Цикл двс: Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). «ТЕПЛОТЕХНИКА. КУРС ЛЕКЦИЙ», Скрябин В.И

Блог инженера теплоэнергетика | Циклы двигателей внутреннего сгорания

      Здравствуйте! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания.В поршневых двигателях внутреннего сгорания подвод теплоты происходит непосредственно в цилиндре в процессе сгорания топлива. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности, и поэтому в основном применяются в качестве транспортных двигателей: в авиации, автомобильном, водном и железнодорожном транспорте. Кроме того, они используются в стационарных энергетических установках малой мощности.

     Недостатком поршневых двигателей является необходимость применения кривошипного механизма, предназначенного для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Наличие несбалансированных масс в кривошипном механизме при увеличении числа оборотов приводит к возникновению больших механических нагрузок. Поэтому мощные двигатели внутреннего сгорания выполняются тихоходными, что увеличивает их габариты и вес.

     Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания в зависимости от их назначения, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с термодинамической точки зрения их можно классифицировать по характеру процессов. Циклы, которые применяются в двигателях, можно подразделить на следующие три вида:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;

3) смешанный цикл, в котором теплота подводится при постоянном объеме и при постоянном давлении.

Цикл с подводом теплоты в процессе при постоянном объеме.

     Особенностью двигателей, работающих по этому циклу, является внешнее приготовление рабочей смеси, которая затем подается в цилиндр, где сжимается и воспламеняется от электрической искры, причем сгорание происходит очень быстро и процесс можно рассматривать как происходящий при постоянном объеме. Так как внешнее смесеобразование осуществляется при низкой температуре, двигатель может работать только на легких топливах, которые хорошо смешиваются с воздухом. Такой двигатель впервые был построен в 1876 г. немецким изобретателем Отто и работал на газовой смеси.

     Теоретический цикл с подводом теплоты при υ = const состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 2). В процессе 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочей смеси, которая в точке 2 воспламеняется с помощью электрической искры и сгорает в процессе 2—3 при постоянном объеме. В процессе 3—4 адиабатного расширения продуктов сгорания топлива происходит перемещение поршня и производится работа расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает до атмосферного pa.

      При этом часть отработавших продуктов сгорания покидает полость цилиндра. В дальнейшем в результате возвратно-поступательного движения поршня выталкиваются остатки продуктов сгорания и всасывается следующая порция рабочей смеси. На теоретической диаграмме (рис. 2) эти процессы совпадают с изобарой ра, однако условно их совмещают с изохорным процессом 4—1, в котором отводится количество теплоты q2, фактически уносимой вместе с удаляемыми газами.

     Реальные циклы двигателей внутреннего сгорания заметно отличаются от теоретических, поэтому при теоретическом анализе вводятся также и другие допущения. В качестве рабочего тела при исследовании циклов двигателей внутреннего сгорания принимается идеальный газ, количество и свойства которого неизменны (в действительности они изменяются в результате сгорания распыленного топлива).

     Процессы сжатия и расширения не являются адиабатными, потому что в реальном двигателе существует трение и происходит теплообмен между стенками цилиндра и газом. Процесс 2—3 в действительности также отличается от изохорного из-за перемещения поршня за время горения топлива. Вследствие развития всех процессов во времени определенные точки перехода от одного процесса к другому (точки 1, 2, 3 и 4) в реальных циклах отсутствуют, и процессы сменяют друг друга постепенно (рис. 1).

Однако при термодинамическом анализе циклов двигателей внутреннего сгорания эти отклонения от идеальных условий не учитываются, что существенно упрощает теоретическое исследование циклов.

      В соответствии с формулой

термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает с увеличением степени сжатия ε, которая равна отношению υ1/υ2 (рис.2) и показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при ее сжатии. Однако величина ε ограничивается температурой самовоспламенения рабочей смеси.

Если в процессе адиабатного сжатия 1—2 температура в цилиндре превысит температуру самовоспламенения, то рабочая смесь воспламенится преждевременно, что не только снизит экономичность двигателя, но и приведет к весьма опасным перегрузкам. Поэтому степень сжатия в двигателях со сгоранием при υ = const не превышает ε = 6—9 (выбирается в зависимости от свойств топлива).

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.

      В двигателях, работающих по этому циклу, сжатию подвергается не рабочая смесь, а воздух, температура которого в конце процесса сжатия (точка 2 на рис. 3) превышает температуру самовоспламенения топлива и составляет 600—800° С. Благодаря этому подаваемое в цилиндр распыленное жидкое топливо, смешиваясь с воздухом, самовоспламеняется и горит, причем подача топлива регулируется таким образом, чтобы горение шло при постоянном давлении (изобара 2—3). Распыливание подаваемого в цилиндр топлива производится сжатым воздухом (давление 5—9 МПа), поступающим из специального компрессора (такие двигатели часто называют компрессорными). В процессе 3—4 происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, а процесс 4—1 аналогичен такому же в цикле со сгоранием при υ=const. Этот цикл был впервые предложен и осуществлен Дизелем.

      Ввиду того что сжатию подвергается только воздух, преждевременное воспламенение (детонация) топлива исключается, двигатели работают с большими степенями сжатия (порядка 15—20) и имеют большой к. п. д. Так как образование горючей смеси происходит при высокой температуре, в этих двигателях сжигаются более тяжелые виды топлива.

      Недостатком этих двигателей является наличие компрессора высокого давления, снижающего надежность, а также усложняющего конструкцию и потребляющего некоторую часть мощности двигателя. Поэтому они в настоящее время вытеснены бескомпрессорными двигателями, в которых распыливание топлива осуществляется топливным насосом.

Смешанный цикл.

     Двигатели, работающие по смешанному циклу, являются более совершенными по сравнению с двигателями с изобарным сгоранием, так как у них отсутствует компрессор. Первый патент на бескомпрессорный двигатель высокого давления был выдан в 1901 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Однако эти двигатели получили широкое распространение значительно позже, когда удалось осуществить тонкое распыливание топлива с помощью топливного насоса и форсунок специальной конструкции. В настоящее время по смешанному циклу работают преимущественно транспортные двигатели, в которых используется тяжелое топливо.

     В смешанном цикле, как и в цикле с изобарным сгоранием, сжатию подвергается воздух. Топливо подается в цилиндр с помощью насоса в конце сжатия (точка 2 на рис. 4) при давлении 30—150 МПа и вследствие высокой температуры воздуха самовоспламеняется. Подача топлива под большим давлением создает благоприятные условия для хорошего распиливания и перемешивания его с воздухом, что обеспечивает достаточно полное сгорание топлива и повышение экономичности двигателя. Процесс горения идет сначала при постоянном объеме (изохора 2—3), а затем при постоянном давлении (изобара 3—3′).

Сравнение циклов.

      Как уже отмечалось раньше, сравнение экономичности двигателей целесообразно проводить с помощью Ts-диаграммы, так как эта диаграмма позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты. На рис. 5 выполнено сравнение рассмотренных выше циклов двигателей при одинаковом количестве отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—a—1, и одинаковых максимальных параметрах цикла в точке 3.

      Степень сжатия для цикла со сгоранием топлива при p = const (определяется положением точки 2″ в конце адиабатного сжатия воздуха) больше, чем для цикла со сгоранием при υ = const (точка 2). Это соответствует действительным условиям работы двигателей, так как отличительной особенностью и преимуществом двигателей с подводом тепла при р = const является возможность использования больших степеней сжатия.

      Поэтому целесообразно сопоставить двигатели при одинаковых максимальных давлениях и температурах (точка 3 на рис. 2—4), поскольку эти параметры определяют величину механических и термических напряжений, а следовательно, и конструктивные особенности двигателей.При одинаковых максимальных параметрах в цикле 1—2″— 3—4—1 (рис. 5) с подводом теплоты при p = const работа, равная площади цикла, больше работы в цикле 1—2—3—4—1 с подводом теплоты при υ=const. Так как количество отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—а—1, в обоих циклах одинаково, то термический к. п. д. в условиях одинаковых максимальных параметров для цикла с подводом теплоты при p = const выше.

     Термический к. п. д. смешанного цикла 1—2’—3’—3 —4—1 имеет среднее значение между термическими коэффициентами полезного действия рассмотренных циклов. В действительности для смешанного цикла и цикла Дизеля оптимальная степень сжатия одинакова и составляет ε = 16—18, поэтому бескомпрессорные двигатели работают при более высоких максимальных параметрах (точка 3 на рис. 5 расположена выше) и, следовательно, являются наиболее экономичными. Исп. литература: 1) Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, Справочник под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, Москва, «Энергия», 1980. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Идеальные циклы поршневых двигателей



Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия — в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

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

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

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает «превращаться» в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

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

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

***



Цикл Дизеля

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

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе «Л.Нобеля» показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает «убежать» от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

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

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

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного («чистого») дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

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

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

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

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

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

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

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

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

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

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

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

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

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

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

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

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

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

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

***

Термодинамика поршневого двигателя

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

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

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



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

При анализе термодинамических циклов делаются следующие допущения:

1. химический состав и количество рабочего тела – постоянны;

2. процесс горения топлива заменен обратимым процессом подведения теплоты;

3. выпуск продуктов сгорания заменен обратимым процессом отведения теплоты в окружающую среду;

4. температура рабочего тела не зависит от температуры окружающей среды;

5. рабочее тело находится в равновесии с источником теплоты и охладителем (окружающей средой).

Основные циклы ДВС:

• со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и давлении (цикл Сабатэ) – отражает процесс дизеля без компрессора, который наиболее близок к реальным условиям сгорания топлива;

• с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля) – отражает процесс тихоходного дизеля;

• с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл отто) – отражает процесс двигателя быстрого сгорания (карбюраторного и газового).

