Цикл двс: Ошибка 404. Запрашиваемая страница не найдена

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.

13.1. Цикл двс с изохорным подводом теплоты

Данный цикл называют также циклом быстрого сгорания или циклом Отто (по имени его автора, немецкого инженера). В реальных условиях такой цикл совершается в бензиновых карбюраторных двигателях, а также в газовых двигателях (в которых топливом служит газ). Изобразим такой цикл в координатах — p, u и T, s (рис. 13.3). Этот цикл состоит из следующих процессов: а-с — адиабатное сжатие рабочего тела; c-z — изохорный подвод теплоты q₁ к рабочему телу; z-в — адиабатное расширение рабочего тела; в-а — изохорный отвод теплоты от рабочего тела.

Цикл с изохорным подводом теплоты определяется заданием начального состояния в точке а (р_а и Т_а) и параметров цикла:

— степень сжатия; — степень повышения давления.

Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого определим температуры в характерных точках цикла через заданную начальную температуру Т_а в точке а. Для определения температур воспользуемся формулами для связи параметров в термодинамических процессах.

В адиабатном процессе а — с

и .

В изохорном процессе c — z

и .

В адиабатном процессе z — в

и .

Определим значения q₁ и q₂.

q₁ = c_u(T_z — T_c) = c_u(T_ae^к-1l — Т_аe^к-1) = c_vT_ae^к-1(l — 1).

q₂ = c_u(T_в

— T_а) = c_u(T_al — Т_а) = c_uT_a(l — 1).

Тогда

. (13.1)

Из формулы (13.1) видно, что h_t цикла с изохорным подводом теплоты увеличивается с повышением степени сжатия e. В ДВС с подводом теплоты при u = const максимальное значение e ограничено следующими факторами.

1. Во-первых, т.к. в цилиндрах двигателей данного типа происходит сжатие горючей смеси, то конечная температура сжатия Т_с не должна превышать температуру самовоспламенения смеси с тем, чтобы не произошло самопроизвольной преждевременной вспышки горючей смеси, что может привести к поломке двигателя.

2. Во-вторых, степень сжатия ограничена явлением детонации горючей смеси, т.е. взрывным ее горением. В результате детонации процесс сгорания нарушается, мощность двигателя падает, расход топлива растет. Интенсивная детонация может привести к разрушению двигателя.

По указанным причинам степень сжатия таких двигателей обычно лежит в пределах 8 — 10. Поэтому и термический к.п.д. таких двигателей относительно небольшой.

Степень сжатия e может быть значительно повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (назван по имени немецкого инженера Р. Дизеля) — это позволяет работать двигателю с высокой степенью сжатия (e = 14-20). При таких степенях сжатия воздух, поступивший внутрь цилиндра, в конце сжатия имеет давление 30-40 Па и температуру от 500 до 800 ^о

С, которая обеспечивает надежное самовоспламенение и сгорание топлива. Жидкое топливо подается в камеру сгорания в мелко распыленном виде через форсунки в конце процесса сжатия. Ввод топлива осуществляется сжатым воздухом, подаваемым от компрессора под давлением 50-60 бар. Подача топлива организована таким образом, что сгорание происходит при постоянном давлении. Изобразим такой цикл как чисто термодинамический с указанными ранее допущениями (рис. 13.4).

В этом цикле : а-с — адиабатное сжатие рабочего тела; c-z — подвод теплоты при p = const; z-в — адиабатное расширение; в-а — отвод теплоты при u = const.

Заданы параметры точки а(р_а, Т_а), а также параметры цикла:

— степень сжатия; — степень предварительного расширения;- степень последующего расширения (иногда говорят степень адиабатного расширения).

Величиныd, e и r связаны между собой следующим соотношением:

.

Найдем термический к.п.д. цикла. Для этого предварительно выразим температуры в характерных точках цикла через начальную температуру Т_а.

Из адиабаты а — с имеем

, откуда .

Из изобары c — z

, тогда .

Из адиабаты z — в

,

откуда .

Определим значения q₁ и q₂.

q₁ = c_p(T_z — T_c) = c_p(T_are^к-1 — Т_аe^к-1) = c_pT_ae^к-1(r — 1).

q₂ = c_v(T_в — T_а) = c_u(T_ar^к — Т_а) = c_u

T_a(r^к — 1).

