты впуска и выпуска (выброса) исключаются, так как рабочее тело поступает в цилиндр и выбрасывается из 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, реализованных в двигателе внутреннего сгорания двигатели справедливы только для идеальных циклов без учета необратимости и по ряду других факторов.В реальных циклах свойства рабочего среда (воздух, во время первых двух тактов дизельного цикла и двойного цикл горения или горючая смесь в цикле Отто; воздух и продукты сгорания во время следующих тактов) отличаются от идеального газа с постоянная теплоемкость; из-за неизбежных трений процессы адиабатическое сжатие и расширение протекают не по изэнтропе, а с возрастающая энтропия; принудительное охлаждение стенок цилиндров еще больше увеличивает отклонение этих процессов от изоэнтропных.Горение происходит в короткие, но тем не менее конечные промежутки времени, в течение которых поршень время, чтобы сместиться на определенное расстояние, так что состояние изохорность процесса не так строго соблюдается; есть механические потери в механизме тоже.

То же рассуждение относится к процессу выхлопа, когда выпускной клапан открывается.

Поэтому при переходе от идеального термодинамического циклов, исследованных выше, к реальным циклам, мы должны ввести понятие относительный КПД двигателя, величина которого определяется тестирование двигателя.

 

Цикл Отто — Energy Education

Цикл Отто описывает, как тепловые двигатели превращают бензин в движение. Как и другие термодинамические циклы, этот цикл превращает химическую энергию в тепловую, а затем в движение. Цикл Отто описывает, как работают двигатели внутреннего сгорания (работающие на бензине), такие как автомобили и газонокосилки.

Приложение

Цикл Отто обеспечивает энергию для большинства видов транспорта и имеет важное значение для современного мира.В частности, подавляющее большинство автомобилей, которые сегодня можно увидеть на дорогах, используют цикл Отто для преобразования бензина в движение. Любая машина (список [1] можно продолжать и продолжать), использующая бензин, будет разделена на две категории двигателей, как показано ниже.

Страницы двигателей содержат подробную информацию об их уникальных механизмах и объяснение того, как они используют Цикл Отто, который немного изменен.

Идеальный цикл Отто

Диаграмма PV (диаграмма давление-объем) идеального цикла Отто показана на рисунке 3.Эта диаграмма моделирует, как изменения давления и объема рабочей жидкости (бензина и авиатоплива) изменяются из-за сгорания углеводородов, которые приводят в движение поршень, создавая тепло для обеспечения движения транспортного средства. Существуют движения поршня с расширением (камера увеличенного объема), возникающие при высвобождении тепловой энергии при сгорании, вызывающие работу , совершаемую газом и над поршнем. Напротив, когда поршень совершает работу над газом , камера двигателя сжимается (уменьшается в объеме). [5]

Важно отметить, что на рисунке 3 изображен идеальный процесс для любого двигателя, использующего цикл Отто. В нем описаны основные этапы работы с бензиновым двигателем. Небольшая модификация, которая изображает более реалистичную ситуацию диаграммы PV цикла Отто для двухтактного и четырехтактного двигателя, объясняется на соответствующих страницах. Работу, совершаемую двигателем, можно рассчитать, решив площадь замкнутого цикла.

Ниже описывается, что происходит на каждом шаге PV-диаграммы, на которой сгорание рабочего тела — бензина и воздуха (кислорода) изменяет движение поршня:

Зеленая линия: Называемая фазой впуска , поршень опускается вниз, чтобы позволить увеличить объем в камере, чтобы он мог «всасывать» топливно-воздушную смесь.С точки зрения термодинамики это называется изобарным процессом.


Процесс с 1 по 2: На этом этапе поршень поднимается вверх, чтобы он мог сжимать топливно-воздушную смесь, поступающую в камеру. Сжатие вызывает небольшое повышение давления и температуры смеси, однако теплообмена не происходит. С точки зрения термодинамики это называется адиабатическим процессом. Когда цикл достигает точки 2, то есть когда топливо встречается со свечой зажигания для воспламенения.


Процесс со 2 по 3: Здесь происходит сгорание за счет воспламенения топлива от свечи зажигания. Сгорание газа завершается в точке 3, в результате чего камера находится под высоким давлением и имеет много тепла (тепловой энергии). С точки зрения термодинамики это называется изохорным процессом.

Процесс с 3 по 4: Тепловая энергия в камере в результате сгорания используется для работы поршня, который толкает поршень вниз, увеличивая объем камеры.Это также известно как силовой ход , потому что это когда тепловая энергия превращается в движение для питания машины или транспортного средства.


Фиолетовая линия (процессы с 4 по 1 и фаза выхлопа ): В процессе с 4 по 1 все отработанное тепло удаляется из камеры двигателя. Когда тепло покидает газ, молекулы теряют кинетическую энергию, вызывая снижение давления. [6] Затем фаза выпуска происходит, когда оставшаяся в камере смесь сжимается поршнем для «выхлопа» наружу, без изменения давления.

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ Неполный список включает мотоциклы, пикапы, фургоны, внедорожники, газонокосилки, автомобили, многие лодки и даже некоторые портативные генераторы.
  2. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif
  3. ↑ «Файл: 4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.гиф. [Доступ: 17 мая 2018 г.]
  4. ↑ Wikimedia Commons [в сети], доступно: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
  5. ↑ Основы двигателей внутреннего сгорания», Energy.gov, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics. [Доступ: 28 мая. — 2018].
  6. ↑ И. Динчер и К. Замфиреску, Усовершенствованные системы производства электроэнергии. Лондон, Великобритания: Academic Press является выходным изданием Elsevier, 2014, с.266.

Изучение модели, близкой к реальному циклу двигателей внутреннего сгорания

Изучение модели, близкой к фактическому циклу двигателей внутреннего сгорания

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 5518

Изучение модели, близкой к реальному циклу

двигателей внутреннего сгорания M.Hamdy.A1, OME Abdel-Hafez, Hany A. Mohamed и AM Nassib Факультет машиностроения, инженерный факультет, Assuit University

1 [email protected]

метод прогнозирования производительности двигателей для экономии времени и усилий. В настоящей работе учитываются соотношение топлива и воздуха и переменная удельная теплоёмкость газа. В настоящей модели также учитываются необратимости, возникающие в результате неизоэнтропических процессов сжатия и расширения, а также потерь тепла через стенку цилиндра.Метод конечных разностей применяется для оценки состояний в процессе подвода тепла и тактов сжатия и расширения. Компьютерная программа разработана для модели, включающей все вышеперечисленные условия и параметры цикла. Экспериментальные испытания были проведены на одноцилиндровом дизельном двигателе с постоянной частотой вращения для проверки полученных результатов с использованием настоящей модели. Полученные результаты показывают хорошее совпадение с соответствующими данными, полученными в ходе экспериментальных испытаний. Другие сравнения выполняются с соответствующими результатами реальной модели двигателя, опубликованными для бензиновых и дизельных двигателей.Полученные результаты модели хорошо согласуются с соответствующими данными исследований. Изучено влияние параметров цикла (температура воздуха на входе, давление воздуха на входе, соотношение воздух-топливо, степень сжатия, эффективность сжатия и расширения) на выходную мощность и тепловой КПД. Показано, что энергетический и тепловой КПД увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения, давления воздуха на входе и степени сжатия. Для цикла бензинового двигателя оптимальное значение степени сжатия около 10 для предотвращения детонации, а для дизельного оптимальное значение около 20.С увеличением соотношения воздух-топливо выходная мощность увеличивается, а затем снижается, а тепловой КПД увеличивается, поэтому оптимальное значение соотношения воздух-топливо для бензинового двигателя составляет около 13, а для дизельного двигателя около 15. С увеличением температуры воздуха на входе выходная мощность и тепловая эффективность снижается. Удельный расход топлива уменьшается с увеличением мощности для двух циклов. Преимущество исследования заключается в том, что модель предсказывает оптимальные параметры работы. Полученные результаты будут более реалистичными и применимы при оценке эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Ключевые слова: Отто, дизель, двойное, необратимое горение, производительность, теплопередача

1 ВВЕДЕНИЕ

—————————— двигатели внутреннего сгорания используют стандартную модель энергетического цикла воздуха для проведения термодинамического анализа. Такие модели используются для того, чтобы показать влияние различных параметров и условий двигателя на производительность. Этот тип анализа обеспечивает чрезвычайно щедрые прогнозы производительности тепловых двигателей.Для более обоснованной оценки потенциала работоспособности реального цикла необходимо учитывать основные необратимости и потери тепла более

————————————————

М. Хамди. В настоящее время обучается по программе магистра в области машиностроения в Университете Ассуит, Египет.

Электронная почта: [email protected]

О. М. Э. Абдель-Хафез, профессор машиностроения

, Университет Ассуит, Египет.Электронная почта: [email protected]

Х. А. Мохамед, профессор машиностроения, Университет Ассуит ​​

, Египет. E-mail: [email protected]

• А. М. Насиб, доцент кафедры машиностроения

, Университет Ассуит, Египет. Электронная почта: [email protected]

рядом с практикой. Потери теплопередачи через стенку цилиндра учитывались [1]. Также изучалось влияние потерь теплопередачи и эффективности сжатия и расширения на производительность [2-4].Чжао и др. В работе [5] изучалось влияние мультинеобратимости, в основном возникающей из-за адиабатических процессов, процессов с конечным временем и потерь тепла через стенку цилиндра, на выполнение цикла. При исследованиях воздушно-стандартных энергетических циклов [1-4] рабочим телом считался только воздух. В [1-3] в качестве рабочего тела принимался воздух как идеальный газ с постоянными теплоемкостями. Многие исследователи изучали характеристики стандартных энергетических циклов воздуха, предполагая переменную удельную теплоемкость [4, 6, 7].Влияние эффективности сжатия и расширения, переменных теплоемкостей, тепловых потерь и других параметров на производительность цикла изучено в [8]. Более близкая к практике модель необратимого двойного цикла установлена ​​в [9]. В модели необратимого цикла Отто нелинейная зависимость между удельной теплоемкостью рабочей жидкости
и ее температурой, потери на трение, рассчитанные согласно

IJSER © 2014 http://www.ijser.ORG

Международный журнал научных научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май-2014 1374

ISSN 2229-5518

Nomentlature

алфавитные символы

моли газа в конце процесса

b Моль газа в начале процесса

C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль.K)

E(T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль)

∆h Энтальпия (Дж/кмоль)

M Количество молей смеси

nRl RN Количество молей образца l

P Давление (Па)

PR m RMean эффективное давление (Па) P΄ Безразмерная выходная мощность QR полученная RAфактическое выделение тепла (Дж) газовая постоянная (Дж/кмоль.K)

r Радиус кривошипа (м) T Температура (K)

TRo R Средняя температура стенки цилиндра (K) V Рабочий объем (м3)

Rs R

W Выполненная работа (Дж/кмоль)

X Атомы углерода в топливе

XB Массовая доля сгоревшего

Y Атомов водорода в топливе

z Количество молей топлива

Алфавитные символы

50009 моль газа в конце процесса в начале процесса

C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль.K)

E(T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль)

∆h Энтальпия (Дж/кмоль)

M Количество молей смеси

nRl RN Количество молей образца l

P Давление (Па)

PR m RMean эффективное давление (Па) P΄ Безразмерная выходная мощность QR полученная RAфактическое выделение тепла (Дж) газовая постоянная (Дж/кмоль.K)

r Радиус кривошипа (м) T Температура (K)

TRo R Средняя температура стенки цилиндра (K) V Рабочий объем (м3)

Rs R

W Выполненная работа (Дж/кмоль)

X Атомы углерода в топливе

Греческие символы

β Постоянная, связанная с теплопередачей (Дж/К)

ηRcomp RЭффективность сжатия (%) ηRexp RЭффективность расширения (%) ηRth RТепловой КПД (%)

Ѳ 91 5107 Ѳ Угол поворота коленчатого вала 5 5

Алфавитные символы

a Моли газа в конце процесса

b Моли газа в начале процесса

C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль.K)

E(T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль)

∆h Энтальпия (Дж/кмоль)

M Количество молей смеси

nRl RN Количество молей образца l

P Давление (Па)

PR m RMean эффективное давление (Па) P΄ Безразмерная выходная мощность QR полученная RAфактическое выделение тепла (Дж) газовая постоянная (Дж/кмоль.K)

r Радиус кривошипа (м) T Температура (K)

TRo R Средняя температура стенки цилиндра (K) V Рабочий объем (м3)

Rs R

W Выполненная работа (Дж/кмоль)

X Атомы углерода в топливе

Сокращения

(A/F) Фактическое соотношение воздух-топливо

(A/F)Rst RSСтехиометрическое соотношение воздух-топливо

B.DC Нижняя мертвая точка

DSFC Безразмерный удельный расход топлива

RPM Число оборотов в минуту

ВМТ Верхняя мертвая точка

потери при передаче описаны в [10]. Взять реальную смесь воздуха и топлива будет более реалистично.
В настоящем исследовании учитываются эффекты необратимости, связанные с эффективностью сжатия и расширения и потерями теплопередачи через стенки цилиндра.Также в настоящем исследовании рассматривается смесь воздуха и топлива с переменной удельной теплоемкостью. Метод конечных разностей применяется для оценки параметров производительности. Программа для ЭВМ предназначена для изучения влияния различных параметров на рабочие характеристики двигателей внутреннего сгорания в различных условиях эксплуатации. Результаты подтверждены экспериментальной работой и опубликованными результатами.