Теоретические циклы, давая максимально возможное превращение теплоты в работу при приведенных выше условиях, схематизируют действительные явления и позволяют изучать эти явления, отмечая главные факторы, которые влияют на экономику этих явлений.

Цикл со смешанным (комбинированным) подводом теплоты (рисунок 1)

смешанный цикл, в котором подвод теплоты осуществляется частично при v = const, а частично при р = const был предложен советским инженером Г.В. Тринклером. Работающие по этому циклу двигатели называются без компрессорными дизелями. в настоящее время дизели строятся только с комбинированным подводом тепла.

По этой схеме цикла ДВС работают с внутренним смесеобразованием и воспламенением рабочей смеси.

Рисунок 1– Смешанный цикл ДВС в pv и Ts координатах

В этом виде цикла (рисунок 1) в процессе 1-2 происходит адиабатное сжатие рабочего тела, после чего подводится теплота сначала при v =const (линия 2-3), а затем при р = const (линия 3-4). Далее происходит адиабатное расширение (линия 4-5) и, наконец, отвод теплоты при v =const (линия 5-1).

Процессы всасывания (линия 0-1) и выхлопа (линия 1-0) в термодинамике не рассматриваются, так как это механические процессы.

Характеристики цикла:

; (2)

. (3)

Термический кпд цикла (см. прямой цикл Карно – )

; (4)

и ; (5)

термический КПД: , если поделить числитель и знаменатель на на с_v, то получим:

. (6)

Выразим T₂, T₃, T₄, T₅ через T₁.

Рассмотрим процессы.

1-2 – процесс адиабатического сжатия:

T₂ = T₁ε ^{k – 1}. (7)

2-3 – процесс нагрева при ν = const:

;

T₃ = T₂λ;

T₃ =T₁ε ^{k – 1}λ. (8)

3-4 – процесс нагрева при р= const:

;

T₄ = T₃ρ;

T₄ = T₁ε ^{k – 1}λρ; (9)

4-5 – процесс адиабатического расширения: ,

v₅ = v₁, а v₄ = v₂, тогда .

. (10)

Подставив в формулу (6) t₂,t₃,t₄,T₅ через t₁ из формул (7), (8), (9), (10) получим:

. (11)

из уравнения (11) видно, что η_t растет с увеличением ε и k.

Таблица 1 – Значения р₂ и T₂при различных значениях ε

k	ε	8	9	12	13	14	15	16	17
1,30	p2	13,42	15,70	22,70	25,20	27,80	30,30	33,00	35,80
	T2	708	734	801	822	840	856	873	889
1,35	p2	14,90	17,50	25,70	28,80	31,80	34,90	38,20	41,40
	T2	795	850	901	932	956	980	1 004	1 020

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

в таких двигателях топливо распыляется сжатым воздухом.

если сжимать один воздух, а топливо вводить в цилиндр после сжатия, то степень сжатия может быть значительно большей. Такая схема применяется в дизель-моторах, и была предложена инженером Дизелем в 1897 г.

в цикле с подводом тепла при р = const первоначальное состояние рабочего тела в pv-координатах характеризуется точкой 1 (рисунок 2).

В течение первого хода справа налево совершается сжатие воздуха, которое происходит без теплообмена с внешней средой (линия 1-2). На участке 2-3 к рабочему телу подводится тепло q₁ таким образом, что давление при этом остается постоянным (так как увеличивается объем), что приближенно соответствует реальным условиям сгорания трудно сгораемого топлива.

Дальнейшее расширение рабочего тела (линия 3-4) происходит без теплообмена с внешней средой (по адиабате). Для приведения рабочего тела в первоначальное состояние 1, от него отводится тепло q₂ при v =const (линия 4-1).

Рисунок 2 – Цикл ДВС в pv и Ts- координатах с подводом тепла при р = const

Теоретический цикл – (1-2-3-4). процессами 0-1 (процесс всасывания) и 1- 0 (процесс выхлопа) – пренебрегают, считая, что в цилиндре находится

постоянное количество газа (механические процессы).

В рассматриваемом цикле степень повышения давления при сгорании топлива .

Основные величины этого цикла:

(12)

Тогда подставив в уравнение (173) λ = 1 в η_t цикла с комбинированным подводом теплоты получим:

. (13)

Выводы:

1. термический КПД двигателя Дизеля зависит от степени предварительного расширения ρ и с увеличением  уменьшается экономичность цикла;

2. с увеличением степени сжатия ε увеличивается термический КПД цикла.

Таблица 2– Значения термического КПД цикла Дизеля при различных значениях и k = 1,35

	ε	10	12	14	16	18
ρ = 1,5	ηt	0,52	0,54	0,57	0,59	0,61
ρ = 2,1	ηt	0,49	0,52	0,55	0,57	0,58
ρ = 2,5	ηt	0,46	0,49	0,52	0,54	0,56

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

рабочие циклы, действит циклы ДВС

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. На рис.2.1 представлены циклы Отто, Дизеля и Тринклера, рассматриваемые при анализе идеальных циклов ДВС.

Р ис.2.1. Идеальные циклы Отто, Дизеля и Тринклера

Методы расчета действительных циклов

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. Среди них, в первую очередь, необходимо отметить следующие.

1. Теплоемкость рабочего тела не постоянна, как это принимается при рассмотрении идеальных циклов, а существенно изменяется с изменением состава и температуры рабочего тела.

2. Процесс сгорания топлива в ДВС происходит по достаточно сложным законам и сопровождается интенсивным теплообменом.

3. Непрерывный интенсивный теплообмен через стенки, головку цилиндров, поршни и др. элементы конструкции.

4. Процессы газообмена, т. е. впуска и выпуска рабочего тела.

5. Утечки рабочего тела.

6. Подогрев воздуха, поступающего в двигатель.

Многие из перечисленных факторов удается учесть при рассмотрении действительных циклов, которые иногда называют «разомкнутыми». Эти циклы, по сравнению с идеальными, в значительно большей степени отражают параметры реальных двигателей, поскольку они учитывают следующие факторы.

1. Процессы впуска и выпуска (изменения температуры и давления рабочего тела, а также гидравлические потери при этом не учитываются).

2. Изменение состава рабочего тела в течение протекания цикла, а также его теплоемкости с изменениями температуры.

3. Зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости.

4. Процесс сгорания топлива, а также изменение молекулярного состава рабочего тела.

5. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, а также на подогрев остаточных газов и избыточного воздуха.

В настоящее время разработаны методики расчета подобных циклов, однако, достаточно надежные и достоверные результаты теплового расчета дают только полуэмпирические методики теплового расчета, учитывающие результаты экспериментальных исследований, накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации двигателей. В них расчет параметров и характеристик ДВС осуществляется на основе детального анализа процессов газообмена, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения.

Р ис.2.2. Действительные циклы четырехтактных и двухтактных ДВС

Основные сведения о рабочих циклах двс

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя.

Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра, над собой. Впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется горючей смесью. Горючая смесь, перемешиваясь с остаточными газами в цилиндре, образует рабочую смесь. Из-за гидравлического сопротивления впускного тракта и нагрева смеси, давление в конце такта впуска составляет примерно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.

Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь в цилиндре сжимается до 0,7 -1,5 МПа. Температура сжатой смеси достигает 300-450^ОС. В конце такта сжатая смесь воспламеняется электрической искрой. В процессе сгорания топлива давление в цилиндре повышается до 3,0-4,5 МПа, а температура газов до 1900-2400°С.

Такт расширения. Иногда его называют рабочим ходом. Начинается движением поршня от ВМТ к НМТ под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Оба клапана закрыты. Шарнирно связанный с поршнем шатун приводит во вращение коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 — 1200°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет около 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.

После прохождения поршнем ВМТ закрывается выпускной клапан и рабочий цикл завершается. Последующее движение поршня к НМТ — такт впуска — является началом следующего цикла.

Цикл четырехтактного дизеля

В дизеле в отличие от карбюраторного двигателя воздух и топливо в цилиндры вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень двигается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух либо за счет разрежения в цилиндре, либо за счет избыточного давления воздуха, создаваемого нагнетателем у дизеля с наддувом. Давление в конце такта впуска у дизеля без наддува 0,08-0,09 МПа, а температура воздуха 50-80^ОС.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень двигателя от НМТ к ВМТ и сжимает воздух, перемешанный с остаточными продуктами сгорания. Из-за большой степени сжатия (14-21) давление воздуха в конце этого такта достигает 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При этом положении поршня в камеру сгорания впрыскивается мелко распыленное топливо, которое, попадая в среду сильно нагретого воздуха, нагревается, испаряется, воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Продукты сгорания, стремясь расшириться, давят на поршень, заставляя его перемещаться от ВМТ к НМТ. В такте расширения догорает оставшаяся часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Давление газов в конце такта выпуска составляет 0,11-0,12 МПа, а температура 400 — 600⁰С. Затем рабочий цикл повторяется.

У вышеописанных четырехтактных двигателей при выполнении тактов выпуска, впуска и сжатия необходимо перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты называются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком двигателя в течение такта расширения.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях для вытеснения отработавших газов из цилиндра используют принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр. Такой процесс называется продувкой. Продувка может осуществляться различными способами. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Когда поршень находится в положении близком в ВМТ камера сгорания заполнена сжатой рабочей смесью, кривошипная камера заполнена свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи. Давление газов резко возрастает, и поршень начинает перемещаться к НМТ — совершается рабочий ход. Когда поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие горючей смеси. Следовательно, при движении поршня к НМТ одновременно совершаются такты расширения и сжатия горючей смеси в кривошипной камере. В конце рабочего хода поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу попадает в цилиндр и, наполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно в атмосферу.

