Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании.

Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания, а также его рабочие циклы.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

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

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

Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)
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). Подробнее в статье как устроен двигатель внутреннего сгорания.

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 — 1200^оС.

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

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600^оС. 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 — 900^оС.

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 500-700^оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Более подробно про работу дизеля в статье Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

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

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход 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.

4ех тактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания

 

4ех тактный бензиновый двигатель стал основной рабочей «лошадкой» во многих сферах жизни человека, особенно в транспортной.

История 4ех тактного ДВС началась с французского инженер Этьена Ленуара. Он создал первый надёжно работавший двигатель в 1860 году. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. Двигатель Отто и стал основой поршневого двигателестроения. А закрепил его на рынке автомобилестроения Генри Форд и его знаменитая массовая модель Форд Т, выпускавшийся с 1908 года.

Столь успешным двигатель стал благодаря своей простой и в тоже время работоспособной конструкцией. Физика работы двигателя основана на термобарических процессах газов.

Соединение горючего и воздуха приводит к образованию смеси. Сгорающая смесь воздуха и горючего способствует образованию давления. Оно направляется на поршень. Который в свою очередь вращает коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм. В свою очередь с вала уже снимается полезная работа. Отмечается цикличность работы механизма в целом.

Процесс работы двигателя.

Такт 1– Впуск.

Вначале впуска поршень находится в верхнем положении, так называемая верхняя мертвая точка (ВМТ) и должен опуститься в крайнее нижнее положение – нижняя мертвая точка (НМТ). При этом впускной клапан открыт свежая порция топливной смеси засасывается внутрь цилиндра. Впускной клапан открывается деталями распределительного вала — кулачками.

Такт 2 – Сжатие.

Поршень двигается в обратном направлении. Рабочая смесь постепенно сжимается. Она становится намного горячее. Степенью сжатия можно называть отношение объемов цилиндра в НМТ и камеры сгорания в ВМТ. Если используется инжекторная система смесеобразования, то на данном этапе в цилиндр еще подается порция топлива, которое распыляется через форсунку.

Такт 3 – Рабочий такт.

Рабочий ход поршня обеспечивает сгорание топлива с дальнейшим расширением. После полного сжатия горючего свеча дает искру, которая в свою очередь, воспламеняет смесь. Воздушно-топливная смесь сгорая расширяется, создавая повышенное давление на поршень. Происходит выталкивание поршня с ускорением.

Такт 4 – Выпуск.

Когда поршень попадает в крайнее нижнее положение, выпускной клапан открыт. Поршень движется вверх и выталкивает из цилиндра уже отработанные газы. При дохождения поршня до ВМТ, выпускной клапан закрывается. С этого момента рабочий цикл из 4 тактов повторяется.
Запуск не обязательно начинается после выпуска. Открытие обеих клапанов одновременно называется перекрытием. Оно важно для того, чтобы цилиндры лучше наполнялись горючей смесью и лучше были очищены от отработанных газов.

Основные параметры ДВС

Мощность и крутящий момент двигателя

Изменяется в лошадиных силах или в Ваттах. Мощность — основной параметр двигателя. Мощность двигателя показывает то количество энергии который можно «снять» с вала двигателя при оптимальном режиме работы двигателя. Показывает, какую работу двигатель может выполнить за промежуток времени, а более точнее, сколько энергии успеет передать сгорающее топливо кривошип — шатунной системе через поршень за временной промежуток рабочего такта.

Мощность находится в прямой зависимости от крутящего момента.
Крутящий момент — сила, с которой проворачивается вал двигателя. Зависит от плеча воздействия шатуна на кривошип вала двигателя. Или какое тормозное усилие нужно приложить к валу двигателя, чтобы его остановить.

Диаграмма зависимость мощности и крутящего момента от числа оборотов коленчатого вала двигателя Audi 4,2 л V8 FSI.

