Цикл двс: Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

  • 23.08.1982

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Идеальные циклы поршневых двигателей



Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода — вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия — в

1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.

Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.

Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает «превращаться» в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т.

п.

***



Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.

И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе «Л. Нобеля» показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.


Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает «убежать» от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.

Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.

Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного («чистого») дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ — Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по «чистому» циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ — Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей — 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2′ и 1–2″ изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2’–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2″–3′ и 3’–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

***

Термодинамика поршневого двигателя

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Энергетическое образование

1.

Циклы газовых двигателей

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

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

Прямой термодинамический цикл.

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

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

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

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

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

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

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

Цикл Карно.

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

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

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

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

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

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

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

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

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

и, следовательно получим:

$$η_t=1-\frac{T_1}{T_2}.$$

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

$$ε=\frac{v_1}{v_2}. {k-1}}.$$

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

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

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

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

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

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

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

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

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

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

$$l_ц=q_1»-q_2».$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1»-q_2»}{q_1′-q_1»}.$$

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

Схема дизельной электростанции.

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

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

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

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

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

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

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

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

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

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

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

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

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

Коэффициент полезного действия такого цикла определяется и соотношения:

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

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

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

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

автор: Самойленко А. Ю.

УДК 621.431.74

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

[email protected]

 

Введение

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

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

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

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

 

Метод исследования

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

,                                  (1)

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

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

 

 

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

 

Роль гармоник в индикаторной диаграмме

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

,                          (2)

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

       P2max и φ2 – амплитуда и начальная фаза второй гармоники;

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

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

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

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

 

Цикл ДВС из двух гармоник

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

 

 

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

 

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

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

 

Цикл ДВС в виде первой гармоники

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

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

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

.                                 (3)

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

.

 

 

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

 

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

 

Преимущества, новизна предложенных эталонных циклов

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

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

 

 

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

 

 

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

 

Заключение

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

 

Список литературы

 

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

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

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

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

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

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

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

Рабочий цикл ДВС | Автомобильный портал

Рабочий цикл ДВС

Абсолютно все современные и древние двигатели внутреннего сгорания функционируют на одном принципе. Но для многих людей сама суть работы ДВС остается загадкой. Сейчас мы попробуем разобраться в этом вопросе полностью.

Работа ДВС – ключевые моменты

ДВС состоит из узлов слаженно работающих механизмов, которые создают хорошие условия для горения горючей смеси. Как в дизельных, так и бензиновых, топливо внутри камеры сгорания воспламеняется из-за сжатия. Благодаря смеси топлива и кислорода, при сжатии эта субстанция очень легко воспламеняется. Единственная разница дизельных и двигателей работающих на высокооктановом топливе в системе подачи горючего. У дизельного мотора в цилиндр горючее доставляется с помочью форсунок под сильным давлением, и в момент сжатия форсунка распыляет горючее, где в это время находится сжатый воздух. Вследствие этого смесь возгорается. У бензинового мотора смесь внутри камеры сгорания поджигается искрой вызванной высоким током, что подаётся на свечи зажигания, вследствие чего топливо возгорается.

Когда возгорается топливная смесь внутри камеры сгорания, происходит расширение, которое толкает поршень. Именно это является основой работы ДВС.

С теорией разобрались, теперь немного углубимся в детали, и разберемся в вопросе, как происходит рабочий цикл ДВС.

Если мы возьмем шприц, наберем в него воздух, перекроем выход на иголке и попытаемся его сжать, то получим компрессию. В моторе, работающем на принципе внутреннего сгорания, происходит та же ситуация. Штоком шприца является поршень, а пластиковая обойма – это гильза. Помимо поршня и гильзы в моторе автомобиля есть еще ГРМ (газораспределительный механизм). Именно он отвечает за своевременную подачу новой порции горючего и выпуск CO2 из камеры сгорания.