Тогда .

Окончательно перепишем

. (13.2)

Следовательно, h_t цикла с подводом тепла при p = const зависит от e и r. Анализ выражения (13.2) показывает, что h_t увеличивается с ростом e и уменьшением r.

Верхний предел e у этих двигателей устанавливается тем обстоятельством, что при увеличении e происходит увеличение h_t и одновременно уменьшение механического к.п.д. h_м. При этом при высоких степенях сжатия выгода от увеличения h_t может поглотиться возрастающим расходом работы на преодоление трения. Оптимальной является e, при которой произведение h_t × h_м принимает максимальное значение. Нижний предел значения e в этих двигателях определяется температурой воспламенение топлива. Двигатели, работающие по такому циклу, называют компрессорными дизелями.

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

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.



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):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

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

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»



Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71
  

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики
• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигатег л я. Первый такт — впуск (рис. 5, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение (0,7—0,9 кгс/см2) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Температура смеси в конце впуска 75— 125 °С.

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 9—15 кгс/см2 и 350— 500 °С.

Третий такт — расширение, или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 35—50 кгс/см2, а температура 2200— 2500 °С. Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун — на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 3—5 кгс/см2, а температура до 1000—1200 °С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а — впуск, 6 — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1 — впускной клапан, 2 — выпускной клапан, 3 — поршень

Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2, а температура до 700—800 °С.

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт — расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск — заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. При впуске поршень движется от в. м. т к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,85—0,95 кгс/см2, температура 40— 60°С.

При такте сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 35—55 кгс/см2 и 450—650 °С.

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 50—90 кгс/см2, а температура — 1700—2000 °С. В конце расширения давление снижается до 2—4 кгс/см2, а температура — до 800—1000 °С. * При такте выпуска поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2.

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают на отечественных автомобилях большой и очень большой грузоподъемности (МАЗ, КрАЗ, КамАЗ и БелАЗ).

С освоением мощностей Камского автозавода дизели будут устанавливать на грузовые автомобили ЗИЛ и Уральского автозавода, а также на автобусы ЛАЗ и ЛиАЗ.

Диаграмма рабочего цикла двигателя. Рабочий цикл двигателя можно представить в виде диаграммы, на которой по вертикальной оси откладывают давление р, а по горизонтальной—объем цилиндра V.

На диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя линия впуска 7—1 располагается ниже линии атмосферного давления (1 кгс/см2). При такте сжатия (линия I—2—3) давление повышается, достигая наибольшей величины в точке 3.

Точка соответствует моменту проскаки-вания искры в свече зажигания и началу процесса сгорания. Линия 3—4—5—6 иллюстрирует рабочий ход, причем линия 3—4, соответствующая резкому возрастанию давления, означает процесс сгорания рабочей смеси, а линия 4—5—6— расширение газов. В точке 4 давление газов достигает наибольшей величины.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля ЯМЗ: а —впуск, б — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1—форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

В точке начинает открываться выпускной клапан. Линия соответствует такту выпуска. Она располагается несколько выше линии, соответствующей атмосферному давлению.

Рис. 3. Диаграмма рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (а) и схема сил, действующих от давления газов (б)

На рис. 3, б показана схема сил, действующих от давления газов в одноцилиндровом двигателе. Сила Р давления газов, действующая на поршень при рабочем ходе, раскладывается на две силы: N и S. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, а действие силы S передается через шатун на коленчатый вал двигателя.

Сила Г, составляющая силы S и касательная к окружности вращения шатунной шейки, действует на плече R. Произведение TR называют крутящим моментом двигателя. Крутящий момент вызывает вращение коленчатого вала. Далее он передается через механизмы трансмиссии на ведущие колеса, вызывая движение автомобиля.

Вторая составляющая силы S сила F воспринимается коренными подшипниками коленчатого вала.

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.