Объем двигателя

Объем цилиндра  — это закрытый объем, в котором рабочее тело (сгорающая топливно-воздушная смесь) действует на часть замкнутого пространства — поршень Объем двигателя складывается из всех объемов всех цилиндров.

Сложив объем углубления в головке над поршнем и объем полости цилиндра, получают объем камеры сгорания.
Рабочим объемом именуют пространство, которое высвобождается передвигающимся поршнем в цилиндре.
Полный объем равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.
Литраж определяют сложением всех рабочих объемов цилиндров.

Количество цилиндров

В современных моторах количество цилиндров варьируется в широких диапазонах. Теоретически их может быть от 1 до не ограниченного количества. Но на практике в основном применяют в 4ех тактных двигателях компоновку от 4 до 12 цилиндров. Количество цилиндров зависит от мощности, степени сжатия и скорости оборота коленчатого вала. Огромную мощность, высокие обороты и высокую степень сжатия очень сложно организовать в цилиндре большого диаметра.

Мощность. Она зависит от количества и энергии рабочего тела (сгорающей газовой смеси), рабочее тело сильно нагревает поршень и цилиндр, чем больше поршень по диаметру, тем больше вероятность его нагрева и прогорания в центре. Именно с центра поршня тяжело снять излишки тепла.
Обороты коленчатого вала. Чем больше обороты, тем выше линейные и осевые скорости в кривошип-шатунном механизме и тем больше инертные силы, тем выше нагрузки действующие на поршень, шатун, вал, цилиндр. Поэтому тихоходные живут дольше своих «оборотистых собратья».
Степень сжатия. Чем больше нужно сжимать газ, тем большие нагрузки испытывает поршень и кривошип-шатунный механизм.
С выше сказанным вывод один — чем меньше диаметр цилиндра тем меньшие нагрузки испытывают элементы кривошип-шатунной группы. Но для создания большой мощности нужен больший объем камеры сгорания. Многоцилиндровость — это техническое решения, которое позволило решить главную задачу — увеличить мощность двигателя, не увеличивая при этом линейные и осевые инерционные силы и как итог механические нагрузки, а также поддержания в разумных пределах тепловых нагрузок, действующие на двигатель.

Степень сжатия

Степень сжатия очень сильно влияет на то, какое топливо следует применять для бензинового двигателя.

Степень сжатия определяют следующим способом, если разделить полный объем цилиндра на объем камеры сгорания. Она показывает уменьшение объема во время движения поршня. Степень сжатия сильно влияет на экономичность, экологичность и КПД двигателя.
Также топливная смесь может подаваться в цилиндры под давлением, что увеличивает количество свежего заряда.

Свежий заряд подаеться в цилиндры двигатели двумя способами:
• Без наддува: воздух или смесь всасывается в цилиндре под дествием разряжения и наполняет цилиндр с атмосферным давление.

• С наддувом: процесс протекает под давлением, в цилиндры подается газовая смесь с давлением в несколько раз выше атмосферного.

Дополнительные параметры ДВС

На выбор двигателя для механических средств также влияют дополнительные параметры, которые в одних системах могут прижиться, а в других создадут ряд проблем.

Способы смесеобразования

• Внешний: горючая смесь образуется за пределами цилиндров. К таким относятся карбюраторные и газовые двигатели.
• Внутренний: горючее впрыскивается непосредственно внутри цилиндров. Инжекторный тип смесеобразования.

Способы охлаждения

1. Жидкостный.
2. Воздушный.

Способ смазки

• Смешанный (масло смешивают со смесью горючих материалов).
• Раздельный (масло уже сразу заливают в картер).

Частота вращения

• Двигатели на тихом ходу.
• Двигатели, имеющие повышенную частоту вращения.
• Быстроходные двигатели.

Материал двигателя

Изготовление современных двигателей возможно из 3-х типов материалов:
• чугуна или других ферросплавов.

Они наиболее прочные, но при этом имеют немалый вес.
• алюминия и его сплавов. Вес небольшой, прочность средняя.
• магниевых сплавов. По весу они самые маленькие, а вот прочностью они наделены высокой. Но цена таких двигателей огромна.

