Двигатель внутреннего сгорания где применяются: Где ещё, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

Содержание

Применение - двигатель - внутреннее сгорание

Применение - двигатель - внутреннее сгорание

Cтраница 1

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.  [1]

Применение двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе, однако, ограничивается транспортными и судовыми установками вследствие меньших ресурсов жидкого топлива сравнительно с каменным углем. Двигатели внутреннего сгорания на стационарных установках применяются также в районах, где жидкое и газообразное топливо используется в качестве основного, о районах безводных и для специальных установок.  [2]

Эффективность применения двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяется их долговечностью и надежностью в эксплуатации. Одним из важных факторов при этом является износостойкость пар трения, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки. Для обеспечения надежной работы современных двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет предотвращение образования в них лаков, нагаров, низкотемпературных осадков, коррозии поверхностей некоторых деталей, а также очистка масла в двигателях ( фильтрация, центрифугирование) от образующихся в нем механических примесей. Все перечисленные вопросы отражены в книге.  [3]

При применении двигателя внутреннего сгорания муфта сцепления позволяет включить барабан яобедкк, ротор при работающих двигателях, зя.  [4]

Не допускается применение двигателей внутреннего сгорания ( ДВС) и газотурбинных установок на МНГС без выполнения специальных требований к помещениям этих установок, исключающих доступ в них взрывоопасных смесей при загазованности МНГС.  [5]

При необходимости применения двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в нормальном исполнении их необходимо устанавливать за глухой несгораемой стеной в отдельном помещении, а валы, соединяющие двигатель с насосом, в местах прохода через стену следует пропускать через герметические сальники.  [6]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания noi eo - ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [7]

Единственным преимуществом применения двигателей внутреннего сгорания является значительно меньший расход топлива, чем во всех остальных типах двигателей. В среднем небольшой одноцилиндровый двухтактный дизель потребляет топлива 0 25 кг на 1 л. с. - час. Двухцилиндровый двухтактный двигатель с ка-лильной головкой расходует около 0 4 кг топлива на 1 л. с. - час. Расход топлива у двигателя внутреннего сгорания, как мы видим, почти в 4 - 10 раз меньше, чем у промысловой паровой машины. Таким образом, с точки зрения экономии жидкого топлива двигатель внутреннего сгорания имеет значительные преимущества перед паровой машиной.  [8]

Повышение экономичности применения двигателей внутреннего сгорания

, снижение трудоемкости технического ухода за ними имеет важное народнохозяйственное значение. Большую роль при этом играет установление обоснованных сроков замены масла. Малые сроки замены масла приводят к значительному его перерасходу; особенно это заметно в связи с тем, что ряд удачных конструктивных и технологических решений способствовал снижению проникновения масла в камеры сгорания и его расхода на угар в современных двигателях.  [9]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания поа ьб-ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [11]

В настоящее время применение двигателей внутреннего сгорания на промыслах весьма ограничено.  [12]

Исключительное разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания обусловливает соответственно и многообразие конструктивных форм этих двигателей, а также значительные трудности их классификации.  [13]

В виду чрезвычайного разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания

и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать

области применения ДВС. Классификация ДВС

Типы автомобильных двигателей

Среди двигателей, применяющихся в настоящее время, а также перспективных для использования на автомобильном транспорте, следует отметить следующие типы:

1. Двигатели внутреннего сгорания, которые подразделяют на поршневые и роторно-поршневые.

2. Газотурбинные двигатели (ГТД).

3. Двигатели внешнего сгорания (паровые, двигатели Стирлинга).

4. Электрические двигатели.

5. Криогенные двигатели.

6. Инерционные двигатели.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время являются наиболее распространенными автомобильными двигателями. В этих двигателях топливо сгорает непосредственно внутри рабочего органа - цилиндра (в поршневых двигателях) или в полости, образованной ротором и корпусом (в роторных двигателях). Основным преимуществом ДВС является непосредственное воздействие продуктов сгорания топлива на поршень. Это дает возможность добиться сравнительно высоких значений термического коэффициента полезного действия (ТКПД).

Высокая (по сравнению с другими типами тепловых двигателей) экономичность ДВС, возможность построения их в большом диапазоне мощностей, достаточно быстрый пуск, небольшие масса и размеры, сравнительно невысокая стоимость, большой ресурс обусловили их широчайшее распространение в различных сферах деятельности. ДВС в настоящее время являются практически единственным типом двигателей в силовых агрегатах не только автомобилей, но и тракторов, сельскохозяйственной техники, дорожных, строительных машин. Судовые, локомотивные и авиационные силовые установки малой мощности обычно также представлены двигателями внутреннего сгорания различных типов.

Области применения ДВС

Поршневые и комбинированные двигатели в зависимости от их назначения изготовляются с мощностью от нескольких сот ватт до 40000кВт. Основные области их применения:

1. Автомобильный транспорт, тракторы, сельхозмашины и др.

2. Железнодорожный транспорт, в т.ч. энергопоезда.

3. Морской и речной флот, катера.

4. Легкомоторная авиация.

5. Строительная, дорожная техника (экскаваторы, бульдозеры, скреперы, грейдеры, самоходные краны, компрессоры, передвижные электростанции и др.).

6. Стационарная электроэнергетика.

7. Привод компрессоров, насосов на трубопроводах, в бурильных установках.

8. Модели и модельные установки.

9. Военная и специальная техника.

Классификация ДВС.

Признаки классификации ДВС могут быть различными и определяются как назначением, особенностями практического применения, так и принципами построения, элементами конструкции и др. Поэтому при некоторой условности все же следует отметить следующие общепринятые принципы и признаки классификации поршневых двигателей.

1. По назначению: стационарные, переносные, транспортные (автомобильные, тракторные, судовые, авиационные и др.).

2. По роду применяемого топлива: двигатели легкого топлива, тяжелого, газообразного, многотопливные.

3. По способу осуществления зарядки цилиндров: четырехтактные и двухтактные двигатели.

4. По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

5. По способу воспламенения смеси: двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.

6. По конструктивному расположению цилиндров и схеме: рядные и звездообразные, вертикальные и горизонтальные схемы. Кроме того, рядные двигатели подразделяют на V-, W-, H-, Y- и X-образные и др. Некоторые варианты компоновки представлены на рис.1.1.

7. По способу охлаждения двигатели разделяют на двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.

Помимо перечисленных признаков иногда двигатели классифицируют по способам регулирования, скорости вращения, признакам цикла, наличию систем наддува и т.д.

В современных автомобилях применяются преимущественно четырехтактные поршневые двигатели с рядным, V-образным и оппозитным расположением цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания и его использование в современном мире

Научно-техническая революция, которая произошла в конце 19 века, вместе со многими гениальными открытиями привела к изобретению такого полезного устройства, как двигатель внутреннего сгорания. Благодаря этому человечество смогло кардинально изменить мир и сделать значительный шаг в развитии цивилизации. Сегодня такие двигатели широко применяются не только в автомобилестроении, но и в промышленности, где они являются важнейшей составной частью всей технологической цепочки производства. Все фабрики, заводы, комбинаты и прочие промышленные объекты напрямую зависят от агрегатов внутреннего сгорания, которые дают возможность осуществлять всю необходимую работу.

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой такой тип мотора тепловой машины, в котором энергия жидкого или газообразного углеродного топлива преобразуется в механическую работу. Благодаря моментальному сгоранию топлива в рабочей зоне цилиндра, обеспечивается вращательно-поступательное движение, которое приводит в действие коленчатый вал. Вот в этом и заключается суть работы двигателя, работающего на топливе.

Как правило, двигатель внутреннего сгорания, а также его основные характеристики знакомы обычному человеку на примере мотора автомобиля. Все знают, что мощность двигателя напрямую зависит от объема его цилиндров, поскольку, чем они объемнее,  тем больше топливной смеси сможет  поступить, вследствие чего и воздействие на коленвал будет сильнее. Если же говорить о промышленных двигателях, которые установлены на электростанциях, промышленных заводах, холодильных комбинатах и прочих сооружениях, то их мощность измеряется многими сотнями лошадиных сил.

В систему работы любого топливного двигателя обязательно входит система охлаждения и смазки. Поскольку в ходе технологического процесса выделяется значительное количества тепловой энергии, для предотвращения перегрева двигателя в нем сделана специальная рубашка охлаждения. Благодаря ей происходит охлаждение цилиндров, и двигатель внутреннего сгорания имеет возможность работать в течение длительного времени без перерыва. Помимо этого неотъемлемой частью любого мотора является система смазки, которая позволяет снизить коэффициент износа всех трущихся деталей. От качества машинного масла зависит очень многое, поэтому для разных типов двигателей выпускают различные масла, которые могут быть синтетическими, полусинтетическими и минеральными. Новый двигатель, как правило, заправляется минеральным маслом, поскольку оно обеспечивает лучшее притирание новых деталей между собой. Впоследствии оно заменяется синтетическим или полусинтетическим, в зависимости от требований завода-производителя.