Второй такт происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает продувочное окно и выпускное окно. После этого в цилиндре начинается сжатие рабочей смеси. В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой кривошипной камере создается разрежение. Поэтому, как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру поступает горючая смесь. Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение камеры новой порцией горючей смеси из карбюратора. После прихода поршня к ВМТ все процессы повторяются в такой же последовательности.

Кривошипно-камерная продувка наиболее проста, но наименее совершенна, так как при этом недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поэтому она применяется только в двигателях малой мощности с небольшим абсолютным расходом топлива (двигатели мотоциклов, лодочные, модельные и т.п.). В строительных машинах и на транспорте подобные схемы используются в пусковых карбюраторных двигателях.

Цикл двухтактного дизеля

Протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндре поступает не горючая смесь, а чистый воздух и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым воздухом. Так как в дизелях продувка осуществляется чистым воздухом, а не горючей смесью, они оказываются более экономичными по сравнению с карбюраторными двигателями.

Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания

Из данной формулы видно, что к. п. д. термодинамического цикла зависит от степени сжатия е и показателя адиабаты к. Чем выше степень сжатия, тем больше термический к. п. д. двигателя. Практически такие двигатели имеют степень сжатия до 8-9, так (как более высокая степень сжатия рабочей смеси приводит к преждевременному ее воспламенению и снижению мощности.

Полезная работа цикла будет увеличиваться при повышении разности температур (Г3 — Т2) и уменьшении разности температур (Г4 — Ti), а также при повышении степени сжатия е.

Рис. 1. Цикл со смешанным подводом тепла

—

Рабочий цикл поршневого ДВС состоит из ряда термодинамических процессов, во время которых к рабочему телу, находящемуся в цилиндре, последовательно подводится и отводится теплота. Изменение температуры и объема рабочего тела является причиной преобразования тепловой энергии в механическую работу. В качестве рабочего тела при изучении общих законов, характеризующих эффективность использования теплоты применительно к процессам, происходящим в ДВС, рассматривается идеальный газ. Под ним понимают газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного сцепления, а молекулы не имеют геометрических размеров.

В технической термодинамике рассматриваются теоретические циклы ДВС, которые отличаются по способу подвода и отвода теплоты.

Различают два основных теоретических цикла:
1. С подводом теплоты при постоянном объеме рабочего тела, соответствующего рабочему процессу карбюраторного и газового двигателей.
2. Со смешанным подводом теплоты, т. е. с подводом части теплоты при постоянном объеме и части — при постоянном давлении, что соответствует рабочему процессу дизельного двигателя со смешанным циклом смесеобразования.

Теплота от рабочего тела в обоих циклах отводится при постоянном объеме. Теоретические циклы графически изображаются в виде PV-диаграмм. При рассмотрении теоретических циклов делаются следующие допущения:
1. В цилиндре условного двигателя находится постоянное количество рабочего тела, совершающего замкнутый цикл.
2. Процессы подвода теплоты от внешнего источника и отвода ее на сторону происходят мгновенно.
3. Теплоемкость рабочего тела, находящегося в цилиндре, постоянна в течение всего цикла и не зависит от температуры.
4. Процессы сжатия и расширения рабочего тела происходят без теплообмена с окружающей средой, т. е. стенки цилиндра считаются нетеплопроводными.

В начале цикла поршень находится в н.м.т., что соответствует точке а диаграммы. При перемещении поршня и сжатии газа, находящегося в цилиндре, повышаются его температура и давление, что находит отражение на диаграмме в виде адиабаты а—с. Точка с соответствует положению поршня в в.м.т. В конце сжатия к газу подводится мгновенно теплота Qi от внешнего источника, что приводит к резкому повышению давления при постоянном объеме газа (изохора с—г). Под действием возросшего давления газ, расширяясь, перемещает поршень вниз к н.м.т., совершая при этом механическую работу (адиабата z—b). Объем газа при этом плавно увеличивается, а давление и температура соответственно уменьшаются. Расширение газа заканчивается в н.м.т. (точка b), где от газа мгновенно отводится теплота холодильному источнику. Уменьшение температуры газа приводит к снижению давления до первоначального р0 (изохора b—а).

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с подводом теплоты при постоянном объеме

Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме называется циклом Отто по имени немецкою конструктора Н.А. Отто, осуществившего этот цикл в 1876 г.

Горючей смесью в цикле Отто является воздух, смешанный с парами бензина или любым другим легко испаряющимся веществом.

На рисунке представлена p—v диаграмма двигателя, работающего именно по циклу Отто.

Идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (рисунок, кривые 1—2 и 3—4) и двух изохор (прямые 2—3 и 4—1). Работа, производимая двигателем за цикл, выражается площадью фигуры 23412.

Рис. Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с подводом теплоты при постоянном объеме

Так как в этом цикле участвует постоянное количество рабочего тела, то линии впуска и выпуска отсутствуют. Кривая 1—2 соответствует процессу адиабатного (условно без теплообмена) сжатия газа, в это время поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ).

При положении поршня в ВМТ и постоянном объеме v2 (см. рисунок, прямая 2—3) осуществляется процесс подвода теплоты к рабочему телу. При этом давление и температура рабочего тела повышаются.

При движении поршня от ВМТ к НМТ (кривая 3—4) происходит процесс адиабатного расширения газа.

Отвод теплоты (-q2) от рабочего тела к холодильнику соответствует прямой 4—1 и осуществляется при постоянном объеме, когда поршень находится в НМТ.

Характеристиками цикла являются степень сжатия г и степень повышения давления A.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем газа в процессе сжатия:

E = v1/v2

,где v1 — удельный объем газа в начале хода сжатия или полный объем при положении поршня в НМТ; v2 — удельный объем газа в конце хода сжатия или объем над поршнем при его положении в ВМТ (объем камеры сгорания).

Степень повышения давления показывает, во сколько раз повышается давление газа в результате подвода к нему теплоты при постоянном объеме:

A = p3/p2

, где р3 — давление газа в конце подвода теплоты; р2 — давление газа в начале подвода теплоты.

Так как параметры начального состояния (точка 1) всегда известны, то параметры всех других состояний могут быть выражены через р1, v1 и T1.

Так как E и A выражены через v и р, то и они являются параметрами состояния.

Двигатели, работающие по данному циклу, имеют E от 6 до 10, A от 3 до 5.

Термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

 

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работали на газообразном топливе, используя светильный газ. Значительный вклад в развитие таких двигателей внес немецкий изобретатель Н.Отто, разработавший двигатель с предварительным сжатием и искровым зажиганием.

Несколько позднее Рудольф Дизель разработал двигатель, до сих пор носящий его имя, в котором используется специальное дизельное топливо. Благодаря высокой концентрации энергии в единице объема, оно практически вытеснило газообразное топливо в двигателях внутреннего сгорания.

Рассмотрим следующие основные циклы ДВС, работающие на жидком топливе при различных способах воспламенения топлива или при различных способах подвода теплоты.

Различают следующие циклы ДВС. Двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (Р = const) и двигатели, работаю-

щие по смешанному циклу.

Идеальный цикл ДВС при подводе теплоты V = const (цикл Отто) в P-V и T-S диаграммах представлен на рис.7.1.

 

Рис.7.1. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при V = const в P-V и T-S диаграммах

 

В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламеняемого от электрической искры и подводу теплоты q_1. Рабочий ход поршня осуществляется при адиабатическом расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты q₂ осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей выхлопу отработанных газов в атмосферу.

Термический КПД рассматриваемого цикла, характеризующий эффективность использования теплоты сжигаемого топлива, вычисляется следующим образом:

. (7.1)

Сравнение адиабат 1-2 и 3-4 позволяет сделать вывод, что

(7.2)

и, следовательно, получить

. (7.3)

Отношение всего объема рабочего цилиндра V₁ к объему камеры сжатия V₂ называется степенью сжатия и является основной характеристикой цикла Отто

. (7.4)

Для адиабатического процесса справедливо следующее соотношение, устанавливающее связь между V и Т:

, (7.5)

которое позволяет записать уравнение для термического КПД в следующем виде:

. (7.6)

Из последнего соотношения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия и с ее увеличением возрастает. При этом температура в конце сжатия Т₂ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа не превышает 10 и зависит от характеристик применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле может быть повышена, ес­ли сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем, полу­чив высокие давление и температуру, обеспечить само­воспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеальный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеляи осуществляется следую­щим образом (рис. 7.2). Рабочее тело (воздух) сжи­мается по адиабате 1-2, изобарный процесс 2-3 соот­ветствует процессу горения топлива, т.е. подводу теп­лоты q₁ а рабочий ход выражен адиабатным расшире­нием продуктов сгорания 3-4. Наконец, изохора 4-1характеризует отвод теплоты q₂, заменяя для четырех­тактных двигателей выхлоп продуктов сгорания и вса­сывание новой порции воздуха.