Компоновка ДВС

1. Рядный.

Все цилиндры располагаются в ряд. Такая конструкция двигателей самая простая, детали к ним имеют несложную технологию производства.

2. V- образный двигатель.
Цилиндры в таком двигателе расставлены в форме буквы V, в двух плоскостях, двумя рядами под углом 600 или 900. Образовавшийся между ними угол – это угол развала. Плюсом такого двигателя является мощность. Его габариты могут быть уменьшены за счет смещения в развал других важных компонентов. Его длина меньше, а ширина больше. Но из-за сложности таких конструкций бывает непросто определить центр их тяжести.

3. Оппозитные двигатели (маркировка В).

Они относительно уравновешены, для уменьшения вибрации все элементы располагают симметрично. Их конструктивная особенность – центральное крепление вала на жестком блоке. Это так же влияет на степень вибрации. Угол развала составляет 1800.

4. Рядно-смещенные агрегаты (маркировки VR).
Данную компоновку отличает малый угол развала (150) V-образного двигателя в содружестве с рядным аналогом. Это позволяет уменьшить размеры продольного и поперечного агрегатов. Маркировка VR расшифровывается как V – образный, R — рядный.

5. W (или дубль V) — образный.
Самый сложный двигатель. Известен двумя видами компоновки.
1) Три ряда, угол развала большой.
2) Две компоновки VR. Они компактны, несмотря на большое количество цилиндров.

 

6. Радиальный (звездообразный) поршневой двигатель.
Имеет небольшой размер длины с плотным размещение нескольких штук цилиндров. Они располагаются вокруг коленчатого вала радиальными лучами с равными углами. Ее отличает от других наличие кривошипно-шатунного механизма. В данной конструкции один цилиндр выступает главным, остальные – прицепные – крепятся к первому по периферии.

Недостаток: в состоянии покоя нижние цилиндры могут пострадать от протекания масла. Рекомендуют до начала запуска двигателя проверить, что в нижних цилиндрах масло отсутствует. В противном случае возможны гидроудар и поломка. Чтобы увеличить размер и мощность двигателя, достаточно удлинить коленчатый вал образованием нескольких рядов – звезд.

Дополнительные системы двигателя внутреннего сгорания.

Запуск двигателя — Стартер

Для устойчивой работы ДВС требуются минимальные обороты 800 обр/мин. Запуск двигателя и вывод оборотов коленчатого вала, механизмов и агрегатов на нужные параметры для устойчивой и самоподдерживающей работы осуществляется стартером. Это электродвигатель для проворачивания коленчатого вала. Реже запуск двигателя осуществляется посредством подачи в цилиндры сжатого воздуха под давлением.

Топливная система

Топливная система для двигателя внутреннего сгорания состоит из следующих элементов:
— топливный бак (хранения запаса топлива, баллон, для хранения сжатого газа). Топливом для бензиновых ДВС является бензин или газ.
— топливный насос (подача и прокачка топлива по топливной системе).
— топливопровод (магистраль из стальных трубок для соединения топливного бака с системой смесеобразования).
— фильтры грубой и тонкой очистки топлива (очистка топлива от инородных частиц, которые могут засорить конструктивные элементы топливной системы).
— системя для образования газо-воздушной системы. Для образования рабочей газовой смеси из топлива и воздуха используются 2 вида систем.

Карбюраторная система

Карбюратор – один из узлов, входящих в систему питания двигателя. В нем как раз и готовится такая смесь из воздуха и горючего. Карбюратор также регулирует, сколько ее поступит в камеры сгорания. Известно несколько его видов: барботажные, мембранно-игольчатые и поплавковые.
Принцип действия основан на гидродинамических силах, создаваемых в карбюраторе конструктивно. Бензин, подаваясь в карбюратор и под действие движущегося атмосферного воздуха, принудительно испаряясь, смешивается с воздухом, образуя паровоздушную смесь. Далее смесь поступает во впускной коллектор двигателя, откуда далее в цилиндры. Пассивный принцип смесеобразования.

