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 — 1200оС.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля
В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух.
Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.
Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления.
При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.
Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
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.
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.
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.
• 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).
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.
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.
Рабочий цикл ДВС
Рабочий цикл одноцилиндрового двигателяВ автомобилях применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) названные так потому, что сгорание топлива происходит непосредственно в цилиндре.
Основными деталями ДВС, кроме цилиндра, являются поршень, шатун, коленчатый вал. На кривошипе коленчатого вала подвижно закрепляется шатун. К верхней головке шатуна шарнирно, с помощью пальца, крепится поршень. Цилиндр сверху закрывается крышкой, которая называется головкой цилиндра. В головке имеется углубление, называемое камерой сгорания. Также в головке имеются впускное и выпускное отверстия, закрываемые клапанами. К коленчатому валу крепится маховик – массивный круглый диск.
При вращении коленвала происходит перемещение поршня внутри цилиндра. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (В.М.Т.), крайнее нижнее положение – нижней мертвой точкой (Н.М.Т.). Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. Пространство, находящееся над поршнем, когда он находится в н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра. Когда поршень находится в в.м.т., над ним остается пространство, называемое объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называются полным объемом цилиндра.
В технических данных объем указывается в литрах или кубических сантиметрах. Объем многоцилиндрового двигателя равен сумме полных объемов всех его цилиндров. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя. Она показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре.
Один ход поршня от одной мертвой точке к другой называется тактом. Коленвал при этом совершает полоборота. Как работает ДВС? Во время первого такта происходит впуск горючей смеси в цилиндр. Клапан впускного отверстия открыт, выпускного – закрыт. Поршень, перемещаясь от в.м.т к н.м.т, подобно насосу, создает разряжение в цилиндре и топливо, перемешанное с воздухом, заполняет его.
Во время второго такта, при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., происходит сжатие горючей смеси. При этом и выпускной, и впускной клапаны закрыты. В результате давление и температура в цилиндре повышаются. В конце такта сжатия, при приближении поршня к в.
м.т., горючая смесь поджигается искрой от свечи зажигания (в бензиновых ДВС) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных ДВС).
Во время третьего такта происходит сгорание рабочей смеси. Клапана остаются закрытыми. Воспламенившаяся рабочая смесь резко повышает температуру и давление в цилиндре, которое заставляет поршень с усилием двигаться вниз. Поршень через шатун передает усилие на коленвал, создавая на нем крутящий момент. Таким образом, происходит преобразование энергии сгорания топлива в механическую энергию, которая двигает автомобиль. Поэтому этот такт называется рабочим ходом. Маховик, закрепленный на коленчатом валу, запасает энергию, обеспечивая вращение коленвала за счет сил инерции во время подготовительных тактов.
В ходе четвертого такта происходит выпуск отработанных газов и очистка цилиндра. Поршень, двигаясь от н.м.т. к в.м.т., выталкивает продукты горения через открытый выпускной клапан.
Далее весь процесс повторяется. Таким образом, рабочий цикл описанного ДВС происходит за четыре такта.
Поэтому он и называется четырехтактным. Коленвал за это время совершает два оборота. Существуют и двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл происходит за два такта. Однако такие ДВС в настоящее время на автомобилях практически не применяются.
Для плавной работы многоцилиндрового двигателя и уменьшения неравномерных нагрузок на коленчатый вал такты рабочего хода в разных цилиндрах должны происходить в определенной последовательности. Такая последовательность называется порядком работы двигателя. Он определяется расположением шеек коленчатого вала и кулачков распределительного вала. Например, в двигателях ВАЗ порядок работы 1-3-4-2. Так как в четырехтактном двигателе полный цикл в каждом цилиндре совершается за два оборота коленчатого вала, то, следовательно, в четырехцилиндровом двигателе для равномерной его работы за каждые пол-оборота коленчатого вала в одном из цилиндров должен происходить рабочий такт.
Рассмотренные детали составляют в совокупности кривошипно-шатунный механизм.
Кроме него, для обеспечения работы ДВС нужны газораспределительный механизм, система охлаждения, система смазки, система питания и система зажигания (в бензиновых двигателях).
Газораспределительный механизм, управляя работой клапанов, обеспечивает своевременное их открытие и закрытие. Система охлаждения отводит тепло от деталей двигателя, нагревающихся при работе. Система смазки подает масло к трущимся поверхностям. Система питания служит для приготовления рабочей смеси и подачи ее в цилиндры. Система зажигания преобразует низковольтное напряжение от АКБ в высоковольтное и подает его на свечи для воспламенения рабочей смеси.
Такты работы ДВС — презентация онлайн
Похожие презентации:
Действительный цикл. Газообмен ДВС
Классификация двигателей внутреннего сгорания
Рабочие процессы бензинового двигателя
Назначение, классификация, общее устройство ДВС. Основные параметры работы ДВС. Рабочий цикл ДВС. Тема 2.1.1
Двигатель внутреннего сгорания
Смесеобразование в ДВС
Газообмен в д.
в.с. Анализ процессов впуска и сжатия. (лекция 6)
Классификация, общее устройство и принцип действия поршневых ДВС
Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания
Процесс газообмена в ДВС
1. Тема 4. Такты работы ДВС (часть 1)
2. Вопросы: 1. Процесс газообмена: выпуск и впуск 2. Сжатие
Периоды газообмена!
Процессы выпуска из цилиндра
продуктов
сгорания
и
наполнения цилиндра свежим
зарядом называют процессами
газообмена.
Продолжительность
данного
процесса определяется фазами
газораспределения.
Основные периоды процесса газообмена четырехтактного
двигателя следующие:
1. Свободный выпуск
2. Принудительный выпуск
3. Наполнение
4. Дозарядка
Круговая диаграмма
фаз газораспределения
четырехтактного
двигателя
Основные периоды процесса впуска:
1.
Период перекрытия клапанов
(от точки r’ до точки a’) –
интенсивный процесс
газообмена;
2.
Период (от точки a’ до точки a) –
наполнения свежим зарядом;
3.
Период (от точки a до точки a’’)
– дозарядка или обратный
выброс.
Показатели качества газообмена:
Коэффициент наполнения —
Коэффициент остаточных газов —
Коэффициент наполнения:
Действительное количество
свежего заряда,
поступившего в цилиндр
!
Коэффициент наполнения равен
отношению действительного
количества свежего заряда,
поступившего в цилиндр
двигателя двигателя к
теоретическому количеству
свежего заряда, которое там
может разместиться при
определенных условиях:
-для двигателя без наддува при
атмосферных условиях Po и To;
Теоретическое количество
свежего заряда, которое
может разместиться в
цилиндре при определенных
условиях
— для двигателя с наддувом при
давлении Pk и Tk во впускном
трубопроводе за компрессором и
охладителем.
Значения
коэффициента
наполнения
для
различных типов автомобильных и тракторных
двигателей при работе их с полной нагрузкой:
Для двигателей с электронным впрыском……….
.0,80-0,96Для карбюраторных двигателей……………………0,70-0,90
Для дизелей без наддува……………………………0,80-0,94
Для дизелей с наддувом……………………………0,80-0,97
Коэффициент остаточных газов:
Количество остаточных
газов в цилиндре
!
Под коэффициентом остаточных
газов понимают отношение
количества остаточных газов к
количеству свежего заряда.
Величина коэффициента остаточных газов
изменяется в следующих пределах:
Количество свежего заряда в
цилиндре
Для бензиновых и газовых двигателей без
наддува……………………………0,04-0,10
Для дизелей без наддува…………0,02-0,05
Для двухтактных двигателей……0,05-0,40
Влияние на коэффициент наполнения различных
факторов:
Зависимость коэффициента
наполнения автомобильных
двигателей от частоты вращения
коленчатого вала
1 – ЗИЛ-130,
Зависимость коэффициента
наполнения от нагрузки
2- ЗАЗ-966А
+ степень сжатия
+ давление и температура на впуске
Примеры организации движения свежего заряда
Завихрение заряда в
цилиндре дизельного
двигателя в процессе
впуска
Применение четырех клапанов на один цилиндр с
завихрением заряда на впуске в бензиновых
двигателях
Завихрение заряда на впуске в зависимости от
режима работы двигателя
Изменение длины впускного коллектора
Длинный впускной коллектор
Короткий впускной коллектор
Задачи процесса сжатия:
-расширение температурных пределов рабочего цикла;
-создание условий, необходимых для воспламенения и сгорания
горючей смеси.
Эти условия обеспечивают эффективноепреобразование теплоты в полезную работу.
!
Эффективность данного процесса определяется
степенью сжатия
Ориентировочные пределы степеней сжатия для двигателей
различных типов:
!
Действительный процесс сжатия отличается от
такового в обратимых термодинамических
циклах наличием утечек рабочего тела и
изменением его состава в результате испарения
и окисления топлива и масла, а также наличием
теплообмена со стенками
Давление (МПа) и температура (К) в конце процесса
сжатия определяются из уравнения политропы с
постоянным показателем:
где
показатель политропы
Влияние различных факторов на показатель адиабаты
сжатия:
* При одинаковой степени сжатия и температуре начала сжатия значение
для бензиновых двигателей обычно ниже, чем для дизелей. Причина –
испарение топлива.
* Увеличение частоты вращения приводит к увеличению показателя адиабаты.
Причина – время на процесс теплообмена со стенками уменьшается.
* Уменьшение отношения поверхности охлаждения
к объему цилиндра
приводит к увеличению показателя адиабаты.
* Повышение средней температуры процесса сжатия ведет к снижению
показателя адиабаты.
* Увеличение интенсивности охлаждения ведет к снижению показателя
адиабаты.
?
Вопрос. Показатель адиабаты выше у какого двигателя: с водяным
охлаждением или воздушным?
!
English Русский Правила
Кольцевой двигатель внутреннего сгорания. Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания. Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания
Согласитесь, что сегодня невозможно представить себе современный мир без автомобилей, поездов, теплоходов и так далее. А ведь так было не всегда.
Еще совсем недавно каких-то двести лет назад единственным средством передвижения по земле кроме собственных ног были лошади. Лошади возили телеги, повозки, кареты, даже вагоны по рельсам.
И мысль о том, что все это можно передвигать без помощи этих несчастных животных была из области фантастики. Тогда-то, в начале 19 века, и начались первые изобретения самоходных машин на основе парового двигателя.
В таком двигателе нагревался огнем наполненный водой котел, и пар от кипящей воды совершал механическую работу по приведению двигателя в ход. Двигатели были чудовищными, малоэффективными, огромными и небезопасными. Однако, на основе этих двигателей были созданы первые автомобили, паровозы и пароходы.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания
Людям понравилась эта затея, несмотря на все минусы. Тогда это было чудом техники. И лишь в 1860 году, когда паровые двигатели применялись уже повсеместно и перестали считаться чем-то необыкновенным, был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания.
Еще 18 лет понадобилось, чтобы изобретение доработали до нормально работающего варианта, который и по сей день является основой любого двигателя внутреннего сгорания четырехтактного двигателя.
Еще через семь лет двигатели начали работать на бензине. До этого их топливом был светильный газ. В наше время практически везде применяются двигатели внутреннего сгорания с кратным четырем количеством цилиндров. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Он состоит из цилиндра с поршнем, клапанов для впуска топлива и выпуска отработанных паров и коленчатого вала, соединенного с поршнем. Разберем, как работает двигатель внутреннего сгорания на основе простейшего одноцилиндрового движка.
Во время первого такта сквозь топливный клапан впускается горючая смесь бензина и воздуха. Поршень двигается вниз.
На втором такте поршень двигается вверх, сжимая эту смесь, отчего она нагревается.
Третий такт : сжатая смесь поджигается электрической свечой, и энергия от этого небольшого взрыва толкает поршень вниз, приводя в движение коленчатый вал. Энергии толчка достаточно, чтобы коленвал, вращаясь по инерции, приводил в движение поршень при последующих тактах.
И наконец, на четвертом такте , сквозь второй клапан отработанные газы выталкиваются поршнем из цилиндра. Как видно, только один из четырех тактов рабочий.
Для равномерного вращения вала и увеличения мощности совмещают на одном валу четыре цилиндра таким образом, чтобы во время каждого такта один из цилиндров был в стадии рабочего хода. В таком случае они равномерно и последовательно вращают коленвал. Восемь, двенадцать и более цилиндров применяются уже исключительно для увеличения
Большинство водителей понятия не имеют, каким является устройство двигателя автомобиля. А знать это необходимо, ведь не зря при обучении во многих автошколах ученикам рассказывают принцип работы ДВС. Иметь представление о работе двигателя должен каждый водитель, ведь эти знания могут пригодиться в дороге.
Конечно, существуют разные типы и марки двигателей автомобилей, работа которых отличается между собой в мелочах (системы впрыскивания топлива, расположение цилиндров и т. д.).
Однако основной принцип для всех типов ДВС остается неизменным.
Устройство двигателя автомобиля в теории
Устройство ДВС всегда уместно рассматривать на примере работы одного цилиндра. Хотя чаще всего легковые автомобили имеют 4, 6, 8 цилиндров. В любом случае, главная деталь мотора — это цилиндр. В нем располагается поршень, который может двигаться вверх-вниз. При этом существуют 2 границы его передвижения — верхняя и нижняя. Профессионалы их называют ВМТ и НМТ (верхняя и нижняя мертвые точки).
Сам поршень соединен с шатуном, а шатун — с коленчатым валом. При движении поршня вверх-вниз шатун передает нагрузку на коленчатый вал, и тот вращается. Нагрузки от вала передаются на колеса, в результате чего автомобиль начинает движение.
Но главная задача — заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой этого сложного механизма. Делается это с помощью бензина, дизельного топлива или газа. Капля топлива, воспламеняющаяся в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Затем поршень по инерции возвращается в верхнюю границу, где снова происходит взрыв бензина и такой цикл повторяется постоянно, пока водитель не заглушит мотор.
Так выглядит устройство двигателя автомобиля. Однако это лишь теория. Давайте рассмотрим более детально циклы работы мотора.
Четырехтактный цикл
Практически все двигатели работают по 4-тактному циклу:
- Впуск топлива.
- Сжатие топлива.
- Сгорание.
- Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.
Схема
Ниже на рисунке показана типичная схема устройства двигателя автомобиля (одного цилиндра).
На этой схеме четко показаны основные элементы:
A — Распределительный вал.
B — Крышка клапанов.
C — Выпускной клапан, через который отводятся газы из камеры сгорания.
D — Выхлопное отверстие.
E — Головка цилиндра.
F — Полость для охлаждающей жидкости. Чаще всего там находится антифриз, который охлаждает нагревающийся корпус мотора.
G — Блок мотора.
H — Маслосборник.
I — Поддон, куда стекает все масло.
J — Свеча зажигания, образующая искру для поджога топливной смеси.
K — Впускной клапан, через который в камеру сгорания попадает топливная смесь.
L — Впускное отверстие.
M — Поршень, который движется вверх-вниз.
N — Шатун, соединенный с поршнем. Это основной элемент, который передает усилие на коленчатый вал и трансформирует линейное движение (вверх-вниз) во вращательное.
O — Подшипник шатуна.
P — Коленчатый вал. Он вращается за счет движения поршня.
Также стоит выделить такой элемент, как поршневые кольца (их еще называют маслосъемными кольцами). Их нет на рисунке, однако они являются важной составляющей системы двигателя автомобиля. Данные кольца огибают поршень и создают максимальное уплотнение между стенками цилиндра и поршня. Они предотвращают попадание топлива в масляный поддон и масла в камеру сгорания. Большинство старых двигателей автомобилей ВАЗ и даже моторы европейских производителей имеют изношенные кольца, которые не создают эффективное уплотнение между поршнем и цилиндром, из-за чего масло может попадать в камеру сгорания.
В такой ситуации будет наблюдаться повышенный расход бензина и «жор» масла.
Это основные элементы конструкции, которые имеют место во всех двигателях внутреннего сгорания. На самом деле элементов намного больше, но тонкостей мы касаться не будем.
Как работает двигатель?