Все двигатели такого типа разделяются на две большие группы:

  1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Устанавливается, как правило, на легкие транспортные средства по типу мотоциклов, скутеров, мотороллеров и мопедов. Такой мотор состоит из картера, в который с двух сторон установлен через подшипники коленчатый вал с цилиндрами. В каждом из таких цилиндров находится поршень, который представляет собой металлический стакан, опоясанный специальными кольцами, вложенными в канавки. Они необходимы для того, чтобы отработанные газы не попадали в промежуток между станками цилиндра и поршнем. Последний соединен с шатуном через специальную втулку (палец), который, в свою очередь, передает прямолинейное движение на коленчатый вал.
  2. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Имеет более сложную конструкцию, благодаря которой все вращательно-поступательное движение осуществляется в 4 такта. Именно такими двигателями комплектуются все автомобили, поскольку такая система обеспечивает максимальную мощность, что необходимо для передвижения тяжелого транспортного средства.

Современные двигатели внутреннего сгорания постоянно усовершенствуются, в результате чего уровень их КПД повышается, а мощность увеличивается. Несмотря на то, что с экологической точки зрения они наносят вред окружающей среде, они все еще занимают первое место по уровню применения среди всех остальных видом моторов. Электродвигатели пока не могут с ними конкурировать, поскольку их мощность на порядок ниже.

Поршневой двигатель

Статья опубликована 26.06.2014 06:16
Последняя правка произведена 16.11.2015 18:28

Определение.

Поршневой двигатель – один из вариантов двигателя внутреннего сгорания, работающий за счет превращения внутренней энергии сгорающего топлива в механическую работу поступательного движения поршня. Поршень приходит в движение при расширении рабочего тела в цилиндре.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочий цикл двигателя состоит из последовательности тактов односторонних поступательных ходов поршня. Подразделяют двигатели с двумя и четырьмя тактами работы.

Принцип работы двухтактного и четырехтактного поршневых двигателей.


анимация 4-х тактного двигателя анимация 2-х тактного двигателя

4-х тактный цикл работы поршневого ДВС:

1. Всасывание горючей смеси.
2. Сжатие.
3. Рабочий ход.
4. Выхлоп.

2-х тактный цикл работы поршневого ДВС:

1. Поршень движется вверх и происходит сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего цикла в полость под поршнем.

2. Поршень опускается обратно — рабочий ход, выхлоп и вытеснение топливной смеси из-под поршня в рабочую полость цилиндра.

Количество цилиндров в поршневых двигателях может варьироваться в зависимости от конструкции (от 1-го до 24-х). Объем двигателя принято считать равным сумме объемов всех цилиндров, вместимость которых находят по произведению поперечного сечения на ход поршня.

В поршневых двигателях различных конструкций по-разному происходит процесс воспламенения топлива:

Электроискровым разрядом, который образуется на свечах зажигания. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на других видах топлива (природный газ).

Сжатием рабочего тела:

• В дизельных двигателях, работающих на дизельном топливе или газе (с 5% добавлением дизтоплива), сжимается воздух, и при достижении поршнем точки максимального сжатия, происходит впрыск топлива, которое воспламеняется от контакта с нагретым воздухом.

Двигатели компрессионной модели. Подача топлива в них точно такая же, как и в бензиновых двигателях. Поэтому, для их работы, необходимы особенный состав топлива (с примесями воздуха и диэтилового эфира), а также точная регулировка степени сжатия. Компрессорные двигатели нашли свое распространение в авиастроении и автомобилестроении.

Калильные двигатели. Принцип их действия во многом схож с двигателями компрессионной модели, однако не обошлось без конструкционной особенности. Роль зажигания в них выполняет – калильная свеча, накал которой поддерживается энергией сгорающего на предыдущем такте топлива. Состав топлива также особенный, за основу берут метанол, нитрометан и касторовое масло. Применяются такие двигатели, как на автомобилях, так и на самолетах.

Калоризаторные двигатели. В этих двигателях воспламенение происходит при контакте топлива с горячими частями двигателя (обычно – днище поршня). В качестве топлива применяется мартеновский газ. Используются они в качестве приводных двигателей на прокатных станах.

Виды топлива, применяющиеся в поршневых двигателях:

Жидкое топливо – дизтопливо, бензин, спирты, биодизель;

Газы – природные и биологические газы, сжиженные газы, водород, газообразные продукты крекинга нефти;

• Вырабатываемый в газогенераторе из угля, торфа и древесины, монооксид углерода также используется в качестве топлива.

Работа поршневых двигателей.

Циклы работы двигателей подробно расписаны в технической термодинамике. Различные циклограммы описываются различными термодинамическими циклами: Отто, Дизеля, Аткинсона или Миллера и Тринклера.

Причины поломок поршневых двигателей.

Существует множество причин поломок двигателей. Например, если вы стали замечать вибрации двигателя или повышенный расход топлива, то очень вероятно что необходимо отремонтировать насос-форсунки, с этим вопросом вам помогут здесь - http://www.spbparts.ru/remont/remont_nasos_forsunki/1.htm.

КПД поршневого ДВС.

Максимальный КПД который удалось получить на поршневом двигателе составляет 60%, т.е. чуть меньше половины сгорающего топлива расходуется на нагрев деталей двигателя, а также выходит с теплом выхлопных газов. В связи с чем, приходится оснащать двигатели системами охлаждения.

Классификация систем охлаждения:

Воздушные СО – отдают тепло воздуху за счет ребристой внешней поверхности цилиндров. Применяются ли
бо на слабых двигателях (десятки л.с.), либо на мощных авиационных двигателях, которые охлаждаются быстрым потоком воздуха.

Жидкостные СО – в качестве охладителя используется жидкость (вода, антифриз или масло), которая прокачивается через рубашку охлаждения (каналы в стенках блока цилиндров) и поступает в радиатор охлаждения, в котором она охлаждается воздушными потоками, естественными или от вентиляторов. Редко, но в качестве теплоносителя также используется металлический натрий, который расплавляется от тепла прогревающегося двигателя.

Применение.

Поршневые двигатели, благодаря своему мощностному диапазону, (1 ватт – 75 000 кВт) обрели большую популярность не только в автомобилестроении, но и авиастроении и судостроении. Они также используются для привода боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, водяных насосов, бензопил и прочих машин, как мобильных так и стационарных.

Термодинамическое исследование рабочего цикла двигателя с воспламенением от сжатия с прямым впрыском

1. Введение

В настоящее время одним из наиболее часто используемых во всем мире источников энергии является топливо, полученное из нефти, например углеводороды, которые горят с выделением большого количества кислорода. тепловой энергии. Эта энергия может быть преобразована в механическую работу с помощью двигателей внутреннего сгорания [1]. Двигатель внутреннего сгорания - это устройство, которое позволяет получать механическую энергию из тепловой энергии, накопленной в жидкости в результате процесса сгорания [2].

Следует отметить, что в поршневых двигателях внутреннего сгорания (RICE) продукты сгорания составляют рабочее тело; это упрощает их конструкцию и обеспечивает высокий тепловой КПД. По этой причине эти двигатели являются одними из известных агрегатов, генерирующих более легкий вес, и поэтому фактически являются наиболее часто используемыми транспортными двигателями [3].

RICE работают по механическому циклу , состоящему из двух основных частей: первая - это замкнутый цикл, в котором выполняются процессы сжатия, сгорания и расширения, а вторая - открытый цикл, в котором рабочая жидкость возобновляемый, известный как процесс газообмена, состоящий из процессов впуска и выпуска [4].При исследовании RICE обязательно определение термодинамических свойств рабочего тела, а также количества смеси, поступающей и покидающей цилиндр [5].

flow Характеристики в двигателях с искровым зажиганием (SIE) или двигателях с воспламенением от сжатия (CIE) можно резюмировать согласно [6] следующим образом: переходный процесс в результате движения поршня, полностью турбулентный для всех цилиндров из-за скорости двигателя и размеры впускного канала, а также трехмерные из-за геометрии двигателя, которая также изменяется в течение цикла (контуры меняются со временем), создавая различные локальные поля скорости.

Во время газообмена происходят процессы импульсных и инерционных явлений, а также нестабильность процессов, происходящих в двигателе. Изменение давления в цилиндре при впуске и выпуске имеет сложную картину, по этой причине аналитический расчет газообмена с учетом вышеупомянутых явлений достаточно сложен и требует использования специализированных компьютерных программ, которые используют коэффициенты, полученные экспериментально [ 1].