Инжекторная система

Инжекторные системы — это уже активная система смесеобразования. Инжекторная система состоит из управляющего электронного блока и форсунок. Форсунке подают заряд топлива (распыляя его) в засасываемый атмосферный воздух, подчиняясь командам электронного блока управления. Топливная смесь образуется либо во впускном коллекторе, либо же непосредственно в цилиндре, перед тактом сжатия смеси. Система осуществляют непосредственную дозировку нужного количества топлива.

 

Система смазки

Данный вид системы предназначен для смазки трущихся поверхностей двигателя во время работы. Смазка снижает коэффициент трения, что уменьшает потери энергии, снижает быстрый износ деталей двигателя, а также происходит удаление продуктов нагара и охлаждение поверхности деталей. Система смазки двигателя включает в себя следующие элементы:
— поддон картера двигателя с маслозаборником (предназначен для хранения масла).
— масляный насос (предназначен для перекачки масла и создания давления в системе).
— масляный фильтр (очистка масла от посторонних механических примесей).
— масляный радиатор (для охлаждения забираемого из картера масла перед подачей его в смазываемые детали).
— соединительные магистрали и каналы элементов системы смазки.

Система охлаждения

Система охлаждения нужна для отвода тепла от «горячих» элементов двигателя. При работе двигателя выделяется тепловая энергия от сгорающей рабочей смеси, только 40% данной энергии расходуется на полезную работу хода поршня, вся остальная энергия или в виде лучистой энергии оседает на стенках камеры сгорания или в виде горячих газов выходит через выхлопную систему в атмосферу.
Если не снимать эти «излишки» энергии, то в конечном итоге это приведет к выводу двигателя из строя, прогорание поршней, головы блока цилиндров, клапанов, заклинивание поршня в цилиндре. Для отвода энергии от двигателя используют теплоноситель — специальную охлаждающую жидкость, которая принудительно прокачивается через рубашку охлаждения блока цилиндров и головки цилиндров, снимая «излишки тепла», а далее по патрубкам поступает в радиатор, где часть ненужной энергии отдает окружающей атмосфере. После охлаждения жидкость вновь прокачивается через «рубашку охлаждения» двигателя. Охлаждающая система состоит:
— «рубашка охлаждения» (служит для обеспечения контакта охлаждающей жидкости с горячими элементами двигателя для снятия «излишков тепла»).
— центробежный насос (помпа) (служит для создания давления в системе и прокачки через систему жидкости).
— термостат (служит для разделения системы охлаждения на 2 контура, контур с радиатор и контур без радиатора).
— радиаторы охлаждающей жидкости и отопителя (предназначены для теплообмена между охлаждающей жидкости и окружающей средой).
— расширительный бачок (предназначен для хранения дополнительного количества охлаждающей жидкости).
— соединительные патрубки элементов системы охлаждения.

Система электропитания

Система электропитания имеет два основных источника электричества — это генератор и аккумулятор. Система электропитания предназначена для бесперебойного обеспечения электроэнергией потребителей. В первую очередь электрическая система питает элементы двигателя — это система зажигания, генератор при старте, электронную систему управления двигателя, электробензонасос, инжекторную систему. Так же в электрической энергии нуждается ряд автомобильных систем, это система освещения, габаритов, систем удобств пассажиров, электронные системы.

Аккумулятор

Аккумулятор — это первичный источник энергии в автомобили. Именно благодаря той энергии, которая запасена в нем и начинается работа всего автомобиля и двигателя в частности. Чтобы завести двигатель, стартер берет энергию именно от аккумулятора. Аккумуляторы бывают разной емкости, но напряжение, которое они выдают стандартное — 6, 12 Вольт, для мототехники и транспортных средств соответственно. Основная характеристика аккумулятора — это емкость и пусковой ток. Емкость у аккумуляторов бывает от 18 до 200 А/ч. Значение емкости показывает, сколько ампер и за какое время способен выдать аккумулятор. Пусковой ток измеряется в амперах и показывает пиковое значение по току, которое может выдать аккумулятор за короткое время, порядка 30 секунд. Важная характеристика для запуска двигателя стартером.