Начнем с начального положения поршня — он находится вверху. В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. При этом всего лишь небольшая капля бензина поступает в емкость цилиндра. Это первый такт работы.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки, при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, в результате чего топливная смесь сжимается, так как ей в закрытой камере некуда деваться. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий этап — это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру.
В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
На заключительном этапе деталь достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени, пока водитель не заглушит двигатель.
В результате взрыва бензина поршень движется вниз и толкает коленчатый вал. Тот раскручивается и передает нагрузки на колеса автомобиля. Именно так и выглядит устройство двигателя автомобиля.
Отличие в бензиновых моторах
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч — элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси.
То есть на третьем цикле поршень поднимается вверх, сильно сжимает топливную смесь, и та взрывается естественным образом под действием давления.
Альтернатива ДВС
Отметим, что в последнее время на рынке появляются электрокары — автомобили с электрическими двигателями. Там принцип работы мотора совершенно другой, т. к. источником энергии является не бензин, а электричество в аккумуляторных батареях. Но пока что автомобильный рынок принадлежит автомобилям с ДВС, а электрические двигатели не могут похвастаться высокой эффективностью.
Несколько слов в заключение
Такое устройство ДВС является практически совершенным. Но с каждым годом разрабатываются новые технологии, повышающие КПД работы мотора, осуществляется улучшение характеристик бензина. При правильном техническом обслуживании двигателя автомобиля он может работать десятилетиями. Некоторые успешные моторы японских и немецких концернов «пробегают» миллион километров и приходят в негодность исключительно из-за механического устаревания деталей и пар трения.
Но многие двигатели даже после миллионного пробега успешно проходят капремонт и продолжают выполнять свое прямое предназначение.
Для настоящего автолюбителя машина — это непросто средство передвижения, а ещё и инструмент свободы. При помощи автомобиля можно достаться в любую точку города, страны или континента. Но наличия прав для настоящего путешественника недостаточно. Ведь до сих пор есть множество мест, где не ловит мобильный, и куда не могут добраться эвакуаторы. В таких случаях при поломке вся ответственность ложится на плечи автомобилиста.
Поэтому каждый водитель должен хоть немного разбираться в устройстве своего автомобиля , и начать нужно именно с двигателя. Безусловно, современные автомобильные компании выпускают множество автомобилей с разными типами моторов, но чаще всего производителями в конструкциях используются двигатели внутреннего сгорания. Они обладают высоким КПД и при этом обеспечивают высокую надёжность работы всей системы.
Внимание!
В большинстве научных статей двигатели внутреннего сгорания сокращённо называются ДВС.
Какими бывают ДВС
Перед тем как приступить к подробному изучению устройства ДВС и их принципа работы, рассмотрим, какими бывают двигатели внутреннего сгорания. Сразу нужно сделать одно важное замечание. За более чем 100 лет эволюции учёными было придумано множество разновидностей конструкций, у каждой из которых есть свои преимущества. Поэтому для начала выделим основные критерии, по которым можно различить данные механизмы:
- В зависимости от способа создания горючей смеси все ДВС делятся на карбюраторные, газовые и инжекторные устройства. Причём это класс с внешним смесеобразованием. Если же говорить о внутреннем, то — это дизели.
- В зависимости от типа топлива ДВС можно разделить на бензиновые, газовые и дизельные.
- Охлаждение устройства двигателей может быть двух типов: жидкостным и воздушным.
- Цилиндры могут располагаться как друг напротив друга, так и в форме буквы V.
- Смесь внутри цилиндров может воспламеняться посредством искры.
Так происходит в карбюраторных и инжекторных ДВС или за счёт самовоспламенения.
Так происходит в карбюраторных и инжекторных ДВС или за счёт самовоспламенения.В большинстве автомобильных журналов и среди профессиональных автоэкспортов принято классифицировать ДВС, на такие типы:
- Бензиновый двигатель. Это устройство работает за счёт бензина. Зажигание происходит принудительно при помощи искры, которую генерирует свеча. За дозировку топливно-воздушной смеси отвечают карбюраторные и инжекторные системы. Воспламенение происходит при сжатии.
- Дизельные . Двигатели с устройством такого типа работают за счёт сгорания дизельного топлива. Главная разница в сравнении с бензиновыми агрегатами заключается в том, что горючее взрывается благодаря повышению температуры воздуха. Последнее становится возможным из-за роста давления внутри цилиндра.
- Газовые системы функционируют при помощи пропан-бутана. Зажигание происходит принудительным образом.
Газ с воздухом подаётся в цилиндр. В остальном устройство подобного ДВС аналогично бензиновому мотору.
Именно такая классификация используется чаще всего, указывая на конкретные особенности системы.
Устройство и принцип работы
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Лучше всего рассмотреть устройство ДВС на примере одноцилиндрового двигателя. Главной деталью в механизме является цилиндр. В нём находится поршень, который двигается вверх-вниз. При этом есть две контрольные точки его передвижения: верхняя и нижняя. В профессиональной литературе они именуются как ВМТ и НМТ. Расшифровка следующая: верхняя и нижняя мёртвые точки.
Внимание! Поршень также соединяется с валом. Соединительным звеном служит шатун.
Главная задачу шатуна — это преобразование энергии, которая образовывается в результате движения поршня вверх-вниз во вращательное. Результатом подобного преобразования является движение автомобиля в нужное вам направление. Именно за это отвечает устройство ДВС. Также не стоит забывать про бортовую сеть, работа которой становится возможной благодаря энергии, выработанной двигателем.
Маховик крепится к концу вала ДВС. Он обеспечивает стабильность вращения коленчатого вала. Впускной и выпускной клапаны находятся вверху цилиндра, который, в свою очередь, накрывается специальной головкой.
Внимание! Клапаны открывают и закрывают соответствующие каналы в нужное время.
Чтобы клапаны ДВС открылись, на них воздействуют кулачки распредвала. Происходит это посредством передаточных деталей. Сам вал двигается при помощи шестерней коленчатого вала.
Внимание! Поршень свободно движется внутри цилиндра, застывая на миг то в верхней мёртвой точке, то в нижней.
Чтобы устройство ДВС функционировало в нормальном режиме, горючая смесь должна подаваться в чётко выверенной пропорции. В противном случае возгорание может не произойти. Огромную роль также играет момент, в который происходит подача.
Масло необходимо для того, чтобы предотвратить преждевременный износ деталей в устройстве ДВС. В общем, всё устройство двигателя внутреннего сгорания состоит из таких основных элементов:
- свечей зажигания,
- клапанов,
- поршней,
- поршневых колец,
- шатунов,
- коленвала,
- картера.
Взаимодействие этих системных элементов позволяет устройству ДВС вырабатывать нужную для передвижения автомобиля энергию.
Принцип работы
Рассмотрим, как работает четырёхтактный ДВС. Чтобы понять принцип его работы, вы должны знать значение понятия такт. Это определённый промежуток времени, за который внутри цилиндра осуществляется нужное для работы устройства действие. Это может быть сжатие или воспламенение.
Такты ДВС образуют рабочий цикл, который, в свою очередь, обеспечивает работу всей системы. В процессе этого цикла тепловая энергия преобразуется в механическую. За счёт этого происходит движение коленчатого вала.
Внимание! Рабочий цикл считается завершённым после того, как коленчатый вал сделает один оборот. Но такое утверждение работает только для двухтактного двигателя.
Здесь нужно сделать одно важное объяснение. Сейчас в автомобилях преимущественно используется устройство четырёхтактного двигателя. Такие системы отличаются большей надёжностью и улучшенной производительностью.
Для совершения четырёхтактного цикла нужно два оборота коленчатого вала. Это четыре движения поршня вверх-вниз. Каждый такт выполняет действия в точной последовательности:
- впуск,
- сжатие,
- расширение,
- выпуск.
Предпоследний такт также называется рабочим ходом. Про верхнюю и нижнюю мертвые точки вы уже знаете. Но расстояние между ними обозначает ещё один важный параметр. А именно, объём ДВС. Он может колебаться в среднем от 1,5 до 2,5 литра. Измеряется показатель посредством плюсования данных каждого цилиндра.
Во время первого полуоборота поршень с ВМТ перемещается в НМТ. При этом впускной клапан остаётся открытым, в свою очередь, выпускной плотно закрыт. В результате данного процесса в цилиндре образуется разряжение.
Горючая смесь из бензина и воздуха попадает в газопровод ДВС. Там она смешивается с отработанными газами. В результате образуется идеальное для воспламенения вещество, которое поддаётся сжатию на втором акте.
Сжатие происходит тогда, когда цилиндр полностью заполнен рабочей смесью. Коленчатый вал продолжает свой оборот, и поршень перемещается из нижней мёртвой точки в верхнюю.
Внимание! С уменьшением объёма температура смеси внутри цилиндра ДВС растёт.
На третьем такте происходит расширение. Когда сжатия подходит к своему логическому завершению свеча генерирует искру и происходит воспламенение. В дизельном двигателе всё происходит немного по-другому.
Во-первых, вместо свечи установлена специальная форсунка, которая на третьем такте впрыскивает топливо в систему. Во-вторых, внутрь цилиндра закачивается воздух, а не смесь газов.
Принцип работы дизельного ДВС интересен тем, что в нём топливо воспламеняется самостоятельно. Происходит это за счёт повышения температуры воздуха внутри цилиндра. Подобного результата удаётся добиться за счёт сжатия, в результате которого растёт давление и повышается температура.
Когда топливо через форсунку попадает внутрь цилиндра ДВС, температура внутри настолько высока, что возгорание происходит само собой.
При использовании бензина подобного результата добиться нельзя. Всё потому что он воспламеняется при гораздо более высокой температуре.
Внимание! В процессе движения поршня от произошедшего внутри микровзрыва деталь ДВС совершает обратный рывок, и коленчатый вал прокручивается.
Последний такт в четырёхтактном ДВС носит название впуск. Он происходит на четвёртом полуобороте. Принцип его действия довольно прост. Выпускной клапан открывается, и все продукты сгорания попадают в него, откуда в выпускной газопровод.
Перед тем как попасть в атмосферу отработанные газы из обычно проходят систему фильтров. Это позволяет минимизировать вред, наносимый экологии. Тем не менее устройство дизельных двигателей всё равно намного более экологично, чем бензиновых.
Устройства, позволяющие увеличить производительность ДВС
С момента изобретения первого ДВС система постоянно совершенствуется. Если вспоминать первые двигатели серийных автомобилей, то они могли разгоняться максимум до 50 миль в час.
Современные суперкары без труда преодолевают отметку в 390 километров. Таких результатов учёным удалось добиться за счёт интеграции в устройство двигателя дополнительных систем и некоторых конструкционных изменений.
Большой прирост мощности в своё время дал клапанный механизм, внедрённый в ДВС. Ещё одной ступенью эволюции стало расположение распределительного вала вверху конструкции. Это позволило уменьшить число движущихся элементов и увеличить производительность.
Также нельзя отрицать полезность современной системы зажигания ДВС. Она обеспечивает максимально возможную стабильность работы. Вначале генерируется заряд, который поступает на распределитель, а с него на одну из свечей.
Внимание! Конечно же, нельзя забыть про систему охлаждения, состоящую из радиатора и насоса. Благодаря ей удаётся предотвратить своевременный перегрев устройства ДВС.
Итоги
Как видите, устройство двигателя внутреннего сгорания не представляет особенной сложности. Для того чтобы его понять не нужно каких-либо специальных знаний — достаточно простого желания.
Тем не менее знание принципов работы ДВС точно не будет лишними для каждого водителя.
На наших дорогах чаще всего можно встретить автомобили, потребляющие бензин и дизельной топливо. Время электрокаров пока не настало. Поэтому рассмотрим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Отличительной чертой его является превращение энергии взрыва в механическую энергию.
При работе с бензиновыми силовыми установками различают несколько способов формирования топливной смеси. В одном случае это происходит в карбюраторе, а потом это все подается в цилиндры двигателя. В другом случае бензин через специальные форсунки (инжекторы) впрыскивается непосредственно в коллектор или камеру сгорания.
Для полного понимания работы ДВС необходимо знать, что существует несколько типов современных моторов, доказавших свою эффективность в работе:
- бензиновые моторы;
- двигатели, потребляющие дизельное топливо;
- газовые установки;
- газодизельные устройства;
- роторные варианты.
Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.
Такты ДВС
В каждом есть топливо, которое взрываясь в камере сгорания, расширяется и толкает поршень, установленный на коленчатом валу. Далее это вращение посредством дополнительных механизмов и узлов передается на колеса автомобиля.
В качестве примера будем рассматривать бензиновый четырехтактный мотор, так как именно он является самым распространенным вариантом силовой установки в машинах на наших дорогах.
Такты :
- открывается впускное отверстие и происходит заполнение камеры сгорания подготовленной топливной смесью
- происходит герметизация камеры и уменьшение ее объема в такте сжатия
- взрывается смесь и выталкивает поршень, который получает импульс механической энергии
- камера сгорания освобождается от продуктов горения
В каждом из этих этапов работы ДВС заложена своя происходит несколько одновременных процессов. В первом случае поршень находится в самой нижней своей позиции, при этом открыты все клапаны, впускающие топливо.
Следующий этап начинается с полного закрытия всех отверстий и перемещения поршня в максимальную верхнюю позицию. При этом все сжимается.
Достигнув снова крайней верхней позиции поршня, на свечу поступает напряжение, и она создает искру, зажигая смесь для взрыва. Сила этого взрыва толкает поршень вниз, а в это время открываются выпускные отверстия и камера очищается от остатков газа. Затем все повторяется.
Работа карбюратора
Формирование топливной смеси в машинах первой половины прошлого века происходило с помощью карбюратора. Чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, нужно знать, что автомобильные инженеры сконструировали топливную систему так, что в камеру сгорания подавалась уже подготовленная смесь.
Устройство карбюратора
Ее формированием занимался карбюратор. Он в нужных соотношениях перемешивал бензин и воздух и отправлял это все в цилиндры. Такая относительная простота конструкции системы позволяла ему долгое время оставаться незаменимой частью бензиновых агрегатов.
Но позже его недостатки стали преобладать над достоинствами и не обеспечивать повышающихся требований к автомобилям в целом.
Недостатки карбюраторных систем:
- нет возможности обеспечивать экономные режимы при внезапных переменах режимов езды;
- превышение лимитов вредных веществ в выхлопных газах;
- низкая мощность автомобилей из-за несоответствия подготовленной смеси состоянию автомобиля.
Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.
Работа инжекторных моторов
Принцип работы инжекторного двигателя заключается в непосредственном впрыске бензина во впускной коллектор или камеру сгорания. Визуально все схоже с работой дизельной установки, когда подача выполняется дозировано и только в цилиндр. Разница лишь в том, что у инжекторных агрегатов установлены свечи для поджигания.
Конструкция инжектора
Этапы работы бензиновых моторов с прямым впрыском не отличаются от карбюраторного варианта.
Разница лишь в месте формирования смеси.За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:
- увеличение мощности до 10% при схожих технических характеристиках с карбюраторным;
- заметная экономия бензина;
- улучшение экологических характеристик по выбросам.
Но при таких достоинствах есть и недостатки. Основными являются обслуживание, ремонтопригодность и настройка. В отличие от карбюраторов, которые можно самостоятельно разобрать, собрать и отрегулировать, инжекторы требуют специального дорогостоящего оборудования и установленного большого числа разных датчиков в автомобиле.
Способы впрыска топлива
В ходе эволюции подачи топлива в двигатель происходило постоянное сближение этого процесса с камерой сгорания. В наиболее современных ДВС произошло слияние точки подачи бензина и места сгорания. Теперь смесь формируется уже не в карбюраторе или впускном коллекторе, а впрыскивается в камеру напрямую.
Рассмотрим все варианты инжекторных устройств.
Одноточечный вариант впрыска
Наиболее простой вариант конструкции выглядит как впрыск топлива через одну форсунку во впускной коллектор. Разница с карбюратором в том, что последний подает готовую смесь. В инжекторном варианте проходит подача топлива через форсунку. Выгода заключается в получении экономии при расходе.