Основа для расчета характеристик нестационарного неизэнтропического потока входных и выходных каналов RICE и выбросов NO установлена ​​в [7].Различные эмпирические корреляции для учета теплопередачи в процессе газообмена и корректировки экспоненциального множителя числа Рейнольдса таким образом, чтобы уменьшить до одного поправочные коэффициенты, были рассмотрены в [1,2,4 и 8].

Процедура, широко используемая как в экспериментальном, так и в теоретическом исследовании потока в двигателях, заключается в анализе цикла двигателя в отсутствие сгорания, моделировании процесса сжатия-расширения и проведении измерений в двигателе, работающем в этих условиях [5].

Во всех процессах рабочего цикла RICE происходит передача тепла стенкам цилиндра, которая происходит с большей интенсивностью во время сгорания и расширения из-за достигаемых высоких температурных градиентов. Вошни [9] предложил уравнения для определения турбулентной конвективной теплопередачи с учетом средней скорости газов в цилиндрах, а Аннанд [10] нашел корреляции для расчета мгновенных средних коэффициентов турбулентной конвективной теплопередачи с использованием средней температуры газа и предложил корреляции для оценки излучения пламени, испускаемого во время сгорания.В [11] установлены корреляции для конвективного теплообмена с учетом изменения поверхности и замкнутого объема цилиндра при движении поршня. Компьютерная программа для расчета теплопередачи в камере сгорания RICE с использованием моделей для учета турбулентности была представлена ​​в [12]. В [13] предложено универсальное соотношение для расхода смеси в процессе впуска и выпуска, корректирующее коэффициенты чисел Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля.

В настоящем исследовании процесс сжатия считается адиабатическим и обратимым, но в реальных двигателях происходит передача тепла между рабочим телом, клапанами и стенками цилиндров.В начале сжатия температура жидкости ниже, чем температура поверхностей, которые окружают объем цилиндра, что вызывает повышение температуры жидкости, через несколько мгновений температуры выравниваются, а затем тепло передается от рабочей жидкости к стенкам. , поэтому коэффициент политропии меняется в процессе [1].

Сложность процесса горения в RICE из-за несвоевременного и неполного сгорания, диссоциации и теплопередачи стимулировала разработку специальных методов для проведения исследований.Адекватная реализация этого процесса имеет решающее значение с точки зрения производимой мощности и ее эффективности, что оказывает большое влияние на срок службы и надежность двигателя [14].

Различные модели были предложены для изучения процесса горения, такие как закон горения Виба, применимый к SIE, и закон Ватсона, применимый к CIE [15]. Эти законы определяют массовую долю сгоревшего топлива и выделяемого тепла в зависимости от угла поворота коленчатого вала. В этих моделях использованы физические константы, полученные экспериментально.Соотношение Расселье и Уитроу, а также законы горения позволяют получить давление сгорания на каждый градус вращения коленчатого вала. Для количественной оценки задержки зажигания существует множество корреляций, например, предложенная в [16], [17], [18] или [19]. Модели, предложенные в [15], [20] и [17], используются для расчета коэффициента горения, который представляет массовую долю сожженной смеси в предварительно смешанной фазе и диффузионной фазе.

Изменения объема можно оценить с помощью выражения, предложенного в [15], которое коррелирует размеры двигателя: степень сжатия, смещенный объем, объем камеры сгорания, радиус кривошипа, длину шатуна и угол поворота коленчатого вала.Среднюю температуру в процессе сгорания можно определить, используя давление в цилиндре и уравнение идеального газа [4].

Методы расчета, используемые для получения равновесного состава и конечного состояния химических веществ, присутствующих в продуктах сгорания топливовоздушной смеси, хорошо известны и упоминаются в литературе [21, 22, 23 и 24]. Одна из наиболее полных программ - это, пожалуй, программа CEC НАСА-Льюиса [25 и 26], которая рассматривает жидкие и газообразные химические соединения, является чрезвычайно универсальной и может использоваться для расчета термодинамического состояния, химического равновесия, теоретического поведения ракет и даже Чепмена-Жуге. детонационные свойства.

Компьютерные программы для расчета систем горения при постоянном давлении CHO и CHON, предполагающие, что продукты горения состоят из восьми и десяти химических веществ, представлены соответственно в [27 и 28]. Код менее общий, чем код НАСА, ограниченный двенадцатью химическими веществами, системами сгорания CHON, специально разработанными для применения в анализе процессов двигателей внутреннего сгорания, был опубликован в [29]. Программа для расчета систем горения с постоянным объемом CHON из двенадцати компонентов, применимая к температурам до 3400 K, представлена ​​в [30].Программа, действующая для температур до 6000 K, которая может быть рассчитана как при постоянном давлении, так и при постоянном объеме горения для системы CHON из восемнадцати химических веществ, доступна в [31].

Функция свойств рабочего тела от его температуры, давления и насыщенности может быть определена путем применения основных термодинамических уравнений для идеальных газовых смесей с учетом массовых долей каждого компонента в смеси [32]. Также можно определить с помощью таких процедур, как FARG и ECP [33 и 34].В дополнение к изучению процесса горения были рассмотрены модели для определения выбросов NO как расширенного механизма Зельдовича. Причина использования этих моделей заключается в том, что конкретные константы скорости реакции для NO очень малы по сравнению со скоростью горения, по этой причине предполагается, что все частицы, присутствующие в продуктах, за исключением NO, находятся в химическое равновесие.

Процесс расширения производит механическую работу из энергии, выделяемой во время сгорания, и завершается, когда открывается выпускной клапан.В этот момент продукты выталкиваются из цилиндра сначала с критической скоростью в диапазоне от 500 до 700 м / с, а затем выталкиваются движением поршня к верхней мертвой точке [4 и 15]. Ближе к концу выхлопа во время перекрытия клапанов часть свежей смеси улетучивается, что способствует выделению несгоревших углеводородов и снижает эффективность двигателя.

Для исследования процесса газообмена с использованием газовой динамики для анализа потока газа в переходных процессах с переменным составом и переменной удельной теплоемкостью использовались такие модели, как [35].

Для улучшения процесса газообмена мы должны ускорить открытие впускного клапана (AIVO) и отсрочить закрытие выпускного клапана (DEVC). Из-за этого существует период, в течение которого два клапана остаются открытыми одновременно, этот период известен как , перекрытие клапанов , что помогает удалить столько газа и впустить столько же воздуха или свежей смеси. Это происходит из-за разрежения, возникающего в непосредственной близости от впускного клапана, из-за эффекта выброса, вызванного движением сгоревшего газа через выпускной клапан; это будет способствовать увеличению эффективности и мощности, производимой RICE [1].

Для изучения рабочего цикла RICE используются два метода исследования. Первый основан на сборе данных экспериментальных испытаний, а второй основан только на математическом моделировании. Последний метод более универсален и сокращает необходимые эмпирические данные исследования в зависимости от используемого метода расчета и наложенных упрощений. Однако для подтверждения результатов математического моделирования необходимы экспериментальные параметры, полученные в лабораторных условиях [5]. Использование методов численного анализа в настоящее время значительно расширилось за счет увеличения скорости и вычислительной мощности современных компьютеров.Эти методы обеспечивают более высокую производительность, универсальность и могут обрабатывать больше информации, чем можно измерить в экспериментальном тесте. Однако точность результатов, полученных с применением моделей, зависит от сделанных предположений.

Моделирование - это метод исследования, используемый в RICE, его использование расширилось за последние два десятилетия из-за снижения затрат, полученного за счет исключения или сокращения лабораторных тестов, поскольку они требуют большого количества повторяющихся тестов для получения соответствующих результатов, в результате чего временные и денежные потери на подготовку, калибровку, замеры, ремонт и замену испытательных двигателей.Разработчики RICE должны создавать более эффективные двигатели из-за более высокой стоимости топлива и новых правил по выбросам сгорания, возникающим в процессе, происходящем внутри двигателя. Чтобы оптимизировать эти конструкции, требуются многочисленные испытания методом проб и ошибок. Проведение испытаний подразумевает дорогостоящее строительство и тестирование нескольких прототипов. Моделирование - это процедура, позволяющая проводить множество тестов с относительно низкими затратами.

Для определения диаграммы зависимости p от V двигателя рабочая жидкость рассматривается как идеальный газ, масса, поступающая в цилиндр, рассчитывается с использованием модели наполнения, которая учитывает подъем клапана и коэффициент нагнетания.Начальная масса в цилиндре - это остаточные газы, то же количество, которое использовалось в качестве эталонного значения для контроля вытесненной массы во время выхлопа. Мгновенный объем определялся с помощью уравнения для угла поворота коленчатого вала [15]. Конечная температура сжатия была найдена из первого закона термодинамики с учетом процесса равномерного течения и конвективной теплопередачи. Мощность, среднее показываемое давление и максимальное давление и температура были рассчитаны с использованием методов, предложенных в [1], [4] и [15].Циклическая дисперсия изучалась с использованием среднего указанного коэффициента изменения давления и изменения давления как функции основного фазового угла сгорания в диапазоне от 10 ° до верхней мертвой точки (ВМТ) и 10 ° после ВМТ [1]. Расчеты для процесса оттока были аналогичны расчетам при приеме. Модель для изучения замкнутого контура цикла с ограниченным давлением CIE, заменяющего процесс отвода тепла с постоянным объемом изоэнтропическим процессом расширения с последующим отводом тепла с постоянным давлением, предложена в [36].