Генератор

Генератор — это электротехническое устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. При работающем двигателе генератор генератор является основным источником электрического тока, а аккумулятор вспомогательным. Генератор питает всю электрическую систему как двигателя, так и машины в целом, также от работающего генератора вырабатываемый ток заряжает аккумулятор. Генератор вырабатывает переменный ток, который в с вою очередь через диодный мост преобразуется в постоянный. Именно постоянный ток нужен в электрической системе автомобиля. Основные характеристики генератора — это напряжение и сила тока вырабатываемая им. Генераторы бывают 12 и 24 вольтные. Сила тока, вырабатываемая генератором колеблется в широких диапазонах, т.к. зависит от частоты вращения ротора.

Система зажигания

Предназначена для воспламенения горючей смеси топлива и воздуха в цилиндре от электрической искры. В зависимости от способа управления процессом зажигания различают следующие типы систем зажигания: контактная, бесконтактная (транзисторная) и электронная (микропроцессорная). Контактный способ — перераспределение электрической энергии происходит механическим путем, через прерыватель — распределитель. В бесконтактной системе прерыватель транзисторный, распределитель — механический. В электронной системе и прерыватель и распределитель — это микропроцессорный блок в котором и осуществляются процессы прерывания и распределения с помощью полупроводниковых устройств. Принцип работы системы зажигания заключается в накоплении и преобразовании катушкой зажигания низкого напряжения (12В) электрической сети автомобиля в высокое напряжение (до 30000В), распределении и передаче высокого напряжения к соответствующей свече зажигания и образовании в нужный момент искры на свече зажигания.

Система контроля и управления работы двигателя

Контроль и управление двигателем бывает 2 видов — механический и электронный. В первом случае человек управляет работой двигателя полностью и полностью ведет контроль за его работой, подбирая нужные условия работы, непосредственно воздействуя на элементы двигателя через рычаги и тросики. Во втором случае за всем следит электроника, она подбирает оптимальные условия для работы двигателя и следит за работой двигателя. Управление работой двигателя полностью ведется электроникой. человек лишь вносит управляющий сигнал в электронную система, а та в свою очередь обрабатывая сигнал, подбирает нужные условия работы двигателя. Электронная система управления контролирует работу двигателя с помощью множества датчиков, которые измеряя физические величины выдают, преобразуют их значения в электрический сигнал. Например: давления топлива, частоты вращения коленчатого вала, положения педали акселератора, расходомер воздуха (при наличии), детонации, температуры охлаждающей жидкости, температуры масла, температуры воздуха на впуске, положения дроссельной заслонки, давления во впускном коллекторе, кислородные датчики и др. Информация, получаемая от датчиков, является основой управления двигателем.

Циклы двигателя: определение, типы и анализ

Двигатели внутреннего сгорания работают по четырехтактному циклу , также известному как цикл двигателя.

Эти четырехтактные циклы включают четыре такта, начиная с впуска, сжатия, расширения сгорания и выпуска. Эти четыре такта непрерывно повторяются для выработки энергии и преобразования химической энергии в механическую.

Анализ циклов двигателя

Анализ циклов двигателя состоит из четырех этапов. К ним относятся впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Каждая ступень показана на рисунке 1 ниже, который описывает четырехтактный дизельный двигатель или бензиновый двигатель. Стоит упомянуть об основных отдельных компонентах в цилиндре двигателя. В цилиндре происходит сгорание. Поршень представляет собой цилиндр внутри двигателя, соединенный со штоком, который используется для перемещения поршня вертикально внутри цилиндра двигателя с газонепроницаемой посадкой. В верхней части цилиндра есть два клапана, впускной клапан и выпускной клапан, а также топливная форсунка или свеча зажигания между двумя клапанами.