Формула для расчета термического КПД в этом слу­чае принимает вид

. (7.7)

Кроме степени сжатия , у цикла Дизеля имеется еще одна характеристика — степень предварительного расширения :

. (7.8)

 

Рис.7.2. Идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при Р = const (цикл Дизеля) в P-V и T-S диаграммах

 

Для изобары 2-3 можно записать V₃/V₂=Т₃/Т₂. Рас­сматривая изохору 4-1 и учитывая, что P₄V^k₄=P₃V^k₃, P₁V^k₁=P₂V^k₂ и V₄=V₁ , получаем

. (7.9)

Окончательно с учетом соотношения (7.9) формула для расчета термического КПД цикла Дизеля имеет вид:

. (7.10)

Выражение (7.10) показывает, что основным факто­ром, определяющим экономичность двигателей, рабо­тающих по циклу Дизеля, также является величина степени сжа­тия , с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Как указывалось, нижний предел опреде­лен необходимостью получения в конце сжатия темпе­ратуры, значительно превышающей температуру само­воспламенения топлива. Верхний предел (до 20) огра­ничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции и увели­чению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения вызывает снижение термиче­ского КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать наряду с другими обстоятельствами при определении оптималь­ного режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные беском­прессорные дизели (рис.7.3), осуществляется по сле­дующей схеме. Адиабата 1-2соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей тем­пературу самовоспламенения топлива. Изохора 2-3 со­ответствует процессу горения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки. Расширение продуктов сгорания идет по адиабате 4-5, а изохора 5-1соответствует выхлопу отработавших газов в атмосферу. Таким образом, теп­лота q₁подводится в двух процессах 2-3 и 3-4.

q₁= q₁¹ + q₁² . (7.11)

 

 

Рис.7.3. Идеальный цикл Тринклера со смешанным подводом теплоты в P-V и T-S диаграммах

 

Выражение для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты записывается в следующем виде:

. (7.12)

Параметр называется степенью повышения давления в изохорном процессеи рассчитывается по формуле

= Рз/Р₂ . (7.13)

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, рас­пыление топлива производится топливным насосом высоко­го давления, а компрессор, применяемый при пневма­тическом распылении топлива, отсутствует. Степень сжатия в рассматриваемом цикле может достигать 18.

Выражение (7.12) является об­щим для циклов поршневых ДВС и при =1 и =1 пе­реходит в соответствующие формулы для термического КПД циклов с подво­дом теплоты при постоян­ном давлении или посто­янном объеме. Сравнение эффектив­ности рассмотренных цик­лов проведем с помощью T-S диаграммы (рис. 7.4), пред­положив, что в каждом из них достигается одинако­вая максимальная темпе­ратура Т₃. Одинаковы и количества отведенной теплоты q₂в каждом цикле (площадь 14ав). При таких условиях полезно используемая теплота цикла, равная полезной ра­боте цикла, будет наибольшей для цикла Дизеля 12’34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 1dс34занимает промежуточное положение.

 

Рис.7.4. Идеальные циклы ДВС при V=const, P=const и цикл Тринклера с одинаковой температурой Т₃

 

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

 

Узнать еще:

Анализ жизненного цикла двигателя внутреннего сгорания с помощью термической истории головки цилиндров и сканирующей электронной микроскопии

Образец цитирования: Лима, Э., Коста, К., Медейрос, А., и Медейрос, Дж., «Анализ жизненного цикла двигателя внутреннего сгорания с помощью термической истории головки цилиндров и сканирующей электронной микроскопии», Технический документ SAE 2006-01-2802, 2006, https://doi.org/10.4271/2006-01-2802.
Скачать ссылку

Автор(ы): Эрика С.К. Лима, Клебер М.Л. Коста, Антонио М. Медейрос, Жоао Т.Н. Медейрос

Филиал: Федеральный университет Риу-Гранди-ду-Норти — UFRN, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica

Страницы: 9

Событие: Конгресс и выставка SAE Brasil 2006 г.

ISSN: 0148-7191

Электронный ISSN: 2688-3627

двигатель внутреннего сгорания: Эксплуатация двигателя | Infoplease

В большинстве двигателей один рабочий цикл (впуск, сжатие, мощность и выпуск) происходит в течение четырех ходов поршня, совершаемых за два оборота двигателя.Когда двигатель имеет более одного цилиндра, циклы равномерно распределены для обеспечения плавной работы, но каждый цилиндр проходит полный цикл за любые два оборота двигателя. Когда поршень находится в верхней части цилиндра в начале такта впуска, впускной клапан открывается, и опускающийся поршень всасывает топливовоздушную смесь.

В нижней части такта впускной клапан закрывается, и поршень движется вверх на такте сжатия, во время которого он выдавливает топливно-воздушную смесь в небольшое пространство в верхней части цилиндра.Отношение объема цилиндра, когда поршень находится внизу, к объему, когда поршень находится вверху, называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем мощнее двигатель и выше его КПД. Однако для размещения устройств контроля загрязнения воздуха производителям пришлось снизить степень сжатия.

Непосредственно перед тем, как поршень снова достигает верхней точки, срабатывает свеча зажигания, воспламеняющая топливно-воздушную смесь (альтернативно смесь воспламеняется теплотой сжатия).Смесь при сгорании становится горячим, расширяющимся газом, заставляющим поршень опускаться во время рабочего хода. Горение должно быть плавным и контролируемым. Иногда происходит более быстрое неконтролируемое горение, когда горячие точки в цилиндре преждевременно воспламеняют смесь; эти взрывы называются детонацией двигателя и вызывают потерю мощности. Когда поршень достигает дна, выпускной клапан открывается, позволяя поршню вытеснять продукты сгорания, в основном двуокись углерода, окись углерода, оксиды азота и несгоревшие углеводороды, из цилиндра во время такта выпуска вверх.

Двухтактный двигатель механически проще четырехтактного. Двухтактный двигатель обеспечивает один рабочий такт каждые два такта вместо одного каждые четыре; таким образом, он развивает большую мощность при том же рабочем объеме или может быть легче, но при этом обеспечивать ту же мощность. По этой причине он используется в газонокосилках, цепных пилах, небольших автомобилях, мотоциклах и подвесных судовых двигателях.

Однако есть несколько недостатков, которые ограничивают его использование. Поскольку при работе двухтактного двигателя рабочих тактов в два раза больше, чем при работе четырехтактного двигателя, двигатель имеет тенденцию к большему нагреву и, следовательно, имеет более короткий срок службы.Кроме того, в двухтактном двигателе смазочное масло необходимо смешивать с топливом. Это приводит к очень высокому уровню углеводородов в его выхлопе, если только топливно-воздушная смесь не рассчитана компьютером для максимального сгорания. Высокоэффективный, экологически чистый двухтактный автомобильный двигатель в настоящее время разрабатывается компанией Orbital Engineering по договоренности со всеми автопроизводителями США.

Электронная энциклопедия Колумбии, , 6-е изд. Авторское право © 2012, издательство Колумбийского университета. Все права защищены.

См. другие статьи энциклопедии по теме: Технология: термины и понятия

Различные ходы: двигатели внутреннего сгорания все еще работают

Предсказания относительно кончины двигателя внутреннего сгорания (ДВС) имеют долгую историю. Неуклонно растущее количество гибридных и полностью электрических транспортных средств на дорогах, так сказать, только подливает масла в огонь. Но в то время как скептики пытались решить, сколько еще лет ICE осталось, инженеры и провидцы в нескольких разных компаниях искали способы продлить его жизнь в будущем.Они добились этого, полностью переосмыслив то, как работает ДВС и как он выглядит.

В этой статье мы рассмотрим новые технологии, разработанные этими компаниями. Простые рядные или V-образные поршневые двигатели в эту группу точно не входят. Можно только догадываться, сколько (или вообще) таких конструкций когда-либо попадут в серийный автомобиль, который вы увидите в своем магазине. А пока интересно посмотреть, как далеко вы можете зайти с воздухом, небольшим количеством топлива и большой изобретательностью.

Компания EcoMotors International ( www.emotors.com ) разработала двигатель с оппозитным расположением поршней и цилиндров (OPOC), который может работать на различных видах топлива, включая бензин, дизельное топливо и этанол. Оригинальная конструкция двигателя OPOC имеет долгую историю, восходящую к первому десятилетию прошлого века, когда он приводил в действие французские легковые автомобили Gobron-Brillié. Позднее эта конструкция использовалась в двигателях подводных лодок и локомотивов Fairbanks Morse, двигателях Grey Marine и Detroit Diesel, а также в двигателях немецких самолетов Junker во время Второй мировой войны.

Двигатель EcoMotors OPOC представляет собой двухтактный горизонтально-оппозитный двухцилиндровый четырехпоршневой двигатель. В каждом цилиндре имеется по два поршня. Внутренний набор поршней прикреплен непосредственно к коленчатому валу, и они работают почти так же, как и в традиционном поршневом двигателе с возвратно-поступательным движением. Внешний набор поршней прикреплен к коленчатому валу через длинные титановые шатуны, которые прикреплены к подшипнику сзади каждого поршня. Внешние поршни отражают движение внутренних поршней, двигаясь к коленчатому валу, когда внутренние поршни удаляются от него.

Управление впуском и выпуском аналогично обычному двухтактному дизельному двигателю: внешний нагнетатель воздуха (нагнетатель или турбокомпрессор) нагнетает воздух в цилиндр через отверстия на одной стороне гильзы цилиндра. При движении поршней отверстия закрываются, и воздух сжимается между двумя сходящимися поршнями. Топливо впрыскивается напрямую, и смесь может воспламеняться искровым или компрессионным зажиганием, в зависимости от используемого топлива. Выхлоп устраняется через порты на другой стороне отверстия цилиндра, когда они открываются в конце хода поршня.

Поскольку процесс сгорания происходит в середине отверстия цилиндра между двумя подвижными поршнями, площадь поверхности, на которую может воздействовать давление сгорания, больше. Следовательно, большая часть энергии, выделяемой при сгорании, преобразуется в механическую силу. В результате получается двигатель, удельная мощность которого выше, чем у традиционного двигателя (более одной лошадиной силы на фунт веса двигателя).

Эта конфигурация конструкции также устраняет необходимость в компонентах головки блока цилиндров и клапанного механизма обычных двигателей, предлагая компактную и простую основную конструкцию двигателя.На самом деле деталей на 50% меньше, чем на обычном двигателе. Благодаря возвратно-поступательному действию поршней все силы двигателя противодействуют друг другу, что обеспечивает низкий уровень шума и вибрации.