Существуют коммерческие пакеты, которые представляют собой очень полезный инструмент в области исследований и разработок RICE, который используется различными компаниями в автомобильном секторе. К ним относятся ECARD (Engine Computer Aided Research & Development), разработанная группой IMST, глобальная модель, которая позволяет моделировать работу двигателя на протяжении всего его рабочего цикла, используя модели аналогичной сложности для различных задействованных процессов. OpenWAM - это бесплатный одномерный газодинамический код с открытым исходным кодом, созданный группой CMT, который можно использовать для прогнозирования движения потока через элементы двигателя внутреннего сгорания.NEUROPART использует нейронные сети для определения влияния свойств и состава продукта на выбросы выхлопных газов и образование частиц. CHEMKIN использует концепции химической кинетики для анализа флюидов в газовой фазе с помощью гидродинамического моделирования. EQUIL, рассчитывает состав продуктов сгорания при равновесии. PREMIX, рассчитывает скорость сгорания для различных видов топлива. СЕНКИН, позволяет определять временную задержку для различных видов топлива и кинетическую эволюцию горения в зависимости от компонентов, участвующих в процессе.

2. Математическая модель

В настоящем параграфе будут разработаны основы и математические уравнения, которые управляют явлениями, происходящими в CIE. Для этой цели будет рассмотрен регулятор громкости на рисунке 1, который показывает взаимодействие массы и энергии с окружающей средой.

Рисунок 1.

Контрольный объем двигателя

Следует отметить, что контрольный объем в процессе газообмена работает как открытая система. При сжатии, сгорании и расширении процессы работают как замкнутая система, поэтому необходимо внести поправки, чтобы учесть обменную массу из-за утечки и подачи топлива.

2.1. Сохранение массы

Принцип сохранения массы устанавливает, что общее изменение массы в контрольном объеме составляет:

Суммирование используется при наличии нескольких входных и / или выходных потоков. Выражая Ec. 1 в дифференциальной форме и разделив на дифференциал времени, мы получим скорость изменения массы во времени:

Чтобы выразить последнее уравнение в терминах массы воздуха и топлива, входящих в контрольный объем, мы определяем:

Дифференцируя и переставляя время, получаем топливо скорость изменения по времени:

f • = dfdt = (m • e − m • sm) [(fe − fs)] E4

Из определения соотношения эквивалентности (насыщенности смеси):

ϕ = mfma (mfma) sto = m • fm • a (m • fm • a) stoE5

вместо Ec.3 в Ec. 5 и вычисление времени:

ϕ • = dϕdt = 1 (mfma) stof • (1 − f) 2E6

2.2. Сохранение энергии

Первый закон термодинамики для открытой системы, без учета изменений кинетической и потенциальной энергии, может быть записан в дифференциальной форме как:

dEdt = dQdt − dWdt + me • he − ms • hsE7

Поскольку работа из-за изменение объема:

и первый член в левой части уравнения. 7 можно оценить с точки зрения внутренней энергии:

dEdt = ddt (mu) = (mdudt) vc + (udmdt) vcE9

или с точки зрения энтальпии:

dEdt = ddt (mh) −ddt (pV) E10

Подставляя уравнения ,8 и 10 в уравнении. 7 имеем:

(mdudt) vc + (udmdt) vc = Q • −W • + m • eh − em • shsE11

Поскольку внутренняя энергия, энтальпия и плотность являются функциями T, p и ϕ, скорость их изменения во времени составляет:

dudt = (∂u∂T) dTdt + (∂u∂p) dpdt + (∂u∂ϕ) dϕdtE12dhdt = (∂h∂T) dTdt + (∂h∂p) dpdt + (∂h∂ϕ) dϕdtE13dρdt = (∂ρ ∂T) dTdt + (∂ρ∂p) dpdt + (∂ρ∂ϕ) dϕdtE14

Предполагая, что рабочая жидкость является идеальным газом, дифференцируя уравнение идеального газа и переставляя, мы имеем:

pdVdT + VdpdT = mRdTdt + mTdRdt + RTdρdt− = dpdtE15d ρRdTdt − ρTdRdtRTE16

Из уравнения.14:

dpdt = dρdt− (∂ρ∂T) dTdt− (∂ρ∂ϕ) dϕdt (∂ρ∂p) E17

подставляя уравнение. 17 в уравнении. 16, преобразование и решение для dpdT:

dpdt = −ρTdTdt − ρRdRdt− (∂ρ∂T) dTdt− (∂ρ∂ϕ) dϕdt (∂ρ∂p) −1RTE18

Решение Ec. 15 вместо dRdt, упрощая и заменяя в Ec. 18:

dpdt [(∂ρ∂p) −1RT] = - ρTdTdt − ρR [pmTdVdt + VmTdpdt − RTdTdt − Rmdmdt] - (∂ρ∂T) dTdt− (∂ρ∂ϕ) dϕdt E19

Замена уравнения идеального газа в Ec. 19 и решая для dpdT:

dpdt = ρ (∂ρ∂p) [dVdtV + dmdtm − 1ρ (∂ρ∂T) dTdt − 1ρ (∂ρ∂ϕ) dϕdt] E20

Дифференцирование уравнения идеального газа относительно p и T, получаем:

и подставляя Ecs.21 и 22 в Ec. 20:

dpdt = p [−dVdtV + dmdtm + (dTdt) 1T − RTp (∂ρ∂ϕ) dϕdt] E23

Позже уравнение, функция плотности, объема, массы и богатства смеси будет использоваться для получения давления в цилиндре. при изменении времени (индикаторная диаграмма).

Процедура получения аналогичного выражения для изменения температуры во времени будет проиллюстрирована ниже. Решение уравнения. 11 для dudt:

dudt = Q • mvc − pmvcdVdt + 1mvc (me • he − ms • hs− (udmdt) vc) E24

и определение:

B = −RTdVdtV + 1m (Q • + m • ehe − m • shs− (udmdt) vc) E25

С другой стороны, введение Ecs.8 в Ec. 11, получим следующее выражение:

Подставляя Ec. 26 в Ec. 12 и решение для dpdt:

dpdt = B− (∂udt) dTdt− (∂udϕ) dϕdt (∂u∂p) E27

Замена Ec. 27 в Ec. 20 и решение для dTdt дает:

dTdt = (∂u∂p) [- ρdVdtV + ρdmdtm− (∂ρ∂ϕ) dϕdt − B + (∂u∂ϕ) dϕdt] (∂u∂p) (∂ρ∂T) - (∂ρ∂p) (∂u∂T) E28

Теперь, учитывая:

И дифференцируя:

dRdt = (∂R∂T) dTdt + (∂R∂p) dpdt + (∂R∂ϕ) dϕdtE30

Дифференцируя Уравнение идеального газа и решение для dRdt

dRdt = dpdtpR − dTdtTR − dρdtρRE31

Замена Ec.30 в уравнении. 31 и решая fordpdt:

dpdt = (∂R∂T) dTdt + (∂R∂ϕ) dϕdt + dTdtRT + dρdtRρRp− (∂R∂p) E32

Замена Ec. 32 в Ec. 27:

(∂u∂T) dTdt + (∂u∂p) [(∂R∂T) dTdt + (∂R∂ϕ) dϕdt + dTdtRT + dρdtRρRp− (∂R∂p)] + (∂u∂ϕ) dϕdt = BE33

Определение:

Сбор терминов, содержащих dTdt, и подстановка Ур. 34 в уравнении. 33:

(dTdt) [(∂u∂T) + (∂u∂p) pDR {(∂R∂T + RT)}] + (∂u∂p) 1D [(∂R∂ϕ) dϕdt + dϕdtRρ ] + (∂u∂ϕ) dϕdt = BE35

Определение:

Замена Ec. 36 в уравнении. 35 и решая fordTdt:

dTdt = B− (∂u∂p) pD [1R (∂R∂ϕ) dϕdt + dρdt1ρ] - (∂u∂ϕ) dϕdt (∂u∂T) + CDpT (∂u∂p ) E37

Начиная с:

Различение по времени и решение для dρdt:

Замена Ec.39 в Ec. 37:

dTdt = B− (∂u∂p) pD [(∂R∂ϕ) dϕdt1R + dmdt1m − dVdt1V] - (∂u∂ϕ) dϕdt (∂u∂T) + CDpT (∂u∂p) E40

Это уравнение будет использоваться для определения температуры в цилиндре при изменении времени.