Цикл четырехтактного двигателя

В бензиновых или дизельных двигателях каждое вертикальное движение поршня вверх или вниз называется тактом. Следовательно, в четырехтактных двигателях поршень совершает в общей сложности 4 движения вверх и вниз, которые обычно делятся на четыре разных этапа для завершения цикла двигателя.

Анализ циклов двигателя: такт впуска

Первый такт — такт впуска. При такте впуска поршень перемещается по цилиндру из верхнего максимального положения в нижнее минимальное положение. Предварительно смешанные воздух и топливо всасываются в цилиндр через открытые впускные клапаны, увеличивая объем внутри цилиндра. Давление в баллоне остается постоянным, примерно ниже атмосферного.

В бензиновом двигателе или двигателе с искровым зажиганием топливо должно быть предварительно смешано с воздухом, прежде чем оно достигнет впускного клапана. Это делается в устройстве, называемом карбюратор. В последнее время используется более сложный способ тщательной оценки количества топлива, впрыскиваемого во впускное отверстие для воздуха непосредственно над впускными клапанами. Количество впрыскиваемого топлива контролируется электронным блоком управления, также известным как ECU.

Анализ циклов двигателя: компрессия

В этот момент клапаны закрыты. Теперь поршень перемещается вверх из минимального вертикального положения в максимальное положение, уменьшая объем и увеличивая давление внутри цилиндра. Смесь сжимается по направлению к свече зажигания. Работа совершается над воздухом при сжатии. Это второй штрих.

Крайне важно, чтобы искра появлялась непосредственно перед концом такта, чтобы смеси было достаточно, чтобы достичь верхней точки своего такта, тем самым позволяя максимальному давлению воздействовать на опускающийся поршень. Нагретое топливо приводит в действие турбину, а затем впрыскивается в камеру сгорания, где оно сгорает.

Анализ циклов двигателя: сгорание

Из-за высокого давления вблизи верхнего максимального положения к концу второго такта температура смеси повышается, и смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. На этом этапе объем остается почти постоянным. Это последний шаг второго штриха.

Анализ циклов двигателя: расширение

Высокое давление расширенных газов заставляет поршень двигаться вниз. Работа совершается расширяющимися газами. Выпускной клапан открывается в минимальном положении, и давление снижается почти до атмосферного. Это третий штрих.

Анализ циклов двигателя: выхлоп

Поршень движется вверх, выталкивая сгоревшие газы через открытый выпускной клапан, в то время как давление в цилиндре остается чуть выше атмосферного. Это четвертый и последний такт цикла двигателя. Затем цикл повторяется.

Тепловые циклы или циклы двигателя в основном добавляют и отбрасывают энергию в виде тепла на стадиях сгорания и выпуска, в то время как работа выполняется на стадиях сжатия и расширения.

Два типа циклов для бензиновых и дизельных двигателей

Существует два типа двигателей. Дизельные и бензиновые двигатели работают в соответствии с различными теоретическими циклами двигателя, дизельным циклом и циклом Отто соответственно.

Идеальный или теоретический цикл Отто 9Описанный выше 0004 — это принцип работы бензинового двигателя. Он предполагает следующие условия:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие обратимое и адиабатическое (1-2).

• Горение (подвод тепла) изохорное (2-3).

• Расширение обратимое и адиабатическое (3-4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный (4-1).

Адиабатический — это термодинамический процесс, который происходит без передачи тепла или массы между системой и окружающей средой.

Изохорный — термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме .

Изобарический термодинамический процесс, происходящий при постоянном давлении .

Идеальный цикл Отто также может описывать четыре такта с использованием графика зависимости термодинамического давления от объема. Это показано на рисунке ниже, где четыре такта обозначены цифрами от 1 до 4, что означает четыре последовательных такта, завершающих один цикл двигателя. Показаны процессы постоянного объема и постоянного давления.