 

---

Дата добавления: 2017-04-05; просмотров: 11014; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

---

Циклы двигателя: определение, типы и анализ

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

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

Анализ циклов двигателя

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

Цикл четырехтактного двигателя

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

Анализ циклов двигателя: такт впуска

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

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

Анализ циклов двигателя: компрессия

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

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

Анализ циклов двигателя: сгорание

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

Анализ циклов двигателя: расширение

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

Анализ циклов двигателя: выхлоп

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

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

Два типа циклов для бензиновых и дизельных двигателей

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

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

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие обратимое и адиабатическое (1-2).

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

• Расширение обратимое и адиабатическое (3-4).

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

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

Изохорный — термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме .

Изобарический термодинамический процесс, происходящий при постоянном давлении .

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

Идеальный цикл Отто

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

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие адиабатическое (1–2).

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

• Расширение адиабатическое (3–4).

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

Идеальный дизельный цикл — StudySmarter Originals

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

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

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

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

Уравнения для циклов двигателя

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

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

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

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

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

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

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

Решение:

Используя уравнение теоретического КПД и подставляя коэффициент сжатия, получаем.

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

Решение :

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

Циклы двигателя – основные выводы

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

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Морской

Энергетический

В двигателе внутреннего сгорания энергия, получаемая от сжигания топлива, непосредственно преобразуется в механическую энергию путем контролируемого сжигания топлива в замкнутом пространстве. Взрывоопасная топливно-воздушная смесь может воспламениться либо от электрической искры, либо от возникающей при этом температуры сжатия. В поршневых двигателях взрыв вызывает вращение некоторых частей двигателя за счет движения поршня в цилиндре. Движение передается на коленчатый вал посредством шатуна.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по количеству ходов поршня за один полный рабочий цикл. Таким образом, можно говорить о двухтактных двигателях и четырехтактных двигателях.

Полный цикл событий первой группы, то есть всасывание, сжатие, взрыв и выпуск, совершается за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, так как сжатие и расширение заряда происходят во время один такт, а поступление свежего заряда происходит во время другого такта одновременно с выходом отработавших газов. В четырехтактных двигателях полный рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня.

Существует еще одна классификация в зависимости от процесса сгорания: взрывные двигатели или двигатели внутреннего сгорания постоянного объема и двигатели внутреннего сгорания постоянного давления или дизельные двигатели.

— Двигатель с искровым зажиганием – Двигатель внутреннего сгорания, обычно работающий на бензине или природном газе, в котором процесс сгорания инициируется свечой зажигания.

Ознакомьтесь с нашей продукцией для силовых установок здесь.

Скачать морские термины

---

Связанный контент

#}# #если (тмбурл) {#

#}# #if (вебинар) {# #если (!wCompl) {#

${длинная дата}

#если (оставшееся время) {#

Забронируйте место сейчас

#}# #}# #}#

#если (подкаст){# #}#

#if (contentType === ‘Telerik. Sitefinity.DynamicTypes.Model.UniversalArticles.UniversalArticle’ || contentType === ‘Telerik.Sitefinity.DynamicTypes.Model.Podcasts.Podcast’) {# #: длинная дата # #}# #if (isWebinar && wCompl) {# #: длинная дата # #}# #: этикетка #

#if (contentType === ‘Telerik.Sitefinity.DynamicTypes.Model.UniversalArticles.UniversalArticle’) {#

#: readTime # МИН ЧТЕНИЕ

#}# #if (contentType === ‘Telerik.Sitefinity.DynamicTypes.Model.Podcasts.Podcast’) {#

#: durationOfThePodcast # МИН ПРОСЛУШИВАНИЕ

#}# #if (contentType === ‘Telerik. Sitefinity.DynamicTypes.Model.Whitepapers.Whitepaper’) {#

#: pageAmount # #if(число_страниц > 1){# СТРАНИЦ #}еще{# СТРАНИЦА #}#

#}#

#: название #

#: резюме #

#if (!isWistia){# #}#

#for (var i=0,len=classificationNames.length; i${classificationTitles[i] } # } #

Цикл четырехтактного двигателя (анимированный) Объяснение

Введение

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания (ВС) используются уже более 100 лет, и с тех пор их конструкция существенно не изменилась. Каждый из четырехтактных двигателей с тактами используется для одной стадии цикла сгорания , т.е. имеется по одному такту для каждой из стадий всасывания, сжатия, мощности и выпуска.