Если уравнения. 25, 34, 36 и 37 заменены в формуле. 23 и собрав члены, мы получили:

dpdt = Q • −m • bbhbb − dVdt [mCV + p] −dmdt [(D (∂u∂ϕ) −hcil + u) −C (DR (∂R∂ϕ + 1 ))] m [C (1p − 1R (∂R∂ϕ)) + (∂u∂p)] E41

и:

dmdt = Q • −m • bbhbb − dVdt [mCV + p] −m [C ( 1p − 1R (∂R∂ϕ)) + (∂u∂p)] dpdt (D (∂u∂ϕ) −hcil + u) −C (DR (∂R∂ϕ + 1)) E42

Ур. 41 и 42 будут использованы для получения индикаторной диаграммы (p vs.Диаграмма V или p от φ) и диаграмма сгоревшей массовой доли (диаграмма m от t) соответственно.

2.3. Мгновенный объем цилиндра

Мгновенный объем внутри контрольного объема с точки зрения вытесненного объема, степени сжатия, отношения длины шатуна к радиусу кривошипа и угла поворота коленчатого вала можно получить с помощью следующего выражения [15]:

V ( φ) = Vd [1rc − 1 + 12 [RLA + 1 − cosφ− (RLA2 − sen2φ) 12]] E43

В этом выражении R LA - это отношение длины (l) шатуна к радиусу кривошипа (a).

Получение Ec. 43 относительно угла поворота коленчатого вала, получаем:

dVdφ = Vd2 [senφ + senφ cosφ (RLA2 − sen2φ) 12] E45

Время в секундах, необходимое для описания некоторого угла поворота коленчатого вала, можно рассчитать с помощью следующего выражения:

Решение предыдущего выражения для φ и замена в Ec. 45, чтобы произвести соответствующее преобразование из градусов в радианы, мы получили:

dVdt = 3Vd (об / мин) [senπ rpm30 t + senπ rpm30 t cosπ rpm30 t (RLA2 − sen2π rpm30 t) 12] E47

Предыдущее выражение позволяет определить цилиндр изменение объема во времени, а Ec.45 будет использоваться для расчета изменения объема относительно угла поворота коленчатого вала.

3. Уравнения, модели и расчеты

В этом параграфе будут представлены модели и допущения, используемые для анализа каждого из термодинамических процессов, выполняемых в CIE. Процедуры, обычно используемые в RICE, используются для расчета термодинамических свойств химических веществ, образующихся во время горения. Процедуры FARG и ECP [34] используются для определения свойств в зависимости от температуры газа.Процедура PER [29] используется для получения тех же свойств в зависимости от богатства смеси. Подпрограмма DVERK [37], находящаяся в Международной библиотеке математики и статистики, используется для решения систем дифференциальных уравнений методом пятого и шестого порядка Рунге - Кутты Вернера.

3.1. Процесс допуска

Параметром, характеризующим процесс допуска, является объемный КПД, определяемый как:

ηv = m • arm • at = m • arρ0iVdrpm30jE48

Он учитывает потери во впускном клапане и всей системе впуска, если значение плотности атмосферы используется для ρ 0 .

Реальный массовый расход воздуха, поступающего в цилиндр, определяется следующими уравнениями [15]: функция отношения p вниз / p вверх :

pdownpup <1 м • = CdArefp0RaT0 (pdownpup) (2γγ − 1 [1− (pdownpup) γ + 1γ]) E49pdownpup≥1 м • = CdArefpup (γRT0) (2γ − 1) γ + 12 (γ + 1) E50

, где p внизу - давление на выходе, а p вверх по потоку давление. Хотя коэффициент расхода C d изменяется во время процесса, в настоящем исследовании мы предполагаем, что он постоянный и равен своему среднему значению.Контрольная площадь A ref , обычно называемая площадью завесы, поскольку она зависит от подъема клапана L v , принимается как:

Модель, предложенная в [38], использовалась для теоретического определения профиля подъемного клапана, который функция максимального подъема, L v max и угла поворота коленчатого вала φ:

Lv (φ) = Lv max + C2φ2 + Cpφp + Cqφq + Crφr + CsφsE52

Коэффициенты C 2 , C p , C q , C r y C s определяются по следующим уравнениям:

C2 = −pqrsh [(p − 2) (q − 2) (r − 2) (s − 2) cmed2] E53Cp = 2qrsh [(п-2) (д-р) (г-р) (с-р) cmedp] E54Cq = -2prsh [(Q-2) (д-р) (г-д) (с-д) cmedq] E55Cr = 2pqsh [(г-2) (г-р) (г-д) (с-г) cmedr] E56Cs = -2pqrh [(с-2) (с-р) (с-д) (с-г ) cmeds] E57

Рекомендуемые значения для p, q, r и s: p = 6; q = 8; г = 10; s = 12.

Изменение давления и температуры газа во времени в этом процессе рассчитывается по формулам. 23 и 40. Поскольку CIE сжимает только воздух, член, соответствующий изменению богатства смеси во времени, равен нулю. По этой причине приведенные выше уравнения:

dpdt = p [−dVdtV + dmdtm + (dTdt) 1T] E58dTdt = B− (∂u∂p) pD [dmdt1m − dVdt1V] (∂u∂T) + CDpT (∂u∂ p) E59

Для решения этих уравнений требуются модели тепловыделения, теплопередачи, продувки, задержки воспламенения и образования химических веществ. Кроме того, члены ∂u∂T, ∂u∂p, ∂R∂Ty ∂R∂pm должны быть определены с помощью подпрограмм FARG и ECP.

С уравнениями. 43 и 47 мы вычисляем объем и его производную по времени, соответственно, в то время как с уравнениями. 49 или 50 в зависимости от случая определяют расходную массу. Накопленная масса в цилиндре получается суммированием массовых расходов, умноженных на значения, полученные по формуле. 46. ​​

3.2. Замкнутый цикл

Замкнутый цикл соответствует процессам сжатия, сгорания и расширения. Сжатие начинается при закрытии впускного клапана. Изменение давления и температуры во время этого процесса определяется с учетом того, что сжимается только воздух (Ecs 58 и 59), и есть потери массы из-за продувки.Когда начинается впрыск топлива, состав смеси меняется; поэтому выражения, используемые для определения изменения температуры и давления во времени во время цикла замкнутого контура, имеют вид Ур. 23 и 40. Когда выпускной клапан открывается, начинается процесс выпуска.

3.3. Процесс выхлопа

Уравнения, используемые в этом процессе, такие же, как и во время процесса впуска, но с учетом того, что рабочая жидкость представляет собой смесь сгоревших газов, и теплопередача выше, чем во время впуска, из-за присутствующей высокой температуры.

Во время перекрытия клапанов мы хотим извлечь как можно больше сгоревших газов и, пользуясь преимуществами динамических эффектов, увеличить количество свежего заряда, поступающего в цилиндр. Уравнения, используемые во время этого процесса, аналогичны используемым во время впуска и выпуска, но с учетом того, что одновременно происходит вход свежего заряда и выход сгоревших газов.

3.4. Задержка зажигания, модель

Задержка зажигания в CIE характеризует количество тепла, которое выделяется сразу после самовоспламенения топлива, и имеет прямое влияние на грохот двигателя и образование загрязняющих веществ.Модель, представленная в [19], указывает на то, что задержка зажигания зависит от температуры и давления в цилиндре, скорости двигателя и накопленного количества топлива и может быть рассчитана в градусах и миллисекундах с помощью следующих выражений:

ID [мс] = ID [град. ] 0,006 (об / мин) E61

где: A = 0,36 + 0,22Vmp, Vmp = c (об / мин) 30, n = 0, EA = exp [Ru (1RTc-117190) (21,2pc-12,4)], E = 618840NC + 25, pc = pambrcnc, Tc = Tambrcnc-1,

nc = 1,30 a 1,37, Ru = 8,3143 [Дж / моль K] .E62

Другие модели, основанные на экспериментальных данных, предлагают корреляции, в которых используется выражение Аррениуса, подобное предложенному в [ 15], в котором константы, оцененные по [39], следующие: A = 3.45, п = 1,02, ЕО = ехр [EaRuTc], Е = 2100.

В другой модели, константы которой такие же, как в предыдущем случае, используется термальная функция богатства, как показано в следующем выражении [16]: A = 2,4ϕ-0,2.