2 АНАЛИЗ

Фактические модели двигателей внутреннего сгорания используются для проведения термодинамического анализа двигателей внутреннего сгорания, как показано на рис.1. Цикл двигателя внутреннего сгорания можно представить тремя процессами. Первый процесс сжатия (1-2), когда поршень движется от НМТ до начала процесса сгорания, реализует такт сжатия. Второй процесс, при котором происходит сгорание, эквивалентен подводам тепла в тепловых двигателях
после того, как начальная точка сгорания (точка
2), проходящая через верхнюю мертвую точку, НМТ, достигает конечной точки сгорания(3). .Затем расширение (3-
4) будет происходить, когда поршень движется к НМТ,
производя процесс такта расширения. Последним процессом является такт выпуска, который эквивалентен отводу тепла
в тепловом двигателе.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. E(T i+1)- E(Ti) + iQi+1 (1)

3 Где i Qi+1 , i Wi+1 ,E(T) и Qсгорание – это теплота

3 потери при передаче, выполненная работа, внутренняя энергия и теплота реакции

2 соответственно.

2

Учитывая, что чистый воздух сжимается от НМТ до ВМТ

4 4 без сжигания топлива. Уравнение (1) принимает вид:

1

1

объем, В

НМТ

Кривошипный угол,Ѳ

ВМТ

-iWi+1 = E (T i+1) — i (T i+1) — E +1 (2)

Рис: 1. Схематическая диаграмма ПВ и П-Ѳ для внутреннего

Из-за небольшой разницы в П через каждый элемент срок работы
можно приблизительно оценить из:

RiRWRi+1 факт. = (RPR i + RPR i+1)

(𝑉𝑖+1−𝑉𝑖)

2𝜂𝑐

R (3)

2.1 Процесс сжатия

Поршень перемещается из нижней мертвой точки, Н.М.Т.,
, в верхнюю мертвую точку, В.М.Т., совершая такт сжатия. Для расчета изменений состояний давления P и температуры T в течение такта сжатия рабочий объем подразделяется на несколько интервалов с каждым углом поворота коленчатого вала, как показано на рис. 2. Меньшее приращение интервального объема дает более точный расчет. Нижние индексы i и i+1 используются для определения состояний в начале и в конце элемента объема.
Объем цилиндра можно рассчитать для каждого угла поворота коленчатого вала из соотношения [11]

V=VC + ПЛОЩАДЬ*(rcosѲ +l2-r2 sin2 Ѳ)1/2

Где ηc – эффективность сжатия.
В начале такта сжатия

стенка цилиндра имеет высокую температуру по сравнению с температурой воздуха на впуске, затем температура воздуха постепенно повышается до температуры, превышающей температуру стенки перед окончанием такта сжатия.Таким образом, в ходе такта сжатия ожидается очень небольшая потеря теплопередачи, и, таким образом, iQi+1 можно пренебречь.

Рис. 2. P-V схематическая диаграмма такта сжатия.

Где V, VC, l, r, AREA и Ѳ — объем цилиндра при любом угле поворота коленчатого вала, объеме зазора, длине шатуна, радиусе кривошипа, площади цилиндра и углу поворота коленчатого вала.
В начале и в конце каждого интервала применяется первый закон термодинамики.
Тогда уравнение (2) принимает следующий вид:

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1376

ISSN 2229-5518

7

известен, но P i+1 и Ti+1 неизвестны. Тогда, если T i+1 известно, можно рассчитать E(T i+1). Во-первых, применяя уравнение состояния
для состояний i и i+1:

E(T)= R � nl [(∑j=1 Ul,j Tj ) − T]

l=1

(7)

l = s

j = 70005

j = 70005

de (t)

R � JNL [(σj = 1 ul, JTJ-1) -1]

𝑃𝑖 + 1 =

𝑉𝑖

𝑉𝑖 +1

𝑑𝑖 + 1

* 𝑑𝑖

* 𝑃𝑖 (5)

* 𝑃𝑖 (5)

CV (T) =

DT

L = 1

J = N

�L = 1 NL

(8)

Уравнения (4), (5) не могут быть решены аналитически, поэтому необходимо применить численное решение, а численным методом может быть метод Ньютона-Рафсона, как показано:

(T i+1 ) n =(T i+1 )n-1 – f(E)n−1

f′(E)n−1

Где n-1, n — предыдущий след и текущий след температуры
.
Где f(E) из уравнения (4):

𝑉𝑖+1−𝑉𝑖

образцов смеси соответственно.
Затем Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (4) и
(5) соответственно. Также E(T) и Cv (T) рассчитываются из
уравнений (7) и (8) соответственно. Эти вычисления повторяются
до тех пор, пока изменение обоих значений Ti+1 и Pi+1 не станет
слишком малым.
И предыдущие шаги для всех интервалов применяются к процессу сжатия.

f(E)= E(Ti+1) — E(Ti)+ (Pi + Pi+1)

𝑑𝑑(𝐸 )

f ‘(E)=

= 0

2η𝑐𝑜𝑚𝑝

2.2 Процесс сгорания

𝑑𝑑

F ‘(E 𝑑 𝐸 (𝑑) 𝑖 + 1

Когда зажигание начинает процесс сгорания, составляет

𝑑𝑑

de (t) i

, подразделенный на количество интервалов угла поворота коленчатого вала в зависимости от продолжительности горения
, начало интервала i,

Поскольку

dT

= 0, рабочий член не очень чувствителен к T i+1
и конец, я+1.
Как показано ниже в уравнениях (7), (8), что:

dE(T)i+1

Поскольку объем постоянен, работа не совершается, dW = 0, первый закон для периода горения принимает вид:

f ‘(E) =

dT

=M * Cv (T)i+1

Поскольку объем постоянен, работа не совершается, dW = 0,
Где M число молей смесей
Итак,
первый закон для периода горения принимает вид: 1) N-1

-P (V

I + 1

-VI) = E (T

I + 1

) -E (Ti) — ΔQ

𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛

+ ΔQ

𝑙𝑜𝑠𝑠

(9)

Ti+1 оценивается для первой трассы при допущении изоэнтропического изменения условий состояния в Ti как

)R/Cvi

(6)
Где ∆Q𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 R

и ∆Q𝑙𝑜𝑠𝑠 9000 5

– теплота сгорания в интервале

Vi+1

Vi+1

и тепловые потери.
Внутренние энергии E(T i ), E(T i+1 ) и удельные теплоемкости Cv (Ti), Cv(T i+1 ) рассчитываются исходя из состава газа и температуры, как в [12].
Последнее уравнение решается методом Ньютона-Рафсона до тех пор, пока не будет выполнено, как показано:

f′(E)n−1

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1377

ISSN 2229-5518

Где n-1, n — предыдущий трейл и текущий трейл температуры.
Где f(E) из уравнения (9):
f(E)= E(T i+1 )- E(Ti) — ∆Qсгорание + ∆Qпотеря = 0

df(E)

f ‘( E)=

dT

f ‘(E dE(T)i+1

Таким образом, a1 = XBi *z*x, a2 = XBi *z*(y/2), a3 = z*(x+ y/4)
*((A/F)/(A/F)st — XBi ), a4 =b4, a5 =0
Где XB – массовая доля сгорания при каждом угле поворота коленчатого вала Ѳ, определяемая функцией Вейбе и равная используется для представления доли сжигаемой массы
в зависимости от угла поворота коленчатого вала:

XB=1-exp[-d(Ѳ−Ѳ𝑜 )g+1]

∆Ѳ

dT

dE(005i) ∆Qпотеря

Где Ѳ — угол поворота коленчатого вала, Ѳо — начало горения, ∆Ѳ —
полная продолжительность горения, XB изменяется от нуля до 1,d ​​

С

dT


= 0,

dT

имеет очень маленькое значение, поэтому им можно пренебречь.
и g являются настраиваемыми параметрами.Изменение d и g значительно изменяет форму кривой
. Фактическая массовая доля сгоревшего
Как показано в уравнениях (7), (8), что:
кривых были подобраны с d=5 и g=2[11, 13, 14, 15].
f ‘(E) =

dE(T)i+1

dT

=M * Cv (T)i+1
Числа молей газов Mi и Mi+1 до и после интервала сгорания равны определяется по формуле:
Were M число молей смеси
So

Mi=∑l=5 bl , Mi+1 =∑

l=5

l=1 R

(T i+1 )n =(T i+1 )n-1 –

f(E)

M ∗ Cv (Ti+1)n−1

Чтобы получить теплоту, выделяющуюся при сгорании при постоянном объеме:
Ti+1 равно для первого шлейфа оценивается как:

T i+1=T + 1∗z∗Qvs

i M ∗ CvTi

фактическое тепло, полученное в процессе (Qgained):
(11)
b3O
Теплоту сгорания для каждого интервального периода можно оценить по уравнению горения:
∆b5 Cx Hy + ∆b 3 O2 +∆b 4 N2 → ∆ a1 CO2 + ∆a2 H 2 O+
— 2To)
(12)
∆ a4 N2 (10)
Где ∆, bi и ai — разность между числом молей этого интервала и предыдущего, число молей образца в начале интервала и число моль образца в конце интервала.
В начале интервала горения количество молей b1, b2,b3, b4 и b5 для вещества(n13ce) s CO2, h3O, O2, N2 и CxHy соответственно:
Таким образом, b1 = XBi-1 *z * x, b2 = XBi-1 * z *(y/2), b3 = z*(x+y/4)
Где β, T i ,T i+1 и To – константы, связанные с теплопередачей, температурой при начала интервала сгорания, температура в конце интервала сгорания и средняя температура стенок цилиндра соответственно.
А для общих случаев β/CV>0 [5, 8], и всегда β/CV=
0.1[5].
А конечное давление можно получить из этого соотношения [11, 16]: 1) * Z

dv dv k

= p

dp 1

dp 1

+ v

(13)

dt dt k-1

dt k-1

в конце сгорания периода, при температуре Т2 числа молей равны а1, а2, а3, а4 и а5 для веществ СО2, Н3О, О2, N2 и СхНу соответственно:
А к=1.4 – 7,18 × 10-5 × T[11]
Затем Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (9) и
(13) соответственно. Также E(T) и Cv(T) рассчитываются по

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 5, May-2014 1378

ISSN 2229-5518

уравнения 7 и 8 соответственно. Эти расчеты повторяются

dQ dV k

=P

dP 1

+ V

(16)
до тех пор, пока изменение значений Ti+1 и Pi+1 не станет слишком малым.dt

dt k−1

dt k−1

И предыдущие шаги для всех интервалов продолжительности горения.

2.3 Процесс расширения

А k=1,4 – 7,18×10-5×T[11]
А dQ=0 на такте расширения.
Уравнения (14), (15) не могут быть решены аналитически, поэтому необходимо применить численное решение, а численным методом может быть метод Ньютона-Рафсона, как показано.