 

Анимация четырехтактного двигателя

По сравнению с двухтактными двигателями четырехтактные двигатели имеют больше компонентов и весят больше, но они более эффективны. Четырехтактные двигатели могут работать на различных видах топлива, включая бензин/бензин , дизель , газ ( метан ) и биомасла (чтобы назвать несколько типов топлива).

Компоненты четырехтактного двигателя

Конструкции четырехтактных двигателей различаются, поэтому количество и тип компонентов, используемых в каждой конструкции, также различаются. Например, в двигателях с общей топливной рампой используются другие детали двигателя по сравнению с двигателями без общей топливной рампы.

Компоненты четырехтактного двигателя

Общие компоненты четырехтактного двигателя включают:

1. Поршень
2. Соединительный стержень (шатун)
3. Подшипники скольжения
4. Коленчатый вал
5. Распредвал
6. Камера сгорания (гильза цилиндра)
7. Впускные клапаны и Выпускные клапаны
8. Толкатели
9. Коромысел
10. Топливные форсунки

Получите доступ к 3D-модели ниже, если вы хотите изучить все основные компоненты двигателя и некоторую терминологию двигателя.

Компоненты двигателя и терминология

Примечание: Тип двигателя, показанный в этой 3D-модели, использует непосредственный впрыск топлива с топливными форсунками Common Rail .

Приведенное ниже видео является выдержкой из нашего онлайн-видеокурса «Основы работы двигателя внутреннего сгорания» .

 

Четырехтактному двигателю требуется четыре такта для завершения одного цикла сгорания . Ходы:

1. Всасывание (впуск)
2. Сжатие
3. Питание (зажигание)
4. Выхлоп

Еще один способ запомнить удары и их порядок — изменить формулировку на:

Ход 1 = Всасывание (всасывание) Ход 2 = Сжатие (выдавливание) Ход 3 = Мощность (бах!) Ход 4 = Выпуск (выдувание)

Ход всасывания

Такт всасывания всасывает воздух в гильзу цилиндра (камеру сгорания) по мере того, как поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ) . Когда поршень достигает НМТ , впускные клапаны закрываются, и поршень перемещается обратно вверх к верхней мертвой точке (ВМТ) ; это такта сжатия .

Четырехтактный двигатель с указанием ВМТ и НМТ

Такт сжатия

По мере движения поршня к ВМТ воздух в цилиндре сжимается ( объем уменьшается) и его температура и давление увеличивается. Незадолго до ВМТ в камеру сгорания впрыскивается топливо. Топливо воспламеняется и происходит управляемый взрыв .

График давления и объема

Рабочий ход

После зажигания начинается рабочий ход . Повышение давления и температуры, создаваемое сгоранием , толкает поршень к НМТ. После достижения НМТ все топливо в камере сгорания сожжено, и двигатель готов к последнему такту.

Такт выпуска

Такт выпуска является четвертым и последним тактом. Поршень движется от НМТ к ВМТ и выбрасывает выхлопные газы из камеры сгорания через выпускные клапаны. Как только поршень достигает ВМТ, открываются впускные клапаны, а через короткое время закрываются выпускные клапаны (примерно клапан перекрывается , чтобы обеспечить удаление всех выхлопных газов из камеры сгорания). Цикл сгорания завершен, так как выполнены все четыре такта.

Двигатели с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия

В бензиновых/бензиновых двигателях для зажигания используются свечи зажигания , в то время как в дизельных двигателях используется только тепло, выделяемое при сжатии. По этой причине бензиновые двигатели известны как двигателей с искровым зажиганием , а дизельные двигатели известны как .0003 двигатели с воспламенением от сжатия .

Детали 3D-модели

Эта 3D-модель показывает каждый этап цикла четырехтактного двигателя . Синий указывает на всасывание и сжатие, а красный указывает на расширение (мощность) и выпуск. Все клапаны и другие компоненты правильно синхронизированы, чтобы показать весь четырехтактный процесс.

Дополнительные ресурсы

http://www.animatedengines.com/otto.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_engine

Объединенный цикл Двигатель внутреннего сгорания

• Описание
• участники1
• Комментарии
• Результаты оценки
• Points

62

Share Via: 9007

62

Share Via: 9007

62

Share Via: 9007

62

Share Wia: 9007

62

. автомобили. Моя идея также использует отработанное тепло для движения трансмиссии.