3.5. Модель тепловыделения

Учитывая четвертый числитель члена в уравнении. 41, который представляет тепло, выделяющееся в процессе сгорания, и применяя соотношение Уотсона, мы получаем следующее уравнение:

mcHidXb = dmdt [(D (∂u∂ϕ) −hcil + u) −C (DR (∂R∂ϕ + 1))] E63

Модель кажущегося горения топлива будет использоваться для представления процесса горения.В нем используются два эмпирических уравнения: одно для фазы предварительно смешанного горения, а другое - для фазы диффузионного горения. Мгновенное общее количество тепла, выделяемого при вращении коленчатого вала, определяется суммой двух компонентов:

(dmcdφ) Tot = (dmcdφ) pre + (dmcdφ) difE64

3.6. Коэффициент горения

Модель тепловыделения требует определения, в зависимости от физического состояния процесса, начального количества топлива, сжигаемого на этапе предварительного смешивания. Для этого используется начальный коэффициент сжигания топлива [15] [17].Этот коэффициент позволяет оценить, в зависимости от начальной насыщенности и периода задержки, какая часть впрыскиваемого топлива сгорает во время фазы предварительного смешивания. Разница сжигается во время диффузионной фазы. Коэффициент горения определяется как:

и может быть рассчитан по следующему выражению [15]:

Значения a1, b1 и cc1, которые показаны в таблице 1 [39, 19 и 15], зависят от используемой модели.

Значение Модель Харденберга Модель Watson Модель Хейвуда
a 1 0.746 0,926 0,80 - 0,95
b 1 0,35 0,37 0,25 - 0,45
куб.

Таблица 1.

Эмпирические значения коэффициента горения

С учетом тепла, выделяемого во время каждой фазы Ec. 63 становится

(dmcdφ) Tot = β (dmcdφ) pre + (1 − β) (dmcdφ) difE67

Тепло, выделяемое во время каждой фазы, оценивается с помощью эмпирических выражений, предложенных в [39] и [40].Уравнения, предложенные в [39]:

(dXbdφ) pre = C1C2 (φ − φ0Δφ) C1−1 (1− (φ − φ0Δφ) C1) C2−1E68 (dXbdφ) diff = C3C4 (φ − φ0Δφ) C4−1exp (C3− (φ − φ0Δφ) C4) E69

Уравнение, предложенное в [40], в котором используются продолжительность и процент выделяемого тепла в каждой фазе, в отличие от уравнений [39], имеет следующий вид:

dQdφ = a (Qpreφpre) mpre (φφpre) mpre −1exp [−a (φφpre) mpre] + (Qdifφdif) mdif (φφdif) mdif − 1exp [−a (φφdif) mdif] E70

В таблице 2 показаны константы для уравнений Хейвуда [15] и Ватсона [39], а также в таблице 3 показывает константы для уравнения Миямото [40].

Константа Хейвуд Watson
Expresión Valores sugeridos
C 1 9027 −1 9027 мсек / мин. 2 + 0.002703 * IDa2.4 3
C 2 5000 5000
.

Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) смесей бензин-CNG

В этом разделе подробно рассматриваются характеристики и сгорание смесей бензин-CNG в системе сгорания RCCI для обоих методов. Он объяснил параметры, влияющие на горение низкоактивных топлив, и метод управления процессом горения.

3.1. Характеристики сгорания бензин-КПГ в двигателе внутреннего сгорания RCCI

Было обнаружено, что степень расслоения КПГ в общей смеси оказывает значительное влияние на максимальную нагрузку с точки зрения достижимого IMEP и φTotal.Степень расслоения определяется временем нагнетания, при этом 300 ° BTDC представляют гомогенную смесь, а 120 ° BTDC представляют собой расслоенную смесь. У 300 ° BTDC очень ранний момент впрыска, и топливо впрыскивается, когда впускной клапан открыт. Следовательно, именно топливо имеет достаточно времени, чтобы полностью смешаться с воздухом и образовать однородную смесь. С другой стороны, при 120 ° до ВМТ топливо впрыскивается после закрытия впускного клапана, а время смешивания топлива и воздуха очень короткое и не позволяет полностью перемешаться.

На рис. 11 показано, что при закачке до КМТ 300 и 240 ° могут использоваться более высокие коэффициенты полной эквивалентности. Но при 180 ° и 120 ° ВМТ максимальный рабочий φTotal был ограничен уменьшенным IMEP при заданном φTotal по сравнению со случаями 300 и 240 ° BTDC.

Рисунок 11.

Влияние степени расслоения КПГ на ИМЭП. (K - ограничено детонацией; mf - ограничено пропуском зажигания).

Результаты IMEP показывают согласие с исследованиями Genchi G и Pipitone E [22], где повышенный состав CNG дает более высокий IMEP.При наивысшей степени стратификации, хотя максимальная нагрузка была ограничена, не было значительного падения IMEP, и тенденция была аналогична условиям 300 и 240 ° BTDC. Соответствующие значения указанного теплового КПД показаны на Рисунке 12. Было замечено, что максимальная нагрузка ограничивалась детонацией, когда СПГ закачивался при 300 ° ВМТ, а в других случаях увеличение скорости закачки СПГ приводило к нестабильной работе или пропускам зажигания.

Рис. 12.

Влияние степени стратификации КПГ на указанный тепловой КПД.

Из рисунка 13 видно, что момент зажигания можно изменить, изменив время впрыска СПГ при заданной нагрузке. Момент воспламенения был определен путем определения начальной скорости выделенного тепла и массовой доли сожженного газа, полученных из данных давления, где 0% точек до непрерывного распространения сгоревшей массовой доли определяется как начало зажигания анализируемых циклов сгорания.

Рис. 13.

Влияние степени расслоения КПГ на угол опережения зажигания.

Когда скорость впрыска CNG была увеличена, момент зажигания был отложен из-за более высокого октанового числа CNG. Кроме того, более высокая степень расслоения приводила к более высоким приращениям задержки момента зажигания по мере увеличения скорости впрыска СПГ. Наклон кривых был более крутым при задержке времени впрыска. При заданном увеличении скорости впрыска КПГ увеличение задержки момента зажигания было выше при увеличении степени расслоения. То есть как скорость впрыска, так и степень расслоения СПГ оказали значительное влияние на момент зажигания при работе с φg = 0.20. Однако максимальный общий коэффициент эквивалентности был меньше, чем полученный при нагнетании СПГ при 300 и 240 ° до ВМТ.

Было обнаружено, что продолжительность горения уменьшалась при увеличении скорости впрыска КПГ при 300, 240 и 80 ° до ВМТ. Когда сжатый природный газ вводился при 180 и 120 ° до ВМТ, продолжительность горения была незначительно затронута, и сначала она уменьшалась до определенных значений скорости закачки КПГ, а затем снова увеличивалась.

На рисунках 15–18 показана скорость тепловыделения и повышения давления при различных временах впрыска.Увеличение скорости нагнетания СПГ при 300 ° до ВМТ ограничивалось детонацией, как показано на Рисунке 14. Но с более поздним временем впрыска, с φg = 0,20, любое увеличение скорости нагнетания СПГ приводило к задержке самовоспламенения и снижению пикового давления. Следовательно, увеличение скорости впрыска СПГ сверх определенных уровней приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, тем самым определяя максимальный предел нагрузки.

Рисунок 14.

Влияние степени расслоения КПГ КПГ на продолжительность горения.

Как показано на Рисунке 15, увеличение скорости впрыска СПГ привело к задержке момента зажигания.До φTotal = 0,33 результирующее пиковое давление увеличивалось, а при дальнейшем увеличении скорости закачки КПГ оно снижалось. Кроме того, выше φ Total = 0,33 задержка опережения зажигания была более значительной и приводила к снижению пикового давления. Как будет обсуждаться позже в этом разделе, эффективность сгорания обоих видов топлива увеличилась, а выбросы Ch5 снизились с увеличением φTotal выше 0,33, как показано на рисунках 23 и 29.

Рисунок 15.

История давления и скорость тепловыделения с СПГ закачка при 240 ° до ВМТ.

Таким образом, можно сделать вывод, что выше φTotal = 0,33 пиковое давление снижалось из-за задержки воспламенения, и сгорание было более полным с увеличением скорости впрыска при 240 ° ВМТ. То есть увеличение φg выше 0,33 привело к снижению пикового давления без снижения теплового КПД, как показано на рисунке 12. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска СПГ до φTotal = 0,40, выше которой она снова снижалась. Выше φTotal = 0,42 увеличение скорости впрыска СПГ приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, а сгорание бензина и КПГ прекращалось.

При впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ увеличение скорости впрыска СПГ привело к более значительной задержке момента зажигания. Было незначительное увеличение пикового давления, когда φTotal было увеличено до 0,26, после чего оно снова снизилось. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились в первую очередь из-за значительного увеличения полноты сгорания КПГ, о чем свидетельствуют выбросы Ch5, как показано на рисунке 29. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска КПГ, как показано на рисунке 17.Однако увеличение скорости впрыска КПГ выше φTotal = 0,26 привело к снижению общей эффективности сгорания и высоким выбросам Ch5, как показано на рисунках 23 и 29. Это говорит о том, что степень расслоения, создаваемая при впрыске 180 ° BTDC, приводит к ухудшению сгорания и приводит к снижению по тепловому КПД, как показано на Рисунке 12. Аналогичные тенденции наблюдались при закачке СПГ при 120 ° до ВМТ, когда φTotal был увеличен выше 0,24, как показано на Рисунке 16.