(T ) =(T ) – f(E)n−1

i+1 n i+1 n-1 f′(E)n−1


Где n-1, n — предыдущий след и текущий след температуры.
Где f(E) из уравнения (15):
f(E)= E(T i+1 ) — E(T i )+dW= 0

Рис. 3. P-V схематическая диаграмма такта расширения.

F ‘(E) =

DF (E)

DT

DT

F’ (E) =

DE (T) I + 1

DT


SINC DE (T) I

dT

= 0, рабочий член не очень чувствителен к T i+1
Как показано в уравнениях (7), (8), что:
f'(E) =

dE(T)i+1

dT

=M ×Cv (T)i+1
Во время такта расширения состав содержимого цилиндра постоянен, и расчеты такие же, как и в такте сжатия, но от нижней мертвой точки конца сгорания, за исключением работы.

𝑃𝑖 +𝑃𝑖+1

Где M число молей смеси

(T ) =(T ) – f(E)n−1

i+1 n i+1 n-1 M × Cv (Ti+1)n−1

Ti+1 оценивается для первого следа, предполагая изоэнтропическое
изменение условий состояния в Ti как (14)

T = T (Vi

k−1

Vi R/Cvi

Таким образом, уравнение (2) принимает вид:

i+1

i )

Vi+1

Ti ( )

Vi+1

E(Ti+1) — E(Ti)+dW = 0 (15)
В этом выражении начальные условия в индексе i,
известны, но P i+1 и T i+1 неизвестны.Тогда, если T i+1 известно, можно вычислить E(T i+1 ).
Давление можно определить из соотношения [11, 16]
Тогда Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (15) и (16)
соответственно. Также E(T) и Cv (T) рассчитывают из уравнений
7 и 8 соответственно. Эти расчеты повторяются до тех пор, пока
изменение значений Ti+1 и Pi+1 не станет слишком малым. И
предыдущих шагов для всех интервалов процесса расширения.

Работа и тепловой КПД цикла:

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1379

ISSN 2229-5518

Работа, выполненная в цикле, получается путем суммирования работы
слагаемых для каждого шага сжатия и расширительные процессы и среднее эффективное давление:

модель

сравнить ISON Betwee N

ExperiM Exceal Recovery и нынешние

W

PM =

VS

, где VS — объем 120005

Сравнение показывает, что настоящая модель равна

Мощность = работа в цикле* (об/мин /60)/2000 кВт
Чтобы сделать мощность безразмерной:
P′= Мощность/ (майр ×Cp×ΔT)
Тепловой КПД определяется по формуле:

Вт

ηth=

Qvs∗ z

Безразмерный удельный расход топлива:

DSFC= 1 90 005

P′×(A/F)

Где P′ – безразмерная мощность.

3 РЕАЛИЗАЦИЯ

Для проверки результатов модели проводится сравнение с соответствующими результатами реального двигателя. Таким образом, экспериментальные испытания были проведены на одноцилиндровом дизельном двигателе (Crossly), возбужденном в тепловой лаборатории факультета машиностроения Университета Ассуит. Основные характеристики испытанного двигателя приведены в таблице 1. В таблице 2 показано сравнение экспериментальных результатов с соответствующими результатами, полученными с помощью компьютерной программы для настоящей модели.

ТАБЛИЦА 1

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

(КРЕСТНО)

ТАБЛИЦА 2:

близки к экспериментальным данным, и отклонение от указанного среднего эффективного давления и мощности невелико. Поэтому предложенная модель будет принята. Но для теплового КПД мы находим, что настоящая модель имеет более высокое отклонение, чем указанные среднее эффективное давление и мощность. Расхождение между этими результатами может быть связано со многими факторами, такими как эффективность сгорания, значение эффективности сжатия и расширения, уравнение, используемое для расчета теплопередачи, значение коэффициента теплопередачи и погрешности измерительных приборов.
Сравнения также сделаны с соответствующими результатами
реальной модели двигателя, опубликованными в международных исследованиях для бензиновых и дизельных двигателей [4, 17]. Основные характеристики испытанных двигателей приведены в таблице 3
. На рисунках 4, 5 показано сравнение диаграмм ПВ
, а на рисунках 6, 7 показано сравнение P-θ результатов опубликованных исследований с соответствующими результатами, полученными с помощью компьютерной программы для настоящая модель для бензиновых и дизельных двигателей.
На рисунках 4, 5, 6, 7 показано сравнение соответствующих результатов настоящей модели с опубликованными результатами исследований для бензиновых и дизельных двигателей. Сравнение показывает, что полученные результаты настоящей модели близки к опубликованным данным, а отклонение невелико. Поэтому предложенная модель будет принята. Но настоящая модель

Диаметр цилиндра (м) 0.146

Топливо двигателя

С12х36

.279

Стехиометрическое воздушное топливо

Соотношение 15.121

Нормальная скорость рейтинга

(RPM) 475

имеет отклонение в некоторых пунктах в PV

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. И ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

60

50

40 действующая модель

30 E.ABU-NADA

20 et al [4]

10

10

0

0 0 0,01 0,0002 0,0003 0,049

V, M3

100

80

60

40

20

0

и P-θ диаграммы, причем отклонение наименьшее в области горения
.

Рис. 4. Диаграмма PV Сравнение для бензинового двигателя

Рис. расчеты переноса, погрешности опережения зажигания, значение коэффициента теплоотдачи и различие в уравнениях моделей.

Таблица 3:

100

100

80

60

60

40

40

20

1

1

Fi

4 Результаты и обсуждение

Предлагаемая модель применяется для изучения последствий определенного параметры работы двигателей внутреннего сгорания. С помощью предложенной модели используются рабочие циклы ДВС при
различных режимах работы. Изучение результатов двух

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1381

ISSN 2229-5518

типов двигателей.
Характеристики двигателя представлены в виде зависимостей безразмерной мощности и теплового КПД при различных параметрах. Этими параметрами являются температура и давление воздуха на входе, коэффициент теплопередачи, эффективность сжатия и расширения, степень сжатия
и соотношение воздух-топливо, а также удельный расход топлива.Условия, при которых проводились эти исследования для дизельных и бензиновых двигателей, приведены в таблице 2, за исключением выделенного параметра.
На рисунке 8 (P-V) диаграммы для бензиновых и дизельных двигателей
для одного состояния от модели с различной степенью сжатия и одинаковым диаметром цилиндра и ходом двигателя и одинаковыми оборотами и С10.8х28.7 для дизеля и С8х28 для Отто. В этом состоянии соотношения топливовоздушной смеси
и
для Отто и дизеля составляют 15, 18 соответственно.

80

70

70

60

50

40

40

30

20

10

0

0 4 CR = V / VC

8 12

70

60

50 дизельных двигателя

50

40

30

30

20

10

10

0

0 5 10 15 20

0 5 10 15 20

14 Cr = V / VC

IJSER

HTTP: // WW

Рис.8. Диаграмма P-V бензинового и дизельного двигателей соответственно для различных степеней сжатия.

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1382

ISSN 2229-5518

34,5

34

33.5

33

32,5

32.59

32.55

32

3259 32

31,5

300 325 3505

300 325 350 375 400

Входные воздушные воздушные воздух, Tinlet

Рис. 10. Влияние температуры воздуха входного воздуха, Thinlet, ˚C, на

Тепловая эффективность η

2.1 Влияние температуры воздуха на входе на двигатель

Производительность


На рисунках 9, 10 показано, что при повышении температуры воздуха на входе выходная мощность и тепловой КПД снижаются
, как показано в Hou, S.-shyurng[1] как и ожидалось.

3.2

3.1

3

3

2,9

2,7

2,6

2,5

2,4

300 325 350 375 4009 300 3257 350 375 400

Наход воздух впускной воздух, Tinlet

2.2 Влияние давления входов на Двигатель

Производительность

3,5

3,3

1

2.9

2.7

IJSER ©

http://www.

2,5

1 2 3 4

Безразмерное Давление воздуха на входе, Pinlet

Рис. 11. Влияние относительного давления воздуха на входе, Pinlet, на мощность
, P΄.

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1383

ISSN 2229-5518

2.3 Эффект коэффициента теплопередачи на

3.3

3.3

3.2

3.1

3.1

3

2.9

2,8

2,8

2.7

2.6

2,5

0,05 0,1 0,15 0,2

Тепло Коэффициент теплопередачи , β/Cv

Рис. 13. Влияние коэффициента теплопередачи β на мощность,
P΄.

42

40

40

38

36

34

34

32

32

30

1 2 3 4

1 2 3 4

Безмерное входное давление воздуха, Pinlet

35

34.5

34

33.59

33.59

33.59

33

32,5

32,5

32

Рис. 12. Влияние на входное воздух относительное давление, пропина,

на термическую эффективность

Рисунки 11, 12 показывают, что выходная мощность и термальные

31,5

0,05 0,1 0,15 0,2

Коэффициент теплопередачи , β/Cv

Повышение эффективности с увеличением давления на входе для двух типов, как и ожидалось [18]. Увеличение теплового КПД оптимально до 2 бар.Поэтому в некоторых случаях предпочтение отдается турбонаддуву и наддуву. Так что турбонаддув
и наддув в некоторых случаях предпочтительнее.

Рис. 14. Влияние коэффициента теплопередачи, β, на

th l ffi i

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 5, May-2014 1384

ISSN 2229-5518

Из рис. 13, 14 видно, что коэффициент теплоотдачи влияет на работу теплового двигателя.Мощность и тепловой КПД снижаются с увеличением коэффициента теплопередачи. Скорость уменьшения мощности больше для цикла Отто, чем для цикла Дизеля. Это связано с тем, что цикл Отто имеет большую максимальную температуру цикла, что, следовательно, увеличивает потери тепла.

2.4 Эффект сжатия и расширения

Эффективность на производительности двигателя

36

36

35

34

33

32

31

30

31

30

29

90 92 94 96 98 100

Компрессия и эффективность расширения

(ηcomp, ηexp)%

Рис.16. Влияние эффективности сжатия и расширения

, ηcomp,exp , на тепловую эффективность ,ηth.

3.3

3.2

3.1

3

3

2,

2,8

2,80007 2,6

2,6

2,5

2,4

2,3

2,9

90 92 94 96 98 100

Сжатие и расширение эффективности

(ηcomp, ηexp)%

Рис. 15. Влияние эффективности сжатия и расширения
, ηcomp,exp , на мощность, P΄.
На рисунках 15, 16 показано, что мощность и тепловая эффективность увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения для двух типов циклов, как и ожидалось.

2.5 Влияние степени сжатия на двигатель .ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1385

ISSN 2229-5518

4.5

4

357 4

3,5

3

2,5

2

2

5 10 15 20 20

Коэффициент сжатия, RV

Рисунки 17, 18 показывают, что с увеличением соотношения сжатия выходной мощность и повышение тепловой эффективности, но увеличение когда эти значения степени сжатия достигают высоких значений, она медленно увеличивается, как показано. Для цикла Отто после rv =10 произойдет детонация [19]. Для дизельного цикла мощность и тепловой КПД также увеличиваются до значения степени сжатия, rv =20, как
в [19], а двойной цикл находится между ними.Кроме того, на рисунке 18 показано
сравнение идеального теплового КПД для циклов Отто и дизельного топлива в соответствии с идеальным соотношением теплового цикла
. Рис. 17. Влияние степени сжатия rv на мощность,

1-rv1-γ,

rγ−1

P΄.

ηДизель =1-rv1-γ*

γ(rc−1)

, где γ,rc — коэффициент удельной теплоемкости и коэффициент отсечки
, и результаты модели. Показано, что эти значения в идеальном цикле больше, чем в модели
из-за необратимости.А при высоких значениях степеней сжатия мощность и тепловой КПД снижаются как [2,
20].

80 46

80 4.6 Эффект соотношения воздуха на производительность двигателя

70

60

50

60

50

бензиновый двигатель

40

30 дизельный двигатель

20

5 15 25 35

Соотношение компрессии, рв

3.4

3.2

3

3

2,8

2,6

2,6

2,4

2,2

2

11 13 15 17 19 20005

11 13 15 17 19 20005

Соотношение воздуха, A / F

Рис. 18. Влияние соотношения сжатия, RV , по тепловому КПД
, ηth.