---

Описание

Краткое описание

Двигатель внутреннего сгорания использует силы сгорания для перемещения поршней, а затем и трансмиссии автомобилей. Моя идея с комбинированным циклом использует отработанное тепло от выхлопных газов двигателя и радиатора в выпускном коллекторе для повышения давления и температуры охлаждающей жидкости в радиаторе в отдельном паровом цикле с замкнутым контуром. На выпускном конце водяного насоса имеется Т-образный фитинг 1/2 дюйма и шланг, идущий к стороне всасывания насоса более высокого давления, возможно, 1000 фунтов на квадратный дюйм. также приводится в движение коленчатым валом, как и обычный водяной насос двигателя. Слив этого насоса поступает в регулятор питательной воды, который пропускает эту воду под давлением 1000 фунтов на квадратный дюйм в барабан, как на современных электростанциях, но в гораздо меньшем масштабе. Половина этого барабана расположена внутри выхлопной системы, где выхлопные газы могут передавать ему свое тепло, повышая тем самым температуру и давление. В верхней части этого барабана паропровод идет к нагревательному змеевику, расположенному в выхлопной системе рядом с выпускным коллектором. где температура самая высокая, поэтому давление и температура повышаются еще больше. Пар высокого давления/температуры поступает к клапану управления потоком пара, затем к паровой турбине, которая соединена с зубчатым венцом и зацепляется с зубчатым венцом на ведущем валу, который соединен с трансмиссией, что увеличивает крутящий момент и снижает топливо для сжигания или турбина может быть подключена к генератору для привода электродвигателей, которые зацеплены с зубчатым венцом. Пар возвращается в конденсатор с воздушным охлаждением, аналогичный радиатору, где он конденсируется обратно в воду, которая направляется обратно на всасывание исходного водяного насоса низкого давления, таким образом замыкая замкнутый контур. Вся система, если она спроектирована должным образом, будет весить около 150 фунтов в зависимости от мощности двигателя. Компьютеризированная система будет гарантировать, что поток пара и поток питательной воды всегда совпадают, чтобы поддерживать уровень барабана в средней точке и чтобы конденсатор всегда поддерживался. уровень воды в нем.

---

Категория действия

Смягчение последствий – Что могут сделать федеральные агентства США для смягчения последствий изменения климата

---

Какие действия вы предлагаете?

Двигатели внутреннего сгорания эффективны не более чем на 37%, или примерно 2 из каждых 3 галлонов сожженного газа тратятся впустую, так как тепло в основном выходит прямо из выхлопных газов и радиатора…. Эта идея может сделать его эффективнее примерно на 70% с правильное инженерное и компьютерное моделирование. Это значительно снизит выбросы парниковых газов. Подобная технология уже существует сегодня на электростанциях с комбинированным циклом. Это не более чем перенос этой технологии на двигатель внутреннего сгорания. Его можно использовать в автомобильных и железнодорожных перевозках или там, где расположены дизельные генераторные установки. При использовании на стационарных дизельных электростанциях пар, полученный из выхлопных газов, может использоваться на отдельном турбогенераторе, не подключенном к той же трансмиссии, а в качестве конденсирующей среды может использоваться колодезная, озерная или морская вода. План действий» поможет профинансировать эту идею: http://www.whitehouse.gov/climate-change

---

Кто будет предпринимать эти действия?

Крупные автомобильные корпорации могут строить их в соответствии с государственными законами, которые снижают потребление ископаемого топлива, делая нас более независимыми от энергии. Правительственный «План действий по борьбе с изменением климата» поможет финансировать эту идею: http://www.whitehouse.gov/climate-change

---

Где будут осуществляться эти действия?

Эти действия могут быть предприняты по всему миру…

---

Насколько будут сокращены или изолированы выбросы по сравнению с обычными уровнями?

Если построить и выйти на рынок через 5-15 лет, все автомобили могут быть оснащены этой новой технологией, которая увеличит MPG. Двигатель внутреннего сгорания имеет КПД не более 37% или около 2 из каждых 3 галлонов газа. сгоревший тратится впустую, так как тепло в основном выходит прямо из выхлопной трубы и радиатора . … Эта идея может составить ~ 70% при правильном проектировании и компьютерном моделировании.