Если требуется больше мощности, дополнительные модули могут быть соединены вместе, а затем разделены по желанию с помощью электронного механизма сцепления. Эта функция переменного рабочего объема позволяет удвоить выходную мощность, когда это необходимо для более крупных транспортных средств, а затем отключить ее, когда она больше не нужна, чтобы обеспечить значительную экономию топлива.Производитель заявляет, что семейство двигателей легче, эффективнее и экономичнее, чем обычные двигатели, с более низким уровнем выбросов выхлопных газов.

Компания Pinnacle Engines ( www.pinnacle-engines.com ) применила другой подход к конструкции двигателя с оппозитными поршнями (OP). Парные поршни, обращенные друг к другу внутри общих цилиндров, по-прежнему используются, но коленчатых валов два вместо одного. Они находятся снаружи горизонтально расположенного двигателя и синхронно толкают парные поршни друг к другу.Два коленчатых вала связаны друг с другом, чтобы все было синхронизировано.

Как и двигатель EcoMotors OPOC, конструкция OP Pinnacle Engines не требует головки блока цилиндров или клапанного механизма. И, как и многие вещи в автомобилестроении, если вы оглянетесь достаточно далеко назад, вы обнаружите, что эта конструкция уже использовалась раньше (авиационные двигатели времен Второй мировой войны).

Что отличается, так это то, что компания взяла эту четырехтактную архитектуру с искровым зажиганием (SI), оппозитными поршнями и клапанами скольжения и добавила нечто, называемое циклом Кливза, названным в честь Монти Кливза, основателя компании и главного технического директора.Управление золотниковым клапаном двигателя позволяет двигателю обеспечивать сгорание по циклу Отто (сгорание при постоянном объеме) или сгорание по дизельному циклу (сгорание при постоянном давлении), в зависимости от условий работы и доступного топлива.

В дополнение к устранению необходимости в обычном клапанном механизме требуется вдвое меньше компонентов зажигания и впрыска по сравнению с обычным оппозитным двигателем, поскольку два поршня имеют общее отверстие. Модульная конструкция двигателя легко масштабируется в зависимости от требуемой выходной мощности.

Утверждается, что конструкция совместима с большинством видов топлива, включая бензин, дизельное топливо, природный газ, пропан и их биотопливные заменители (например, этанол). По словам производителя, дополнительные улучшения эффективности могут быть достигнуты за счет включения механизма изменения фаз газораспределения, механизма переменной степени сжатия, прямого впрыска и турбонаддува. Компания заявляет об улучшении топливной эффективности от 30% до 50%. Также утверждается, что за счет тщательного контроля теплового цикла выбросы выхлопных газов снижаются.

Компания Achates Power ( www.achatespower.com ) разработала двухтактный дизельный двигатель с оппозитными поршнями, в котором на цилиндр приходится два поршня с возвратно-поступательным движением. Как и другие конструкции с оппозитными поршнями, двигателю Achates Power не нужны головки блока цилиндров, которые вносят основной вклад в тепловые потери в обычных двигателях. Порты в стенках цилиндров двигателя заменяют тарельчатые клапаны и создающие трение клапанные механизмы обычных двигателей. Впускные отверстия на одном конце цилиндра и выпускные отверстия на другом активируются движением поршня и обеспечивают эффективную продувку воздуха.

Компания утверждает, что ее запатентованные конструкции цилиндров и поршней позволяют повысить эффективность сгорания и расход масла, чтобы соответствовать самым строгим нормам по выбросам. Говорят, что в сочетании с преимуществом теплового КПД, присущим двигателям с оппозитными поршнями, его конструкции обеспечивают значительное снижение расхода топлива по сравнению с обычными четырехтактными двигателями с воспламенением от сжатия. Использование двухтактного воспламенения от сжатия позволит использовать возобновляемые виды топлива второго поколения, полученные из соевых бобов, биомассы, водорослей и других источников.

Компания Scuderi Group ( www.scuderigroup.com ) разработала двигатель, использующий конструкцию с разделенным циклом, в которой четыре такта цикла сгорания разделены между двумя цилиндрами. Один цилиндр отвечает за такты впуска и сжатия (цилиндр компрессора), а другой отвечает за такты мощности и выпуска (цилиндр детандера).

За счет разделения четырех тактов между двумя цилиндрами двигатель может производить один цикл сгорания за один оборот коленчатого вала, как и в двухтактном двигателе.Кроме того, путем отделения цилиндра сжатия от силового цилиндра размер цилиндра компрессора может быть уменьшен, чтобы устранить часть отрицательной работы такта сжатия. Мощность двигателя представляет собой разницу между положительной работой, производимой рабочим тактом, и отрицательной работой, затрачиваемой в течение остальной части цикла.

Турбокомпрессор с приводом от выхлопных газов нагнетает максимальный объем воздуха в цилиндр компрессора. После дальнейшего сжатия поршнем компрессора воздух перемещается между парными цилиндрами через перекрестный канал.Полностью регулируемые, открывающиеся наружу перекидные клапаны регулируют поток сжатого воздуха от первого цилиндра ко второму. В соответствующее время топливо может быть впрыснуто непосредственно в цилиндр детандера или через порт впрыскивается в наддувочный воздух во время подачи в цилиндр детандера через перепускной канал.

Поскольку сжатый воздух подается в расширительный цилиндр из перепускного канала, звуковой поток и высокая турбулентность улучшают смешивание топлива и воздуха и способствуют стабильному и надежному сгоранию.В результате скорость пламени необычайно высока: продолжительность горения составляет от 10% до 90% при угле поворота коленчатого вала всего 12 °. Чрезвычайно быстрое сгорание и позднее добавление топлива обеспечивают высокую характеристику предотвращения детонации, а быстрое расширение во время сгорания снижает выбросы NOX — значительно ниже уровня обычного двигателя — без использования рециркуляции отработавших газов (EGR).

Цикл Миллера изначально был разработан для повышения теплового КПД четырехтактного двигателя с наддувом за счет уменьшения такта сжатия по сравнению с тактом расширения.Это было достигнуто за счет использования стратегии фаз газораспределения, при которой впускной клапан закрывался раньше, до того, как поршень достиг своей нижней мертвой точки (НМТ). Стратегия раннего выбора времени эффективно сократила такт сжатия без сокращения такта расширения.

Однако при преждевременном закрытии впускного клапана срабатывание клапана не может быть оптимально рассчитано по времени для обеспечения максимальной объемной эффективности, и часть доступного рабочего объема не может быть использована. Кроме того, при раннем закрытии клапана событие клапана происходит, когда скорость поршня и скорость воздуха высоки, как и связанные с этим насосные потери.

Вместо смещения времени закрытия впускного клапана (IVC) расширенное расширение в двигателе с разделенным циклом Scuderi достигается за счет уменьшения фиксированного рабочего объема цилиндра компрессора по сравнению с фиксированным рабочим объемом расширительного цилиндра. За счет разного размера цилиндров IVC синхронизируется с периодом низкой скорости поршня, когда можно достичь оптимального состояния захваченной массы и избежать насосных потерь.

В двигателе Scuderi с разделенным циклом также используется резервуар для хранения сжатого воздуха, в котором хранится энергия сжатого воздуха, вырабатываемая цилиндром компрессора в периоды низкого потребления, и используется для производства энергии в периоды высокого потребления.Эта технология может быть использована для уменьшения размера и веса двигателя, увеличения удельной мощности и крутящего момента, а также снижения расхода топлива и выбросов.

По словам производителя, в отличие от любой другой поршневой технологии ДВС, технология разделенного цикла двигателя Scuderi отделяет процессы сжатия от процессов расширения (сгорания), обеспечивая сжатие независимо от расширения и расширение независимо от сжатия. Когда процессы разделены, энергия, произведенная одним процессом, может храниться до тех пор, пока не понадобится другому.Энергия доступна, когда она нужна, или сохраняется, когда она не нужна.

В режиме запуска и зарядки компрессор и расширительный цилиндр включены, а резервуар для хранения воздуха перезаряжается, пока работает расширительный цилиндр. Воздух поступает в резервуар для хранения воздуха и расширительный цилиндр.

В режиме детандера и сжигания воздуха цилиндр компрессора отключается, и воздух под высоким давлением для сжигания выпускается из резервуара для хранения воздуха без потока воздуха в цилиндр компрессора или из него.

В режиме воздушного компрессора расширительный цилиндр отключен, а цилиндр компрессора перезаряжает резервуар для хранения воздуха во время спуска, торможения и замедления. Воздух поступает в резервуар для хранения воздуха без впрыска топлива или зажигания.

В режиме расширителя воздуха цилиндр компрессора отключен, и воздух под высоким давлением выпускается из резервуара для хранения воздуха для питания двигателя без впрыска топлива или зажигания.

Роторный двигатель Doyle ( www.doylerotary.com ) спроектировал и построил (как следует из названия) роторный двигатель. Но двигатель Doyle не похож на роторные двигатели Ванкеля, которые использовались во многих автомобилях Mazda на протяжении многих лет. Скорее, это вариант радиального двигателя, который можно было найти на многих винтовых самолетах прошлого. Радиальный двигатель отличается тем, что коленчатый вал вращается, а цилиндры остаются неподвижными. Обратное верно для роторного двигателя. Коленчатый вал неподвижен, а картер и цилиндры вращаются вокруг него.Ротари этой конструкции использовались в бипланах Gnome во время Первой мировой войны. Они также приводили в движение автомобили Adams-Farwell, которые производились в относительно небольших количествах в период с 1905 по 1912 год.