Рис. 19. Влияние соотношения воздух-топливо, A/F, на мощность P΄.

40

35

35

IJSER ©

http: //www.i 30

25

20

25

20

Международный журнал научно-технических наук, объем 5, выпуск 5, май-2014 1386

ISSN 2229 -5518

Рисунок 21 показывает, что удельный расход топлива уменьшается
с увеличением мощности, как и ожидалось [21, 22].
На рис. 19, 20 показано, что в трех циклах с увеличением соотношения воздух-топливо выходная мощность увеличивается до определенного значения, после чего они уменьшаются, а тепловой КПД непрерывно увеличивается по мере уменьшения количества топлива с увеличением соотношения воздух-топливо после этого определенного значения, а для дизеля это значение составляет около
15. Оптимальное значение соотношения воздух-топливо для Отто составляет около 13.

4.7 Влияние удельного расхода топлива

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была выполнена модель необратимого газового цикла и проведена проверка этой модели. было сделано по сравнению с экспериментальными результатами для одноцилиндрового двигателя с воспламенением от сжатия.Подписанное экспериментальное испытание было проведено на дизельном двигателе с постоянным числом оборотов цилиндра для проверки полученных результатов с использованием настоящей модели. Полученные результаты показывают хорошее совпадение с соответствующими данными, полученными в ходе экспериментальных испытаний. Другие сравнения выполняются с соответствующими результатами

и фактическими результатами модели двигателя, опубликованными в

0,04

0,035

0,03

0,025

0.02

2 3 4

2 3 4

Безразмерная мощность, P

0,025

0,02

0,015

0,01

0.005

0

Международные исследования для бензина и дизельных двигателей. Были учтены некоторые необратимости циклов двигателя внутреннего сгорания, такие как эффективность сжатия и расширения и потери теплопередачи. Компьютерная программа предназначена для предлагаемой модели. Влияние некоторых параметров, таких как температура воздуха на входе, давление воздуха на входе, коэффициент теплопередачи, степень сжатия, соотношение воздух-топливо и эффективность сжатия и расширения, были изучены на численных примерах для двух типов циклов (бензиновые и дизельные двигатели).Установлено, что мощность и тепловая эффективность увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения и давления воздуха на входе. С увеличением состава топливовоздушной смеси выходная мощность
снижается, а тепловой КПД увеличивается до определенного
Рис. 21. Влияние удельного расхода топлива, SFC, (кг/ч), на мощность, P΄.
, то оно уменьшается, поэтому оптимальное значение соотношения воздух-топливо для бензинового двигателя составляет около 13, а для дизельного — около 15.С увеличением температуры воздуха на входе и коэффициента теплоотдачи мощность и тепловой КПД снижаются. С увеличением степени сжатия выходная мощность и тепловой КПД увеличиваются, но для бензина оптимальное значение равно 10, чтобы предотвратить детонацию, а для дизеля оптимальное значение составляет около
·20. Удельный расход топлива уменьшается с увеличением мощности
.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. шёрнг.Хоу. [2003] «Влияние теплопередачи на производительность стандартного двойного цикла воздуха» Energy Conversion and Management, 45.

[2] J. Chen. [2005] «Критерии оптимизации важных параметров необратимой тепловой машины Отто» Applied Energy 83: 228-238.
[3] Ю. Чжао, Б. Линь, Ю. Чжан и Дж. Чен. [2006], «Анализ производительности и параметрический оптимальный расчет необратимого дизельного теплового двигателя» Energy 47: 3383-
3392.
[4] Э. Абу-Нада, И.Аль-Хинти, А. Аль-Сархи и Б. Акаш [2006] «Термодинамическое моделирование двигателя с искровым зажиганием: влияние теплоемкости, зависящей от температуры», «Международные сообщения по тепломассообмену. 33: 1264-1272.
[5] Ю. Чжао и Дж. Чен. [2006] «Модель необратимого теплового двигателя, включающая три типичных термодинамических цикла и анализ их оптимальных характеристик», Международный журнал тепловых наук. 46: 605-613.
[6] А. Аль-Сархи, Дж.О. Джабер, М. Абу-Кудаис и С.
Д. Проберт. [2005] «Влияние трения и температуры — зависящая от
удельная теплоемкость рабочей жидкости на характеристики
дизельного двигателя» Applied Energy. 83: 153-
165.
[7] Y.Ge, L.Chen, F.Sun and C.Wu. [2004] «Термодинамическое моделирование характеристик цикла Отто с теплопередачей и переменной удельной теплоемкостью рабочей жидкости» Международный журнал тепловых наук. 44: 506-
511.
[8] Ю. Чжао и Дж. Чен [2007] «Анализ оптимальной производительности необратимого дизельного теплового двигателя, подверженного влиянию переменной теплоемкости рабочей жидкости». Преобразование энергии и управление. 48: 2595-2603.
[9] YanlinGe, Lingen Chen and Fengrui Sun [2009] «Термодинамическое моделирование и анализ конечного времени для необратимого двойного цикла» Mathematical and Computer Modelling 50:101-108
[10] Y.Ge, L.Chen and F. Sun.[2007] «Термодинамическое моделирование и анализ необратимого цикла Отто в конечное время» Applied Energy. 85: 618-624. Основы
», первое издание, международное издание McGrAw-HILL.
[12] Бенсон и Н. Д. Уайтхоз. [2010] «Двигатель внутреннего сгорания
» Роберт Максвелл, MC, vol. I,II
[13] JI Ghojel. [2010.] «Обзор разработки и применения функции Вибе: дань уважения вкладу Ивана Вибе в исследования двигателей» Международный журнал исследований двигателей.2: 297-312.
[14] П.А. Лакшминараянан, Йогеш В. Агав. [2010] «Моделирование дизельного сгорания» Springer Science + Business Media B.V.
[15] Константин Д. Ракопулос, Эвангелос Г. Гиакумис [2009] «Дизельный двигатель в переходном режиме», Springer-Verlag London.
[16] Р. Удаякумар, К. Касера. [2012] «Анализ сгорания в дизельном двигателе, работающем с присадками для повышения производительности» «Техника и наука. 1: 11-
16.
[17] М.Аль-Суд, М. Ахмед и Ю. М. Абдель-Рахим. [2012] «Быстрая термодинамическая имитационная модель для оптимальной работы четырехтактного дизельного двигателя» Международный журнал энергетики и экологической инженерии. 3: 1-13.
[18] Махер А.Р.Садик Аль-Багдади и Харун А.К.Шахад Аль-Джанаби. [2003] «Прогнозирование водородного двигателя с искровым зажиганием и наддувом» Energy Conversion and Management. 44: 3143–3150.
[19] Р. Эбрахими. [2010] «Анализ производительности двухтактного двигателя с учетом коэффициента давления и коэффициента отсечки» ACTA PHYSICA POLONICA A.118: 534-539.
[20] Махмуд Хулейхил. [2011] «Влияние перепадов давления на рабочие характеристики стандартного воздушного цикла Отто», Hindawi Publishing Corporation Physics Research International. 1-7.
[21] Х. Шарон, К. Каруппасами, Д.Р. Собан Кумар, А.
Сундаресан. [2012] «Испытание дизельного двигателя с прямым впрыском топлива, работающего на
метиловых эфирах отработанного пальмового масла» Возобновляемая энергия. 47:
534-539.
[22] https://www.utexas.edu/research/cem/Green_ship_pags/electric_load_distribution.html
[11] Дж. Б. Хейвуд. [1988].» двигатель внутреннего сгорания

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1388

ISSN 2229-5518

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.

http://www.ijserorq

Двигатели внутреннего сгорания — Викиверситет

Двигатели внутреннего сгорания (или двигатели внутреннего сгорания или ДВС, как их еще называют) используются в повседневной жизни и могут быть найдены в: автомобилях; грузовые автомобили; мотоциклы; легкие самолеты; строительная техника и транспортные средства; железнодорожные локомотивы; стационарные энергосистемы; и лодки и корабли всех размеров. Изучение двигателей превратилось в отрасль машиностроения.

Существует два типа двигателей внутреннего сгорания,

  1. Четырехтактный двигатель и
  2. Двухтактный двигатель


Также двигатели можно классифицировать по циклам, которым они следуют, как указано ниже.

  1. Дизельный двигатель
  2. Бензиновый двигатель

Четырехтактные двигатели, как следует из названия, имеют всего четыре различных цикла, а именно
a.впуск
б. сжатие
в. зажигание/расширение
d. выхлоп

В двухтактном режиме всего два цикла, и каждый из них имеет два цикла, работающих одновременно.
а. впуск/выпуск
b. зажигание/сжатие

Несколько определений:

 ВМТ: Верхняя мертвая точка. Это самая верхняя часть, до которой может дотянуться поршень в вертикальном двигателе. 
НМТ: Нижняя мертвая точка. Это самая нижняя часть, до которой может дотянуться поршень в вертикальном двигателе.

Степень сжатия Двигатель внутреннего сгорания — это, по сути, насос, который сжимает воздушно-топливную смесь (или просто «воздух» в случае двигателей с непосредственным впрыском), а затем воспламеняет ее, так что она расширяется и производит механическую энергию. Степень сжатия в основном говорит о том, насколько двигатель сжимает определенный объем воздуха, который он всасывает. Двигатель со степенью сжатия 12:1 означает, что на каждые 12 единиц объема всасываемого воздуха поршень сжимает этот воздух до 1 единицы объема.Чем больше воздуха выдавливается в камеру сгорания, тем больше энергии вырабатывается на мощность двигателя на такте расширения.

Одним из факторов, ограничивающих увеличение степени сжатия, является детонация (известная как детонация двигателя или стук), когда вместо контролируемого горения воздушно-топливная смесь взрывается, потенциально повреждая двигатель. Кроме того, двигатель с более высокой степенью сжатия, как правило, имеет меньший зазор между поршнем в верхней мертвой точке (ВМТ) и полностью открытыми клапанами, а работа на высоких оборотах может привести к плаванию клапана, что может привести к контакту между клапанами и поршнем.

Степень сжатия = (рабочий объем + клиренс)/клиренс

Рабочий объем = объем поршня, проходимого при совершении одного полного хода от ВМТ до НМТ

Зазор = Объем камеры сгорания, когда поршень находится в ВМТ

Бензиновый двигатель Бензиновые двигатели, также известные как двигатели с искровым зажиганием, нуждаются во внешнем источнике энергии для воспламенения топлива как для запуска, так и для работы двигателя. Как следует из обоих названий, этот двигатель использует свечи зажигания для обеспечения искры зажигания и бензин (бензин) в качестве топлива.


Системы бензинового двигателя

1. Топливная система подает топливо из бензобака в карбюратор. Там он смешивается с воздухом и засасывается в цилиндры двигателя. При электронном впрыске топливо поступает прямо из бака в цилиндры с помощью электронного компьютера.

2. Система зажигания подает искры для воспламенения топливной смеси в цилиндрах. С помощью катушки зажигания и прерывателя контактов он заряжает 12-вольтовую батарею, которая, в свою очередь, выдает импульсы в 20 000 вольт.Они проходят через распределитель к свечам зажигания в цилиндрах, где создают искры. Воспламенение топлива в цилиндрах дает температуру 700°С и выше.

3. В системе водяного охлаждения, в которой вода циркулирует по каналам в блоке цилиндров, отбирая тепло. Он протекает по трубам в радиаторе, который охлаждается нагнетаемым вентилятором воздухом.

4. Система смазки также снижает тепловыделение, но ее функция состоит в том, чтобы покрывать движущиеся части маслом, которое под давлением подается к распределительному валу, коленчатому валу и приводу клапанов.

5. Карбюратор является сердцем бензинового двигателя. Он измеряет топливно-воздушную смесь в точных пропорциях. В старых карбюраторах опережение зажигания осуществляется путем измерения разницы давлений снаружи и внутри карбюратора. Также измеряется величина опережения газа. Остатки двигателя, которые могут быть угарным газом или несгоревшими углеводородами, показывают, насколько хорошо работает карбюратор.