Идеальный цикл Отто

Идеальный или теоретический дизельный цикл — это принцип работы дизельного двигателя. Его можно описать при следующих условиях:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие адиабатическое (1–2).

• Горение (подвод тепла) изобарное (2–3).

• Расширение адиабатическое (3–4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный ( 4–1).

Идеальный дизельный цикл — StudySmarter Originals

Показательный цикл Отто реального бензинового и дизельного двигателей, полученный с помощью датчика давления в цилиндре и преобразователя, выходной сигнал которого зависит от углового положения коленчатого вала, показан на рисунке. ниже.

Слева: указан дизельный двигатель, справа: указан бензиновый двигатель — StudySmarter Originals

Из приведенных выше рисунков видно, что они не совпадают с теоретическими значениями циклов. Это связано с тем, что термодинамические процессы, происходящие при внутреннем сгорании, не соответствуют теоретическим циклам. Стадии сгорания и расширения не являются постоянными по объему и давлению, как предполагалось. Они также необратимы в реальной жизни, как это предполагается в теоретических условиях.

Помимо цикла Отто и Дизеля существуют и другие циклы двигателя, в том числе цикл Карно, цикл Брайтона и цикл Ренкина. Наиболее эффективным циклом является цикл Карно, а наименее эффективным циклом является цикл дизельного двигателя.

Уравнения для циклов двигателя

Приведенные выше цифры можно использовать для сравнения с идеальными циклами, а также для определения работы, совершаемой над газом во время сжатия, путем оценки площади под кривой сжатия и работы, выполняемой расширением газ, оценив площадь, измеренную в м ² под кривой расширения.

Таким образом, чистая работа, совершаемая воздухом за один цикл, определяется площадью под замкнутым контуром на p-V диаграмме. Если проделанную работу разделить на время одного цикла, указанная мощность получается, как показано в уравнении ниже, где n _с — количество циклов в секунду, n _{цилиндров} i с — количество циклов в секунду. цилиндры в двигателе. Р _и – указанная мощность, развиваемая при сгорании топлива в камере сгорания.

Pi[W]=Площади·ns·nцилиндров

Часть химической энергии будет потеряна из-за трения, поэтому выходная мощность двигателя будет меньше указанной мощности. Следовательно, выходная мощность P _из равна указанной мощности P _i за вычетом силы трения P _f , как показано ниже.

Pout[W]=Pi-Pf

Кроме того, выходная мощность P _out также может быть рассчитана с использованием крутящего момента выходного вала T и угловая скорость ω . Следовательно, максимальная мощность — это входная мощность, полученная за счет химической энергии топлива.

Pвых[Вт]=T[Нм]·ω[рад/с]

Это можно рассчитать по приведенным формулам, где P _в – подводимая мощность, генерируемая из подводимой химической энергии, m _f – подводимая мощность. расход топлива, а c _f – теплотворная способность топлива.

Pin[МВт]=cf[МДж/кг]·mf[кг/с]

Теоретический КПД идеального цикла можно найти с помощью приведенного ниже уравнения, где η — общий КПД, r _n — степень сжатия. Тепловой η _th и механический КПД η _m также можно найти с помощью приведенных ниже уравнений. Эффективность зависит от нагрузки на двигатель.

η=1-1rn0.4ηo=PoutPinηm=PoutPiηth=PiPin

где rn=MaxvolumeatbottomstrokeMinvolumeattopstroke

Найдите теоретический КПД двигателя, если степень сжатия равна 1,85.

Решение:

Используя уравнение теоретического КПД и подставляя коэффициент сжатия, получаем.

η=1-11,850,4=0,22=22%

Найдите указанную мощность шестицилиндрового двигателя, если площадь под кривой равна 200, двигатель совершает 5 циклов в секунду.

Решение :

Используя указанное уравнение мощности подставляем Площадь под кривую p-v, получаем количество цилиндров и циклов в секунду.