Рисунок 16.

История давления и скорость тепловыделения при закачке СПГ при 120 ° до ВМТ.

Рис. 17.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 18.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рис. 19.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 240 ° до ВМТ.

Рис. 20.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 21.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 120 ° до ВМТ.

Рисунок 22.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рисунок 23.

Влияние степени расслоения на полноту сгорания.

Рис. 24.

Влияние впрыска КПГ на температуру выхлопных газов.

Рисунок 25.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы NOx.

Рисунок 26.

Влияние степени стратификации КПГ на образование NO2.

Рисунок 27.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы CO.

Рисунок 28.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы УВ.

Рисунок 29.

Влияние времени впрыска на выброс Ch5 с φg = 0,20.

Рисунок 30.

Влияние зазоров впрыска на характеристики горения смеси ГПГ для 50- и 90% -ного состава при лямбда 1.

Рисунок 31.

Влияние зазора впрыска на полноту сгорания для различных составов смеси при лямбда 1

Рисунок 32.

Распределение смеси для 30 и 90% состава смеси при зазоре впрыска 0 и 20 мс.

Рисунок 33.

Задержка горения относительно КНИ.

Рисунок 34.

Последовательность горения для ГПГ при составе смеси 60/40 и лямбда 1.

Рисунок 35.

Влияние зазора впрыска для состава бензин / КПГ 60/40 при лямбда 1.

При впрыске КПГ задержка до 80 ° до ВМТ, увеличение скорости впрыска привело к значительной задержке зажигания; однако влияние на пиковое давление вплоть до φTotal = 0 было менее заметным.28. Увеличение φTotal выше привело к более значительной задержке воспламенения и пикового давления, а также к увеличению скорости тепловыделения. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились, в первую очередь, за счет значительного увеличения полноты сгорания СПГ, о чем свидетельствуют выбросы Ch5, как показано на Рисунке 29.

Как показано на Рисунке 19, увеличение скорости впрыска СПГ при 240 ° до ВМТ привело к задержке воспламенения. При φTotal = 0,28 и 0,33 наблюдалось небольшое увеличение скорости горения на последней стадии горения по сравнению со сжиганием на чистом бензине.При 180 и 120 ° до ВМТ не наблюдалось значительного влияния на скорость горения топлива из-за увеличения скорости впрыска КПГ, но это вызывало значительную задержку воспламенения, как показано на рисунках 20 и 21. Аналогичные результаты были получены с впрыском КПГ. при 80 ° до ВМТ; однако при φTotal = 0,28 и 0,33 сгорание было медленнее на начальных этапах и быстрее на последних этапах, как показано на рисунке 22.

Как показано на рисунке 23, с увеличением φTotal за счет впрыска CNG на 300, 240, и 80 ° до ВМТ, эффективность сгорания увеличена.Наибольший прирост был получен при закачке КПГ при температуре 80 ° до ВМТ для данного увеличения φTotal из-за расслоения смеси. Однако при впрыске КПГ при 180 и 120 ° до ВМТ КПД сгорания первоначально увеличивался, но снова снизился и был ниже 80% для всех φTotal.

Наблюдалось увеличение температуры выхлопных газов при увеличении скорости впрыска СПГ, как показано на Рисунке 24. Увеличение температуры выхлопных газов с увеличением скоростей впрыска СПГ при 180 и 120 ° ВМТ было меньше, чем наблюдаемое при увеличении скоростей впрыска СПГ. при 300, 240 и 80 ° до ВМТ.Когда топливо смешивалось однородно, это приводило к более высоким температурам выхлопных газов из-за быстрого горения. Аналогичным образом, когда СПГ был сильно расслоен, это также приводило к более высоким температурам выхлопных газов.

На рисунке 25 показаны указанные конкретные выбросы NO x (ISNO x ). Выбросы NO x были незначительно затронуты и были примерно одинаковыми для всех условий испытаний. Однако при разном времени закачки и скорости закачки КПГ наблюдались разные тенденции.

Увеличение скорости впрыска СПГ привело к резкому увеличению отношения NO 2 / NO x до определенной точки, а затем оно уменьшилось. Как показано на Фигуре 26, соотношение NO 2 / NO x почти удвоилось, когда скорость впрыска СПГ была увеличена примерно до φTotal = 0,33 перед тем, как снова снизиться. То есть до определенного значения скорости впрыска КПГ КПГ снижал температуру сгорания и приводил к образованию более высоких количеств NO 2 .

Указанные удельные выбросы CO (ISCO) были значительно снижены, поскольку смесь была обогащена сжатым природным газом путем прямого впрыска во все моменты времени впрыска, как показано на рисунке 27. Однако полученное снижение было самым высоким, когда сжатый природный газ вводился при 300 и 240 ° ВМТ. Любое увеличение скорости впрыска КПГ в более поздние сроки закачки привело к меньшему сокращению выбросов CO. Наименьшее снижение было получено при времени впрыска 80 ° до ВМТ, поскольку высокая степень расслоения СПГ ограничивала доступность и распределение кислорода и разницу температур в СПГ и частицах воздуха.

Было обнаружено, что на выбросы УВ существенно влияет степень расслоения СПГ, как показано на Рисунке 28. Наибольшее сокращение выбросов УВ было получено при закачке КПГ при температуре 80 ° до ВМТ. Более высокая степень расслоения СПГ приводит к более полному сгоранию.

На рис. 29 показано массовое соотношение расхода Ch5 в выхлопных газах и массового расхода сжатого природного газа, впрыскиваемого в цилиндр. При заданном постоянном коэффициенте эквивалентности бензина φg = 0,20 непосредственный впрыск КПГ при 80 ° ВМТ приводил к наименьшему выбросу Ch5.Следовательно, сгорание СПГ было более полным, когда он был расслоен. Закачка СПГ при 300 и 240 ° до ВМТ привела к умеренным уровням выбросов Ch5, а самые высокие значения были получены при закачке КПГ при 180 ° до ВМТ. Это произошло из-за создаваемой турбулентности и условий перемешивания в цилиндре, когда поршень менял свое направление при 180 ° до ВМТ.

3.2. Характеристики сгорания бензина и КПГ в камере сгорания постоянного объема

Влияние зазора впрыска на сгорание смеси бензин-сжатый природный газ (СПГ) обсуждается ниже.Изменение зазора впрыска напрямую повлияло на распределение смеси внутри камеры сгорания. Было проверено пять интервалов впрыска, 0, 5, 10, 15 и 20 мс. Ожидается, что эти зазоры для впрыска будут иметь возможность напрямую управлять распределением смеси внутри камеры.

Влияние зазоров впрыска показано на Рисунке 30. На нем показаны два состава смеси: 50 и 90% GCNG. Зазор для впрыска дает различный эффект между двумя композициями. В 50% -ном газовом газе более длинный зазор впрыска обеспечивает более высокую эффективность сгорания, максимальное давление, общее выделенное тепло (THR) и меньшую задержку.Кроме того, он также показывает большую продолжительность для всех стадий сгорания. Напротив, более длинный зазор впрыска снижает эффективность сгорания, максимальное давление, THR и более длительную задержку сгорания для 90% GCNG. Однако тенденции в отношении продолжительности горения аналогичны: большая продолжительность для большего промежутка впрыска. Рисунок 31 подтвердил изменение эффекта зазора впрыска на процесс сгорания смеси ГПГ. Точка поворота указана между 70 и 80% состава смеси GCNG. Для всей смеси более 80% показывает снижение полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска, в отличие от смесей ниже 70%, которые показывают увеличение полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска.Эти различия могут быть вызваны распределением смеси внутри камеры.

Распределение смеси внутри камеры для смеси GCNG 30 и 90% с зазором впрыска 0 и 20 мс показано на рисунке 32. На рисунке смесь с сильным расслоением для смеси 30% GCNG с зазором впрыска 0 мс. Расслоение отмечено более темным цветом на дне камеры, что указывает на жидкость высокой плотности (бензин). Изображение показывает, что большая часть бензина была собрана в нижней части камеры из-за импульса впрыска сжатого природного газа, который не позволяет бензину достичь верхней части камеры.С другой стороны, интервал впрыска в 20 мс показывает лучшее смешивание топлива, о чем свидетельствует примерно одинаковая интенсивность изображения по всей камере.

Зазоры для впрыска 30% смеси GCNG улучшают скорость смешивания, тем самым увеличивая характеристики сгорания. Кроме того, бензиновое топливо в основном скапливается в нижней части, которая также имеет среднюю низкую температуру по сравнению с верхней. В результате скорость испарения бензина занимает больше времени, что также увеличивает задержку сгорания, как показано на Рисунке 33.