Классификация бензиновых двигателей

Поршневые двигатели классифицируются по нескольким признакам.Некоторые из них такие:


1. По способу охлаждения,

а. Двигатели с воздушным охлаждением: Тепло от двигателя излучается в окружающий воздух. Обычно используются алюминиевые ребра, так как они являются хорошими проводниками тепла. Ребра увеличивают общую площадь поверхности контакта с окружающим воздухом, обеспечивая максимальное рассеивание тепла.

б. Двигатели с водяным охлаждением: В этих двигателях охлаждающая жидкость/вода циркулирует через рубашки, расположенные на цилиндре, для отвода тепла.


2. По количеству ударов,

а. Двухтактные двигатели: завершает термодинамический цикл за два хода поршня (один оборот кривошипа).

б. 4-тактные двигатели: завершает термодинамический цикл за четыре хода поршня (два оборота кривошипа).


3. По расположению цилиндров,

а. Рядное расположение цилиндров: все цилиндры расположены по прямой линии.

б. V-образный двигатель или V-образный двигатель: два цилиндра наклонены друг к другу под углом 90 градусов.


4. В зависимости от устройства клапана, а. Одинарный верхний распределительный вал (SOHC)

б. Двойной верхний распределительный вал (DOHC)

Детали бензинового двигателя

Ниже перечислены важные детали бензинового двигателя: 1. Цилиндры 2. Блок цилиндров 3. Поршень и шатуны 4. Головка блока цилиндров Картер 5. Клапаны 6. Коленчатый вал Маховик 7. Выхлопная система 8. Распределительный вал Топливная система 9. Система смазки 10. Система зажигания

Работа бензинового двигателя

Обычно транспортные средства, использующие бензиновый/бензиновый двигатель, имеют четыре такта, поскольку они более эффективны, чем двухтактные двигатели, и обеспечивают полное сгорание топлива для оптимального использования. Четырехтактный двигатель имеет четыре такта, а именно: впуск, сжатие, мощность, и такты выхлопа.

1. Такт всасывания или впуска — первоначально при запуске двигателя поршень движется вниз к НМТ цилиндра, что создает низкое давление вверху. Благодаря этому открывается впускной клапан и смесь, содержащая пары бензина и воздух, всасывается в цилиндр. Именно через карбюратор смешивается соотношение бензин/бензин и воздух.

2. Такт сжатия – после этого такта впускной клапан закрывается. Теперь поршень перемещается к верхней мертвой точке цилиндра, тем самым сжимая топливную смесь до одной десятой ее первоначального объема.Температура и давление внутри цилиндра увеличиваются из-за сжатия.

3. Рабочий ход – во время этого хода впускной и выпускной клапаны остаются закрытыми. Когда поршень достигает верхнего положения (ВМТ), свеча зажигания производит электрическую искру. Сгорание запускается системой зажигания, которая выжигает искру высокого напряжения через сменный воздушный зазор, называемый свечой зажигания. Образовавшаяся искра вызывает взрыв топливно-воздушной смеси. Горячие газы расширяются и заставляют поршень двигаться вниз.Поршень соединен со штоком поршня, а шток поршня с коленчатым валом. Все они двигают друг друга из-за связи между ними. Коленчатый вал соединен с колесами автомобиля. При движении коленчатого вала колеса вращаются и двигают автомобиль.

4. Такт выпуска — в этом такте выпускной клапан остается открытым в начале. Поршень вынужден двигаться вверх из-за полученного импульса. Это заставляет газы двигаться через выпускной клапан в атмосферу.Теперь выпускной клапан закрывается, а впускной открывается. После этого четыре такта двигателя повторяются снова и снова.

Применение: Эти двигатели широко используются в транспортных средствах, переносных электростанциях для питания насосов и другого сельскохозяйственного оборудования. Многие небольшие лодки, самолеты, грузовики и автобусы также используют его.

Будущее Область применения: Постоянно проводятся исследования, направленные на повышение топливной экономичности, снижение выбросов загрязняющих веществ и повышение легкости и компактности.Недавно инженеры Бирмингемского университета создали самый маленький бензиновый двигатель, способный заменить обычные аккумуляторы. Двигатель настолько крошечный, что с ним можно обращаться на кончике пальца.

Дизельный двигатель

Как и бензиновый двигатель, дизель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию, вызывающую возвратно-поступательное движение внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом двигателя, которые обеспечивают движение, необходимое для приведения в движение колес автомобиля.Как в бензиновых, так и в дизельных двигателях энергия высвобождается в виде серии небольших взрывов, известных как возгорание. Топливо вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, который забирается во время такта впуска двигателя. Зажигание в бензиновых двигателях происходит за счет искр от свечей зажигания, тогда как в дизельных двигателях топливо воспламеняется за счет теплоты сжатия. Воздух нагревается при сжатии.

Типы дизельных двигателей

Дизельные двигатели могут быть четырехтактными или двухтактными.

Четырехтактный дизельный двигатель

Четырехтактный дизельный двигатель работает следующим образом:

1. Такт впуска или всасывания начинается, когда поршень всасывает воздух в цилиндр через впускной клапан. Когда поршень достигает дна цилиндра, впускной клапан закрывается, задерживая воздух внутри цилиндра.

2. Такт сжатия начинается, когда поршень движется вверх по цилиндру, сжимая захваченный воздух.Давление повышается от 32 бар до 50 бар, а температура достигает 600 градусов по Цельсию.

3. Такт впрыска начинается где-то вблизи ВМТ такта сжатия, топливо впрыскивается в горячий воздух, воспламеняется и сгорает контролируемым образом за счет теплоты сжатия, что приводит к рабочему такту. 4. Такт выпуска начинается, когда поршень находится в НМТ, поршень вытесняет все сгоревшие газы через открытый выпускной клапан. В верхней части такта выпуска выпускной клапан закрывается, а впускной открывается, готовый принять свежий заряд воздуха, который возвращает двигатель в исходную точку.Цикл повторяется снова.

Двухтактный дизель

Дизельный двигатель работает так же, как и четырехтактный дизельный двигатель, но сокращает четыре хода поршня до двухтактных один раз вверх и один раз вниз по цилиндру.

1. Когда поршень находится в верхней части цилиндра, он находится на такте сжатия. Цилиндр заполнен сжатым перегретым воздухом. Дизельное топливо впрыскивается и воспламеняется. Поршень движется вниз по цилиндру для своего рабочего хода.Когда поршень приближается к нижней части своего рабочего хода, выпускные клапаны открываются, и большая часть сгоревших газов выбрасывается из цилиндра. Теперь, когда поршень продолжает двигаться вниз по цилиндру, он открывает ряд отверстий в стенке цилиндра. Через эти отверстия вдувается сжатый воздух, выталкивая оставшиеся сгоревшие газы. из баллона и наполнить его свежим воздухом.

2. Когда поршень движется обратно вверх, он блокирует впускные отверстия, задерживая заряд свежего воздуха в цилиндре.Хотя поршень совершил лишь немногим более одного хода, он уже завершил свой рабочий ход, процесс выпуска и цикл впуска. Когда поршень возвращается в цилиндр во время второго хода, он сжимает свежий воздух. Когда он достигает верхней части цилиндра происходит впрыск и сгорание, начиная цикл заново. Двухтактный двигатель производит один рабочий такт за каждый полный цикл, а четырехтактный производит один рабочий такт каждые четыре такта.

Дизельный цикл — Дизельный двигатель | Определение

Дизельный цикл – pV, Ts диаграмма

pV диаграмма идеального дизельного цикла

Дизельные циклы часто наносятся на диаграмму давление-объем (pV диаграмма) и температурно-энтропийную диаграмму (Ts диаграмма).

На диаграмме давление-объем изобарический процесс следует изобарной линии газа (горизонтальные линии), изохорный процесс следует изохорной линии газа (вертикальная линия), адиабатические процессы проходят между этими линий, а площадь, ограниченная полной траекторией цикла, представляет общей работы , которую можно выполнить за один цикл.

Диаграмма температура-энтропия (диаграмма Ts), на которой термодинамическое состояние определяется точкой на графике с удельной энтропией (s) в качестве горизонтальной оси и абсолютной температурой (T) в качестве вертикальной оси.Диаграммы Ts являются полезным и распространенным инструментом, особенно потому, что они помогают визуализировать теплопередачу во время процесса. Для обратимых (идеальных) процессов площадь под кривой T-s процесса равна теплоты, переданной системе во время этого процесса.

Четырехтактный дизельный двигатель

Дизельные двигатели могут быть двухтактными или четырехтактными. Четырехтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ВС), в котором поршень совершает четыре отдельных хода при вращении коленчатого вала.Под ходом понимается полный ход поршня вместе с цилиндром в любом направлении. Следовательно, каждый такт не соответствует одному термодинамическому процессу, указанному в главе «Дизельный цикл — процессы».

Четырехтактный двигатель состоит из:

  • Дизельный двигатель аналогичен бензиновому двигателю. На этом снимке двигатель Отто зажигает свеча зажигания, а не само сжатие. Четырехтактный двигатель — двигатель Отто
    Источник: википедия.org, Собственная работа Zephyris, CC BY-SA 3.0

    Такт впуска – Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит 0 → 1. В В этом такте впускной клапан открыт, в то время как поршень втягивает воздух (без топлива) в цилиндр, создавая вакуумное давление в цилиндре за счет своего движения вниз.

  • Такт сжатия – Поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), и цикл проходит точки 1 → 2 . В этом такте закрыты впускной и выпускной клапаны, что приводит к адиабатическому сжатию воздуха (т. е. без передачи тепла в окружающую среду или из нее). Во время этого сжатия объем уменьшается, а давление и температура повышаются. В конце этого такта топливо впрыскивается и сгорает в сжатом горячем воздухе. В конце этого такта коленчатый вал совершил полный оборот на 360 градусов.
  • Рабочий ход – Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит точки 2 → 3 → 4. В этом такте впускной и выпускной клапаны закрыты. В начале рабочего такта почти изобарическое сгорание происходит между 2 и 3. В этом интервале давление остается постоянным, так как поршень опускается, а объем увеличивается. При 3 впрыск топлива и сгорание завершаются, и в цилиндре находится газ с более высокой температурой, чем при 2. Между 3 и 4 этот горячий газ расширяется, опять же примерно адиабатически. В этом такте поршень движется к коленчатому валу, объем увеличивается, и работа совершается газом над поршнем.
  • Такт выпуска. Поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), и цикл проходит 4 → 1 → 0. камера. В конце этого такта коленчатый вал совершил второй полный оборот на 360 градусов.

Обратите внимание, что: В идеальном случае адиабатическое расширение должно продолжаться до тех пор, пока давление не упадет до уровня окружающего воздуха.Это увеличило бы тепловой КПД такого двигателя, но это также вызывает практические трудности. Просто двигатель должен быть намного больше.

Сравнение фактического и идеального дизельных циклов

В этой статье показан идеальный дизельный цикл , в котором есть много допущений, отличающихся от фактического дизельного цикла . Основные различия между реальными и идеальными дизельными двигателями показаны на рисунке. В действительности идеального цикла не бывает, и с каждым процессом связано много потерь.Для реального цикла форма pV-диаграммы аналогична идеальной, но площадь (работа), охватываемая pV-диаграммой, всегда меньше идеального значения. Идеальный дизельный цикл основан на следующих предположениях:

  • Замкнутый цикл : Самое большое различие между двумя диаграммами заключается в упрощении тактов впуска и выпуска в идеальном цикле. В такте выпуска тепло Q out выбрасывается в окружающую среду (в реальном двигателе газ покидает двигатель и заменяется новой смесью воздуха и топлива).
  • Добавление изобарического тепла . В реальных двигателях подвод тепла никогда не бывает изобарным.
  • Нет теплопередачи
    • Сжатие – газ адиабатически сжимается из состояния 1 в состояние 2. В реальных двигателях всегда есть некоторые неэффективности, которые снижают тепловую эффективность.
    • Расширение. Газ адиабатически расширяется из состояния 3 в состояние 4.
  • Полное сгорание смеси.
  • Без насосных работ .Насосная работа – это разница между работой, совершаемой во время такта выпуска и такта впуска. В реальных циклах существует разница давлений между давлением на выходе и на входе.
  • Без потерь при продувке . Потеря продувки вызвана ранним открытием выпускных клапанов. Это приводит к потере производительности во время такта расширения.
  • Без картерных газов . Утечка сжатых газов вызывает потери картерных газов через поршневые кольца и другие щели.
  • Без потерь на трение .