Моноточечный вариант подачи топлива
Такой способ также формирует смесь вне камеры, но здесь задействованы датчики, которые обеспечивают подачу непосредственно к каждому цилиндру через впускной коллектор. Это более экономичный вариант использования топлива.
Прямой впрыск в камеру
Этот вариант пока наиболее эффективно использует возможности инжекторной конструкции. Топливо напрямую распыляется в камере. За счет этого снижается уровень вредных выхлопов, и автомобиль получает кроме большей экономии бензина увеличенную мощность.
Увеличенная степень надежности системы снижает негативный фактор, касающийся обслуживания.
Но такие устройства нуждаются в качественном топливе.
Двигатель автомобиля может выглядеть как большая запутанная мешанина металлических частей, трубок и проводов для непосвященных. В то же время двигатель — это «сердце» почти любого автомобиля — 95% всех машин работают на двигателе внутреннего сгорания.
В этой статье мы обсудим работу двигателя внутреннего сгорания: его общий принцип, изучим конкретные элементы и фазы работы двигателя, узнаем, как именно потенциальная топлива преобразуется во вращательную силу, и постараемся ответить на следующие вопросы: как работает двигатель внутреннего сгорания, какие бывают двигатели и их типы и что означают те или иные параметры и характеристики двигателя? И, как всегда, всё это просто и доступно, как дважды два.
Главная цель бензинового двигателя автомобиля заключается в преобразовании бензина в движение, чтобы Ваш автомобиль мог двигаться. В настоящее время самый простой способ создать движение от бензина — это попросту сжечь его внутри двигателя.
Таким образом, автомобильный «движок» является двигателем внутреннего сгорания — т.е. сгорание бензина происходит внутри него.
Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели являются одной из форм, а газотурбинные — совсем другой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Ну, как Вы заметите, раз существует двигатель внутреннего сгорания, то должен существовать и двигатель внешнего сгорания. Паровой двигатель в старомодных поездах и пароходах как раз таки и является лучшим примером двигателя внешнего сгорания. Топливо (уголь, дерево, масло, любое другое) в паровой машине горит вне двигателя для создания пара, и пар создаёт движение внутри двигателя. Разумеется, двигатель внутреннего сгорания является намного более эффективным (как минимум потребляет гораздо меньше топлива на километр пути автомобиля), чем внешнего сгорания, кроме того, двигатель внутреннего сгорания намного меньше по размерам, чем эквивалентный по мощности двигатель внешнего сгорания.
Это объясняет, почему мы не видим ни одного автомобиля, похожего на паровоз.
А теперь давайте посмотрим более подробно, как же работает двигатель внутреннего сгорания.
Давайте рассмотрим принцип, лежащий в любом возвратно-поступательном движении двигателя внутреннего сгорания: если Вы поместите небольшое количество высокоэнергичного топлива (например, бензина) в небольшое закрытое пространство и зажжёте его (это топливо), то выделится невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, к примеру, для приведения в движение картофелины. В этом случае энергия преобразуется в движение этой картофелины. Например, если Вы в трубу, у которой один конец плотно закрыт, а другой — открыт, нальёте немного бензина, а затем засунете картофелину и подожжёте бензин, то его взрыв спровоцирует приведение в движение этой картофелины за счёт выдавливания её взрывающимся бензином, таким образом, картофелина подлетит высоко в небо, если Вы направите трубу вверх.
Это мы кратко описали принцип действия старинной пушки. Но Вы также можете использовать такую энергию бензина в более интересных целях. Например, если Вы можете создать цикл взрывов бензина в сотни раз в минуту, и если Вы сможете использовать эту энергию в полезных целях, то знайте, что у Вас уже есть ядро для двигателя автомобиля!
Почти все автомобили в настоящее время используют то, что называется четырёхтактным циклом сгорания для преобразования бензина в движение. Четырёхтактный цикл также известен как цикл Отто — в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Итак, вот они, эти 4 такта работы двигателя:
- Такт впуска топлива
- Такт сжатия топлива
- Такт сгорания топлива
- Такт выпуска отработавших газов
Вроде бы уже всё понятно из этого, не так ли? Вы можете посмотреть ниже на рисунке, что элемент, который называется поршень, заменяет картошку в описанной нами ранее «картофельной пушке». Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна.
Только не пугайтесь новых терминов — их, на самом деле не так много в принципе работы двигателя!
На рисунке буквами обозначены следующие элементы двигателя:
A — Распределительный вал
B — Крышка клапанов
C — Выпускной клапан
D — Выхлопное отверстие
E — Головка цилиндра
F — Полость для охлаждающей жидкости
G — Блок двигателя
H — Маслосборник
I — Поддон двигателя
J — Свеча зажигания
K — Впускной клапан
L — Впускное отверстие
M — Поршень
N — Шатун
O — Подшипник шатуна
P — Коленчатый вал
Вот что происходит, когда двигатель проходит свой полный четырёхтактный цикл:
- Начальное положение поршня — в самом верху, в этот момент открывается впускной клапан, и поршень движется вниз, таким образом, засасывая в цилиндр приготовленную смесь бензина и воздуха. Это такт впуска. Всего лишь крошечная капля бензина должна смешаться с воздухом, чтобы всё это работало.
- Когда поршень достигает своей нижней точки, то впускной клапан закрывается, а поршень начинает перемещаться обратно вверх (бензин оказывается в «западне»), сжимая эту смесь из топлива и воздуха. Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.
- Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания испускает искру, порождённую напряжением более десятка тысяч Вольт, чтобы зажечь бензин. Происходит детонация, и бензин в цилиндре взрывается, с невероятной силой толкая поршень вниз.
- После того, как поршень снова достигает дна своего хода, настаёт очередь открываться выпускному клапану. Затем поршень движется вверх (это происходит уже по инерции) и отработавшая смесь бензина и воздуха выходит через выхлопное отверстие из цилиндра, чтобы отправиться в своё путешествие до выхлопной трубы и далее в верхние слои атмосферы.
Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.Теперь, когда клапан снова в самом верху, двигатель готов к следующему циклу, так что он всасывает следующую порцию смеси воздуха и бензина, чтобы ещё сильнее раскрутить коленчатый вал, который, собственно и передаёт своё кручение далее через трансмиссию к колёсам. Теперь посмотрите ниже, как работает двигатель во всех своих четырёх тактах.
Более наглядно работу двигателя внутреннего сгорания Вы можете увидеть на двух анимациях ниже:
Как работает двигатель — анимация
Обратите внимание, что движение, которое создаётся работой двигателя внутреннего сгорания, является вращением, в то время как движение, создаваемое «картофельной пушкой», является линейным (прямым). В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение нам нужно, потому что мы планируем повернуть наши колёса автомобиля.
Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе в дружной команде, чтобы это произошло, начиная с цилиндров!
Ядром двигателя является цилиндр с поршнем, который двигается вверх и вниз внутри цилиндра. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Казалось бы, что ещё нужно для автомобиля?! А вот и нет, автомобилю для комфортной езды на нём нужны по меньшей мере ещё 3 таких цилиндра с поршнями и всеми необходимыми этой парочке атрибутами (клапанами, шатунами и так далее), а вот один цилиндр подойдёт разве что для большинства газонокосилок.
Посмотрите — ниже на анимации Вы увидите работу 4-хцилиндрового двигателя:
Типы двигателей
Автомобили чаще всего имеют четыре, шесть, восемь и даже десять, двенадцать и шестнадцать цилиндров (последние три варианта устанавливают, в основном на спортивные автомобили и болиды). В многоцилиндровом двигателе все цилиндры, как правило, расположены одним из трёх способов:
- Рядный
- V-образный
- Оппозитный
Вот они — все три типа расположения цилиндров в двигателе:
Рядное расположение 4-х цилиндров
Оппозитное расположение 4-х цилиндров
V-образное расположение 6 цилиндров
Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения вибрации, стоимости производства и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для использования некоторых конкретных транспортных средств. Так, 4-хцилиндровые двигатели редко имеет смысл делать V-образными, таким образом, они обычно рядные; а 8-цилиндровые двигатели делают чаще с V-образным расположением цилиндров.
Теперь давайте наглядно посмотрим, как работает система впрыска топлива, масло и другие узлы в двигателе:
Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно:
А теперь внимание! На основе всего прочитанного посмотрим на полный цикл работы двигателя со всеми его элементами:
Полный цикл работы двигателя
Почему двигатель не работает?
Допустим, Вы выходите утром к машине и начинаете её заводить, но она не заводится . Что может быть не так? Теперь, когда Вы знаете, как работает двигатель, можно понять основные вещи, которые могут помешать двигателю завестись. Три фундаментальные вещи могут случиться:
- Плохая топливная смесь
- Отсутствие сжатия
- Отсутствие искры
Да, есть ещё тысячи незначительных вещей, которые могут создать проблемы, но указанная «большая тройка» является чаще всего следствием или причиной одной из них. На основе простого представления о работе двигателя мы можем составить краткий список того, как эти проблемы влияют на двигатель.
Плохая топливная смесь может быть следствием одной из причин:
- У Вас попросту закончился в баке бензин, и двигатель пытается завестись от воздуха.
- Воздухозаборник может быть забит, поэтому в двигатель поступает топливо, но ему не хватает воздуха, чтобы сдетонировать.
- Топливная система может поставлять слишком много или слишком мало топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
- В топливе могут быть примеси (а для российского качества бензина это особенно актуально), которые мешают топливу полноценно гореть.
Отсутствие сжатия — если заряд воздуха и топлива не могут быть сжаты должным образом, процесс сгорания не будет работать как следует. Отсутствие сжатия может происходить по следующим причинам:
- Поршневые кольца изношены (позволяя воздуху и топливу течь мимо поршня при сжатии)
- Впускные или выпускные клапаны не герметизируются должным образом, снова открывая течь во время сжатия
- Появилось отверстие в цилиндре.
Отсутствие искры может быть по ряду причин:
- Если свечи зажигания или провод, идущий к ним, изношены, искра будет слабой.
- Если провод повредился или попросту отсутствует или если система, которая посылает искру по проводу, не работает должным образом.
- Если искра происходит либо слишком рано или слишком поздно в цикле, топливо не будет зажжено в нужное время, и это может вызвать всевозможные проблемы.
И вот ещё ряд причин, по которым двигатель может не работать, и здесь мы затронем некоторые детали за пределами двигателя:
- Если аккумулятор мёртв, Вы не сможете прокрутить двигатель, чтобы запустить его.
- Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться, поэтому двигатель не сможет работать.
- Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или не работают вообще, воздух не сможет войти, а выхлопы — выйти, поэтому двигатель опять-таки не сможет работать.
- Если кто-то из хулиганских побуждений засунул картошку в выхлопную трубу, выпускные газы не смогут выйти из цилиндра, и двигатель снова не будет работать.
- Если в двигателе недостаточно масла, то поршень не сможет двигаться вверх и вниз свободно в цилиндре, что затруднит или сделает невозможным нормальную работу двигателя.
В правильно работающем двигателе все эти факторы находятся в пределах допуска. Как Вы можете видеть, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему сделать свою работу преобразования топлива в движение безупречной. Мы же рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих разделах.
Большинство подсистем двигателя может быть реализована с использованием различных технологий, и лучшие технологии могут значительно повысить производительность двигателя. Вот почему развитие автомобилестроения продолжается высочайшими темпами, ведь конкуренция среди автоконцернов достаточно велика, чтобы вкладывать большие деньги в каждую дополнительно выжатую лошадиную силу из двигателя при том же объёме.
Давайте посмотрим на различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с работы клапанов в двигателе.
Как работают клапаны?
Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом . Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.
Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками . Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями.
Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).
Как работает система зажигания?
Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.
Как работает охлаждение?
Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.
Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.
Как работает пусковая система?
Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его ! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем.
Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.
Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:
- Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
- Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
- Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
- Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.
Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии.
Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.
Как работает впрыск и смазочная система?
Когда дело доходит ежедневного обслуживания автомобиля, Ваша первая забота, вероятно, состоит в проверке количества бензина в Вашем автомобиле. А как бензин попадает из топливного бака в цилиндры? Топливная система двигателя высасывает бензин из бака с помощью топливного насоса, который находится в баке, и смешивает его с воздухом так, чтобы надлежащая смесь воздуха и топлива могла протекать в цилиндры. Топливо поставляется в одном из трёх распространённых способов: карбюратор, впрыск топлива и система непосредственного впрыска топлива.
Карбюраторы на сегодняшний день сильно устарели, и их не помещают в новые модели автомобилей. В инжекторном двигателе нужное количество топлива впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо прямо в впускной клапан (впрыск топлива) или непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск топлива).
Масло также играет важную роль. Идеально и правильно смазанная система гарантирует, что каждая подвижная часть в двигателе получает масло так, что она может легко перемещаться. Две главные части, нуждающиеся в масле — это поршень (а, точнее, его кольца) и любые подшипники, которые позволяют таким элементам, как коленчатый и другие валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления частиц грязи, а затем брызгается под высоким давлением на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает в отстойник, где снова собирается, и цикл повторяется.
Система выпуска отработавших газов
Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей выхлопной трубы. Глушитель гасит звук.
Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.
Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора . Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле,
Двс такты работы
Главная » Разное » Двс такты работы
Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя (Изучаем вместе) — DRIVE2
На автомобилях устанавливают поршневые 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 (ДВС), 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 — Фото 2-5
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 устроены бензиновые и дизельные двигатели».
Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля
В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.
08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.
Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.
Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра.
Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей
На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. 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 Фото 6
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.
Четырехтактный двигатель: принцип работы, основные отличия
Четырехтактный двигатель представляет собой поршневой мотор внутреннего сгорания. Рабочий процесс всех цилиндров в этих агрегатах занимает 2 кругооборота коленчатого вала или четыре поршневых такта. С середины ХХ века 4 тактный двигатель — самый распространенный вид поршневых моторов.
Принцип работы и основная характеристика
Рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из ряда процессов, при которых усиливается мощность двигателя, воздействующего на коленчатый вал. Состоит рабочий цикл из нескольких этапов:
- цилиндр заполняется топливной смесью;
- смесь сжимается;
- топливная смесь воспламеняется;
- газы расширяются и цилиндр очищается.
В ДВС поршень двигается в одном направлении (вниз или вверх). Коленчатый вал совершает один оборот в два такта. Рабочим ходом поршня называют тот, при котором совершается полезная работа, и расширяются сгоревшие газы.
Двухтактными называют двигатели, в которых цикл совершается в один оборот коленчатого вала или за два такта. Четырехтактные агрегаты характеризуются совершением рабочего цикла за два оборота коленвала или за четыре такта.
Основные характерные показатели 4 тактного двигателя:
- За счет движения рабочего поршня происходит обмен газов.
- Агрегат оснащен газораспределительным механизмом, позволяющим цилиндровую полость переключать на впуск и выпуск.
- Происходит обмен газов в момент отдельного полуоборота коленвала.
- Шестерные редукторы и ременная цепная передача дают возможность изменить моменты впрыскивания бензина, зажигания и привода газораспределительного механизма по отношению к частоте вращения коленвала.
История
Приблизительно в 1854—1857 годах итальянцами Феличче Матоци и Евгением Барсанти было создано устройство, которое по имеющимся сегодня сведениям было похоже на четырехтактный мотор. Изобретение итальянцев было утеряно и только в 1861 году. Алфоном де Роше был запатентован двигатель такого типа.
Впервые пригодный к работе четырехтактный мотор создал немецкий инженер Николаус Отто. В его честь был назван четырехтактный цикл работы циклом Отто, а 4-тактный мотор, применяющий свечи зажигания, называют двигателем Отто.
Особенности работы 4-х тактного двигателя
В двухтактном моторе смазывание поршневых и цилиндровых пальцев, коленвала, поршня, подшипника и компрессорных колец проводят, заливая масло в бензин. Коленчатый вал 4тактного мотора располагается в масляной ванне, что является существенным отличием. Именно поэтому отсутствует необходимость смешивать топливо и добавлять масло. Все, что необходимо сделать владельцу автомобиля — наполнить бензином топливный бак.