---

Каковы другие основные преимущества?

Я ежедневно изучаю эту идею и обнаружил, что она может обратить вспять многие пагубные последствия изменения климата, которые сегодня приносят нам ископаемые виды топлива, такие как CO2. SOX, NOX, твердые частицы, смог и так далее.

---

Какова стоимость предложения?

Экономические затраты будут связаны с первоначальным переоснащением заводов и содержанием нового оборудования. Не вижу никаких отрицательных побочных эффектов, если они могут снизить выбросы парниковых газов на ископаемом топливе примерно на 33%…

---

Временная шкала

Переоснащение заводов для производства автомобилей нового типа займет от 5 до 15 лет.

---

Связанные предложения

Не вижу..

---

Ссылки

Не известно о какой-либо подобной технологии.

0голосов

---

1 поддерживает

Двигатель внутреннего сгорания | Autopedia

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. сжатие
3. мощность
4. выпуск

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой тепловой двигатель, в котором сжигание топлива происходит в замкнутое пространство, называемое камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной чертой двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, непосредственно вызывающими движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже за счет давления и перемещения всего двигателя.

Это отличается от двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которая затем, в свою очередь, работает, например, путем нажатия на паровой поршень.

Термин «Двигатель внутреннего сгорания» (ДВС) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание прерывистое. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также определенно являются двигателями внутреннего сгорания.

Раскрашенный автомобильный двигатель

Содержание

• 1 История
  • 1.1 Приложения
  • 1.2 Механика внутреннего сгорания
• 2 Операция
• 3 детали
• 4 Классификация
  • 4.1 Принцип действия
  • 4.2 Цикл двигателя
    • 4.2.1 Двухтактный
    • 4.2.2 Четырехтактный
    • 4.2.3 Двигатель Бурка
    • 4.2.4 Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем
    • 4.2.5 Ванкель
    • 4.2.6 Скудери
    • 4.2.7 Вышедшие из употребления методы
  • 4.3 Типы топлива и окислителя
  • 4.4 Цилиндры
  • 4.5 Система зажигания
  • 4.6 Топливные системы
  • 4.7 Конфигурация двигателя
  • 4.8 Объем двигателя
  • 4. 9 Загрязнение двигателя
• 5 См. также
• 6 Библиография
• 7 Внешние ссылки

История

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на топливно-воздушной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания и ранних конструкций заключается в использовании сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

• 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
• 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия.
• 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет ([1]), в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая пробку из конца пистолета.

Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для питания сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

• 17 век: английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох для привода водяных насосов.
• 1794:Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип работы которого будет доминировать почти столетие.
• 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время уже устарел. Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области, где стандарты еще не были установлены, досталось лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.
• 1824: Сади Карно установил термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей во Франции в 1824 году. Это научно установило необходимость сжатия для увеличения разницы между верхней и нижней рабочими температурами, но неясно, знали ли конструкторы двигателей об этом раньше. сжатие уже широко использовалось. Это могло ввести в заблуждение дизайнеров, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
• 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель» без сжатия.
• 1838: патент был выдан Уильяму Барнету (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
• 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания (номер 1072), но не запустили его в производство. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
• 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822 — 1900) создал газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания. Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
• 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
• 1870: В Вене Зигфрид Маркус поставил первый передвижной бензиновый двигатель на ручную тележку.
• 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный двигатель с четырехтактным циклом (цикл Отто). Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.

Карл Бенц

• 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
• 1892: Рудольф Дизель изобрел дизельный двигатель.
• 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
• 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
• 1900: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель на Всемирной выставке (Всемирная выставка) 1900 года, использующий арахисовое масло (см. Биодизель).

Применение

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в мобильных силовых установках. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является предпочтительным, поскольку оно может обеспечить высокое отношение мощности к весу вместе с превосходной плотностью энергии топлива. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, многих лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень большая мощность, например, в реактивных самолетах, вертолетах и ​​больших кораблях, они появляются в основном в виде газовых турбин. Они также используются для электрических генераторов и в промышленности.