Эти упрощающие допущения и потери приводят к тому, что площадь (работа) pV-диаграммы реального двигателя значительно меньше, чем площадь (работа) pV-диаграммы идеального цикла. Другими словами, идеальный цикл двигателя будет переоценивать сеть, и, если двигатели работают с одинаковой скоростью, фактический двигатель производит большую мощность примерно на 20% (аналогично двигателю Отто).

Степень сжатия – двигатель Отто

Степень сжатия , CR определяется как отношение объема в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке. Это ключевая характеристика многих двигателей внутреннего сгорания. В следующем разделе будет показано, что степень сжатия определяет тепловой КПД используемого термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания. Желательно иметь высокую степень сжатия, потому что это позволяет двигателю достигать более высокой тепловой эффективности.

Например, пусть цикл Отто со степенью сжатия CR = 10 : 1. Объем камеры составляет 500 см³ = 500×10 -6 м 3 (0,5 л) перед тактом сжатия. Для этого двигателя A LL требует тома известны:

  • V 1 8 = V 4 = V MAX = V MAX = 500 × 10 -6 M 3 (0.5L)
  • V 2 = V 3 = V мин = V MAX = V MAX / CR = 55.56 × 10 -6 3

Обратите внимание, что (V MAX — V мин ) x Количество цилиндров = общий объем двигателя.

Примеры степеней сжатия – бензин по сравнению с дизельным двигателем

  • Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не намного выше 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя (самозажигание) и не ниже 6: 1 .
  • Турбированный Subaru Impreza WRX имеет степень сжатия 8,0:1 . Как правило, двигатели с турбонаддувом или наддувом уже имеют сжатый воздух на впуске воздуха. Поэтому они обычно строятся с более низкой степенью сжатия.
  • Стандартный двигатель Honda S2000 (F22C1) имеет степень сжатия 11,1:1 .
  • Некоторые атмосферные двигатели спортивных автомобилей могут иметь степень сжатия до 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia).
  • В 2012 году Mazda выпустила новые бензиновые двигатели под торговой маркой SkyActiv со степенью сжатия 14:1 . Остаточный газ снижается за счет использования выхлопных систем двигателя 4-2-1, внедрения поршневой полости и оптимизации впрыска топлива для снижения риска детонации двигателя.
  • Дизельные двигатели имеют степень сжатия, которая обычно превышает 14:1, а также распространены степени выше 22:1.

Тепловая эффективность для дизельного цикла

В целом, Тепловая эффективность , η η th , любого теплого двигателя определяется как отношение работы, W , к подводу тепла при высокой температуре, Q H .

η η Th , представляет собой фракцию тепло , Q H , преобразован на работу .Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q H должна равняться произведенной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна в виде отработанной теплоты. Q C в окружающую среду. Следовательно, мы можем переписать формулу для теплового КПД в виде:

Поглощение тепла происходит при сгорании топливно-воздушной смеси, когда возникает искра, примерно при постоянном объеме.Поскольку во время изохорного процесса система не совершает никакой работы, первый закон термодинамики диктует ∆U = ∆Q. , следовательно, добавлена ​​тепло и отклонено от:

Q Add = MC P (T 3 — T 2 )

Q OUT = MC V (T 4 – T 1 )

Подставив эти выражения для подводимого и отводимого тепла в выражение для теплового КПД, получаем:

Это уравнение можно преобразовать в вид со степенью сжатия и степенью отсечки:

, где

  • η Дизель — максимальный тепловой КПД дизельного цикла
  • α — коэффициент отсечки V 3 /V 2 (i.е., Соотношение объемов в конце и начало фазы сгорания)
  • CR CR CR

    132 / C V = 1,4

Это очень полезный вывод, поскольку желательно достичь высокой степени сжатия, чтобы извлечь больше механической энергии из данной массы топлива. Как было сказано в предыдущем разделе, тепловой КПД цикла Отто в стандартном воздушном цикле также зависит от степени сжатия и κ.

Когда мы сравним их с формулами, можно увидеть, что цикл Отто будет более эффективным для заданной степени сжатия (CR), чем цикл Дизеля. Но дизельные двигатели обычно более эффективны, поскольку они могут работать при более высоких степенях сжатия.

В обычных двигателях Отто степень сжатия имеет свои пределы. Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не превышает 10:1. Более высокие степени сжатия сделают бензиновые двигатели подверженными детонации, вызванной самовоспламенением несгоревшей смеси, если используется топливо с более низким октановым числом.Риск самовоспламенения топлива минимален, поскольку дизельные двигатели являются двигателями с воспламенением от сжатия и в начале такта сжатия в цилиндре нет топлива.

КПД двигателей на транспорте

  • В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля производилось 6 МДж механической энергии.
  • Типичный автомобильный бензиновый двигатель работает с тепловым КПД примерно от 25% до 30% .Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.
  • Типичный дизельный автомобильный двигатель работает при от 30% до 35% . В общем, двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
  • В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы-1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По словам Мерседес, их силовой агрегат теперь достигает более чем на 45% и близкого к 50% термического КПД, т.е.е., 45 – 50% потенциальной энергии топлива передается колесам.
  • Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания. Тихоходные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%.

Среднее эффективное давление — MEP

MEP — полезная мера способности двигателя выполнять работу независимо от рабочего объема двигателя.

Параметр, используемый инженерами для описания характеристик поршневых двигателей, известен как среднее эффективное давление или MEP . MEP — полезная мера способности двигателя выполнять работу независимо от объема двигателя. Существует несколько типов МЭП. Эти MEP определяются методом измерения и расчета местоположения (например, BMEP или IMEP).

В целом, среднее эффективное давление представляет собой постоянное теоретическое давление, которое создавало бы такую ​​же сеть, которая развивалась бы за один полный цикл, если бы оно действовало на поршень во время рабочего такта. MEP может быть определен как:

Например, нетто указывает среднее эффективное давление , известное как IMEP n , равно среднему эффективному давлению, рассчитанному на основе давления в цилиндре (это измерение должно быть). на протяжении всего цикла двигателя.Обратите внимание, что это 720° для четырехтактного двигателя и 360° для двухтактного двигателя.

Некоторые примеры:

  • МРД атмосферного бензинового двигателя может составлять от 8 до 11 бар в области максимального крутящего момента.
  • MEP бензинового двигателя с турбонаддувом может составлять от 12 до 17 бар.
  • МЭП атмосферного дизеля может составлять от 7 до 9 бар.
  • MEP дизельного двигателя с турбонаддувом может составлять от 14 до 18 бар

Например, четырехтактный бензиновый двигатель, производящий 200 Н·м при рабочем объеме 2 литра, имеет MEP, равный (4π)(200 Н·м) /(0.002 м³) = 1256000 Па = 12 бар. Как видно, MEP является полезной характеристикой двигателя . Для двух двигателей одинакового рабочего объема тот, у которого МЭП на больше, будет производить на большую сеть и, если двигатели работают с одинаковой скоростью, на большую мощность .

Дизельный цикл – Задача с решением

pV-диаграмма идеального дизельного цикла

Предположим, что дизельный цикл является одним из наиболее распространенных термодинамических циклов , которые можно найти в автомобильных двигателях .Одним из ключевых параметров таких двигателей является изменение объемов между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Отношение этих объемов ( V 1 / V 2 ) известно как степень сжатия . Кроме того, коэффициент отсечки V 3 /V 2 представляет собой отношение объемов в конце и начале фазы сгорания.

В этом примере допустим дизельный цикл со степенью сжатия CR = 20 : 1 и степенью отсечки α = 2.Воздух имеет давление 100 кПа = 1 бар, 20 °C (293 K), а объем камеры перед тактом сжатия составляет 500 см³.

  • Удельная теплоемкость при постоянном давлении воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре: c p = 1,01 кДж/кгК.
  • Удельная теплоемкость при постоянном объеме воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре: c v = 0,718 кДж/кгК.
  • κ = с р / с v = 1.4

Рассчитать:

  1. масса всасываемого воздуха
  2. температура T 2
  3. давление р 2
  4. температура T 3
  5. Количество тепла, добавленного сжиганием топливно-воздушной смеси
  6. Тепловая эффективность этого цикла
  7. MEP

Решение:

1)

В начале расчетов мы должны определить количество газа в цилиндре перед тактом сжатия.Используя идеальный газовый закон, мы можем найти массу:

PV = MR конкретный T

где:

  • P — абсолютное давление газа
  • M масса вещества
  • T – абсолютная температура
  • V – объем
  • R удельная – удельная газовая постоянная, равная универсальной газовой постоянной, деленная на молярная масса (М).Для сухого воздуха R специфический = 287,1 Дж.кг -1 .K -1 .

Поэтому

м = P 1 V 1 / R Consic T 1 T 1 = (100000 × 500 × 10 -6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 -4 кг

2)

В этой проблеме все объемы известны:

  • V 1 = V 4 = V MAX = 500 × 10 -6 м 3 (0.5L)
  • V 2 = V мин = V MIX = V MAX / CR = 25 × 10 -6 м 3

Обратите внимание, что (V Max — V мин ) цилиндров = общий рабочий объем двигателя

Поскольку процесс адиабатический, мы можем использовать следующее соотношение p, V, T для адиабатических процессов: CR κ – 1 = 293 . 20 0,4 = 971 K

3)

Опять же, мы можем использовать закон идеального газа, чтобы найти давление в конце такта сжатия: Т 2 / В 2 = 5.95×10 -4 x 287,1 x 971 / 25 ×10 -6 = 6635000 Па = 66,35 бар

4)

Поскольку процесс 2 → 3 происходит при постоянном давлении, уравнение идеального газа дает

T 3 = (V 3 /V 2 ) x T 2 = 1942 K

использовать первый закон термодинамики для изобарического процесса, который гласит:

Q добавить = mc p (T 3 — T 2 ) = 5.95×10 -4 x 1010 x 971 = 583,5 Дж

5)

Тепловой КПД для этого дизельного цикла:

Как было получено в предыдущем разделе, тепловой КПД дизельного цикла является функцией степень сжатия, коэффициент отсечки и κ:

, где

  • η Дизель — максимальный тепловой КПД дизельного цикла
  • α — коэффициент отсечки V 3 /V 2 (т. е. отношение объемов в конце и начале фазы сгорания)
  • CR — степень сжатия
  • κ = c p /c = 19132 9324

Для этого примера:

η дизель = 0,6467 = 64,7%

6)

MEP был определен как:

Это уравнение объем смещения равен V MAX — В мин . Чистая работа на один цикл может быть рассчитана с помощью добавленной тепловой связи и термической эффективности:

W Net = Q Add = = 583,5 x 0.6467 = 377,3 j

MEP = 377,3 / ( 500 × 10 -6 — 25 × 10 -6 ) = 794,3 кПа = 7,943 бар

Циклы четырехтактного двигателя

Четырехтактный двигатель работает с четырьмя основными шагами для успешного вращения коленчатого вала: впуск, сжатие, рабочий ход и выпускной такт. Каждый цилиндр двигателя имеет четыре отверстия для впуска, выпуска, свечи зажигания и впрыска топлива.Поршень приводится в движение коленчатым валом двигателя, тогда как впускной и выпускной клапаны приводятся в движение распределительным валом. Коленчатый и распределительный вал соединены зубчатым ремнем/цепью для обеспечения синхронизации между ними. Различные процессы, составляющие циклы четырехтактного двигателя, поясняются ниже:

Такт впуска: Такт впуска — это когда впускные клапаны открыты и воздух всасывается в цилиндр. Топливная форсунка впрыскивает топливо в цилиндр для достижения идеального соотношения воздух-топливо.Движение поршня вниз вызывает всасывание воздуха и топлива в цилиндр.