Автовладельцу, таким образом, незачем приобретать специальное масло, без которого не может функционировать двухтактный мотор. Кроме того, при наличии четырехтактного мотора на поршневом зеркале и на стенах глушителя уменьшается количество нагара. Еще одно важное отличие — в двухтактном моторе в выхлопную трубу выплескивается горючая смесь, что обусловлено его устройством.
Следует признать, что у четырехтактных двигателей также имеются небольшие недостатки. Например, у них не особо качественными являются рабочие моменты по регулированию теплового клапанного зазора.
Конструкция агрегата
Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.
Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его. Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска.
У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.
Работа двигателя
Как уже было отмечено работа четырехтактного мотора состоит из четырех тактов поршня или из двух оборотов коленвала.
Этапы работы :
- Впуск. Поршень движется в нижнюю сторону, открывая клапан впуска. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
- Сжатие. Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.
- Расширение. Бензин возгорается и сгорает. В результате чего происходит растяжение горючих газов, и поршень движется вниз. При этом два клапана оказываются закрытыми.
- Выпуск. Коленчатый вал по инерции продолжает двигаться вокруг своей оси, а поршень движется вверх. Вместе с этим открывается клапан выпуска, и выхлопные газы поступают в трубу. При прохождении клапаном мертвой точки, клапан впуска закрывается.
Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей
Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.
Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.
Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.
Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:
- Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
- Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
- У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.
Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.
Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом.
Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.
В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).
В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.
В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.
Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.
4 тактный двигатель: принцип работы
4 тактный двигатель является поршневым мотором внутреннего сгорания. В этих агрегатах рабочий процесс всех цилиндров занимает два кругооборота коленчатого вала. Два кругооборота коленчатого вала также можно охарактеризовать как четыре поршневых такта, от чего и произошло название четырехтактный двигатель.
Начиная с середины двадцатого века четырехтактный двигатель является самым распространенным видом поршневых моторов внутреннего сгорания.
Основные характеристики 4 тактного двигателя
- Обмен газов происходит за счет движения рабочего поршня;
- 4 тактный двигатель обладает газораспределительным механизмом, который позволяет переключить цилиндровую полость на впуск и выпуск;
- Обмен газов происходит в момент отдельного полуоборота коленвала;
- Цепная, ременная передача и шестеренчатые редукторы позволяют изменить моменты зажигания, впрыскивания бензина и привода газораспределительного механизма относительно частоты верчения коленвала.
История
Примерно 1854-1857 годов итальянцы Евгенио Барсанти и Феличче Матоци создали устройство, которое, согласно существующим сведениям, походило на 4 тактный мотор. Несмотря на это, 4 тактный мотор был запатентован только в 1861 Алфоном де Роше, поскольку изобретение итальянцев было потеряно.
В первый раз пригодный к работе 4 тактный мотор был создан немецким инженером Николаусом Отто, в честь которого четырехтактный цикл назвали циклом Отто, а применяющий свечи зажигания 4 тактный мотор – двигателем Отто.
4 тактный двигатель принцип работы
В двухтактном моторе смазывание коленвала, цилиндровых и поршневых пальцев, подшипника коленвала, поршня и компрессионных колец происходит путем заливки масла в бензин. 4 тактный мотор отличается тем, что в нем коленчатый вал расположен в масляной ванне. За счет этой особенности необходимость в добавлении масла или смешивании топлива попросту отсутствует. Все, что нужно сделать владельцу транспортного средства – это наполнить топливный бак бензином, после чего можно продолжать пользоваться транспортом.
Таким образом, автовладельцу становится незачем приобретать специальное масло, которое нужно для функционирования двухтактных моторов. Помимо этого, 4 тактный мотор отличается уменьшенным количеством нагара на стенах глушителя и поршневом зеркале. Еще одним важным отличием является то, что при двухтактном моторе совершается выплеск горючей смеси в выхлопную трубу – это обусловлено его устройством.
Стоит признать, что четырехтактные двигатели также обладают небольшими недостатками. К примеру, у таких двигателей повышенная длительность старта скутера с места. Также не особо качественными являются работы по регулированию клапанного теплового зазора. При этом следует отметить, что проблему с повышенной длительностью старта скутера можно решить оптимизацией опций центробежного сцепления и передачи.
Конструкция агрегата
Устройство 4 тактного двигателя выглядит таким образом: распредвал размещен в крышке цилиндра и приводится в действие с помощью ведущего колеса, вмонтированного на коленчатом вале.
В устройстве 4 тактного двигателя распределительный вал способен открывать и закрывать впускной и выпускной клапан, но лишь один из них, а какой конкретно – зависит от расположения поршня. Помимо этого, на распределительном вале расположены кулачки, с помощью которых приводятся в действие коромысла клапанов.
После своего срабатывания коромысла начинают воздействовать на один из двух клапанов, что приводит к его открытию. Стоит отметить, что между клапаном и регулировочным винтом должен быть узкий промежуток (его еще называют тепловым зазором) – во время нагрева происходит расширение металла, поэтому в случае неимения или слишком маленького размера зазора клапаны не смогут полностью закрыть каналы впуска и выпуска. Зазор при клапане выпуска должен быть большего размера, чем у клапана впуска, поскольку газы выхлопа более горячие, нежели горючая смесь, и, соответственно, это приводит к тому, что клапан выпуска нагревается больше клапана впуска.
Вот и все описание устройства 4 тактного двигателя.
Работа 4 тактного двигателя
Как уже было сказано, работа 4 тактного двигателя состоит из двух оборотов коленвала или, еще можно сказать, четырех тактов поршня.
Работа 4 тактного двигателя происходит таким образом:
- (впуск). Поршень продвигается в нижнюю сторону, что приводит к открытию клапана впуска. В итоге горючая смесь оказывается в цилиндре, куда она попадает из карбюратора. По достижению поршнем нижнего положения совершается закрытие клапана впуска.
- (сжатие). Поршень передвигается в верхнюю сторону, что провоцирует сжимание горючей смеси. После того, как поршень приближается к верхней мертвой точке, совершается возгорание сжатого поршнем бензина.
- (расширение). Происходит возгорание бензина, в результате которого он сгорает – это приводит к растяжению горючих газов и, соответственно, к движению поршня вниз (два клапана оказываются закрытыми).
- (выпуск). По инерции коленчатый вал продолжает кругооборот вокруг своей оси, а поршень – продвигаться вверх. Вместе с этим происходит открытие клапана выпуска, откуда выхлопные газы попадают в трубу. Когда поршень доходит до верхней мертвой точки, совершается закрытие клапана впуска.
Вместе с этим происходит открытие клапана выпуска, откуда выхлопные газы попадают в трубу. Когда поршень доходит до верхней мертвой точки, совершается закрытие клапана впуска.По окончанию работы 4 тактного двигателя четыре такта проходят заново.
Функционирование двухтактного агрегата
Хоть и статья не об этом, однако стоит коротко описать функционирование двухтактного двигателя с целью сравнить их. Как становится понятно из наименования, функционирование такого мотора проходит только через два такта.
- Поршень продвигается наверх, что приводит к сжатию горючей смеси, после которого (без достижения верхней мертвой точки) она воспламеняется. По достижению поршнем верхней мертвой точки открываются окна впуска в стене цилиндра, из-за чего горючая смесь перетекает в кривошипную камеру.
- Под действием растягивающихся газов поршень продвигается в нижнюю сторону. Пребывая в нижнем положении, поршень открывает окна впуска и выпуска. Газы попадают в трубу выхлопа, а на их месте оказывается горючая смесь.
Газы попадают в трубу выхлопа, а на их месте оказывается горючая смесь.Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.
Первый такт — впуск.Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление 0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.
Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя:а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан
Второй такт — сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.
Третий такт — рабочий ход.В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200. После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).
При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.
5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.
Работа дизельного двигателя, подробнее
Рабочий цикл ДВС — DRIVE2
В автомобилях применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) названные так потому, что сгорание топлива происходит непосредственно в цилиндре. Основными деталями ДВС, кроме цилиндра, являются поршень, шатун, коленчатый вал. На кривошипе коленчатого вала подвижно закрепляется шатун. К верхней головке шатуна шарнирно, с помощью пальца, крепится поршень. Цилиндр сверху закрывается крышкой, которая называется головкой цилиндра. В головке имеется углубление, называемое камерой сгорания. Также в головке имеются впускное и выпускное отверстия, закрываемые клапанами. К коленчатому валу крепится маховик – массивный круглый диск.
При вращении коленвала происходит перемещение поршня внутри цилиндра.
Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (В.М.Т.), крайнее нижнее положение – нижней мертвой точкой (Н.М.Т.). Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. Пространство, находящееся над поршнем, когда он находится в н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра. Когда поршень находится в в.м.т., над ним остается пространство, называемое объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называются полным объемом цилиндра. В технических данных объем указывается в литрах или кубических сантиметрах. Объем многоцилиндрового двигателя равен сумме полных объемов всех его цилиндров.Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя. Она показывает, во сколько раз сжимается рабочая смесь в цилиндре.
Один ход поршня от одной мертвой точке к другой называется тактом. Коленвал при этом совершает полоборота. Как работает ДВС? Во время первого такта происходит впуск горючей смеси в цилиндр.
Клапан впускного отверстия открыт, выпускного – закрыт. Поршень, перемещаясь от в.м.т к н.м.т, подобно насосу, создает разряжение в цилиндре и топливо, перемешанное с воздухом, заполняет его.
Во время второго такта, при движении поршня от н.м.т. к в.м.т., происходит сжатие горючей смеси. При этом и выпускной, и впускной клапаны закрыты. В результате давление и температура в цилиндре повышаются. В конце такта сжатия, при приближении поршня к в.м.т., горючая смесь поджигается искрой от свечи зажигания (в бензиновых ДВС) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных ДВС).
Во время третьего такта происходит сгорание рабочей смеси. Клапана остаются закрытыми. Воспламенившаяся рабочая смесь резко повышает температуру и давление в цилиндре, которое заставляет поршень с усилием двигаться вниз. Поршень через шатун передает усилие на коленвал, создавая на нем крутящий момент.Таким образом, происходит преобразование энергии сгорания топлива в механическую энергию, которая двигает автомобиль.
Поэтому этот такт называется рабочим ходом. Маховик, закрепленный на коленчатом валу, запасает энергию, обеспечивая вращение коленвала за счет сил инерции во время подготовительных тактов.
В ходе четвертого такта происходит выпуск отработанных газов и очистка цилиндра. Поршень, двигаясь от н.м.т. к в.м.т., выталкивает продукты горения через открытый выпускной клапан.
Далее весь процесс повторяется. Таким образом, рабочий цикл описанного ДВС происходит за четыре такта. Поэтому он и называется четырехтактным. Коленвал за это время совершает два оборота. Существуют и двухтактные двигатели, в которых рабочий цикл происходит за два такта. Однако такие ДВС в настоящее время на автомобилях практически не применяются.
Для плавной работы многоцилиндрового двигателя и уменьшения неравномерных нагрузок на коленчатый вал такты рабочего хода в разных цилиндрах должны происходить в определенной последовательности. Такая последовательность называется порядком работы двигателя. Он определяется расположением шеек коленчатого вала и кулачков распределительного вала.
Например, в двигателях ВАЗ порядок работы 1-3-4-2. Так как в четырехтактном двигателе полный цикл в каждом цилиндре совершается за два оборота коленчатого вала, то, следовательно, в четырехцилиндровом двигателе для равномерной его работы за каждые пол-оборота коленчатого вала в одном из цилиндров должен происходить рабочий такт.
Рассмотренные детали составляют в совокупности кривошипно-шатунный механизм. Кроме него, для обеспечения работы ДВС нужны газораспределительный механизм, система охлаждения, система смазки, система питания и система зажигания (в бензиновых двигателях).
Газораспределительный механизм, управляя работой клапанов, обеспечивает своевременное их открытие и закрытие.Система охлаждения отводит тепло от деталей двигателя, нагревающихся при работе. Система смазки подает масло к трущимся поверхностям. Система питания служит для приготовления рабочей смеси и подачи ее в цилиндры. Система зажигания преобразует низковольтное напряжение от АКБ в высоковольтное и подает его на свечи для воспламенения рабочей смеси.
Двигатели будущего: чувство такта — журнал За рулем
Умы изобретателей неустанно рождают альтернативные конструкции традиционных агрегатов. Чаще всего это один из главных узлов автомобиля — двигатель. Отделим реальность от утопии?
У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.
У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.
У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.
Все схемы открываются в полный размер по клику.
ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», — два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) — встречные поршни, встречные цилиндры.
Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго — выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.
В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC — турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант — с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два — четыре раза компактнее.
Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире — двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».
Мотор OPOC — образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело — тут позиции двухтактников традиционно слабы.
РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.
Первый пятитактный поршневой двигатель — DRIVE2
Двигатель с нечетным числом тактов — это, согласитесь, немного странно.
На сегодняшний день у нас существуют двух-, четырех- и даже шеститактные двигатели (сразу после фазы «выпуска» в цилиндры впрыскивается вода для создания пара и получения двух дополнительных свободных тактов вследствие отходящего тепла). Теория пятитактного мотора была изобретена Герхардом Шмитцем довольно давно, и только сейчас британской компании Ilmor удалось создать полностью функциональный прототип.
Будучи разработчиком и поставщиком двигателей для Формулы-1 и Indycar, Ilmor построил то, что многие считали абсурдом, — пятитактный бензиновый мотор, который более эффективен, чем традиционные «четырехтактники». Если вы думаете, что это очень комплексное изобретение, то вы ошибаетесь: его принцип работы довольно прост.
Нормальный четырехтактный ДВС, который можно найти в любом автомобиле, работает в 4 этапа: впуск (поршень идет вниз, всасывая воздушно-топливную смесь), сжатие (поршень идет вверх, сжимая смесь), рабочий ход (искра свечи воспламеняет смесь и посылает поршень вниз), выпуск (поршень идет вверх, выпуская горячие отработавшие газы).
Для человека, имеющего поверхностные знания об автомобилях, все это выглядит, как очень эффективный способ, однако много энергии тратится впустую в фазах «рабочего хода» и «выпуска», поскольку процесс генерирует огромное количество тепла, которое в сущности нужно отводить во избежание проблем. Не говоря уже о том, что из четырех тактов только один рабочий, а остальные три осуществляются инерцией маховика или другими цилиндрами.
Пятитактный концепт использует два активных цилиндра (высокое давление), которые работают по классической 4-тактной схеме, и третий наращивающий центральный цилиндр (низкое давление).
Ключевой момент здесь — дополнительный цилиндр, который поочередно используется другими двумя, чтобы загрузить дополнительное давление сразу после окончания рабочего хода. Как только поршень достигает нижней части цилиндра, выпускной клапан открывается, позволяя горячему расширяющемуся газу выйти из цилиндра. Обычно он выходит через выхлопную трубу, но это ведь чистая потеря энергии.
Вместо этого все еще горячий газ сбрасывается в третий цилиндр, толкая его вниз и создавая дополнительный пятый такт, дающий коленвалу лишние 180 градусов вращения.
В целом пятитактный двигатель обеспечивает расход топлива и уровень выбросов, сопоставимый с современными дизельными двигателями. 700-кубовый турбированный пятитактный мотор, собранный Ilmor, выдает 130 л. с. (более 185 л. с. на литр) и 166 Нм, что на 7 л. с. больше, чем у «фордовского» 1-литрового EcoBoost. Он потребляет 226 грамм бензина на 1 кВтч (измерения проходили на испытательном стенде при оптимальной работе двигателя, так что в реальности цифры будут немного другие).
Ну и видео:
(материалы взяты с mail.ru)
Новый двигатель оправдал себя на автомобилях Mazda – Автомобили – Коммерсантъ
Новый двигатель оправдал себя на автомобилях Mazda
Журнал «Коммерсантъ Автопилот» №9 от , стр. 12
 Новый двигатель оправдал себя на автомобилях Mazda
Двигатели бывают 2-тактные, 4-тактные, а в особый период — 3-тактные. Этот анекдот приписывают преподавателям военной кафедры одного из московских автомобильных вузов. А действительно, сколько тактов может быть в двигателе? Первый — впуск порции смеси в цилиндр, второй — сжатие смеси, третий — воспламенение сжатой смеси и рабочий ход, четвертый — выпуск отработавших газов. И так практически у всех двигателей, как бензиновых, так и дизельных. В немногих оставшихся двигателях тактов 2 («Автопилот» #3 1994 г.).