Когда поршень переходит из ВМТ вниз, то в этот момент клапана открываются и разрежённость внутри гильзы засасывает топливную смесь, состоящую из высокооктанового топлива и кислорода в карбюраторных моторах, а в дизельных, в этот момент поглощается только воздух, топливо впрыскивается форсункой. Обеспечивает непрерывное движение поршня по одной траектории кривошипно-шатунный механизм. Этот цикл называется «Впуск».
Следующий цикл – «Сжатие». Когда поршень достиг НМТ, клапана переходят в закрытое положение, а поршень продолжает движение вверх, создавая сжатие.

Третий цикл «Рабочий ход». Именно он обеспечивает работу мотора. Когда поршень доходит до ВМТ, на свече образуется искра, а в дизельных моторах происходит впрыск дизельного топлива. Происходит возгорание и газы, появившиеся вследствие сгорания, толкают поршень вниз.

Под воздействием силы газов поршень начинает идти вниз, клапана впускные при этом закрыты, но открываются выпускные. Следующее движение поршня выталкивает сгоревшие газы, и при достижении верхнего положения, выпускные клапана перекрываются, а впускные переходят в открытое положение и цикл повторяется.

За четыре такта происходит рабочий цикл ДВС, от этого происходит название двигателя – «Четырёхтактный».

Существуют 2-хтактные двигатели, где рабочий ход выполняется всего за 2 оборота, а в четырёхтактных за 4. Принцип работы двухтактного подобный 4-хтактному, их отличие только в системе КШМ, у этих двигателей его попросту нет. Впуск и выпуск производится с помощью окон, (отверстий в гильзе).

Таким образом функционируют моторы внутреннего сгорания.

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ

Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.

Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.

В цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного. Так фактическая степень сжатия смеси оказывается ниже, чем геометрическая. А вот расширение происходит полное. В результате удаётся лучше использовать энергию горячих газов и выбрасывать меньше полезного тепла в выхлопную трубу. Правда, для корректной работы такого цикла на разных нагрузках и оборотах не обойтись без фазовращателей.

Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.

На рисунке показаны выпускной коллектор новой «четвёрки» и вихрь на впуске, который генерируется специально подобранной формой впускных каналов.

Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.

Интересно, что мотор 1.8 2ZR-FXE на нынешнем Приусе показывает тепловой КПД 38,5% при степени сжатия 13:1. Но то агрегат, специально созданный под гибридную систему, которая может уравновесить недостатки цикла Аткинсона (скажем, неустойчивость работы на малых оборотах).

Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в кооперации с Daihatsu. Степень сжатия тут пониже (11,5:1), но у его предшественника (1KR-FE) было 10,5. Японцы утверждают, что одна только замена прежних моторов на новые принесёт экономию топлива в 10%. А в сочетании с несколькими другими мерами (вроде системы start/stop) — до 15% (с двигателем 1.3) и до 30% (с 1.0).

Мы полагаем, что улучшенный литровый агрегат после запуска на поток достанется новому малышу Aygo, а заодно и его собратьям Peugeot 108 и Citroen C1. Наверняка его подарят и обновлённому Ярису.

Термодинамика

    Параметры двигателя
    Кривошипная рукоятка Модель
      • ПРОГРАММА: Поршень — Цилиндр Объем участка
      • АППЛЕТ: поверхность поршня Площадь Участок
    Работа
      • Среднее эффективное значение Давление
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Среднее значение трения Эффективное давление

    Горение

    Стехиометрия
      • Топливо
      • Определение Цинь от HHV топлива
      • ПРОГРАММА: Возгорание Молярный коэффициент произведения
    Химическое равновесие
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Равновесные продукты сгорания
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Адиабатическая температура пламени
      • APPLET: Скорость образования оксида азота
      • АППЛЕТ: диссоциация CO2
    Модели цикла двигателя
    Введение