Двигатель Дойла берет эту конструкцию роторного двигателя и буквально переворачивает ее с ног на голову. В обычном роторном двигателе вершины поршней обращены наружу, а шатуны соединены с центральным коленчатым валом. Каждый цилиндр имеет собственную головку блока цилиндров, впускной и выпускной клапаны и систему зажигания.В двигателе Дойла верхние части поршней обращены к центру двигателя. Шатуны направлены наружу и прикреплены к внешнему корпусу. Внешний корпус, поршни и цилиндры вращаются вокруг центральной камеры сгорания на эксцентрике. Когда корпус цилиндра вращается, эксцентрик заставляет поршни двигаться вверх и вниз, создавая мощность.

Вдобавок к сложности, двигатель Дойла также представляет собой конструкцию с разделенным циклом. Есть два набора поршней: один отвечает за впуск и сжатие, другой за работу с мощностью и выпуском.Казалось бы, это приводит к большому количеству вращающегося металла, но компания утверждает, что вращающаяся масса на самом деле будет меньше, чем в обычном двигателе аналогичной мощности, потому что внешний корпус изготовлен из алюминия.

Двигатель Дойла не имеет ни впускных, ни выпускных клапанов. Отверстие на обращенном внутрь конце цилиндров обеспечивает подачу газа в цилиндры и из них, а также в центральную камеру сгорания, общую для всех цилиндров. Одна свеча зажигания отвечает за зажигание. Уплотнения вершины и ротора роторного двигателя Mazda используются для герметизации вращающихся частей.

Эта конструкция может быть применена к двигателям различного размера и рабочего объема. Дойл построил прототип двигателя с 12 цилиндрами и рабочим объемом 4,2 л. Парные комплекты цилиндров и поршней также могут быть сложены вместе для получения более крупных двигателей. Совсем недавно Дойл уменьшил количество цилиндров, чтобы создать 6-цилиндровый прототип.

В обычном четырехтактном двигателе каждый поршень совершает рабочий ход один раз за два оборота коленчатого вала. Конструкция с разделенным циклом Doyle делает его четырехтактным двигателем, в котором каждый силовой поршень производит рабочий ход при каждом обороте коленчатого вала.Таким образом, на 12-цилиндровом прототипе за один оборот приходится шесть рабочих тактов. Компания назвала это циклом Дойла.

Как и следовало ожидать, компания заявляет о нескольких преимуществах своего дизайна. Конструкция с разделенным циклом позволяет одному ряду поршней выполнять такты впуска и сжатия (IC), в то время как другой ряд выполняет такты мощности и выпуска (PE). Центральная камера сгорания разделяет эти два ряда. Такая компоновка означает, что поршни и цилиндры IC могут быть сконструированы иначе, чем со стороны PE.Нет необходимости стрелять до верхней мертвой точки (ВМТ), поэтому топливо может сгорать дольше и полнее в камере сгорания.

В обычном двигателе каждая камера сгорания работает немного иначе, чем другие. Это происходит из-за различий в рабочих температурах и длинах впуска и выпуска. В двигателе Дойла каждый цилиндр использует одну и ту же камеру сгорания. Это увеличивает постоянство мощности между каждым цилиндром, что приводит к тому, что двигатель работает более плавно и имеет одинаковые характеристики износа для каждого компонента.

Отсутствие клапанного механизма означает меньшие потери энергии из-за трения. Кроме того, в отличие от обычных клапанов, отверстия в двигателе Дойла открываются и закрываются мгновенно. Это позволяет порту оставаться открытым дольше и оставаться на полном потоке намного дольше, чем в обычном клапанном механизме. Это преимущество наиболее заметно при более высоких оборотах, когда эффективность обычных клапанных механизмов начинает падать. Устранение клапанного механизма также избавляет от примерно сотни движущихся частей и устраняет возможность взорванных прокладок головок, треснутых головок цилиндров, износа распределительных валов, погнутых или выпавших клапанов или сломанных ремней ГРМ.

Также заявлены более низкие выбросы NOX и углеводородов, в первую очередь из-за конструкции двигателя с разделенным циклом. В обычном двигателе температура перед зажиганием высока, потому что свежий воздух, втягиваемый во время такта впуска, поступает в цилиндр, из которого только что были выпущены чрезвычайно горячие газы. Пиковые температуры увеличиваются по мере увеличения угла опережения зажигания. Зажигание до ВМТ приводит к тому, что поршень сжимает только что воспламененную смесь. Сжатие воздуха повышает температуру горения.NOX возникает из-за того, что температура горения остается очень высокой в ​​течение длительного времени.

В двигателе Дойля свежий воздух подается в относительно холодный цилиндр, который не отвечает за сгорание. Это приводит к более низким температурам перед зажиганием. Затем свежий воздух сжимается и подается в центральную камеру сгорания, где впрыскивается топливо и воспламеняется смесь. Зажигание после ВМТ снижает пиковые температуры сгорания.

Выбросы углеводородов возникают из-за несгоревшего топлива, выходящего из двигателя через выхлоп.Двигатель Дойла позволяет топливу сгорать в камере сгорания, а затем в силовых цилиндрах. Говорят, что увеличение времени горения уменьшает количество несгоревшего топлива (углеводородов), выходящего из двигателя.

Ни одна из рассмотренных нами конструкций двигателей не может быть классифицирована как «нормальная» в общепринятом смысле. Но то, что следует далее, уводит нас еще дальше от проторенного пути проектирования двигателей внутреннего сгорания. С таким именем, как Grail Engine Technologies (www.grailengine.com), можно с уверенностью предположить, что все будет интересно.

Двигатель Grail представляет собой двухтактную конструкцию, состоящую из одного выпускного клапана, трех свечей зажигания и прямой топливной форсунки, расположенных в верхней части цилиндра. Один впускной клапан расположен внутри поршня. В камере предварительного сжатия находится односторонний язычковый клапан. Всасываемый воздух проходит через вентиляционные отверстия к поршню, через картер, впускные отверстия поршня, а затем через поршневой клапан.

Сжатие происходит в воздушной камере лепесткового клапана, камере предварительного сжатия, вентиляционных и поршневых отверстиях, впускных отверстиях поршня и картере. При движении поршня вверх под ним создается вакуум. Свежий воздух поступает через впускную камеру через односторонний лепестковый клапан и заполняет наружную камеру предварительного сжатия, выпускные отверстия поршня и впускные отверстия поршня свежим воздухом.

Сжатие происходит внутри цилиндра, когда поршень движется вверх. В ВМТ происходит непосредственный впрыск с последующим однократным или многократным зажиганием.Это толкает поршень вниз в цилиндр, сжимая воздух в картере двигателя, внешней камере предварительного сжатия, вентиляционных отверстиях поршня и впускных отверстиях поршня.

Непосредственно перед НМТ выпускной клапан открывается с помощью стандартного механизма кулачка/толкателя или электромеханического управления клапаном. Выхлопные газы выходят через отверстие выпускного клапана в верхней части цилиндра. Сжатый свежий воздух поступает в цилиндр через поршневой клапан, который вытесняет последний выхлоп. Когда поршень проходит НМТ, выпускной клапан и поршневой клапан закрываются, и цикл повторяется.

Регулировка давления во внешней камере предварительного сжатия с помощью серводвигателя или его аналога позволяет контролировать объемный КПД двигателя в диапазоне оборотов двигателя.

Компания заявляет о двух других разработках в конструкции двигателя. Первый известен как воспламенение от сжатия с принудительным полугомогенным зарядом (FS-HCCI). Второй — цикл Грааля, представляющий собой комбинацию воспламенения одного типа или воспламенения от сжатия с гомогенным зарядом, которое одновременно работает в цикле Миллера.По заявлению компании, двигатель Grail может стать первым двухтактным двигателем, в котором не наблюдается перекрестного загрязнения топлива и масла. Это приводит к снижению выбросов, но при этом обеспечивает большую мощность и крутящий момент при меньшем потреблении топлива, чем более крупные двигатели.

Перекрестное загрязнение в двухтактном двигателе с непосредственным впрыском топлива происходит, когда поршень и кольца пересекают впускные и выпускные каналы стенки цилиндра. Масло, смазывающее поршень, стенки цилиндра и кольца, поступает в выпускную и впускную камеры сгорания.Если уменьшить количество масла в этой области для поддержания уровня выбросов, а также вакуумирования цилиндра для чистого сгорания, это может привести к преждевременному износу и/или высокому уровню выбросов твердых частиц. Grail утверждает, что его движок не страдает от этих проблем.

Пожалуй, самый необычный двигатель я оставил напоследок. Сферический двигатель Hüttlin ( www.innomot.org ) использует некоторые ранее обсуждавшиеся технологии, такие как оппозитные поршни, но он отличается от других конструкций почти во всех других отношениях.Hüttlin Kugelmotor (сферический двигатель) назван в честь его изобретателя, доктора Герберта Хюттлина, который работал над этой и другими конструкциями двигателя более 20 лет.

Описать очень нетрадиционный двигатель Hüttlin словами — настоящая проблема, возможно, поэтому веб-сайт компании так много использует анимацию, чтобы рассказать свою историю. В этой конструкции энергия сгорания, генерируемая во время рабочего такта, напрямую преобразуется во вращательное движение. В конструкции нет обычного коленчатого вала.

Алюминиевый сферический корпус содержит поршневой ротор, вращающийся в двух роликоподшипниках с большими кольцами. Ротор оснащен изогнутыми цилиндрическими камерами для размещения двух пар противоположных поршней. Для каждой поршневой пары используются два полых направляющих шарика. Эти шарики катятся по обеим направляющим поверхностям криволинейного элемента, расположенного в ортогональном продольно-центрированном положении на оси системы и прочно прикрепленного к корпусу. Когда поршни и узел камеры сгорания вращаются, направляющие шарики направляют поршни через возвратно-поступательное качательное движение четырехтактного двигателя Отто.