Mazda, назло планете всей выпускающая автомобили с роторным двигателем Ванкеля (Felix Wankel), год назад вновь поразила всех, внедрив в серию 5-тактный двигатель американца Ральфа Миллера (Ralpf H. Miller). Он в конце 40-х годов развил принцип Отто (Nicolaus Otto), автора 4-тактного цикла. Mazda Xedos 9 (или Eunos 800 на японском рынке, или Millenia S — на американском) высшего среднего класса — стилистическое развитие моделей 626 и Xedox 6.
Кстати, аэродинамический лидер в своем классе — CD=0,29.
Как работает двигатель? При первом такте поршень движется вниз от верхней мертвой точки (ВМТ), открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливо-воздушная смесь. Второй такт. Поршень двигается к ВМТ. Если в 4-тактном двигателе в этот момент впускной клапан уже закрыт, то здесь он остается открытым еще на протяжении 1/5 хода поршня, но смесь продолжает поступать в цилиндры под небольшим давлением, которое обеспечивает спиральный нагнетатель Lysholm. Давление поршня дополнительно способствует равномерности заполнения цилиндра. Третий такт — сжатие — начинается со 2/5 хода. Впускной клапан закрыт. Дальше все обычно — поршень достигает ВМТ, сжатую смесь воспламеняют… Четвертый такт рабочий. Газы воздействуют на поршень на протяжении всего его хода от ВМТ к нижней мертвой точке. Пятый такт: через выпускной клапан выходят отработавшие газы, поджимаемые вновь поднимающимся поршнем. От хода поршня, как известно, зависит рабочий объем цилиндра и степень сжатия (отношение рабочего объема цилиндра к объему камеры сгорания).
Чем больше степень сжатия, тем больше мощность. Но растут рабочая температура и выбросы NOx. И приходится использовать дорогое высокооктановое топливо. Словом, сложно, неэкологично, расточительно. Стоит в обычном двигателе укоротить ход поршня, как ухудшаются характеристики, поскольку газы, выделившиеся после воспламенения, действуют на поршень на меньшем расстоянии. Миллер, «растянув» цикл Отто, добился того, что ход поршня при сжатии меньше рабочего хода поршня. То есть, не проиграв в характеристике, он понизил рабочую температуру двигателя, уменьшил максимальные обороты и за счет этого увеличил ресурс. А также очистил выхлоп от NOx. И получил возможность использовать топливо с октановым числом 91.
Двигатель V6 рабочим объемом 2255 куб. см имеет алюминиевые блок и головку цилиндров, 4 клапана на цилиндр, 2 распредвала в каждой головке, электронный многоточечный впрыск, степень сжатия 8,0, мощность 210 л. с. при 5500 об./мин., крутящий момент 194 Нм при 4500 об./мин.
, причем высокий момент держится в более широком диапазоне оборотов, чем у обычных двигателей. Кстати, еще один важный показатель эффективности двигателя, литровая мощность — едва ли не самая высокая среди всех Mazda: 97,6 л. с. с каждого литра. Остается ждать, что нечто подобное сделают с 2-тактным двигателем и появится… 3-тактный.
Комментарии Только самое важное от «Ъ» на e-mail
Порядок работы 4, 6, 8 цилиндрового двигателя — просто о сложном — DRIVE2
По большому счёту, нам, обычным автолюбителям, совершенно не обязательно знать порядок работы цилиндров двигателя. Ну, работает и работает. Да, с этим трудно не согласится. Не нужно до того момента, пока вы не пожелаете своими руками выставить зажигание или не займетесь регулировкой зазоров клапанов.
И совершенно не будет лишним знание о порядке работы цилиндров двигателя автомобиля, когда вам нужно будет подсоединить высоковольтные провода к свечам, либо трубопроводы высокого давления у дизеля.
А если вы затеете ремонт головки блока цилиндров?
Ну согласитесь, смешно будет ехать на автосервис для того, чтобы правильно установить ВВ провода. Да и ехать-то как? Если двигатель троит.
Что значит порядок работы цилиндров двигателя? ↑
Последовательность, с которой чередуются одноименные такты в разных цилиндрах и называется порядком работы цилиндров.
От чего зависит порядок работы цилиндров? Есть несколько факторов, а именно:
— расположение цилиндров двигателя: однорядное или V-образное;
— количество цилиндров;
— конструкция распредвала;
— тип и конструкция коленвала.
Рабочий цикл двигателя
Рабочий цикл двигателя состоит из газораспределительных фаз. Последовательность этих фаз должна равномерно распределяться по силе воздействия на коленчатый вал. Именно в этом случае происходит равномерная работа двигателя.
Обязательным условием является то, что цилиндры, работающие последовательно, не должны находиться рядом. Для этого и разрабатываются производителями двигателей, схемы порядка работы цилиндров двигателя.
Но, во всех схемах порядок работы цилиндров начинает свой отсчет с главного цилиндра №1.
Порядок работы цилиндров у разных двигателей
У двигателей одного типа, но разных модификаций, работа цилиндров может отличаться. Например, двигатель ЗМЗ. Порядок работы цилиндров двигателя 402 – 1-2-4-3, в то время как порядок работы цилиндров двигателя 406 – 1-3-4-2.
Если углубится в теорию работы двигателя, но так, чтобы не запутаться, то мы увидим следующее. Полный рабочий цикл 4-х тактного двигателя проходит за два оборота коленвала. В градусах это равно 720. У 2-х тактного двигателя 3600.
Колена вала смещают на определенный угол для того, чтобы вал находился под постоянным усилием поршней. Этот угол напрямую зависит от количества цилиндров и тактности двигателя.
— Порядок работы 4 цилиндрового двигателя, однорядного, чередование тактов происходит через 1800, ну а порядок работы цилиндров может быть 1-3-4-2 (ВАЗ) или 1-2-4-3 (ГАЗ).
— Порядок работы 6 цилиндрового рядного двигателя 1-5-3-6-2-4 (интервал между воспламенением составляет 1200).
— Порядок работы 8 цилиндрового V-образного двигателя 1-5-4-8-6-3-7-2 (интервал между воспламенениями 900).
— Существует, например, порядок работы 12 цилиндрового двигателя W-образного: 1-3-5-2-4-6 – это левые головки блока цилиндров, а правые: 7-9-11-8-10-12
Для того, чтобы вам был понятен весь этот порядок цифр, рассмотрим пример. У 8 цилиндрового двигателя ЗиЛ порядок работы цилиндров следующий: 1-5-4-2-6-3-7-8. Кривошипы расположены под углом 900 .
То есть если в 1 цилиндре происходит рабочий цикл, точерез 90 градусов поворота коленвала, рабочий цикл происходит в 5 цилиндре, и последовательно 4-2-6-3-7-8. В нашем случае один поворот коленвала равен 4 рабочим ходам. Естественным образом напрашивается вывод, что 8 цилиндровый двигатель работает плавне и равномернее, чем 6 цилиндровый.
Скорее всего, глубокое знание порядка работы цилиндров двигателя вашего автомобиля, вам не понадобится. Но общее представление об этом иметь необходимо. А если вы задумаете произвести ремонт, например головки блока цилиндров, то эти знания лишними не будут.
Успехов вам в изучении порядка работы цилиндров двигателя вашего автомобиля. ©
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 хода, 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 число циклов в секунду, n цилиндров i с количество цилиндры в двигателе. Р и – указанная мощность, развиваемая при сгорании топлива в камере сгорания.
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.
Кроме того, выходная мощность P out также может быть рассчитана с использованием крутящего момента выходного вала T и угловой скорости ω . Следовательно, максимальная мощность — это входная мощность, полученная за счет химической энергии топлива.
Это можно рассчитать по приведенным формулам, где P в – потребляемая мощность, полученная из подводимой химической энергии, m f – расход топлива и c f – теплотворная способность топлива.
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.
Найдите теоретический КПД двигателя, если степень сжатия равна 1,85.
Решение:
Используя уравнение теоретического КПД и подставляя коэффициент сжатия, получаем.
Найдите указанную мощность шестицилиндрового двигателя, 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.
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 отто, дизельные двигатели завершают дизельные циклы.
- Теоретические циклы строятся с использованием некоторых допущений, неприменимых в реальной жизни.
Термодинамика раздел физики, изучающий энергию и работу системы. Он родился в 19 веке, когда ученые первыми открыли для себя, как строить и эксплуатировать паровые машины. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы которые мы можем наблюдать и измерять в экспериментах. Нас как аэродинамиков больше всего интересует термодинамика двигательные установки а также потоки с высокой скоростью. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный внутреннее сгорание двигатель. Сегодня большинство самолетов авиации общего назначения или частных самолетов питание от двигатели внутреннего сгорания (IC) , очень похожие на двигатель в вашем семейном автомобиле. Работа двигателя состоит из двух основных частей:
механическое действие
принадлежащий
части двигателя,
и
термодинамика
благодаря которому двигатель производит
Работа
а также
сила.
На этой странице мы обсуждаем основные термодинамические уравнения, которые позволяют вам
для проектирования и прогнозирования работы двигателя. В двигателе внутреннего сгорания топливо и воздух воспламененный внутри цилиндра. Горячий выхлоп толкает поршень, который соединен к коленчатый вал производить мощность. Сгорание топлива не является непрерывным процессом, а происходит очень быстро через равные промежутки времени. Между зажиганиями детали двигателя двигаться в повторяющейся последовательности, называемой цикл . Двигатель называется четырехтактным, потому что в нем четыре движения, или удары, поршня за один цикл. На рисунке мы показываем
сюжет
давление
по сравнению с газом
объем
на протяжении одного цикла.
Мы разорвали цикл
на шесть
пронумерованные этапы
на основе механического действия
двигателя.
Для идеального четырехтактного двигателя
такт впуска (1-2)
а также
такт выпуска (6-1)
выполняются при постоянном давлении и не способствуют генерации
мощности двигателем.
В течение
такт сжатия (2-3),
работа над газом совершается поршнем. Если предположить, что тепло не поступает
газа при сжатии, мы знаем
связи
между изменением объема и изменением давления и температуры
из наших решений
уравнение энтропии
для газа. где p — давление, T — температура, а gamma это отношение удельные теплоты. В течение процесс горения (3-4), объем поддерживается постоянным и выделяется тепло. Изменение температуры данный T4 = T3 + f * Q /cv где Q — теплота, выделяемая на фунт топлива, которая зависит от топлива, f — соотношение топливо/воздух для сгорания, которое зависит от нескольких факторов. связанные с конструкцией и температурой в камере сгорания, и 9(1 — гамма) Между ступенями 5 и 6 остаточное тепло переведен к окрестностям так что температура и давление возвращаются к начальным условиям этап 1 (или 2). Во время цикла,
Работа
совершается на газе поршнем между ступенями 2 и 3. Работа совершается
газа на поршень между 4 и 5 ступенями. Разница между работой, совершаемой
газ, а работа, совершенная над газом, показана желтым цветом и является работой, произведенной
по циклу. W = cv * [(T4 — T3) — (T5 — T2)] Работа, умноженная на скорость цикла (циклов в секунду 90 256 имп/с 90 257 ), равна в мощность Р производится двигателем. P = Вт * имп/с На этой странице у нас есть
показан идеальный цикл Отто , в котором тепло не поступает (или
уход) газ при сжатии и рабочем такте, без трения
потери и мгновенное горение, происходящее при постоянном объеме. В действительности,
идеального цикла не происходит и есть много потерь, связанных с
каждый процесс. Эти потери обычно объясняются коэффициентами полезного действия.
которые умножают и изменяют идеальный результат. Для реального цикла форма
диаграммы p-V похожа на идеальную, но площадь (работа) равна
всегда меньше идеального значения. Деятельность: Экскурсии с гидом Навигация ..
|
Назовем отношение объема в начале
сжатие до громкости в конце сжатия 9(гамма — 1)
Мы можем рассчитать работу, определив площадь, заключенную
по циклу на p-V диаграмме.
Но так как процессы 2-3 и 4-5 кривые, то это сложная задача.
расчет.
Так же можем оценить работу Вт по разности тепла в газе
минус теплота, отводимая газом. Зная температуры, это
более легкий расчет.
Циклы двигателей внутреннего сгорания — Машины — Термодинамика
А) Ниже мы рассмотрим каждую стадию цикла отдельно.
Этап 1
Мы знаем из гипотезы, что воздух в начале сжатия находится при и . Следовательно, начальное давление равно:
(1)
а начальная температура в кельвинах () равна:
(2)
Мы также знаем из гипотезы, что степень сжатия равна . Поскольку степень сжатия определяется как:
(3)
получаем начальный объем:
(4)
что становится, принимая во внимание то и это объем клиренса ():
(5)
Поэтому , , и .
Этап 2
Имеем из гипотезы, что верхнее давление равно . Следовательно:
(6)
Также из гипотезы имеем, что объем клиренса равен . Таким образом:
(7)
Принимая во внимание, что:
(8)
мы можем написать как:
(9)
Заменяя числовые значения (см. 1, 2, 5, 6 и 7), получаем:
(10)
из которого:
(11)
Поэтому , , и .
Этап 3
Поскольку этап цикла Дизеля является изобарным (см. рис. E1), мы имеем следующее:
(12)
откуда с учетом (6) получаем, что:
(13)
Для шага цикла мы также можем написать, что:
(14)
где – подводимая теплота (), удельная теплоемкость при постоянном давлении (), – разность температур, выраженная в , а – количество газа, присутствующего при давлении и температуре .
Для расчета можно написать так:
(15)
из которого:
(16)
Принимая во внимание, что:
(17)
а также заменяя другие числовые значения (см. 1, 2 и 5), получаем, что:
(18)
из чего получаем:
(19)
Используя значение из (19) в уравнении (14), а также учитывая, что , и что , мы получаем, что:
(20)
что приводит к:
(21)
или, переведя разницу температур в кельвины, в:
(22)
Как (см. 11), получаем как:
(23)
Еще для шага цикла мы можем написать, что:
(24)
из которого становится:
(25)
или, заменив числовые значения (см.
7, 11 и 23):
(26)
Уравнение (26) приводит к:
(27)
Поэтому , , и .
Этап 4
Поскольку этап цикла Дизеля является изохорным (см. Рисунок E1), мы имеем следующее:
(28)
откуда с учетом (5) получаем, что:
(29)
Что касается шага цикла, мы имеем следующее:
(30)
мы можем написать:
(31)
из которого становится:
(32)
или, заменив числовые значения (см. 13, 27 и 29):
(33)
Из уравнения (33) получаем:
(34)
Мы знаем, что Следовательно, мы можем разделить уравнение (30) на и все равно получить константу:
(35)
Уравнение (35) также можно записать в виде:
(36)
откуда для шага цикла получаем, что:
(37)
Следовательно, мы можем написать, что:
(38)
из которого становится:
(39)
или, заменив числовые значения (см.
23, 27 и 29):
(40)
Из уравнения (40) получаем:
(41)
Поэтому , , и .
Б) Производительность цикла определяется по формуле:
(42)
тогда как ). Для расчета можно написать так:
(43)
что приводит к:
(44)
Применяя функцию к уравнению (44), получаем:
(45)
из чего получаем:
(46)
или, заменив числовые значения (см. 1, 5, 6 и 7):
(47)
Уравнение (47) приводит к:
(48)
Заменив все числовые значения в уравнении (42) (см. 1, 5, 6, 7, 13, 27, 29, и 34), а также учитывая, что , (см. 48), и что , получаем работу в виде:
(49)
из чего получаем:
(50)
C) Мы знаем, что тепловой КПД определяется как:
(51)
где — произведенная работа и подведенное тепло.