    Модель базового цикла Отто

      • APPLET: Четырехтактный газовый цикл Отто
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Отто Топливо-Воздух Цикл
      • APPLET: Четырехтактный двигатель Otto Fuel-Air Цикл
    Цикл Отто с конечным тепловыделением
      • Определение тепловложения топлива Qin
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Высвобождение тепла Фракция Участок
      • APPLET: простой апплет для высвобождения тепла
      • APPLET: простой апплет для высвобождения тепла (Обновлено с помощью Entropy Сандипом Макамом, лето 2007 г.)
    Цикл Отто с конечным тепловыделением и теплопередачей
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Конечное тепловыделение с теплопередачей
      • ПРИЛОЖЕНИЕ: Сравнение тепла Модели с коэффициентом передачи

Двигатель внутреннего сгорания Circlecycle

Круговой цикл (TM)   Двигатель

 

Двигатель CC представляет собой запатентованный «непоршневой двигатель внутреннего сгорания».В нем используются поршни и цилиндры для выработки энергии (как и в поршневых двигателях). Этот невозвратный механизм может производить энергию более эффективно и чище, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Целью разработки было достижение необходимого насосного действия двигателей внутреннего сгорания и устранение остановок и пусков поршней, работающих в поршневом двигателе, а также устранение боковых сил шатуна, прижимающих поршень к стенке цилиндра, создающих сопротивление .Кроме того, отпадает необходимость в коленчатом валу, клапанах, шатунах, кулачковом валу и т. д. и т. п.

В двигателе CC поршни и цилиндры находятся на одной прямой, направление или скорость поршневого цилиндра не меняется (за исключением изменения частоты вращения двигателя). Отсутствует боковая нагрузка между поршнем и стенками цилиндра, что снижает сопротивление и износ. (см. рис. «А»)

Динамика двигателя CC достигается за счет механического встречного вращения двух отдельных колес на параллельной оси, одного удерживающего поршня и одного удерживающего цилиндра (может быть несколько «рядов» поршней, цилиндрических колес и, как правило, 3 или 4 поршня/цилиндра). комплектов на банк).Поршни и цилиндры предназначены для вращения в направлении, противоположном их несущему колесу, образуя орбитальный рисунок, связанный с движением несущих колес. Проще говоря, поршни всегда обращены к сопряженному цилиндру, а цилиндр всегда обращен к сопряженному поршню. Такое расположение позволяет нескольким поршням и сопряженным цилиндрам входить в зацепление друг с другом (ход поршня), это зацепление обеспечивает сжатие и сгорание для мощности без возвратно-поступательного движения.

В двигателе CC поршни и цилиндры движутся навстречу друг другу в такте сжатия и расходятся друг от друга в такте рабочего хода.Ход не ограничивается углом наклона шатуна, как в поршневых двигателях. Нет ни выпускных, ни впускных клапанов, конфигурация камеры сгорания и расположение свечи зажигания (при необходимости) могут быть оптимизированы для максимально эффективного сжигания топлива.

Существенным отличием двигателя CC от других двигателей внутреннего сгорания является «ход поршня». В обычном поршневом двигателе внутреннего сгорания поршень начинает свой «такт сжатия» с нуля в нижней части хода, затем увеличивает скорость до середины хода, после чего начинает замедляться до очередного затишья в верхней мертвой точке.Следующий «силовой ход» такой же. Ускорение из положения остановки через половину рабочего хода, а затем замедление до полной остановки в конце рабочего хода. Независимо от того, как быстро вращается двигатель, каждый поршень все равно должен перемещать свою массу из состояния остановки в быстрое ускорение, затем в замедление и остановку. Чем выше число оборотов, тем более преувеличено условие, тем быстрее он должен ускоряться и замедляться для каждого оборота двигателя.

В уникальном двигателе с круговым циклом масса поршней и цилиндров имеет постоянную орбитальную скорость для любых заданных оборотов двигателя.Они не ускоряются и не замедляются, пока не изменится общая частота вращения двигателя. (большее отношение хода к диаметру цилиндра достигается за счет диаметра ведущего колеса, перекрытия ведущего колеса и длины поршня/цилиндра). Такт сжатия и рабочий ход являются результатом перекрытия орбит поршневого колеса и цилиндрического колеса.

Поскольку поршни и цилиндры в двигателе CC полностью разъединяются, нет необходимости в выпускных или впускных клапанах или механизмах для их управления. В 2-тактных двигателях часть «хода» используется для достижения «дыхания» двигателя.В двигателе CC (который является двухтактным двигателем), когда поршень и цилиндр разделяются в конце рабочего такта, цилиндр открывается на весь диаметр для выхода выхлопных газов в нижней части камеры поршня/цилиндра. и ему помогает охлаждающий и вентиляционный воздух, который подается в верхней части камеры.

В двигателе CC и цилиндрические, и поршневые колеса сбалансированы, и динамика движения не требует отдельного маховика для смягчения скачков мощности (каждое колесо является маховиком).Когда двигатель работает, вибрация минимальна или отсутствует, что свидетельствует о его эффективности. Двигатель CC может работать на холостом ходу до 130 об/мин.

Простые геометрические соотношения показывают, что цилиндр двигателя с большим отношением длины хода к диаметру цилиндра будет иметь меньшую площадь поверхности, подвергающуюся воздействию газов из камеры сгорания, по сравнению с цилиндром с более коротким отношением длины хода к диаметру цилиндра. Меньшая площадь напрямую приводит к уменьшению теплопередачи в цилиндре, увеличению передачи энергии и, следовательно, более высокой эффективности.(например, двигатель CC с диаметром цилиндра 2,3 будет иметь ход поршня 3,9)

Основы движения двигателя CC не изменились за период наших исследований и разработок, но применение концепции претерпело много изменений в деталях конструкции и размерах. За 12 лет разработки было выполнено 7 различных дизайнов. Это включает в себя механику движения, используемые функции, размер и компактность, количество поршней и цилиндров (от 3 до 8) и используемые материалы.Длительные периоды испытаний составных частей, компрессионных уплотнений, систем впрыска топлива, материалов и т. д. стали результатом нашей последней разработки CC6 и CC7.

В общем, двигатель CC Engine представляет собой уникальную концепцию, которая выводит двигатель внутреннего сгорания на новый уровень эффективности при снижении веса и стоимости.

Двигатель CC является основным средством снижения загрязнения воздуха во всем мире за счет повышения эффективности использования лошадиных сил.

       

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

18 февраль

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания 

Опубликовано 18 февраля 2013 автором shaikmoin в Без рубрики.Tagged: Двигатель, четырехтактный двигатель. Оставить комментарий

Большинство современных двигателей внутреннего сгорания работают по четырехтактному циклу; то есть полный цикл цилиндра состоит из четырех дискретных тактов, как описано ниже. Другие типы двигателей могут иметь очень разные циклы хода.

Впускной / секционный ход:  

Такт впуска  является первым тактом в цикле четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Он включает в себя движение поршня вниз, создавая частичный вакуум, который втягивает (позволяет атмосферному давлению) смесь топлива и воздуха в камеру сгорания.

В поршневых двигателях — часть цикла, когда поршни перемещаются от ВМТ (верхней мертвой точки) к НМТ (нижней мертвой точке) и топливно-воздушная смесь всасывается в цилиндры.

Такт сжатия: 

Такт сжатия  – это вторая из четырех стадий в двигателе внутреннего сгорания с циклом оттока или дизельным двигателем.

На этом этапе смесь (в случае двигателя Отто) или воздух (в случае дизельного двигателя) сжимается к верхней части цилиндра поршнем до тех пор, пока не воспламенится от свечи зажигания в двигателе Отто. двигатель или, в случае дизельного двигателя, достигает точки, в которой впрыскиваемое топливо самопроизвольно воспламеняется, заставляя поршень опускаться.

Рабочий ход/ход расширения: 

А  рабочий ход  в общем случае представляет собой ход циклического двигателя, генерирующего силу.

alexxlab

E-mail : alexxlab@gmail.com

Submit A Comment

Must be fill required * marked fields.

:*
:*