Такт сжатия: Следующий цикл сжатия, при котором впускной и выпускной клапаны закрыты. Движение поршня вверх вызывает сжатие воздушно-топливной смеси вверх по направлению к свече зажигания. Сжатие делает смесь воздух-топливо летучей для облегчения воспламенения.

Горение/рабочий такт: Во время рабочего/такта сгорания впускной и выпускной клапаны все еще закрыты.Свеча зажигания производит искру для воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси. Возникающая энергия сгорания с силой толкает поршень вниз.

Такт выпуска: Последний такт — такт выпуска, когда выпускные клапаны открываются и выхлопные газы выталкиваются возвращающимся поршнем.

Покупайте качественные автозапчасти в Buy Auto Parts!

Если вы хотите купить оригинальную автозапчасть, Buy Auto Parts — это то, что вам нужно.Мы предоставим вам деталь, как только вы выберете правильный год, марку и модель вашего автомобиля. Имея ведущую в отрасли гарантию по непревзойденным ценам, наши детали тщательно проверяются на соответствие или превышение отраслевых стандартов. Мы также предлагаем бесплатную доставку для покупок на сумму более 99 долларов. Ваш заказ будет доставлен вам вовремя, так как он будет отправлен с одного из наших складов недалеко от вашего местоположения. Если у вас возникли проблемы с поиском детали, наша служба поддержки готова помочь вам: позвоните нам по телефону 1-888-907-7225 или оставьте нам электронное письмо по адресу [email protected].Вы можете просмотреть нашу обширную линейку тщательно протестированных запасных частей OEM и запасных частей для каждой марки и модели.

границ | Двигатели с воспламенением от сжатия — революционная технология, которая открыла границы цивилизации по всему миру от промышленной революции до двадцать первого века

Введение и краткая история двигателей с воспламенением от сжатия

С тех пор, как Рудольф Дизель изобрел двигатель внутреннего сгорания, который в конечном итоге будет носить его имя, воспламенение от сжатия использовалось как эффективное и действенное средство для инициирования сгорания в двигателях.Дизель использовал растительные масла для изобретения своего нового двигателя, поскольку в то время не было нефтяной инфраструктуры для топлива. Высокая степень сжатия для создания давления и температуры, необходимых для самовоспламенения, была отличительной чертой двигателя с воспламенением от сжатия. Также требовался механизм прямого впрыска топлива в камеру сгорания. Со временем инфраструктура нефтяных дистиллятов стала доступной для таких видов топлива, как бензин (для поддержки двигателей с искровым зажиганием), керосин и мазут (отопление домов) и, конечно же, дизельное топливо (Heywood, 1988).

Преимущества использования воспламенения от сжатия и прямого впрыска топлива в камеру сгорания проявились в течение следующих нескольких десятилетий его развития. Двигатель с воспламенением от сжатия по своей природе нуждается в высокой степени сжатия, чтобы создать необходимые условия для самовоспламенения. Высокая степень сжатия является одной из конструктивных характеристик для повышения эффективности. Кроме того, воспламенение от сжатия не требовало дросселирования для управления выходной мощностью двигателя. Непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания обеспечивал высокую устойчивость к детонации, что ограничивало степень сжатия и, в конечном счете, КПД двигателей с искровым зажиганием.Дополнительным преимуществом является то, что двигатели с воспламенением от сжатия без каких-либо ограничений по детонации могут значительно повышать давление на впуске за счет турбонаддува, что еще больше увеличивает эффективность и удельную мощность.

На этом пути было встречено и преодолено множество технологических препятствий, таких как возможность изготовления поршней и головок цилиндров, которые могли бы надежно обеспечивать высокие степени сжатия, необходимые для самовоспламенения дизельного топлива, форкамеры, которые могли бы использовать доступные форсунки с относительно низким давлением. в полную камеру сгорания с высокой степенью сжатия, новая технология впрыска топлива с очень высоким давлением топлива, чтобы устранить необходимость в форкамерах и обеспечить прямой впрыск в камеру сгорания, и, наконец, электронное управление и приводы для обеспечения гораздо более точного подачи топлива, воздуха , а также средства контроля выбросов для удовлетворения строгих требований регулирования выбросов.

Текущее состояние двигателей с воспламенением от сжатия

Двигатели с воспламенением от сжатия используются в различных коммерческих и потребительских целях по всему миру, приводя в действие такие устройства, как большие корабли, локомотивы, коммерческие грузовики, строительное и сельскохозяйственное оборудование, генераторы электроэнергии и даже автомобили. Почти исключительно в этих приложениях для сжигания используется дизельное топливо. Дизельный двигатель зависит от легкости самовоспламенения топлива, которую инженеры по химическим свойствам называют цетановым числом / индексом — эмпирически полученным показателем, который описывает легкость самовоспламенения топлива.Биодизель также используется во многих областях, особенно в сельской местности и в развивающихся странах. Биодизель обычно изготавливают из растительных масел, которые были химически обработаны для удаления продуктов глицерина, оставляя метиловый (или этиловый) эфир жирной кислоты (МЭЖК). Биодизель пытается имитировать свойства дизельного топлива, и, хотя его можно использовать в качестве чистого заменителя топлива, его обычно используют в качестве смешивающего агента с нефтяным дизельным топливом.

Существует два основных подхода к двигателю с воспламенением от сжатия: двухтактный и четырехтактный.Очень большие двигатели CI (в частности, судовые и локомотивные) обычно бывают двухтактными, в первую очередь потому, что скорость двигателя ограничена низким числом оборотов в минуту (RPM). Двухтактные двигатели CI должны иметь внешний источник подачи воздуха, такой как турбокомпрессор или нагнетатель (или их гибрид в некоторых случаях), потому что воздух нагнетается в цилиндр через отверстия в гильзе цилиндра. На рис. 1 показана эта конфигурация. Выхлоп выбрасывается либо через другой набор отверстий (версия с искровым зажиганием), либо через тарельчатые клапаны в головке блока цилиндров (см. рис. 1).Впускные воздушные отверстия в гильзе цилиндра открываются, когда поршень опускается ниже них в такте рабочего хода, пропуская сжатый холодный воздух в цилиндр. Когда поршень движется к НМТ в рабочем такте, выпускные клапаны в головке цилиндров начинают открываться, и горячий выхлоп начинает выходить из цилиндра через расположенные сверху выпускные клапаны. По мере того, как поршень продолжает двигаться к НМТ, впускные отверстия в гильзе цилиндра открываются, позволяя свежему воздуху поступать в цилиндр, что вытесняет последние выхлопные газы через верхние выпускные клапаны.Этот процесс продувки продолжается до тех пор, пока выпускные клапаны не закроются (иногда около положения поршня в НМТ). Впускные отверстия все еще открыты, поэтому свежий воздух поступает в цилиндр от нагнетателя до тех пор, пока поршень не пройдет верхнюю часть впускных отверстий на гильзе, задерживая воздух в цилиндре. Затем этот воздух нагревается и сжимается до тех пор, пока поршень не окажется вблизи ВМТ. Топливная форсунка создает струю под высоким давлением в горячий сжатый воздух, вызывая самовоспламенение и сгорание. Затем цикл начинается заново.

С другой стороны, четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия работает путем впуска воздуха из впускного коллектора в цилиндр во время такта впуска, от ВМТ до НМТ (см. ВМТ при сжатии воздуха до повышенных температуры и давления. Форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания, происходит воспламенение, и поршень под высоким давлением толкается вниз из-за сгорания в так называемом рабочем такте.Наконец, выпускные клапаны открываются, поршень возвращается в ВМТ и вытесняет продукты сгорания отработавших газов в такте выпуска. Затем цикл повторяется отсюда.

Независимо от того, является ли двигатель двухтактным или четырехтактным, цель состоит в том, чтобы создать воздух высокого давления и высокой температуры ближе к концу части цикла сжатия. Затем впрыскиваемое топливо подвергается воздействию воздуха высокого давления и высокой температуры и очень быстро самовоспламеняется. Задержка между впрыском топлива и самовоспламенением называется задержкой зажигания, которая обычно составляет несколько углов поворота коленчатого вала.Топливо продолжает впрыскиваться в виде струи, которая имеет зону реакции на периферии струи, и реакция контролируется диффузией воздуха в зону реакции в сочетании с диффузией топлива наружу в зону реакции. Этот процесс диффузии происходит за миллисекунды, в то время как реальные реакции происходят в микросекундном масштабе, поэтому гидромеханика диффузии контролирует скорость реакции.

Значительные исследовательские усилия были затрачены на изучение способов повышения эффективности, характера выбросов, надежности и выходной мощности двигателей CI.Производственные компании, университеты и исследовательские лаборатории предоставили свой опыт, оборудование и средства для развития технологии двигателей CI. Некоторые из этих достижений включают в себя непосредственный впрыск (DI) для устранения необходимости в форкамерах и снижения теплопередачи, оптическую диагностику для изучения образования загрязняющих веществ в цилиндрах, расширенные возможности вычислительного моделирования для прогнозирования и оптимизации характеристик двигателя CI, значительные усилия для понимания химического состава топлива и состав для адаптации работы двигателя CI к местному доступному топливу.По мере того, как инженеры и ученые продолжают применять свой опыт для фундаментальных исследований технологии двигателей CI, нет никаких сомнений в том, что будут достигнуты дополнительные успехи.

Чем CI Engine отличается от SI Engine?

Есть несколько причин, по которым двигатели CI так популярны в коммерческих и промышленных приложениях. Одной из важных причин является то, что топливная экономичность двигателей CI выше, чем у двигателей SI. Природа воспламенения от сжатия обеспечивает несколько важных факторов, которые обеспечивают высокую эффективность использования топлива.Одним из факторов является высокая степень сжатия (Gill et al., 1954). Поскольку двигатели CI полагаются на топливо, впрыскиваемое в цилиндр, и смешивание этого топлива с воздухом, детонация в двигателе исключена. Детонация двигателя является одним из основных ограничений более высокой степени сжатия в двигателях SI. Вторым фактором является устранение необходимости в дросселировании двигателя для управления выходной мощностью. Опять же, поскольку топливо впрыскивается и смешивается непосредственно в камере сгорания, мощность двигателя с воспламенением можно регулировать, просто регулируя количество впрыскиваемого топлива, в отличие от двигателей с воспламенением, в которых топливо и воздух предварительно смешиваются и практически гомогенны при постоянной смеси. соотношение (Heisler, 1999).Это означает, что для поддержания постоянного соотношения смеси при уменьшении количества топлива необходимо уменьшить количество воздуха в той же пропорции. Это управление воздухом осуществляется с помощью дросселя или ограничения впуска, что создает значительные газообменные или «накачивающие» потери. Третий фактор – теплопередача. Двигатели CI могут работать на обедненной топливной смеси, что означает, что двигатель потребляет все топливо, но не весь кислород, присутствующий в камере сгорания. Это, как правило, приводит к более низким температурам в цилиндрах и, как следствие, к более низкому отводу тепла охлаждающей жидкости двигателя и выхлопу двигателя, а также к более высокой эффективности.В качестве дополнительного преимущества гамма или отношение удельных теплоемкостей C p / C v выше для двигателей, работающих на обедненной смеси, чем для двигателей, работающих по стехиометрии. Меньшая часть тепловой энергии, генерируемой реакциями горения, теряется в состояниях возбуждения более крупных трехатомных частиц (CO 2 и пар H 2 O). Это означает, что больше тепловой энергии доступно для повышения давления и температуры рабочей жидкости, что создает работу, которую можно извлечь (Foster, 2013).

Однако у движка CI есть и несколько недостатков, о которых стоит упомянуть. Двигатель CI должен быть спроектирован так, чтобы быть очень прочным, чтобы выдерживать повышенное давление и температуру, создаваемые высокой степенью сжатия и повышенным давлением на впуске. Это создает конструкции двигателей с высокой инерцией вращения и, следовательно, ограничивает максимальную скорость двигателя. Это также увеличивает стоимость, поскольку все оборудование должно быть очень прочным. Еще одним недостатком двигателей CI является сигнатура выбросов.Использование диффузионно-регулируемого сгорания означает, что между топливом и воздухом существует значительное расслоение, в отличие от гомогенности смесей бензина и воздуха в двигателях SI. Это расслоение создает твердые частицы (PM) и оксиды азота (NO x ). Было обнаружено, что эти нежелательные продукты горения ХИ опасны для здоровья и окружающей среды. По сути, у традиционного двигателя CI нет проблемы с эффективностью, у него есть проблема с выбросами.