Так как в нашем случае (см. 50) и , а также с учетом того, что получаем тепловой КПД цикла Дизеля как:
(52)
из чего получаем:
(53)
или, выраженное в процентах:
(54)
CyclePad ЦельМы рассмотрим конструкцию дизельного цикла и то, как его производительность можно улучшить, изменив степень объемного сжатия. Цикл Дизеля — замкнутый цикл (где система представляет собой управляющую массу), обычно используемый для моделирования цилиндров искрового зажигания, внутреннего сгорания, автомобильных двигателей, т. е. бензиновых двигателей. Общая идеяЦикл Дизеля очень похож на цикл Отто тем, что оба являются замкнутыми циклами, обычно используемыми для моделирования двигателей внутреннего сгорания. Разница между ними заключается в том, что цикл Дизеля представляет собой цикл с воспламенением от сжатия , а не цикл искрового зажигания, как цикл Отто. В циклах воспламенения от сжатия используется топливо, которое начинает сгорать, когда достигает температуры и давления, которые возникают естественным образом в какой-то момент во время цикла и, следовательно, не требуют отдельного источника энергии (например, от свечи зажигания) для сжигания. Дизельное топливо смешивают таким образом, чтобы обеспечить надежное сгорание при надлежащем тепловом состоянии, чтобы двигатели дизельного цикла работали хорошо. (Можно отметить, что большинство видов топлива начинают сгорать сами по себе при определенной температуре и давлении. Но это часто происходит непреднамеренно и может привести к слишком раннему сгоранию топлива в цикле. Например, когда бензиновый двигатель — обычно устройство цикла Отто — работает при чрезмерно высоких степенях сжатия, оно может начать «дизель», когда топливо воспламеняется до образования искры. Этапы дизельных цикловДизельные циклы состоят из четырех стадий: сжатия, сгорания, расширения и охлаждения.
Диаграмма P-VДиаграмма P-v для дизельного цикла показана ниже. Пример схемы дизельного циклаПостановка проблемы В целях иллюстрации предположим, что мы хотим разработать дизельный цикл, который использует 1 кг воздуха при температуре окружающей среды 15°C и давлении 100 кПа, сжимает его до одной восемнадцатой части исходного объема и добавляет к нему 1800 кДж тепла при сгорании. Ниже показана возможная конструкция цикла Diesel CyclePad . рабочая жидкостьНаиболее распространенным рабочим телом для дизельного цикла является воздух, поскольку это самая дешевая вещь для сжигания бензина. Мы можем выбрать воздух в качестве нашего рабочего тела как воздух, выбрав его в качестве вещества в окне измерителя любого вещества. Описание этапов цикла Мы кратко рассмотрим каждую точку состояния и процесс цикла Дизеля, где должны быть сделаны проектные предположения, подробно описав каждое предположение. Как мы видим из примерных проектных ограничений, для описания идеального цикла Дизеля необходимо указать очень мало чисел. Свойства циклаВ пункте меню Cycle мы можем вызвать окно индикатора Cycle Properties. Единственное необходимое предположение здесь состоит в том, что цикл является тепловым двигателем (устройством для преобразования тепла в работу), поэтому CyclePad знает, как оценить его эффективность.Предварительное сжатие (S1)В этот момент у нас есть воздух, поступающий в цилиндр при условиях окружающей среды, поэтому мы предполагаем, что температура равна 15% ° C, а давление равно 100 кПа, как указано в постановке задачи. Это также хороший момент, чтобы указать, что рабочей жидкостью будет воздух, и указать, что масса воздуха составляет 1 кг.Процесс сжатия (CMP1)Здесь мы предполагаем, что сжатие для нашего идеального дизельного цикла является изоэнтропическим, и что наша степень сжатия равна 18, как указано в постановке задачи. Посткомпрессия (S2)Здесь нет необходимых спецификаций.Процесс сжигания (HTG1)Здесь мы предполагаем, что нагрев (который происходит сразу после выхода поршня из положения нижней мертвой точки) происходит при движении поршня под постоянным давлением, поэтому он изобарический. Здесь мы также предполагаем, что подведенное тепло ( Q ) 1800 кДж.Предварительное расширение (S3)Здесь нет необходимых спецификаций.Процесс расширения (EXP1)Поскольку мы анализируем идеальный цикл Дизеля, мы предполагаем, что расширение является изоэнтропическим. Если бы мы знали, сколько тепла было потеряно при расширении и какую работу оно произвело, мы могли бы указать их здесь вместо того, чтобы смоделировать неидеальный процесс расширения.Выхлоп (после расширения) (S4)Здесь нет необходимых спецификаций. Здесь мы выпускаем использованный воздух в окружающую среду.Процесс охлаждения (CLG1)Поскольку замена отработанного воздуха свежим воздухом происходит при нахождении поршня в верхней мертвой точке, процесс охлаждения будем считать изохорным. Эффективность дизельного циклаМы можем снова посмотреть в окно индикатора Cycle Properties, чтобы увидеть, что тепловой КПД построенного нами дизельного цикла составляет около 59%. Мы можем вспомнить из нашей конструкции цикла Отто, что увеличение степени сжатия оказало такое же благотворное влияние на эффективность в этом случае, как и здесь для цикла Дизеля. В цикле Отто ограничение заключалось в том, что при увеличении степени сжатия в цикле развивалось чрезвычайно высокое давление. Загрузить CyclePad дизайн дизельного цикла. Связанные записи
Источники Уолли, П. Ван Вилен, Зоннтаг, Боргнакке. 1994. Основы классической термодинамики, 4 -й издание . Джон Уайли и сыновья. ISBN: 0-471-59395-8 Перейти к Автор: М. Э. Броковски |
Часто трудно заставить такой двигатель выключать из , поскольку обычный метод просто лишения это искры может не работать.
процесс. С тем, что мы знаем о циклах Дизеля, это все, что нам нужно, чтобы полностью описать проблему. (Мы также отмечаем, что это то же самое тепло, которое добавляется в примере конструкции цикла Отто.)
Остальные предположения определяются путем применения базовых знаний о цикле. Принципиальным численным проектным решением является степень сжатия.
Однако в цикле Дизеля мы не добавляем все наше тепло в цикл, пока поршень застревает в положении, обеспечивающем наименьший объем, поэтому чрезвычайно высокие давления, которые мы наблюдали в цикле Отто, развиваются не так быстро. На рисунке ниже показано.
Б. 1992. Основы инженерной термодинамики .
Издательство Оксфордского университета. ISBN: 0-19-856255-1Изучение модели, близкой к реальному циклу двигателей внутреннего сгорания
Исследование модели, близкой к реальному циклу двигателей внутреннего сгорания Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. Двигателей внутреннего сгорания М. Хамди. А1, О. М. Э. Абдель-Хафез, Хани А.
Мохамед и А. М. Насиб Машиностроительный факультет, Инженерный факультет, Университет Ассуит
Аннотация— Использование имитационных моделей для циклов двигателей внутреннего сгорания является важным методом прогнозирования характеристик двигателей для экономии времени и усилий. В настоящей работе учитываются соотношение топлива и воздуха и переменная удельная теплоёмкость газа. В настоящей модели также учитываются необратимости, возникающие в результате неизоэнтропических процессов сжатия и расширения, а также потерь тепла через стенку цилиндра. Метод конечных разностей применяется для оценки состояний в процессе подвода тепла и тактов сжатия и расширения. Компьютерная программа разработана для модели, включающей все вышеперечисленные условия и параметры цикла. Экспериментальные испытания были проведены на одноцилиндровом дизельном двигателе с постоянной частотой вращения для проверки полученных результатов с использованием настоящей модели. Полученные результаты показывают хорошее совпадение с соответствующими данными, полученными в ходе экспериментальных испытаний.
Другие сравнения выполняются с соответствующими результатами реальной модели двигателя, опубликованными для бензиновых и дизельных двигателей. Полученные результаты модели хорошо согласуются с соответствующими данными исследований. Изучено влияние параметров цикла (температура воздуха на входе, давление воздуха на входе, соотношение воздух-топливо, степень сжатия, эффективность сжатия и расширения) на выходную мощность и тепловой КПД. Показано, что энергетический и тепловой КПД увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения, давления воздуха на входе и степени сжатия. Для цикла бензинового двигателя оптимальное значение степени сжатия составляет около 10, чтобы предотвратить детонацию, а для дизельного оптимальное значение составляет около 20. Соотношение воздух-топливо для бензинового двигателя составляет около 13, а для дизельного — около 15. С повышением температуры воздуха на входе мощность и тепловой КПД снижаются. Удельный расход топлива уменьшается с увеличением мощности для двух циклов.
Преимущество исследования заключается в том, что модель предсказывает оптимальные параметры работы. Полученные результаты будут более реалистичными и применимы при оценке эффективности двигателя внутреннего сгорания.
Ключевые слова: Отто, дизель, двойное, необратимое горение, производительность, теплопередача
1 ВВЕДЕНИЕ
двигатели внутреннего сгорания используют стандартную модель энергетического цикла воздуха для проведения термодинамического анализа. Такие модели используются для того, чтобы показать влияние различных параметров и условий двигателя на производительность. Этот тип анализа обеспечивает чрезвычайно щедрые прогнозы производительности тепловых двигателей. Для более обоснованной оценки потенциала производительности реального цикла необходимо учитывать основные необратимости и тепловые потери более
————————————————
• М. Хамди. В настоящее время обучается по программе магистра в области машиностроения в Университете Ассуит, Египет.
Эл. Электронная почта: [email protected]
• Х. А. Мохамед, профессор машиностроения, Университет Ассуит
, Египет. Электронная почта: [email protected]
• А. М. Насиб, доцент кафедры машиностроения
, Университет Ассуит, Египет. Электронная почта: [email protected]
рядом с практикой. Потери теплопередачи через стенку цилиндра учитывались [1]. Также изучалось влияние потерь теплопередачи и эффективности сжатия и расширения на производительность [2-4]. Чжао и др. В работе [5] изучалось влияние мультинеобратимости, возникающей в основном за счет адиабатических процессов, процессов с конечным временем и потерь тепла через стенку цилиндра, на выполнение цикла. При исследованиях воздушно-стандартных энергетических циклов [1-4] рабочим телом считался только воздух. В [1-3] в качестве рабочего тела принимался воздух как идеальный газ с постоянными теплоемкостями. Многие исследователи изучали характеристики стандартных энергетических циклов воздуха, предполагая переменную удельную теплоемкость [4, 6, 7].
Влияние эффективности сжатия и расширения, переменных теплоемкостей, тепловых потерь и других параметров на производительность цикла изучено в [8]. Необратимая модель двойного цикла, более приближенная к практике, установлена в [9].]. В модели необратимого цикла Отто нелинейная зависимость между удельной теплоемкостью рабочей жидкости
и ее температурой, потери на трение, рассчитанные согласно
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
International Journal of Научные и инженерные исследования, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1374
ISSN 2229-5518
НОМЕНКЛАТУРА | |
Алфавитные символы a Моли газа в конце процесса b Моли газа в начале процесса C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль·К) E( T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль) ∆h Энтальпия (Дж/кмоль) M Количество молей смеси nRl RNКоличество молей образца l P Давление (PA) PR M RMEAN Эффективное давление (PA) P΄ Безразмерное выходное мощность Дж/кмоль) R Общая газовая постоянная (Дж/кмоль. r Радиус кривошипа (м) T Температура (K) TRo RСредняя температура стенки цилиндра (K) V Рабочий объем (м3) Rs R W Выполненная работа (Дж/кмоль) X Атомы углерода в топливе | XB Массовая доля сгоревшего Y Атомов водорода в топливе z Количество молей топлива |
Алфавитные символы a Моли газа в конце процесса b Моли газа в начале процесса C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль·К) E(T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль) ∆h Энтальпия (Дж/кмоль) M Количество молей смеси nRl RN Количество молей образца л P Давление (Па) PR m RM Среднее эффективное давление (Па) P΄ Безразмерная выходная мощность QR полученная R Фактически выделенная теплота (Дж) ∆𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 Суммарное тепло, выделяемое при сгорании (Дж) QR в зависимости от RТеплота реакции (Дж/кмоль) R Общая газовая постоянная (Дж/кмоль. TRo RСредняя температура стенки цилиндра (K) В Рабочий объем (м3) Rs R Вт Выполненная работа (Дж/кмоль) X Атомы углерода в топливе | Греческие символы β Постоянная, связанная с теплопередачей (Дж/К) ηRкомп. угол |
Алфавитные символы a Моли газа в конце процесса b Моли газа в начале процесса C v Удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж/кмоль.К) E(T) Внутренняя энергия (Дж/кмоль) ∆h Энтальпия (Дж/кмоль) M Количество молей смеси нРл RNКоличество молей образца л P Давление (Па) PR m RM Среднее эффективное давление (Па) P΄ Безразмерная выходная мощность QR полученная RФактическое выделение тепла (Дж) ∆𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 Суммарное тепло, выделяемое при сгорании (Дж) QR в зависимости от RТеплота реакции (Дж/кмоль) R Общая газовая постоянная (Дж/кмоль. TRo RСредняя температура стенки цилиндра (K) В Рабочий объем (м3) Rs R Вт Выполненная работа (Дж/кмоль) x атомы углерода в топливе | Сокращения (A/F) Фактическое соотношение воздушного топлива (A/F) RST RST RSTOICHIOMETRICARIRICARIRE AIR. Число оборотов в минуту ВМТ Верхняя мертвая точка |
K)
K) Температура (м) Кривошипный радиус (м)
K) Температура (м) Кривошипный радиус (м) средняя скорость поршня, внутренняя необратимость
, описанная с использованием эффективности сжатия и расширения, а также потери теплопередачи описаны в [10]. Взять реальную смесь воздуха и топлива будет более реалистично.
В настоящем исследовании учитываются эффекты необратимости, связанные с эффективностью сжатия и расширения и потерями теплопередачи через стенки цилиндра. Также в настоящем исследовании рассматривается смесь воздуха и топлива с переменной удельной теплоемкостью. Метод конечных разностей применяется для оценки параметров производительности.
Программа для ЭВМ предназначена для изучения влияния различных параметров на рабочие характеристики двигателей внутреннего сгорания в различных условиях эксплуатации. Результаты подтверждены экспериментальной работой и опубликованными результатами.
2 АНАЛИЗ
Реальные модели двигателей внутреннего сгорания используются для выполнения термодинамического анализа двигателей внутреннего сгорания, как показано на рис. 1. Цикл двигателя внутреннего сгорания можно аппроксимировать тремя процессами. Первый процесс сжатия (1-2), когда поршень движется от НМТ до начала процесса сгорания, совершает такт сжатия. Второй процесс, при котором происходит горение, эквивалентен подводам теплоты в
тепловые двигатели после начальной точки сгорания (точка
2), проходящей через верхнюю мертвую точку, НМТ, достигает конечной точки сгорания (3). Затем расширение (3-
4) будет происходить, когда поршень движется к НМТ,
производя процесс такта расширения. Последним процессом является такт выпуска, который эквивалентен отводу тепла в тепловом двигателе.
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1375
ISSN 2229-5518
Qсгорание — iWi+1 = E(Ti+1)- E(Ti) + iQi+1 (1)
3 Где i Qi+1 , i Wi+1 ,E (T) и Qcombustion представляют собой потерю теплоты
3 при передаче, выполненную работу, внутреннюю энергию и теплоту реакции
2 соответственно.
2
Учитывая, что чистый воздух сжимается от НМТ до ВМТ
4 4 без сжигания топлива. Уравнение (1) принимает следующий вид:
1
1
объем, В
НМТ
Угол поворота коленчатого вала,Ѳ
ВМТ
-iQi+1) — E (T iWi+1) — E (T iWi+1) +1 (2)
Рис: 1. P-V и P-Ѳ принципиальная схема внутреннего
Из-за небольшой разницы в P для каждого элемента срок работы
можно приблизительно оценить по формуле:
2𝜂𝑐
R (3)
2.1 Процесс сжатия
Поршень перемещается из НМТ, НМТ,
до верхней мертвой точки, ВМТ, делая такт сжатия.
Для расчета изменений состояний давления P и температуры T в течение такта сжатия рабочий объем подразделяется на несколько интервалов с каждым углом поворота коленчатого вала, как показано на рис. 2. Меньшее приращение интервального объема дает более точный расчет. Нижние индексы i и i+1 используются для определения состояний в начале и в конце элемента объема.