С другой стороны, зазоры впрыска при 90% -ной смеси GCNG имеют такое же распределение жидкого топлива, как на Рисунке 32, где оба зазора впрыска показывают концентрированное распределение топлива в верхней части камеры. Несмотря на сходство, зазор впрыска 0 мс показывает более высокую интенсивность жидкого топлива (более темная область) на верхней стороне камеры по сравнению с зазором впрыска 20 мс. Он показывает, что зазор впрыска 0 мс имеет большее количество бензина по сравнению с зазором впрыска 20 мс, следовательно, больше времени требуется для процесса испарения.Это основная причина более низкой мощности сгорания, а также большей задержки сгорания на 0 мс по сравнению с зазором впрыска 20 мс.

Последовательность горения газового природного газа при зазоре впрыска 0 и 20 мс показана на рисунке 34. Скорость пламени при зазоре впрыска 20 мс выше, чем зазор впрыска 0 мс, с 37,02 м / с в первые 0,5 мс и 15,9 в первые. 1 мс после начала горения (SOC), а промежуток впрыска 0 мс с 30,56 м / с и 16,9 м / с при 0,5 мс и 1 мс, соответственно. Рисунок 34 также показывает разницу в цвете пламени для двух зазоров впрыска.Интервал впрыска 20 мс имеет голубой цвет, но с меньшей интенсивностью по сравнению со 100% бензином, а интервал впрыска 0 мс показывает желтый цвет. Можно предположить, что синий цвет является продуктом той же реакции, которая генерирует пероксид гидроксила и увеличивает мощность сгорания смеси.

При 100% -ном сгорании бензина голубое пламя возникает из-за гомогенной смеси, которая создает многоточечное горение за фронтом пламени, что значительно увеличивает мощность сгорания.Аналогичный процесс происходит в интервалах впрыска в 20 мс, с этой смесью достигается однородность смеси, поскольку эффект впрыска КПГ проявляется в более длительной задержке сгорания относительно начала впрыска, как показано на рисунке 35.

Зазоры впрыска оказались прямым влиять на распределение топлива внутри камеры, тем самым влияя на характеристики горения смеси. На процесс сгорания в ВАХ больше всего влияют характеристики распределения топлива внутри камеры в момент сгорания.В этом случае зазоры для впрыска сильно влияют на распределение смеси внутри камеры, где более длинный зазор способствует смешиванию и создает более однородную смесь.

.

Каковы преимущества паровых двигателей и других двигателей внешнего сгорания?

Основные ограничения или недостатки парового двигателя или двигателя внешнего сгорания приведены ниже:

1. Паровой двигатель огромен и тяжел. (То есть двигатель внешнего сгорания огромный и тяжелый). Из-за большого котла и печи паровой двигатель огромен, тяжел и неповоротлив. Поскольку котел паровой машины очень тяжелый, паровой двигатель нельзя использовать для управления небольшими транспортными средствами, такими как автомобили и автобусы.

2. Паровой двигатель не запускается сразу. (То есть двигатель внешнего сгорания запускается не сразу). Прежде чем паровой двигатель сможет запуститься, мы должны развести угольный костер, чтобы получить пар. Этот процесс занимает много времени, и поэтому паровой двигатель нельзя запустить в мгновение ока.

3. Использование парового двигателя небезопасно. (То есть двигатель внешнего сгорания использовать небезопасно). Паровую машину использовать не очень безопасно, потому что ее котел может взорваться из-за чрезмерного давления пара.Чтобы получить максимальную отдачу от тепловой энергии, пар в котле должен поддерживаться при высокой температуре и очень высоком давлении. Если случайно давление пара слишком сильно возрастет, котел может взорваться, что приведет к гибели людей и материальному ущербу. Таким образом, наиболее опасной частью паровой машины (или двигателя внешнего сгорания) является ее котел, в котором вырабатывается пар. Фактически, на заре паровой машины не было подходящих материалов для изготовления котлов, которые могли бы выдерживать высокое давление пара.Даже строительная техника была несовершенной. Таким образом, в первые дни существования паровой машины было вызвано много аварий из-за взрыва котлов, из-за плохих материалов, используемых при их изготовлении, и неправильной конструкции котлов.

4. Паровая машина имеет низкий КПД. (То есть двигатель внешнего сгорания имеет низкий КПД). Тепловой КПД паровой машины составляет около 20 процентов, что означает, что паровая машина может преобразовывать в работу только около 20 процентов тепловой энергии.Одна из причин низкого КПД паровой машины заключается в том, что используемый в ней пар не имеет очень высокой температуры. Другой причиной низкого КПД паровой машины является потеря тепла из-за большой открытой площади поверхности паровой машины, особенно котла и цилиндра.

Из-за этих ограничений (или недостатков) двигателя внешнего сгорания был изобретен другой двигатель, названный двигателем внутреннего сгорания. Мы подойдем к этому через некоторое время. Теперь мы обсудим некоторые преимущества двигателя внешнего сгорания (паровой машины) перед ветряными и водяными мельницами.

Преимущества парового двигателя перед ветряными и водяными мельницами:

1. Паровой двигатель (или двигатель внешнего сгорания) может быть расположен где угодно, потому что вода нагревается в отдельном котле для производства пара. Паровую машину с котлом можно было взять с собой на любое место работы. С другой стороны, дующий ветер или проточная вода доступны не везде, чтобы запустить ветряные или водяные мельницы.

2. Паровой двигатель (или двигатель внешнего сгорания) можно использовать в любое время, потому что пар может производиться в любое время.С другой стороны, ветряную или водяную мельницу можно использовать только при наличии ветра и проточной воды.

3. Паровой двигатель (или двигатель внешнего сгорания) может использоваться для запуска поездов, перемещающихся из одного места в другое, но ветряные и водяные мельницы не могут использоваться для этой цели.

4. Паровой двигатель (или двигатель внешнего сгорания) намного мощнее ветряной или водяной мельницы.

5. Паровая машина (или двигатель внешнего сгорания) может использовать практически любой горючий материал для топлива, угля, масла, старой мебели,… всего, что можно положить в топку.Это делает его очень гибким источником энергии, так как можно использовать все, что находится поблизости.

,

Сгорание | химическая реакция | Британника

Горение , химическая реакция между веществами, обычно включающими кислород, обычно сопровождающаяся выделением тепла и света в виде пламени. Скорость или скорость объединения реагентов высока, отчасти из-за природы самой химической реакции, а отчасти потому, что генерируется больше энергии, чем может уйти в окружающую среду, в результате чего температура реагентов повышается. чтобы еще больше ускорить реакцию.Знакомый пример - зажженная спичка. Когда зажигается спичка, трение нагревает голову до температуры, при которой химические вещества вступают в реакцию и выделяют больше тепла, чем может уйти в воздух, и они горят пламенем. Если ветер уносит тепло или химикаты влажные и трение не повышает температуру в достаточной степени, спичка гаснет. При правильном зажигании тепло от пламени повышает температуру соседнего слоя спички и кислорода в прилегающем к нему воздухе, и древесина и кислород вступают в реакцию сгорания.Когда достигается равновесие между общей тепловой энергией реагентов и общей тепловой энергией продуктов (включая фактическое количество тепла и излучаемого света), горение прекращается. Пламя имеет определенный состав и сложную структуру; говорят, что они разнообразны и способны существовать как при довольно низких, так и при чрезвычайно высоких температурах. Излучение света в пламени происходит из-за присутствия возбужденных частиц и, как правило, заряженных атомов и молекул и электронов.

горение Пожар в результате сгорания топлива. Einar Helland Berger

Горение включает в себя большое количество разнообразных явлений, которые широко применяются в промышленности, науке, профессиях и в быту, и это применение основано на знаниях физики, химии и механики; их взаимосвязь становится особенно очевидной при рассмотрении распространения пламени.

В общем, горение является одной из наиболее важных химических реакций и может считаться кульминационным этапом окисления некоторых видов веществ.Хотя когда-то считалось, что окисление - это просто сочетание кислорода с любым соединением или элементом, значение этого слова было расширено и теперь включает любую реакцию, в которой атомы теряют электроны, тем самым становясь окисленными. Как уже отмечалось, в любом процессе окисления окислитель забирает электроны у окисляемого вещества, тем самым становясь восстановленным (приобретая электроны). Окислителем может быть любое вещество. Но эти определения, достаточно ясные в применении к атомной структуре для объяснения химических реакций, не так четко применимы к горению, которое, вообще говоря, остается типом химической реакции с участием кислорода в качестве окислителя, но осложняется тем фактом, что процесс включает а также другие виды реакций, а также тем фактом, что это происходит в необычно быстром темпе.Более того, большинство пламен имеют в своей структуре участок, в котором вместо окисления протекают реакции восстановления. Тем не менее, главным событием при горении часто является соединение горючего материала с кислородом.

,

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *