Принцип действия двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию и в механическую работу непосредственно в рабочем цилиндре. Преобразование тепловой энергии в механическую происходит путем расширения продуктов сгорания. Рассмотрим принцип работы ДВС на примере карбюраторного двигателя, схема которого нада на рис. 1.
Рис. 1 Схема работы 4-тактного карбюраторного двигателяРадиус кривошипа здесь обозначен буквой R, ход поршня – S (S = 2R). Рабочий цикл двигателя осуществляется за 2 оборота коленчатого вала или на 4 полных хода поршня (4 такта). Поэтому двигатель – 4-тактный. Справа на рисунке приведена диаграмма работы двигателя в осях “давление p – ход поршня S” (или объем V, описываемый поршнем при движении). Рассмотрим последовательность тактов, начиная с точки «o» диаграммы цикла, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), всасывающий клапан открыт, давление в цилиндре равно давлению окружающей среды po:
- Впуск (линия oa) — поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), впускной клапан открыт, выпускной клапан — закрыт.
В цилиндр поступает горючая смесь (воздух и пары бензина), получаемая в смесителе-карбюраторе, расположенном на всасывающем патрубке двигателя. В конце такта (в НМТ) впускной клапан закрывается. - Сжатие (линия ac) — поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, давление и температура рабочего тела в цилиндре по ходу поршня возрастает.
- Рабочий ход (линия zb) — в конце хода сжатия у ВМТ горючая смесь воспламеняется с помощью электрической свечи, происходит процесс быстрого горения при постоянном объеме (линия cz и затем — расширение газов (zb) с совершением поршнем полезной работы при его перемещении от ВМТ к НМТ. Оба клапана закрыты.
- Выпуск (линия bao) — в конце рабочего хода у НМТ открывается выпускной клапан. В этот момент давление газа в цилиндре больше давления окружающего воздуха po. Поэтому продукты сгорания выходят с большой скоростью в атмосферу, давление в цилиндре резко падает (линия ba). Оставшиеся в цилиндре продукты сгорания выталкиваются при движении поршня от НМТ к ВМТ через открытый выпускной клапан. У ВМТ выпускной клапан закрывается, открывается впускной клапан. Цикл повторяется сначала.
В цилиндр поступает горючая смесь (воздух и пары бензина), получаемая в смесителе-карбюраторе, расположенном на всасывающем патрубке двигателя. В конце такта (в НМТ) впускной клапан закрывается.
У ВМТ выпускной клапан закрывается, открывается впускной клапан. Цикл повторяется сначала.В 4-х тактном дизеле последовательность тактов — та же, что и в карбюраторном двигателе. Однако в период впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а свежий заряд воздуха. Топливо подается в цилиндр в мелкораспыленном виде в конце такта сжатия (у ВМТ вблизи точки c цикла), конец подачи – в районе точки z цикла. Топливный насос высокого давления подает топливо в цилиндр через распылитель форсунки в мелкораспыленном виде. Топливо самовоспламеняется в объеме камеры сжатия Vc. Часть топлива, поданного в цилиндр до самовоспламенения, горит при практически постоянном объеме (линия cz1). Поскольку топливо продолжает подаваться в цилиндр после начала воспламенения – оно сгорает при примерно постоянном давлении в начальный период рабочего хода (линия z1z). Теоретическая диаграмма работы такого 4-тактного дизеля дана на рис. 2.
Рис. 2 Диаграмма работы 4-тактного двигателяВ остальном цикл аналогичен циклу карбюраторного двигателя.
Рекомендуется к прочтению: Режимы обкатки судовых ДВС
В 2-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 1 оборот коленчатого вала (2 хода поршня). Рассмотрим принцип его действия на примере 2-тактного крейцкопфного дизеля с контурной продувкой цилиндра (рис. 3).
Рис. 3 Схема 2-тактного крейцкопфного дизеляВ нижней части втулки цилиндра имеются продувочные А и выпускные В окна. Примем, что выпускные окна несколько выше продувочных. Открытием и закрытием окон управляет поршень рабочего цилиндра. В конце рабочего хода поршень своей верхней кромкой открывает выпускные окна В, давление в цилиндре в этот момент выше атмосферного. Поэтому под действием разности давления продукты сгорания выбрасываются из цилиндра в атмосферу (линия ba на теоретической диаграмме работы 2-тактного дизеля, рис. 4). Эта фаза рабочего цикла называется “свободным выпуском“.
Рис. 4 Диаграмма работы 2-тактного дизеляПродувочные окна А открываются при дальнейшем нисходящем ходе поршня к НМТ.
В этот момент давление в цилиндре станет примерно равным давлению в продувочном ресивере. Предварительно сжатый воздух из продувочного ресивера через окна А поступает в цилиндр и выталкивает из него оставшиеся продукты сгорания через окна В. Эта фаза очистки называется “принужденным выпуском”.