Объем цилиндра можно рассчитать для каждого угла поворота коленчатого вала по соотношению [11]
V=VC + AREA*(rcosѲ +l2-r2 sin2 Ѳ)1/2
Где ηc — эффективность сжатия.
В начале такта сжатия
стенка цилиндра имеет высокую температуру по сравнению с температурой воздуха на впуске, затем температура воздуха постепенно повышается до температуры, превышающей температуру стенки перед окончанием такта сжатия. Таким образом, в ходе такта сжатия ожидается очень небольшая потеря теплопередачи, и, таким образом, iQi+1 можно пренебречь.
Рис. 2. P-V схематическая диаграмма такта сжатия.
Где V, VC, l, r, AREA и Ѳ — объем цилиндра при любом угле поворота коленчатого вала, объеме зазора, длине шатуна, радиусе кривошипа, площади цилиндра и углу поворота коленчатого вала.
В начале и в конце каждого интервала применяется первый закон термодинамики.
Тогда уравнение (2) принимает следующий вид:
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1376
ISSN 2229-5518
В этом выражении начальные условия i,
l=s
j=7
известно, но P i+1 и Ti+1 неизвестны. Тогда, если T i+1 известно, можно рассчитать E(T i+1). Во-первых, применяя
уравнение состояния на состояниях i и i+1:
E(T)= R � nl [(∑j=1 Ul,j Tj ) − T]
l=1
(7)
l= S
J = 7
DE (T)
R � JNL [(∑J = 1 UL, JTJ -1) −1]
𝑃𝑖+1 =
𝑉𝑖
𝑉𝑖+1
𝑑𝑖+1
* 𝑑𝑖
*𝑃𝑖 (5)
Cv (T) =
dT
l=1
j=N
�l=1 nl
(8)
Уравнения (4), (5) не могут быть решены аналитически, поэтому необходимо применять численное решение, а можно использовать численный метод будет метод Ньютона-Рафсона, как показано:
(T i+1 ) n = (T i+1 )n-1 – f(E)n−1
f′(E)n−1
Где n-1, n — предыдущий след и текущий след температуры
.
Где f(E) из уравнения (4):
𝑉𝑖+1−𝑉𝑖
Коэффициенты Ul,J даны Бенсоном и Уайтхозом [12], где nl и N — количество молей газа l и количество образцов смеси соответственно.
Затем Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (4) и
(5) соответственно. Также E(T) и Cv(T) рассчитываются из
уравнений (7) и (8) соответственно. Эти расчеты повторяются до тех пор, пока изменение обоих значений Ti+1 и Pi+1 не станет слишком малым.
И предыдущие шаги для всех интервалов применяются к процессу сжатия.
f(E)= E(Ti+1) — E(Ti)+ (Pi + Pi+1)
𝑑𝑑(𝐸 )
f ‘(E)=
= 0
2𝜂𝑐𝑜𝑚𝑝
2.2 Процесс сгорания
𝑑𝑑
F ‘(E 𝑑 𝐸 (𝑑) 𝑖+1
Когда начинается зажигание. число интервалов угла поворота коленчатого вала по
продолжительности сгорания, начало интервала i,
С
dT
= 0, рабочий член не очень чувствителен к T i+1
и конец i+1.
Как показано ниже в уравнениях (7), (8), что:
dE(T)i+1
Поскольку объем постоянен, работа не совершается, dW = 0, первый закон для периода горения принимает вид:
f ‘(E) =
dT
=M * Cv (T)i+1
Поскольку объем постоянен, работа не совершается, dW= 0,
Где M число молей смесей
Итак,
первый закон для периода горения принимает вид:
(T i+1 )n = (T i+1 ) n-1 –
f(E)n−1
M ∗ Cv (Ti+1 )n−1
-P (V
I+1
–VI) = E (T
I+1
) -E (TI) — ∆Q
𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛
+∆Q
𝑙𝑜𝑠𝑠
(9)
TI+1 оценено для первого следа, предполагая изоэнтропическое изменение условий состояния при Ti как0843, где ∆Q𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑜𝑛 R
и ∆Q𝑙𝑜𝑠𝑠
являются теплоты сгорания в
VI+1
VI+1
Интервал и потеря теплопередачи.
Внутренние энергии E(Ti), E(Ti+1) и удельные теплоемкости Cv(Ti), Cv(Ti+1) рассчитываются исходя из состава газа и температуры, как в [12].
Последнее уравнение решается методом Ньютона-Рафсона до тех пор, пока не будет выполнено, как показано:
f′(E)n−1
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1377
ISSN 2229-5518
Где n-1, n предыдущий след и текущий след температуры.
Где f(E) из уравнения (9):
f(E)= E(T i+1 )- E(Ti) — ∆QГорение + ∆Qпотеря = 0
df(E)
f ‘( Е)=
dT
f ‘(E dE(T)i+1
Таким образом, a1 = XBi *z*x, a2 = XBi * z*(y/2), a3 = z*(x+y/4 )
*((A/F)/(A/F)st — XBi ), a4 =b4, a5 =0
Где XB — массовая доля сгорания при каждом угле поворота коленчатого вала Ѳ и определяется функцией Вейбе и используется для представления
XB=1-exp[-d(Ѳ−Ѳ𝑜 )g+1]
∆Ѳ
dT
dE(T)7
Где Ѳ — угол поворота коленчатого вала, Ѳо — начало сгорания, ∆Ѳ —
полная продолжительность горения, XB изменяется от нуля до 1,d
Поскольку
dT
= 0,
dT
имеет очень малое значение, поэтому им можно пренебречь
и g являются регулируемым параметром.
Изменение d и g значительно изменяет форму кривой. Фактическая массовая доля сгоревшего
Как показано в уравнениях (7), (8), что:
кривых были подобраны с d=5 и g=2[11, 13, 14, 15].
f’(E) =
dE(T)i+1
dT
=M * Cv (T)i+1
Количество молей газов Mi и Mi+1 до и после интервала сгорания определяется по формуле:
We M — количество молей смесей
So
Mi=∑l =5 b l , Mi+1 =∑
l=5
l=1 R
(T i+1 )n =(T i+1 )n-1 –
f(E)
M ∗ Cv (Ti+1)n−1
Чтобы получить тепло, выделяющееся при сгорании при постоянном объеме:
Ti+1 оценивается для первого следа как:
T i+1=T + 1∗z∗Qvs
i M ∗ CvTi
∆Qсгорание= ∆a1 CO2 + ∆a2 h3 O– ∆b5 C x Hy — ∆
Таким образом, фактическое тепло, полученное в процессе (Qgained), равно:
(11)
b3O
Теплота сгорания за каждый интервальный период можно оценить по уравнению горения:
∆b5 Cx Hy + ∆b 3 O2 +∆b 4 N2 → ∆a1 CO2 + ∆a2 H 2 O+
∆Qпотеря=β (T i +T i+1 — 2To)
(12)
∆ a4 N2 (10)
Где ∆, bi и ai — разница между числом молей этого интервала и предыдущего, числом молей образца в начале интервала и числом молей образца в конце интервала.
В начале интервала горения числа молей b1, b2, b3, b4 и b5 для вещества(n13ce) s CO2, h3 O, O2, N2 и CxHy соответственно:
Таким образом, b1 = XBi-1 *z * x, b2 = XBi-1 * z *(y/2), b3 = z*(x+y/4)
Где β, T i ,T i+1 и To – константы, связанные с теплопередачей, температурой при начала интервала сгорания, температура в конце интервала сгорания и средняя температура стенок цилиндра соответственно.
А для общих случаев β/CV>0 [5, 8], и всегда β/CV=
0,1[5].
А конечное давление можно получить из этого соотношения [11, 16]: 1) * Z
DQ DV K
= P
DP 1
+ V
(13)
DT DT K — 1
DT K — 1
AT THE DT K — 1
DT K — 1
AT THE DT K — 1 20007
DT K — 1
TION AT THE COMISTE период, при температуре T2 числа молей a1, a2, a3, a4 и a5 для веществ CO2, h3O, O2, N2 и CxHy соответственно:
И k=1,4 – 7,18 × 10-5 × T[11]
Затем Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (9) и
(13) соответственно.
Также E(T) и Cv(T) рассчитываются по
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 5, May-2014 1378
ISSN 2229-5518
уравнения 7 и 8 соответственно. Эти расчеты повторяются
dQ dV k
=P
dP 1
+ V
(16)
, пока изменение обоих значений Ti+1 и Pi+1 не станет слишком маленьким. dt
dt k−1
dt k−1
И предыдущие шаги для всех интервалов продолжительности горения.
2.3 Процесс расширения
А k=1,4 – 7,18×10-5×T[11]
А dQ=0 на такте расширения.
Уравнения (14), (15) не могут быть решены аналитически, поэтому необходимо применить численное решение, а численным методом может быть метод Ньютона-Рафсона, как показано.
(T ) =(T ) – f(E)n−1
i+1 n i+1 n-1 f′(E)n−1
Где n-1, n — предыдущий след и текущий след температуры.
Где f(E) из уравнения (15):
f(E)= E(T i+1 ) — E(T i )+dW= 0
Рис.
3. P-V схематическая диаграмма такта расширения.
f’(E)=
df(E)
dT
f’(E)=
dE(T)i+1
dT 9i4d
0007dT
= 0, рабочий член не очень чувствителен к T i+1
Как показано в уравнениях (7), (8), что:
f'(E) =
dE(T)i+ 1
dT
=M ×Cv (T)i+1
Во время такта расширения состав содержимого цилиндра постоянен, и расчеты аналогичны такту сжатия, но от нижней мертвой точки конца сгорания, за исключением Работа.
𝑃𝑖 +𝑃𝑖+1
Где М — число молей смеси
(T ) =(T ) – f(E)n−1
i+1 n i+1 n-1 M × Cv (Ti+1)n−1
Ti+1 оценивается для первого следа полагая изэнтропическое
изменение условий состояния при Ti как /Cvi
Таким образом, уравнение (2) принимает вид:
i+1
i )
Vi+1
=Ti ( )
Vi+1
E(Ti+1) — E(Ti)+dW = 0 (15)
В этом выражении начальные условия в индексе i,
известны, но P i+ 1 и T i+1 неизвестны.
Тогда, если T i+1 известно, можно вычислить E(T i+1 ).
Давление можно определить из соотношения [11, 16]
Тогда Ti+1 и Pi+1 рассчитываются по уравнениям (15) и (16)
соответственно. Также E(T) и Cv(T) рассчитывают из уравнений
7 и 8 соответственно. Эти расчеты повторяются до тех пор, пока
изменения значений Ti+1 и Pi+1 слишком малы. И
предыдущих шагов для всех интервалов процесса расширения.
Работа и тепловой КПД цикла:
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1379
ISSN 2229-5518
Работа, выполненная в цикле, получается суммированием работы
Условия для каждого шага в процессах сжатия и расширения, а среднее эффективное давление:
Модель
Сравнение ISON Betwee N
Экспериментальные результаты Endation и представлены
W
PM =
VS
WHA
PM =
VS
W.
объем хода
Сравнение показывает, что настоящая модель
Мощность = работа в цикле* (об/мин/60)/2000 кВт
Чтобы сделать мощность безразмерной:
P′= мощность/(майр ×Cp×ΔT)
тепловой КПД определяется как:
Вт
ηth=
Qvs∗ z
Безразмерный удельный расход топлива:
DSFC= 1
P′×(A/F) – безразмерная мощность
7 9′P.
3 РЕАЛИЗАЦИЯ
Для проверки результатов модели проводится сравнение с соответствующими результатами реального двигателя. Таким образом, экспериментальные испытания были проведены на одноцилиндровом дизельном двигателе (Crossly), возбужденном в тепловой лаборатории факультета машиностроения Университета Ассуит. Основные характеристики испытанного двигателя приведены в таблице 1. В таблице 2 показано сравнение экспериментальных результатов с соответствующими результатами, полученными с помощью компьютерной программы для настоящей модели.
ТАБЛИЦА 1
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
(ПЕРЕКРЕСТНО)
ТАБЛИЦА 2:
близко к экспериментальным данным, и отклонение от указанного среднего эффективного давления и мощности невелико.
Поэтому предложенная модель будет принята. Но для теплового КПД мы находим, что настоящая модель имеет более высокое отклонение, чем указанные среднее эффективное давление и мощность. Расхождение между этими результатами может быть связано со многими факторами, такими как эффективность сгорания, значение эффективности сжатия и расширения, уравнение, используемое для расчета теплопередачи, значение коэффициента теплопередачи и погрешности измерительных приборов.
Сравнения также сделаны с соответствующими
результатами реальной модели двигателя, опубликованными в международных исследованиях для бензиновых и дизельных двигателей [4, 17]. Основные характеристики испытанных двигателей приведены в таблице 3
. На рисунках 4, 5 показано сравнение диаграмм P-V
, а на рисунках 6, 7 показано сравнение P-θ результатов опубликованных исследований с соответствующими результатами, полученными с помощью компьютерной программы для настоящая модель для бензиновых и дизельных двигателей.
На рисунках 4, 5, 6, 7 показано сравнение соответствующих результатов настоящей модели с опубликованными результатами исследований для бензиновых и дизельных двигателей. Сравнение показывает, что полученные результаты настоящей модели близки к опубликованным данным, а отклонение невелико. Поэтому предложенная модель будет принята. Но настоящая модель
Диаметр цилиндра (м) 0,146 | Топливо двигателя С12х36 |
stroke (m) 0.279 | Stoichiometric Air fuel ratio 15.121 |
Compression ratio 14.19 | |
Normal rating speed (rpm) 475 |
имеет отклонение в некоторых точках P-V
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май-2014 1380
ISSN 2229-5518
Основные спецификации двигателей Otto и Diesel
60
50
40 Присутствует модель
3007
500007
40 Присутствует модель
30 307
500007
40.
Э. Абу-Нада
20 и др[4]
10
0
0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004
В, M3
100
80
60
40
20
0
и P-Samegrams, и P-Lamegrams Is Devames и P-Lamegrams, и P-Lamegrams, и P-LameGrams, и P-LameGrams ISGRAMS, и P-LameGrams ISGRAMS, и P-LameGrams ISGRAMS. в области горения
.
Рис. 4. Диаграмма P-V Сравнение для бензинового двигателя
Рис. расчеты переноса, погрешности опережения зажигания, значение коэффициента теплоотдачи и различие в уравнениях моделей.
Таблица 3:
100
80
60
40
20
0
1
FI
4 РЕЗУЛЬТАТЫ
. Предоставленная модель. параметры работы двигателей внутреннего сгорания. С помощью предложенной модели используются рабочие циклы ДВС при
различных режимах работы. Изучение результатов двух
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г.
1381
ISSN 2229-5518
типов двигателей.
Характеристики двигателя представлены в виде зависимостей безразмерной мощности и теплового КПД при различных параметрах. Этими параметрами являются температура и давление воздуха на входе, коэффициент теплопередачи, эффективность сжатия и расширения,
степень сжатия и соотношение воздух-топливо и удельный расход топлива. Условия, при которых проводились эти исследования для дизельных и бензиновых двигателей, приведены в таблице 2, за исключением выделенного параметра.
На рисунке 8 (P-V) диаграммы для бензиновых и дизельных двигателей
для одного состояния от модели с различной степенью сжатия и одинаковым диаметром цилиндра и ходом двигателя и одинаковыми оборотами и С10.8х28.7 для дизеля и С8х28 для Отто. В этом состоянии соотношение воздух-топливо
для Отто и дизеля составляет 15, 18 соответственно.
80
70
60 Gasoline Engine
50
40
30
20
10
0
0 4 Cr=V/Vc
8 12
70
60
50 Дизельный двигатель
40
30
20
10
0
0 5 10 15 20
CR = V/VC
IJSER
HTTP: // WW
Рис.
отношения.