Компания видит широкое применение этому двигателю. Уже разработаны и испытаны несколько конфигураций, в том числе гибридный генератор, увеличивающий запас хода, электродвигатель и компрессор в одном корпусе, а также домашний источник питания, который можно комбинировать с солнечными и тепловыми коллекторами. Его также можно использовать в сочетании с ветряной турбиной для производства электроэнергии и сжатого воздуха.

Конфигурация гибридного расширителя диапазона особенно интригует. Двигатель можно было бы использовать для производства электроэнергии для электромобиля, чтобы пополнять его аккумуляторы, когда они разряжаются.Соединение двигателя непосредственно с трансмиссией транспортного средства позволит при необходимости использовать дополнительную тягу, а также рекуперативное торможение для дальнейшего пополнения аккумуляторов. Если функция сгорания двигателя отключена, его компрессия, которая в противном случае не использовалась бы, также может способствовать торможению автомобиля.

Все компании, создавшие уникальные конструкции двигателей, описанные в этом отчете, считают, что у них есть все необходимое, чтобы произвести революцию в транспортной отрасли. Поскольку ни одна из этих новых технологий не дает возможности заглянуть в будущее, нам, вероятно, придется подождать еще несколько лет, чтобы выяснить, верна ли какая-либо из них.Независимо от результата, приятно видеть, сколько разных методов можно использовать для достижения одних и тех же целей.

Скачать PDF

Эффективность двигателя

Эффективность двигателя

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь.К ним относятся потери химической энергии с выбросами, потери тепла двигателем и через выхлопные газы, а также потери на перекачку газа и потери на трение в двигателе. Соответственно, общий тепловой КПД торможения двигателя является продуктом сгорания, термодинамического, газообменного и механического КПД.

Потери энергии в двигателе

Сводка убытков

Преобразование энергии топлива в полезную работу в двигателе внутреннего сгорания сопряжено с рядом потерь.Основные потери энергии двигателя и соответствующие коэффициенты эффективности показаны на рисунке 1 [3038] . Другие исследования факторов, влияющих на КПД двигателя, с акцентом на низкотемпературное сгорание, можно найти в литературе [4886] .

Рисунок 1 . Обзор потерь энергии в типичном двигателе внутреннего сгорания

Начиная со сжигания углеводородного топлива и выделения его энергии, небольшое количество топлива не превращается полностью в идеальные продукты сгорания СО ₂ и Н ₂ О.Энергия, оставшаяся в несгоревшем топливе и промежуточных продуктах сгорания, определяется коэффициентом полезного действия сгорания .

Второй закон термодинамики определяет, что из энергии, высвобождаемой в процессе горения, только часть ее может быть преобразована в полезную работу. Эта доля объясняется термодинамическим КПД , который зависит от деталей цикла, используемого для преобразования тепла в работу. Для двигателей внутреннего сгорания верхний предел термодинамического КПД обычно определяют с помощью расчетов циклов Отто и Дизеля.Энергия сгорания, которая не преобразуется в механическую работу, теряется в виде тепла либо за счет выброса горячих выхлопных газов в окружающую среду, либо за счет передачи тепла через поверхности камеры сгорания. Полная указанная эффективность равна произведению эффективности сгорания и термодинамической эффективности и отражает общую работу, произведенную при сгорании топлива.

Из энергии, которая была преобразована в работу, часть этой работы используется для подачи всасываемых газов в двигатель и вытеснения выхлопных газов.Эти насосные потери учитываются с помощью эффективности газообмена . Чистая указанная эффективность регулирует общую указанную эффективность с учетом работы, необходимой для перемещения газов в двигатель и из него.

Некоторая работа также должна быть использована для преодоления трения между скользящими поверхностями, такими как поршневые кольца и подшипники, и для привода необходимых вспомогательных устройств, таких как масляные насосы и насосы охлаждающей жидкости. Последний учитывается механическим КПД .Как ни странно, потери при газообмене и потери на трение иногда объединяются в одну потерю, которая используется для определения механического КПД. Это обсуждается ниже.

Таким образом, оставшаяся работа, работа торможения, может быть получена от двигателя для выполнения полезной работы. Эффективность торможения (или термическая эффективность тормоза) может быть выражена как:

η _тормоз = η _{сжигание} · η _{термодинамический} · η _{газообмен} · η _{механический} (1)

Другой способ выразить эффективность торможения — [3980] :

.

η _тормоз = η _{закрытый цикл} · η _{открытый цикл} · η _{механический} (2)

где:
η _{закрытый цикл} – КПД замкнутого цикла, причем закрытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной и выпускной клапаны закрыты.η _{закрытый цикл} = η _{сгорание} · η _{термодинамический}
η _{открытый цикл} — это КПД открытого цикла, причем открытый цикл является частью 4-тактного цикла, когда впускной или выпускной клапаны открыты. η _{открытый цикл} = η _{газообмен}

Следует отметить, что это обсуждение КПД двигателя проводится с точки зрения процесса, используемого для преобразования тепла в работу, т. е. оно ограничено определенным типом машины и отражает ограничения машины или термодинамического цикла, используемого для преобразования тепла. работать.Эффективность также можно рассматривать с точки зрения топлива и количества топливной эксергии, которая может быть преобразована в работу. Более поздний подход, обсуждаемый позже, является более общим и не ограничивается каким-либо конкретным термодинамическим циклом.

Топливная энергия

В двигателе внутреннего сгорания воздух и топливо смешиваются, образуя горючую смесь, которая воспламеняется и выделяет энергию в виде тепла. Количество выделяемого тепла зависит от ряда факторов. В то время как количество топлива, попавшего в цилиндр, является основным фактором, определяющим энергосодержание попавшей воздушно-топливной смеси и, следовательно, общего количества тепла, которое может быть выделено, ряд второстепенных факторов также важен.Эти вторичные факторы включают детали о составе топлива, такие как тип элементов, содержащихся в топливе, и характер связей, соединяющих элементы вместе.

Для двигателей чистая энергия, выделяемая при сгорании, обычно представлена ​​низшей теплотворной способностью (LHV) топлива, поскольку предполагается, что вода, образующаяся при сгорании, остается в парообразном состоянии. На рис. 2 показана LHV ряда видов топлива, которые можно использовать в двигателе внутреннего сгорания, в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо.Обратите внимание, что для углеводородного топлива значения LHV очень похожи и значительно выше, чем для топлива, содержащего кислород. Кислородсодержащие функциональные группы дают меньшую чистую энергию во время сгорания, внося значительный вклад в массу и объем топлива.

Рисунок 2 . Более низкая теплотворная способность (LHV) различных видов топлива по сравнению со стехиометрическим соотношением воздух-топливо

Данные с [391]

После того, как выбор топлива определен, мощность двигателя определяется содержанием энергии воздушно-топливной смеси, попавшей в цилиндр перед сгоранием.Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива осуществляется до поступления всасываемого заряда в цилиндр, эта энергия связана с количеством воздушно-топливной смеси, которая может быть введена и захвачена в цилиндре. Для двигателей, в которых смешивание воздуха и топлива происходит в цилиндре после IVC, это зависит от количества воздуха, которое может быть введено и захвачено в цилиндре. Можно показать, что [4730] :

Hport=ρmixLHVfλ·AFRstoich+1H_port = {ρ_mix LHV_f} свыше {λ AFR_stoich +1}(3)

где:
H _порт = энергоемкость на единицу объема цилиндра смеси, образующейся до поступления в цилиндр, МДж/м ³
ρ _смесь = плотность смеси, кг/м ³
LHV _f = низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг
λ = относительная воздушно-топливная смесь
AFR _стех = стехиометрическая воздушно-топливная смесь

и

HDI=ρairLHVfλ·AFRstoichH_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stich}(4)

где:
H _DI = энергоемкость единицы объема цилиндра смеси, образующейся в цилиндре после ВВК, МДж/м ³
ρ _воздух = плотность воздуха, кг/м ³

Следует отметить, что для большинства жидких топлив разница между H _порт и H _DI невелика.Однако для газообразного топлива, такого как метан, основного компонента природного газа, разница может быть более существенной, рис. 3. Кроме того, в некоторых случаях, когда воздух и топливо смешиваются в цилиндре перед IVC, порт отражает энергию, которая может быть захвачена в цилиндре. Влияние повышения давления на входе с помощью турбонагнетателя или нагнетателя в уравнении (3) и уравнении (4) учитывается через член плотности.

Рисунок 3 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси метана и воздуха в зависимости от λ

При 0°C, 101.325 кПа

На рисунке 4 показаны значения H _порта и H _DI стехиометрических смесей нескольких видов топлива при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и на основе наиболее распространенных средств их смешивания с всасываемым воздухом [4730] . Хотя существуют важные различия, следует отметить, что выходная мощность двигателя, работающего на любом из этих видов топлива, исходя только из плотности энергии смеси, будет удивительно схожей. Однако следует отметить, что одной плотности энергии смеси недостаточно для определения максимальной мощности двигателя.