Одновременно с выталкиванием продуктов сгорания свежий воздух заполняет объем цилиндра и частично выходит вместе с отработавшими газами в атмосферу. Эту фазу называют “продувкой” рабочего цилиндра. Принужденный выпуск и продувка протекают одновременно от момента открытия продувочных окон при движении поршня к НМТ до их полного закрытия при движении поршня от НМТ к ВМТ (линия аоа на диаграмме).
Читайте также: Испытания судовых ДВС
Процесс очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом носит название “газообмен”. Как видно, в 2-тактном дизеле газообмен осуществляется лишь на части хода поршня, при его нахождении в районе НМТ.
После закрытия продувочных и выпускных окон в 2-тактном двигателе начинается процесс сжатия и далее — как у 4-тактного двигателя.
Индикаторная работа Li – это полезная работа газов в цилиндре за цикл, определяемая в масштабе mF площадью Facz1zb диаграммы acz1zb на рисунках 2-4:
Li = mF Facz1zb. Форм. 1
Рабочий объем цилиндра Vs – это объем, описываемый поршнем диаметром D при ходе S:
Vs = πD2/4·S. Форм. 2
Среднее индикаторное давление pmi – это отношение индикаторной работы Li к рабочему объему цилиндра Vs:
pmi = Li/Vs. Форм. 3
Иначе: среднее индикаторное давление – это условное давление, постоянное на всем ходе поршня которое совершает ту же работу, что и переменное давление газов в цилиндре.
Полный объем цилиндра Vn – объем цилиндра при положении поршня в НМТ:
Vn = Vc+Vs, Форм.
4
где:
- Vc – объем камеры сжатия.
Степень сжатия ε – отношение объемов в точках a и c цикла (рис. 2):
ε = Va/Vc. Форм. 5
Степень предварительного расширения ρ – отношение объемов в точках z и c:
ρ = Vz/Vc. Форм. 6
Степень последующего расширения δ – отношение объемов в точках b(a) и z:
δ = Va/Vz = ε/ρ. Форм. 7
Степень повышения давления λ – отношение давлений в точках z и c:
λ = Pz/Pc. Форм. 8
Эти понятия используются при анализе циклов как 2-тактных, так и 4-тактных ДВС.
Сноски
Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания
Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания
В двигателе внутреннего сгорания преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу происходит внутри цилиндра двигателя.
В двигателе с внешним смесеобразованием в замкнутое пространство, образованное стенками цилиндра, его головкой и днищем поршня, через впускной клапан при перемещении поршня вниз всасывается горючая смесь, состоящая из жидкого топлива или горючего газа, смешанного в Определенной пропорции с воздухом. При перемещении поршня вверх смесь сжимается и воспламеняется от постороннего источника тепла. При сгорании смеси выделяется большое количество тепла, вследствие чего газы, получившиеся при сгорании, нагреваются и давление их сильно возрастает. Под действием давления газов поршень перемещается в цилиндре вниз и посредством шатуна вращает коленчатый вал, совершая при этом полезную работу. При обратном ходе поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра через выпускной клапан.
Рассмотренный процесс непрерывно повторяется, чем обеспечивается работа двигателя и получение на коленчатом валу необходимого для движения автомобиля усилия.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
При вращении коленчатого вала его шатунная шейка вместе с нижней головкой шатуна описывает окружность (рис.
1). Верхняя головка шатуна вместе с поршнем при этом перемещается в цилиндре прямолинейно вверх и вниз (возвратно-поступательно). При одном обороте колена (кривошипа) вала поршень делает один ход вниз и один ход вверх.
Изменение направления движения поршня происходит в нижней и верхней мертвых точках.
Верхней мертвой точкой (в. м. т.) называют самое верхнее положение поршня и кривошипа (рис. 1, а).
Нижней мертвой точкой (н. м. т.) называют самое нижнее положение поршня и кривошипа (рис. 1, б).
При положении поршня в мертвых точках давление газов на поршень не может вызвать поворота коленчатого вала, так как шатун и кривошип коленчатого вала располагаются в одну линию.
Ходом поршня называется расстояние между крайними положениями поршня (от в. м. т. до н. м. т.). По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа.
Двигатели, у которых длина хода поршня меньше диаметра цилиндра, называются короткоходными. Такие двигатели получают все большее распространение, так как при больших числах оборотов коленчатого вала скорость поршня получается невысокой, что обеспечивает большую износостойкость двигателя.
При повороте кривошипа от мертвых точек на одинаковые углы поршень проходит различные расстояния. Это означает, что при равномерном вращении коленчатого вала поршень в цилиндре двигается неравномерно с ускорениями и замедлениями, вследствие чего в работающем двигателе появляются силы инерции.