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1382
ISSN 2229-5518
TABLE: 4
CONDITIONS UNDER W HICH THIS STUDY DONE FOR DIESEL AND GASOLINE EXCEPT THE FOCUSED PARAMETER
34.5
34
33.5
33
32.5
32
31.5
300 325 350 375 400
Температура воздуха на входе, Tinlet
Рис. 10. Влияние температуры воздуха на входе, Tinlet, ˚C, на
тепловую эффективность η
2.1 Влияние температуры впускного воздуха на двигатель
Производительность
Из рис. 9, 10 видно, что при повышении температуры впускного воздуха мощность и тепловой КПД снижаются
как у Хоу, С.-шюрнг[1] как ожидал.
3,2
3.1
3
2,9
2,8
2,7
2,6
2,5
2,4
300 325 350 375 4007 9007
.00072.2 Влияние давления воздуха впускного воздуха на двигатель
Производительность
3,5
3,3
Рис.
9. Влияние температуры воздуха впускного отверстия, назонка, ° 2.7
IJSER ©
http://www.
2,5
1 2 3 4
Безразмерное давление воздуха на входе, Pinlet
Рис. 11. Влияние относительного давления воздуха на входе, Pinlet, на
мощность, П΄.
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май-2014 1383
ISSN 2229-5518
2,3 Влияние коэффициента теплопередачи на
Производительность двигателя
3,3
3,2
. 3.1
3
2.9
2.8
2.7
2.6
2,5
0,05 0,1 0,15 0,2
Коэффициент теплопередачи , β/Cv
Рис. 13. Влияние коэффициента теплопередачи β на мощность,
P΄.
42
40
38
36
34
32
30
1 2 3 4
БЕСПЛАТНО0007
34,5
34
33,5
33
32,5
32
Рис. тепловой
31,5
0,05 0,1 0,15 0,2
Коэффициент теплопередачи , β/Cv
повышение эффективности с увеличением давления на входе для двух типов, как и ожидалось [18].
Увеличение теплового КПД оптимально до 2 бар. Поэтому в некоторых случаях предпочтение отдается турбонаддуву и наддуву. Итак, турбонаддув
и наддув в некоторых случаях предпочтительнее.
Рис. 14. Влияние коэффициента теплопередачи, β, на
th l ffi i
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 5, May-2014 1384
ISSN 2229-5518
Из рис. 13, 14 видно, что коэффициент теплоотдачи влияет на работу теплового двигателя. Мощность и тепловой КПД снижаются с увеличением коэффициента теплопередачи. Скорость уменьшения мощности больше для цикла Отто, чем для цикла Дизеля. Это связано с тем, что цикл Отто имеет большую максимальную температуру цикла, что, следовательно, увеличивает потери тепла.
2.4 Effect of Compression and Expansion
Efficiencies on the Engine Performance
36
35
34
33
32
31
30
29
90 92 94 96 98 100
Compression и КПД расширения
(ηcomp, ηexp)%
Рис.
16. Влияние эффективности сжатия и расширения
, ηcomp,exp , на тепловой КПД ,ηth.
3.3
3.2
3.1
3
2.9
2.8
2.7
2.6
2.5
2.4
2.3
90 92 94 96 98 100
Compression and Expansion Efficiencies
(ηcomp, ηexp)%
Рис. 15. Влияние эффективности сжатия и расширения
, ηcomp,exp , на мощность, P΄.
На рисунках 15, 16 показано, что мощность и тепловая эффективность увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения для двух типов цикла, как и ожидалось
2.5 Влияние степени сжатия на двигатель
Производительность
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
ISSN 2229-5518
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1 5 2 100007
Степень сжатия ,rv
На рисунках 17, 18 показано, что с увеличением степени сжатия выходная мощность и тепловой КПД увеличиваются, но когда эти значения степени сжатия достигают высоких значений, они увеличиваются медленно, как показано.
Для цикла Отто после rv =10 произойдет детонация [19]. Для дизельного цикла мощность и тепловой КПД также увеличиваются до значения степени сжатия, rv =20, как
в [19], а двойной цикл находится между ними. Кроме того, на Рисунке 18 показано
сравнение идеального термического КПД для циклов Отто и дизельного двигателя в соответствии с идеальным соотношением тепловых
Рис. 17. Влияние степени сжатия, rv, на мощность,
КПД для Отто и дизеля, ηотто =1-rv1-γ,
rγ−1
P΄.
ηDiesel =1-rv1-γ*
γ(rc−1)
, где γ,rc — коэффициент удельной теплоемкости и коэффициент отсечки
, и результаты модели. Показано, что эти значения в идеальном цикле больше, чем результаты по модели
из-за необратимости. А при высоких значениях степеней сжатия мощность и тепловой КПД снижаются как [2,
20].
80 4.
6 Effect of Air fuel ratio on the Engine Performance
70
60
50
Gasoline engine
40
30 Diesel engine
20
5 15 25 35
Compression Ratio , рв
3,4
3,2
3
2,8
2,6
2,4
2,2
2
11 13 15 17 19
СОЕДИНЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ТОПЛИВО, A/F
Фиг. по тепловому КПД
, ηth.
Рис. 19. Влияние соотношения воздух-топливо, A/F, на мощность P΄.
40
35
IJSER ©
http://www.i 30
25
20
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1386
ISSN 2229-5518
На рис. 21 показано, что удельный расход топлива уменьшается
с увеличением мощности, как и ожидалось [21, 22] .
На рис. 19, 20 показано, что в трех циклах с увеличением соотношения воздух-топливо выходная мощность увеличивается до определенного значения, после чего они уменьшаются, а тепловой КПД непрерывно увеличивается по мере уменьшения количества топлива с увеличением соотношения воздух-топливо после этого определенного значения, а для дизеля это значение около
15.
Оптимальное значение соотношения воздух-топливо для Отто составляет около 13.
4.7 Влияние удельного расхода топлива
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создана модель необратимого газового цикла и проведена проверка этой модели в сравнении с экспериментальными результатами от одноцилиндрового двигателя с воспламенением от сжатия. Подписанное экспериментальное испытание было проведено на дизельном двигателе с постоянным числом оборотов цилиндра для проверки полученных результатов с использованием настоящей модели. Полученные результаты показывают хорошее совпадение с соответствующими данными, полученными в ходе экспериментальных испытаний. Другие сравнения сделаны с соответствующими результатами
an actual engine model results which published in
0.04
0.035
0.03
0.025
0.02
2 3 4
Dimensionless power,P΄
0.025
0.02
0.015
0.
01
0,005
0
международные исследования бензиновых и дизельных двигателей. Были учтены некоторые необратимости циклов двигателя внутреннего сгорания, такие как эффективность сжатия и расширения и потери теплопередачи. Компьютерная программа предназначена для предлагаемой модели. Влияние некоторых параметров, таких как температура воздуха на входе, давление воздуха на входе, коэффициент теплопередачи, степень сжатия, соотношение воздух-топливо и эффективность сжатия и расширения были изучены с числовыми примерами для двух типов циклов (бензиновые и дизельные двигатели). Установлено, что мощность и тепловая эффективность увеличиваются с увеличением эффективности сжатия и расширения и давления воздуха на входе. При увеличении соотношения воздух-топливо выходная мощность
и увеличение теплового КПД до определенного
Рис. 21. Влияние удельного расхода топлива SFC (кг/ч) на мощность P΄.
, то оно уменьшается, поэтому оптимальное значение соотношения воздух-топливо для бензинового двигателя составляет около 13, а для дизеля около 15.
С увеличением температуры воздуха на входе и коэффициента теплопередачи мощность и тепловой КПД снижаются. С увеличением степени сжатия мощность и тепловой КПД увеличиваются, но для бензина оптимальное значение равно 10, чтобы предотвратить детонацию, а для дизеля оптимальное значение составляет около 9.0843 20. Удельный расход топлива уменьшается с
увеличением мощности.
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. шюрнг.Хоу. [2003] «Влияние теплопередачи на производительность стандартного двойного цикла воздуха» Преобразование энергии и управление, 45.
[2] Дж. Чен. [2005] «Критерии оптимизации важных параметров необратимой тепловой машины Отто» Applied Energy 83: 228-238.
[3] Ю. Чжао, Б. Линь, Ю. Чжан и Дж. Чен. [2006], «Анализ производительности и параметрический оптимальный расчет необратимого дизельного теплового двигателя» Energy 47: 3383-
3392.
[4] Э. Абу-Нада, И.
Аль-Хинти, А. Аль-Сархи и Б. Акаш [2006] «Термодинамическое моделирование двигателя с искровым зажиганием: влияние теплоемкости, зависящей от температуры», «Международные коммуникации в области тепломассообмена. 33: 1264-1272.
[5] Ю. Чжао и Дж. Чен. [2006] «Модель необратимого теплового двигателя, включающая три типичных термодинамических цикла и анализ их оптимальных характеристик», Международный журнал тепловых наук. 46: 605-613.
[6] А. Аль-Сархи, Дж.О. Джабер, М. Абу-Кудаис и С.
Д. Проберт. [2005] «Влияние трения и температуры — удельная теплоемкость рабочей жидкости, зависящая от
, на характеристики
дизельного двигателя» Applied Energy. 83: 153-
165.
[7] Y.Ge, L.Chen, F.Sun and C.Wu. [2004] «Термодинамическое моделирование характеристик цикла Отто с теплопередачей и переменной удельной теплоемкостью рабочей жидкости» International Journal of Thermal наук. 44: 506-
511.
[8] Ю. Чжао и Дж. Чен [2007] «Анализ оптимальной производительности необратимого дизельного теплового двигателя, подверженного влиянию переменной теплоемкости рабочей жидкости» Преобразование энергии и управление.
48: 2595-2603.
[9] Yanlinge, Lingen Chen и Fengrui Sun. [2009] «Термодинамическое моделирование и анализ конечного времени для необратимого двойного цикла» Математическое и компьютерное моделирование. 50:101-108
[10] Y.Ge, L.Chen и F. Sun. [2007] «Термодинамическое моделирование и анализ необратимого цикла Отто с конечным временем» Applied Energy. 85: 618-624.
основы’’ первое издание, международное издание McGrAw-HILL.
[12] Бенсон и Н. Д. Уайтхоз. [2010] «Внутреннее сгорание
Engine» Robert Maxwell, MC, vol. I,II
[13] JI Ghojel. [2010.] «Обзор разработки и применения функции Вибе: дань уважения вкладу Ивана Вибе в исследования двигателей» International Journal of Engine Research.2: 297-312.
[14] П. А. Лакшминараянан, Йогеш В. Агав. [2010] «Моделирование сгорания дизельного топлива» Springer Science + Business Media B. V.
[15] Константин Д. Ракопулос, Евангелос Г. Джакумис [ 2009 г.] «Дизельный двигатель в переходном режиме», Springer-Verlag, Лондон.
[16] Р. Удаякумар, К. Касера. [2012] «Анализ сгорания в дизельном двигателе, работающем с присадками для повышения производительности» «Техника и наука. 1: 11-
16.
[17] М. Аль-Суд, М. Ахмед и Ю. М. Абдель-Рахим. [2012] «Быстрая термодинамическая имитационная модель для оптимальной работы четырехтактного дизельного двигателя» Международный журнал Энергетическая и экологическая инженерия. 3: 1-13.
[18] Махер А.Р.Садик аль-Багдади и Харун А.К.Шахад аль-Джанаби. [2003] «Прогнозирование водородного двигателя с искровым зажиганием и наддувом» Energy Conversion and Management. 44: 3143–3150.
[19] Р. Эбрахими. [2010] «Анализ производительности двухтактного двигателя с учетом коэффициента давления и коэффициента отсечки» ACTA PHYSICA POLONICA A. 118: 534-539.
[20] Махмуд Хулейхил. [2011] «Влияние перепадов давления на рабочие характеристики стандартного воздушного цикла Отто», Hindawi Publishing Corporation Physics Research International. 1-7.
[21] Х.
Шарон, К. Каруппасами, Д.Р. Собан Кумар, А.
Сундаресан. [2012] «Испытание дизельного двигателя с прямым впрыском топлива, работающего на
метиловых эфирах отработанного пальмового масла» Возобновляемая энергия. 47:
534-539.
[22] https://www.utexas.edu/research/cem/Green_ship_pag es/electric_load_distribution.html
[11] J.B.Heywood. [1988].’’ двигатель внутреннего сгорания
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. 1388
ISSN 2229-5518
IJSER © 2014 http://www.ijser.org
Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 5, май 2014 г. I£ER фунт) 2014
http://www.ijserorq
Цикл четырехтактного двигателя (анимированный) Объяснение
Введение Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (ВС) используются более 100 лет и их конструкция с тех пор существенно не изменилась.
Каждый из четырехтактные двигатели тактов используются для одной стадии цикла сгорания , т.е. имеется по одному такту для каждой из стадий всасывания, сжатия, мощности и выпуска.
Анимация четырехтактного двигателя
По сравнению с двухтактными двигателями четырехтактные двигатели имеют больше компонентов и весят больше, но они более эффективны. Четырехтактные двигатели могут работать на различных видах топлива, включая бензин/бензин , дизельное топливо , газ ( метан ) и биотопливо (чтобы назвать несколько видов топлива).
Компоненты четырехтактного двигателя Конструкции четырехтактных двигателей различаются, поэтому количество и тип компонентов, используемых в каждой конструкции, также различаются.
Например, в двигателях с общей топливной рампой используются другие детали двигателя по сравнению с двигателями без общей топливной рампы.
Компоненты четырехтактного двигателя
Обычные четыре 9Компоненты двигателя с ходом 0003 включают:
- Поршень
- Соединительный стержень (шатун)
- Подшипники скольжения
- Коленчатый вал
- Распредвал
- Камера сгорания (гильза цилиндра)
- Впускные клапаны и Выпускные клапаны
- Толкатели
- Коромысел
- Топливные форсунки
Получите доступ к 3D-модели ниже, если вы хотите изучить все основные компоненты двигателя и некоторую терминологию двигателя. Компоненты двигателя и терминология
Приведенное ниже видео является выдержкой из нашего Онлайн-видеокурс по основам двигателя внутреннего сгорания .
Четырехтактному двигателю требуется четыре такта для завершения одного цикла сгорания . Ходы:
- Всасывание (впуск)
- Сжатие
- Питание (зажигание)
- Выхлоп
Еще один способ запомнить штрихи и их порядок — изменить формулировку на:
Ход 1 = Всасывание (всасывание) Ход 2 = Сжатие (выжимание) Ход 3 = Мощность (бах!) Ход 4 = Выпуск (выдувание)
Ход всасывания в гильзу цилиндра (камеру сгорания) по мере того, как поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ) . Когда поршень достигает НМТ , впускные клапаны закрываются, и поршень перемещается обратно вверх к верхней мертвой точке (ВМТ) ; это такта сжатия .
Четырехтактный двигатель с TDC и BDC показал
Стало сжатия
По мере того, как поршн перемещается в сторону TDC , воздух в цилиндре складывается ( объем Reduces), а воздух в цилиндре складывается ( объем Reduces), а воздух в цилиндере — Colduces), а воздух в цилиндре — Colduces), а воздух в цилиндере — CORTUCE). и давление увеличивается. Незадолго до ВМТ в камеру сгорания впрыскивается топливо. Топливо воспламеняется и происходит управляемый взрыв происходит.
График давления и объема
Рабочий ход
После зажигания начинается рабочий ход . Повышение давления и температуры, создаваемое сгоранием , толкает поршень к НМТ. После достижения НМТ все топливо в камере сгорания сожжено, и двигатель готов к последнему такту.
Такт выпуска
такт выпуска — четвертый и последний такт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и выбрасывает выхлопные газы из камеры сгорания через выпускные клапаны. Как только поршень достигает ВМТ, впускные клапаны воздуха открываются, а выпускные клапаны через короткое время закрываются (существует некоторое перекрытие клапанов , чтобы обеспечить удаление всех выхлопных газов из камеры сгорания). Цикл сгорания завершен, так как выполнены все четыре такта.
Двигатели с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия В бензиновых/бензиновых двигателях для зажигания используются свечи зажигания , а в дизельных двигателях используется только тепло, выделяемое при сжатии. По этой причине бензиновые двигатели известны как двигатели с искровым зажиганием , а дизельные двигатели известны как двигатели с воспламенением от сжатия .