Рисунок 4 . Энергия сгорания на единицу объема цилиндра смеси топлива и воздуха при λ=1 в зависимости от стехиометрического соотношения воздух-топливо

При 0°C, 101,325 кПа

###

Термодинамика

Параметры двигателя Кривошипная рукоятка Модель ПРИЛОЖЕНИЕ: Поршень — Цилиндр Объем участка АППЛЕТ: поверхность поршня Район Участок Работа Среднее эффективное значение Давление АППЛЕТ: Среднее значение трения Эффективное давление Горение Стехиометрия Топливо Определение Цинь от HHV Топлива АППЛЕТ: Возгорание Молярный коэффициент произведения Химическое равновесие ПРИЛОЖЕНИЕ: Равновесные продукты сгорания ПРИЛОЖЕНИЕ: адиабатическая температура пламени АППЛЕТ: скорость образования оксида азота АППЛЕТ: диссоциация CO2

Модели цикла двигателя Введение Модель базового цикла Отто APPLET: Четырехтактный газовый цикл Отто ПРИЛОЖЕНИЕ: Отто Топливо-Воздух Цикл APPLET: Четырехтактный двигатель Otto Fuel-Air Цикл Цикл Отто с конечным тепловыделением Определение тепловложения топлива Qin ПРИЛОЖЕНИЕ: Высвобождение тепла Фракция Участок ПРИЛОЖЕНИЕ: Простое приложение для высвобождения тепла ПРИЛОЖЕНИЕ: Простое приложение для высвобождения тепла (обновлено с помощью Entropy Сандипом Макамом, лето 2007 г.) Цикл Отто с конечным тепловыделением и теплопередачей ПРИЛОЖЕНИЕ: конечное тепловыделение с теплопередачей ПРИЛОЖЕНИЕ: Сравнение тепла Модели с коэффициентом передачи

Как Николаус Август Отто создал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Как мы уже обсуждали ранее, Этьен Ленуар внес огромный вклад в разработку двигателя внутреннего сгорания , и его работа напрямую повлияла на один Никола. Немецкий продавец.Во время своих путешествий Отто познакомился с первым двигателем внутреннего сгорания, построенным Ленуаром, и разработка Отто по-прежнему актуальна для современных двигателей внутреннего сгорания.  

Отто и его брат построили копию газового двигателя Ленуара и в январе 1861 года подали заявку на патент жидкостного двигателя в министерство торговли Пруссии. Но это было отклонено. Ленуар в то время уже предлагал идею карбюратора для жидкого топлива.  

Говорят, что Отто уже знал об интересе к предварительному сжатию топливно-воздушной смеси перед воспламенением. Взял ли он этот пункт из термодинамики или же он общался с самим Ленуаром, которого в этот момент консультировал Бо де Роша? Или он уже знал о Рейтманне? Как бы то ни было, Отто начал испытания своего первого четырехтактного двигателя, основанного на двигателе Ленуара, в начале 1860-х годов. Через несколько минут работы двигатель сломался вместе с Отто и его братом.

Отто искал инвесторов для финансирования своих исследований и нашел Ойгена Лангена, отец которого был промышленником.

Ланген был молодым немецким предпринимателем, инженером и изобретателем. Его собственные научные знания позволили ему признать большие способности Отто, и он решил объединить усилия с ним для создания первого завода по производству двигателей в континентальной Европе, NA Otto & Cie. Помимо своего участия в разработке двигателя внутреннего сгорания, Ланген разработал метод для производил кубики сахара в компании своего отца (1857 г.), а позже стал отцом знаменитой подвесной железной дороги Вупперталя, названной «Schwebebahn», в 1890-х годах.

Вместе Отто и Ланген построили свой первый атмосферный двигатель в 1864 году, который был очень похож на тот, который был построен и запатентован Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи за несколько лет до этого. На Всемирной выставке в Париже в 1867 году двигатель Отто и Лангена получил преимущество перед другими газовыми двигателями. Измерив расход газа, жюри присудило Гран-при немецкому двигателю, так как для него требовалось вдвое меньше газа, чем для других двигателей.

N. A. Otto & Cie в конечном итоге обанкротилась, но Ланген собрал достаточно капитала, чтобы воссоздать новую компанию в Дойце, недалеко от Кельна, по производству газовых двигателей.Эта компания, Gasmotorenfabrik Deutz, позже стала промышленной группой Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) и, наконец, Deutz AG. Ойген Ланген также нанял двух инженеров, чьи имена до сих пор можно найти в автомобилях, Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха, чтобы они позаботились о производстве и дали Отто достаточно времени, чтобы осуществить свою первоначальную мечту о создании надежного 4-тактного двигателя. Обратите внимание, что, помимо Лангена, Отто, Даймлера и Майбаха, в Deutz позже работали и другие очень известные люди, в том числе Проспер Л’Оранж (с 1904 по октябрь 1908 года), Этторе Бугатти (в 1907 году) и Роберт Бош.

Разработка цикла Отто

В 1876 году Отто разработал четырехтактный цикл на газообразном топливе со сжатым зарядом, который впоследствии стал известен как цикл Отто. Этот принцип до сих пор используется в большинстве автомобильных двигателей. Он основал двигатель на этом цикле после 14 лет усилий: это система, характеризующаяся четырьмя ходами поршня (впуск, сжатие, расширение-сила и выпуск) при двух оборотах двигателя.

Во Франции Этьен Ленуар также работал над 4-тактной версией газового двигателя во время выхода на пенсию, которую он запатентовал в начале 1880-х годов.Этот двигатель производился компаниями Mignon & Rouart и Compagnie Parisienne du Gaz с 1894 года. Ленуар признал работу Отто, но ему уже ранее посоветовал двигаться в этом направлении его партнер Бо де Роша (который никогда не строил никаких двигателей сам).

Переход от внутреннего сгорания без предварительного сжатия к 4-тактному циклу с предварительным сжатием позволил повысить эффективность с чуть менее 5% до 15% в период с 1880 по 1890-е годы.

Однако не все шло гладко, и через некоторое время между Даймлером и Отто возникли серьезные личные разногласия.После нескольких патентных баталий Daimler и Maybach приступили к разработке двигателей для автомобилей на основе 4-тактного двигателя Отто, увеличив при этом рабочую скорость до 650 об/мин, что позволило добиться идеальной удельной мощности для таких применений. Несколько автомобилей были построены в 1880-х и 90-х годах.

В конце 1890-х годов дуэт разработал автомобиль для австрийского бизнесмена Эмиля Еллинека, кузов которого представлял собой значительный отход от прежнего принципа перевозки, а двигатель мощностью 35 л. часАвтомобиль был назван в честь дочери Еллинека по имени Мерседес. Но это уже другая история…

Как работает двигатель внутреннего сгорания (4-тактный бензин)

Последнее обновление 27 мая 2021 г.

Внутреннее сгорание основано на идее о том, что вы можете вырабатывать много энергии, сжигая бензин в небольшом замкнутом пространстве. Когда вы сможете использовать расширяющийся газ, возникающий в результате этого процесса, вы создадите ядро ​​​​двигателя внутреннего сгорания.

Оттуда энергия этого газа преобразуется в движение. Практически каждый автомобиль, который вы видите на дороге, использует четырехтактный цикл сгорания для создания движения от бензина. Продолжайте читать, чтобы понять (и увидеть), как работает газовый двигатель, который сегодня можно найти в большинстве транспортных средств.

Связано: дизельный двигатель и бензиновый двигатель

Как работает четырехтактный двигатель

Процесс четырехтактного двигателя также известен как цикл Отто.Немецкий инженер Николаус Отто был первым, кто изобрел и запатентовал четырехтактный газовый двигатель. Каждый шаг в этом процессе называется штрихом слова; такт впуска, такт сжатия, рабочий такт и такт выпуска.

Важно понимать термин «цикл Отто», поскольку он отличается от цикла сгорания, используемого в дизельных двигателях, известного как «дизельный цикл». Этот цикл также представляет собой четырехтактный процесс, но детали того, как работает каждый процесс, отличаются от цикла Отто.

Ниже приведены четыре уникальных процесса сгорания топлива в типичном бензиновом двигателе.

См. также: Что произойдет, если залить бензин в дизельный двигатель?

#1 — Такт впуска

Такт впуска — это первая часть процесса внутреннего сгорания и, по сути, вдох или дыхание двигателя. Что происходит, так это то, что есть шатун, который соединяет поршень с коленчатым валом.

Поршень перемещается сверху вниз, как только открывается впускной клапан.Оттуда поршень позволяет бензину и воздуху попадать в двигатель из цилиндра.

Такт впуска происходит, когда бензин смешивается с воздухом. Для этого не обязательно иметь много бензина. Всего лишь небольшая капля бензина, смешанная с воздухом, создаст ход.

• Впускной клапан = Открыт
• Выпускной клапан = Закрыт

#2 – Такт сжатия

После этого поршень более мощно двигается вверх и сжимает бензиновую смесь. эффект.Это называется тактом сжатия.

• Впускной клапан = Закрыт
• Выпускной клапан = Закрыт

#3 – Рабочий ход

После сжатия поршневая смесь возвращается в верхнюю часть. Как только это происходит, свеча зажигания выдает искру, которая вызывает воспламенение бензина.

Мини-взрыв внутри цилиндра, где заряд бензина все еще активен.Это называется рабочим ходом или тактом сгорания.

• Впускной клапан = Закрыт
• Выпускной клапан = Закрыт

#4 – Такт выпуска

После взрыва нижняя часть открывает выпускной клапан и опускается вниз. Весь выхлоп, который образовался в цилиндре, начинает выходить через выпускной клапан и выходит из выхлопной трубы автомобиля.

Двигатель завершил один оборот четырехтактного цикла сгорания.

• Впускной клапан = Закрыт
• Выпускной клапан = Открыт

Цикл повторяется снова и снова, пока вы нажимаете педаль газа, чтобы ускорить автомобиль. Если бы возникла проблема с одним из этих тактов, это предотвратило бы выполнение всего цикла сгорания. Либо так, либо это постепенно повредит компоненты двигателя.

Некоторые автомобили могут иметь небольшие отличия в этом процессе, например, количество цилиндров.Но общая концепция осталась прежней.

См.