Тактом называют процесс, происходящий в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки к другой.
Рис. 1. Основные положения кривопшпно-шатунного механизма
При перемещении поршня вниз от в. м. т. до п. м. т. (рис. 16, б) объем внутренней полости цилиндра над поршнем изменяется от минимального значения (объем камеры сгорания) до максимального (полный объем цилиндра).
Камерой сгорания называется пространство в цилиндре над поршнем при положении его в в. м. т.
Рабочим объемом цилиндра называется объем цилиндра, заключенный между верхней и нижней мертвыми точками.
Рабочим объемом, или литражом двигателя, называется рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах.
Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания.
Степенью сжатия двигателя называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь (заряд) при перемещении поршня из н. м. т. в в. м. т. Чем выше степень сжатия двигателя, тем большую экономичность по расходу топлива имеет двигатель.
Двигатели внутреннего сгорания 24-421
24-421, осень 2018 г. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Особое внимание будет уделено термодинамическим, гидромеханическим аспектам и аспектам внутреннего сгорания двигателя внутреннего сгорания. Пройдя этот курс, студенты смогут получить общее представление о том, как конфигурация системы сгорания, поток жидкости в цилиндрах, химические характеристики топлива, теплопередача двигателя и смешивание топлива и воздуха в цилиндрах влияют на производительность и выбросы загрязняющих веществ от автомобилей. и двигатели внутреннего сгорания для тяжелых условий эксплуатации. Студенты будут анализировать данные, полученные от многотопливного бензинового двигателя с переменной степенью сжатия. Студенты также выполнят моделирование системы сгорания дизельного двигателя с использованием вычислительной гидродинамики (CFD).
После этого обучения студенты смогут работать над вычислительным проектом. Разница между двигателем внутреннего и внешнего сгорания
Опубликовано Admin Двигатель внутреннего и внешнего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания и двигатель внешнего сгорания представляют собой типы тепловых двигателей, использующих тепловую энергию, вырабатываемую при сгорании, в качестве основного источника энергии. Проще говоря, оба этих типа машин преобразуют тепловую энергию в механическую работу в виде вращения вала, которая впоследствии используется для приведения в действие любых механизмов, от автомобилей до пассажирских самолетов.
Подробнее о двигателе внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания представляет собой тепловую машину, в которой процесс сгорания топлива в смеси с окислителем происходит в камере сгорания, являющейся составной частью контура движения рабочего тела.
Основным принципом работы любого двигателя внутреннего сгорания является сжигание топливно-воздушной смеси, создание объема газа с высоким давлением и температурой и использование давления для перемещения компонента, прикрепленного к валу.
Механизмы, используемые для получения этой функциональности, разнообразны, а двигатели специально разработаны и обладают собственными характерными свойствами.
Наиболее распространенным типом двигателей внутреннего сгорания является поршневой двигатель или поршневой двигатель, в котором поршень, соединенный с коленчатым валом, перемещается за счет давления и тепла, образующихся при сгорании. У них относительно низкое отношение мощности к весу, а поток рабочей жидкости прерывистый, поэтому они используются для питания относительно небольших мобильных единиц, таких как автомобили, локомотивы или первичные двигатели. Поршневые двигатели термодинамически моделируются циклом Отто или циклом Дизеля.
Газотурбинные двигатели также являются двигателями внутреннего сгорания, но используют газ под высоким давлением для перемещения лопастей турбины, соединенной с валом. Сгорание газотурбинных двигателей непрерывное и имеет очень высокое отношение мощности к весу; поэтому они используются в крупных мобильных устройствах, таких как реактивные самолеты, коммерческие авиалайнеры и корабли.
Газотурбинные двигатели, работающие с воздухом в качестве рабочего тела, моделируются циклом Брайтона. Топливом, используемым во многих двигателях внутреннего сгорания, является нефтяное топливо разной степени очистки.
Подробнее о двигателе внешнего сгорания
Двигатель внешнего сгорания представляет собой тепловую машину, в которой рабочее тело доводится до высокой температуры и давления за счет сжигания внешнего источника тепла через стенку двигателя или теплообменник во внешнем источнике, а процесс сгорания процесс происходит вне цикла течения рабочего тела.
Большинство типов паровых двигателей представляют собой двигатели внешнего сгорания, в которых вода превращается в перегретый пар с помощью внешнего источника тепла, такого как котел, работающий от тепловой энергии, ядерной энергии или сжигания ископаемого топлива. В зависимости от механизма и фазового перехода паровые машины термодинамически моделируются циклом Стирлинга (однофазный — перегретый пар) и циклом Ренкина (двухфазный перегретый — пар и насыщенная жидкость).