Pi[W]=A·ns·nc=5·200·6=6000W=6kW

Циклы двигателя – основные выводы

• Четыре ступени завершают один рабочий цикл в двигателе внутреннего сгорания.
• Бензиновый и дизельный двигатели представляют собой два типа двигателей внутреннего сгорания.
• В то время как бензиновые двигатели совершают циклы оттока, дизельные двигатели завершают дизельные циклы.
• Теоретические циклы строятся с использованием некоторых допущений, неприменимых в реальной жизни.

Ступени двигателя внутреннего сгорания

Ступени двигателя внутреннего сгорания

+ Только текстовый сайт + Версия без Flash + Связаться с Гленном Чтобы двигать самолет по воздуху, тяга создается каким-либо двигательная система. Начиная с братьев Райт. первый полет, многие самолеты использовали двигатель внутреннего сгорания повернуть пропеллеры для создания тяги. Сегодня большинство самолетов авиации общего назначения или частных самолетов питание от 9Двигатели внутреннего сгорания 0280 (IC) , очень похожие на двигатель в вашем семейном автомобиле. При обсуждении двигателей мы должны учитывать как механическое действие машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные работа. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный Двигатель IC . На рисунке показан внутренний вид Двигатель братьев Райт 1903 года в шесть раз, или стадий , во время термодинамический цикл. Двигатель Райта был выбран из-за его простоты, но те же шесть стадий происходят во всех четырехтактных 9Двигатели 0280IC . Этапы идут сверху слева к нижнему левому, затем от справа внизу вверх справа в непрерывном цикле. Мы обозначаем стадии по тем же причинам, что и станции из газотурбинный двигатель; чтобы лучше организовать нашу анализ производительности двигателя. Разработан термодинамический цикл для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. доктором Н. А. Отто в 1876 г. Цикл протекает следующим образом: Цикл начинается, когда впускной клапан открывается и смесь топлива и воздух поступает в цилиндр из впускной коллектор. Поршень оттягивается к коленчатому валу, слева на рисунке, при постоянном давлении, потому что клапан открыт. Движение поршень называется ход . Стадия 1 — начало такт впуска. В конце такта впуска впускной клапан закрывается, а поршень переместился обратно в камеру сгорания. Поскольку клапаны закрыты, давление и температура увеличиваются за счет адиабатическое сжатие. Этап 2 это начало такт сжатия. В конце такта сжатия давление в камере сгорания максимальное. Свеча зажигания в современном двигателе, или контактный переключатель двигателя Райта, затем генерирует электрическую искру, которая воспламеняет топливно-воздушной смеси. Этап 3 — начало процесс горения. Сгорание в двигателе внутреннего сгорания происходит очень быстро и происходит при постоянном объем в камере сгорания. Высокое давление толкает поршень назад по направлению к коленчатому валу. Стадия 4 это начало рабочий ход. В конце рабочего хода нагревать отбрасывается в окружающую среду, как того требует второй закон термодинамики. Этап 5 это начало теплоотдача. После отвода тепла выпускной клапан открывается, и остаточный газ вытесняется в окружающую среду для подготовки к следующему такт впуска. Этап 6 это начало такт выхлопа. В конце такта выпуска условия возвращаются к Этап 1 условия, и цикл повторяется. Вариация давление и цилиндр объем может отображаться на диаграмма p-V для Цикл Отто. Площадь участка равна полезной работа вырабатывается одним цилиндром двигателя. Деятельность: Экскурсии с гидом Навигация . . Домашняя страница руководства для начинающих   + Горячая линия генерального инспектора + Данные о равных возможностях трудоустройства публикуются в соответствии с Законом об отсутствии страха + Бюджеты, стратегические планы и отчеты о подотчетности + Закон о свободе информации + Повестка дня президентского руководства + Заявление НАСА о конфиденциальности, отказ от ответственности, и сертификация доступности       Редактор: Нэнси Холл Официальный представитель НАСА: Нэнси Холл Последнее обновление: 13 мая 2021 г.