Как насчет биотоплива?

Большая часть текущей и прогнозируемой работы над двигателями с воспламенением, по-видимому, сосредоточена на использовании альтернативных видов топлива или даже нескольких видов топлива, чтобы сохранить высокую эффективность (возможно, даже улучшить ее), но при этом значительно снизить характер вредных выбросов и производство парниковых газов. Биотопливо является одним из популярных подходов, особенно в развивающихся странах, для решения проблемы парниковых газов и стоимости импорта нефти.Биотопливо, как правило, изготавливается из растительного масла определенного типа и подвергается химической обработке для создания продукта, который во многих отношениях имитирует нефтяное дизельное топливо. Таким образом использовалось несколько видов сырья, в зависимости от местных условий выращивания и культур, которые хорошо растут в этих условиях. Соевые бобы, рапс, пальмовое масло, ятрофа, масло каранджи и многие другие перерабатываются в качестве топлива. Как правило, биотопливо этого типа подразделяют на категории: масла, полученные из съедобных растений, и масла, полученные из несъедобных растений.С химической точки зрения топливо, полученное из съедобных растений, легче и дешевле перерабатывать в топливо. Однако это также может создать проблему «еда или топливо» в местной экономике. Несъедобное биотопливо растительного происхождения сложнее и дороже перерабатывать, но, как правило, удается избежать проблемы «пища или топливо». Одной из проблем традиционного биодизельного топлива является то, что само топливо содержит кислород как часть своей структуры. Это насыщенное кислородом топливо будет иметь значительно меньшее содержание энергии по сравнению с нефтяным дизельным топливом.Снижение содержания энергии обычно составляет порядка 7–8% по объему по сравнению с нефтяным дизельным топливом. Это приводит к большему объему потребляемого топлива при том же количестве отдаваемой энергии. Более поздняя работа была проведена в отношении получения водорослей или водорослевого топлива, которое может дать гораздо больший выход, чем традиционное биотопливо (Frashure et al., 2009). Другой недавней темой исследований является создание «возобновляемого» дизельного топлива путем гидротермальной или другой обработки материала биомассы для извлечения длинноцепочечных углеводородов, подобных нефтяному дизельному топливу (Aatola et al., 2008). Возобновляемое дизельное топливо, как правило, не насыщается кислородом, поэтому содержание энергии, как правило, такое же, как у нефтяного дизельного топлива. Тем не менее, другой подход к созданию дизельного топлива как из возобновляемых, так и из невозобновляемых источников использует процесс, называемый Фишером-Тропшем (FT), названный так в честь немецких изобретателей этого процесса в 1930-х годах. Топливо FT получают из метана, газифицированного угля или газифицированной биомассы для создания углеводородов с длинной цепью, подходящих для использования в качестве топлива. Для этого типа топлива используется несколько сокращений, в зависимости от исходного сырья.Газ-жидкость (GTL), уголь-жидкость (CTL) и биомасса-жидкость (BTL) — вот лишь некоторые из этих аббревиатур. Процесс FT позволяет получать дизельное топливо довольно высокого качества – с высоким цетановым числом, низкой вязкостью, без серы и с высоким содержанием энергии – но этот процесс также сложен и дорог, по крайней мере, в настоящее время (Agarwal, 2004).

Что такое современное состояние двигателей CI?

Двигатели

CI используются во всем мире в качестве источников движущей и стационарной энергии. По мере того, как развивающиеся страны, такие как Индия и Китай, увеличивают свой спрос на транспорт и электроэнергию для удовлетворения экономического спроса, возникают серьезные вопросы относительно будущего двигателей CI в условиях все более строгих экологических норм, регулирования выбросов парниковых газов и спроса на ископаемое топливо. .Существуют ли стратегии, которые позволят движку CI развиваться, чтобы соответствовать этим нынешним и будущим требованиям рынка?

Используя традиционное дизельное топливо, инженеры добились значительных успехов в повышении эффективности и сокращении выбросов за счет применения передовых технологий впрыска, таких как насосы высокого давления Common Rail, топливные форсунки с пьезоприводом, современные турбомашины и рекуперация отработанного тепла (термоэлектрики и т. д.), и почти устранение серы в дизельном топливе. Топливо теперь можно гораздо точнее дозировать в камеру сгорания, чтобы процессы сгорания были более плавными и менее загрязняющими окружающую среду.Использование рециркуляции отработавших газов (EGR) позволило инженерам снизить концентрацию кислорода во всасываемом воздухе, обеспечив более низкие пиковые температуры сгорания со значительным снижением выбросов NO x . В настоящее время в современных двигателях с прямым впрыском используются достижения в области доочистки выхлопных газов, такие как сажевые фильтры (DPF), катализаторы deNO x (как с селективным каталитическим восстановлением, так и с ловушкой обедненной смеси) и катализаторы окисления дизельных двигателей (DOC).

Текущая усовершенствованная работа по сгоранию открыла захватывающие возможности для повышения эффективности двигателя с воспламенением, а также для значительного улучшения характеристик выбросов.По мере развития исследований было показано, что возможно улучшение некоторого предварительного смешивания топлива и воздуха при сохранении возможности контролировать выходную мощность за счет подачи топлива (без дросселирования) и сохранения высокой степени сжатия. Для достижения этих целей использовались различные стратегии. Одним из них является использование двойного топлива, широко известного как воспламенение от сжатия с регулируемой реактивностью (RCCI). В RCCI низкореакционное топливо (такое как бензин, этанол и т.п.) впрыскивается в камеру сгорания в качестве основного источника энергии и очень небольшое количество высокореактивного топлива (такое как дизельное топливо, биодизель и т.). Это не только обеспечивает возможность работы двигателя на обедненной смеси, что снижает пиковые температуры сгорания и повышает эффективность, но также обеспечивает правильную стратегию зажигания, позволяющую избежать пропусков зажигания и сохранить высокую надежность. RCCI в исследовательских двигателях продемонстрировал возможность достижения очень высокого уровня эффективности (в первую очередь за счет еще большего снижения теплопередачи, чем при традиционном сгорании дизельного топлива) и надежности управления. Основным недостатком RCCI является требование наличия двух форсунок на цилиндр (по одной на каждый вид топлива) и требование использовать либо два отдельных топлива, либо добавку, повышающую реактивность для топлива с низкой реактивностью (Curran et al., 2013).

Еще одной захватывающей возможностью в мире двигателей с воспламенением является использование топлива с довольно низкой реактивностью (бензин, нафта и т. д.) по сравнению с дизельным топливом, но при этом используется архитектура двигателя с воспламенением от сжатия и используется большая задержка воспламенения этих видов топлива для обеспечения некоторый уровень предварительного смешивания при сохранении достаточной стратификации для обеспечения контроля нагрузки (Kalghatgi et al., 2007). Воспламенение от сжатия бензина (GCI) или воспламенение от сжатия с частичным предварительным смешиванием (PPCI) пытаются достичь той же цели, что и RCCI, использующие двойное топливо, но сделать это путем точного расслоения одного топлива.Этот контроль воспламенения может быть довольно сложным по сравнению с RCCI, поскольку он зависит от постоянно меняющихся характеристик местного смешения топлива и воздуха, а не от положительного добавления высокореактивного топлива в определенное время. Преимущество в том, что требуется только одно топливо и одна форсунка на цилиндр.

В каждом из случаев для RCCI и PPCI цель состоит в том, чтобы обеспечить достаточное предварительное смешивание, чтобы уровни PM были низкими, и чтобы работало сгорание на бедной или разбавленной смеси, достаточное для поддержания пиковых температур сгорания ниже 2000K, избегая теплового NO x производство.Надежность этих новых подходов к горению и воспламенению является проблемой, к которой стремятся несколько исследовательских организаций по всему миру (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

Какое будущее ждет двигатели непрерывной интеграции?

По крайней мере, по состоянию на 2015 год двигатели CI занимают доминирующее положение на рынках коммерческих автомобилей и внедорожников. Поскольку во всем мире к выбросам парниковых газов и качеству воздуха предъявляются все более строгие нормативные требования, двигатели CI будут продолжать развиваться, чтобы соответствовать этим требованиям.Сочетание высокой удельной энергии жидкого топлива в сочетании с высокой удельной мощностью двигателей с воспламенением и очень низкой стоимостью производства будет по-прежнему делать двигатели с воспламенением популярным решением для производства движущей и стационарной энергии. В этой области ведутся захватывающие исследования по повышению эффективности, сокращению выбросов, совершенствованию технологии последующей обработки для контроля выбросов, и был достигнут огромный прогресс. Однако необходим еще больший прогресс, поскольку население мира превышает 7 миллиардов человек, а спрос на электроэнергию в развивающихся странах стремительно растет.То, как мы решим транспортные и энергетические проблемы в ближайшие несколько десятилетий, задаст тон нашей способности как общества поддерживать как пригодную для жизни среду, так и уровень жизни, приемлемый для постоянно растущего населения во всем мире.

Заявление о конфликте интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Представленная рукопись была создана компанией UChicago Argonne, LLC, оператором Аргоннской национальной лаборатории («Аргонн»).Argonne, научная лаборатория Министерства энергетики США, работает по контракту № DE-AC02-06Ch21357. Правительство США сохраняет за собой и другими лицами, действующими от его имени, оплаченную неисключительную, безотзывную всемирную лицензию в указанной статье на воспроизведение, подготовку производных работ, распространение копий среди публики, а также публичное исполнение и публичную демонстрацию, посредством или от имени правительства. Это не влияет на права других лиц на повторную публикацию и повторное распространение на условиях CC-BY (www.Creativecommons.org). Автор хотел бы отметить финансовую поддержку Департамента энергетики Управления транспортных технологий, программы Advanced Engine Combustion Program, которой руководит г-н Gurpreet Singh.

Каталожные номера

Аатола, Х., Ларми, М., Сарджоваара, Т., и Микконен, С. (2008). Гидроочищенное растительное масло (HVO) как возобновляемое дизельное топливо: компромисс между NOx, выбросами твердых частиц и потреблением топлива двигателем большой мощности . Технический документ SAE 2008-01-2500.Уоррендейл, Пенсильвания: Общество автомобильных инженеров.

Академия Google

Агарвал, А. К. (2004). Разработка и характеристика биодизеля из непищевых растительных масел индийского происхождения . САЕ 2004-28-0079. Уоррендейл, Пенсильвания: Общество автомобильных инженеров.

Академия Google

Карран, С., Хэнсон, Р., Вагнер, Р., и Рейц, Р. (2013). Картирование эффективности и выбросов RCCI в двигателе малой грузоподъемности .Технический документ SAE 2013-01-0289. Уоррендейл, Пенсильвания: Общество автомобильных инженеров.

Академия Google

Фрашуре, Д., Крамлич, Дж., и Мешер, А. (2009). Технико-экономический анализ добычи масла из промышленных водорослей . Технический документ SAE 2009-01-3235. Уоррендейл, Пенсильвания: Общество автомобильных инженеров.

Академия Google

Гилл, П., Смит, Дж., и Зиурис, Э. (1954). Основы двигателей внутреннего сгорания , 4-е изд.Аннаполис, Мэриленд: Военно-морской институт США.

Академия Google

Хейслер, Х. (1999). Технология транспортных средств и двигателей , 2-е изд. Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International.

Академия Google

Хейвуд, Дж. (1988). Основы двигателя внутреннего сгорания . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill Inc.

Академия Google

Калгатги, Г. Т., Рисберг, П., и Ангстрем, Х. Э. (2007). Частично предварительно смешанное самовоспламенение бензина для достижения низкого дымообразования и низкого содержания NOx при высокой нагрузке в двигателе с воспламенением от сжатия и сравнение с дизельным топливом .Технический документ SAE 2007-01-0006.

alexxlab

E-mail : alexxlab@gmail.com

Submit A Comment

Must be fill required * marked fields.

:*
:*