Механика внутреннего сгорания

Картофельная пушка использует основные принципы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: если вы поместите небольшое количество высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и подожжете его, вы получите невероятное количество энергии. выделяется в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, чтобы толкнуть картофелину на 500 футов. В этом случае энергия преобразуется в движение картофеля. Вы также можете использовать его для более интересных целей. Например, если вы можете создать цикл, который позволяет вам запускать подобные взрывы сотни раз в минуту, и если вы можете использовать эту энергию с пользой, то у вас есть сердцевина автомобильного двигателя!

Почти все автомобили в настоящее время используют так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движение. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. Четыре удара показаны на рисунке 1. Это:

1. Такт впуска
2. Такт сжатия
3. Такт сгорания
4. Такт выпуска

Эксплуатация

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермического химического процесса сгорания: реакции топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться и другие окислители, такие как закись азота. См. также стехиометрию.

Наиболее распространенные виды топлива, используемые сегодня, состоят из углеводородов и получены из нефти. К ним относятся виды топлива, известные как дизельное топливо, бензин и сжиженный нефтяной газ. Большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Также можно использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол. Некоторые могут работать на водороде, однако это может быть опасно. Водород горит бесцветным пламенем, и для герметизации фронта пламени требуются модификации блока цилиндров, головки цилиндров и прокладки головки.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь средства зажигания, способствующие сгоранию. В большинстве двигателей используется электрическая система зажигания или система зажигания с подогревом от сжатия. Системы электрического зажигания обычно полагаются на свинцово-кислотную батарею и индукционную катушку, чтобы обеспечить электрическую искру высокого напряжения для воспламенения воздушно-топливной смеси в цилиндрах двигателя. Аккумулятор можно заряжать во время работы с помощью генератора переменного тока, приводимого в движение двигателем. Системы воспламенения с подогревом от сжатия, такие как дизельные двигатели и двигатели HCCI, полагаются на тепло, выделяемое в воздухе за счет сжатия в цилиндрах двигателя для воспламенения топлива.

После успешного воспламенения и сгорания продукты сгорания, горячие газы, имеют больше доступной энергии, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (которая имеет более высокую химическую энергию). Доступная энергия проявляется в виде высокой температуры и давления, которые могут быть преобразованы двигателем в работу. В поршневом двигателе газообразные продукты высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того, как доступная энергия была удалена, оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в его предыдущее положение (ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, не переведенное в работу, является отходами и удаляется из двигателя воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя

Детали двигателя различаются в зависимости от типа двигателя. Для четырехтактного двигателя ключевыми частями двигателя являются коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя вместо системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитроихоидальной камере (в форме восьмерки) вокруг эксцентрикового вала. Четыре фазы работы (впуск, сжатие, мощность, выпуск) происходят в разных местах, а не в одном месте, как в поршневом двигателе.

В двигателе Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута. Честно говоря, я понятия не имею, что я делаю или говорю.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным областям применения. Точно так же существует широкий спектр способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «двигателем» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латыни, через старофранцузское, ingenium , «способность») означало любую часть машины. «Мотор» (от латинского двигатель , «двигатель») — любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют «двигателями», но двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Электродвигатель относится к локомотиву, работающему на электричестве).

Принцип действия

Бензиновый двигатель A 1906

Поршневой:

• Двигатель на сырой нефти
• Двухтактный цикл
• Четырехтактный цикл
• Двигатель с горячей лампой
• Тарельчатые клапаны
• Втулочный клапан

• Предлагается
  • Двигатель Бурка
• Улучшения
• Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Роторный:

• Продемонстрировано:
  • Двигатель Ванкеля
• Предложено:
  • Орбитальный двигатель
  • Квазитурбина
  • Тороидальный двигатель

Непрерывное горение:

• Газовая турбина
• Реактивный двигатель
• Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше загрязняют окружающую среду, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших кораблях. Эти двигатели используют принудительную индукцию для продувки цилиндров.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий такт на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и больше, чем их двухтактные аналоги. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве грузовых и автомобильных дизельных двигателей используется четырехтактный цикл, но с системой воспламенения с подогревом от сжатия можно говорить отдельно о дизельном цикле.

Двигатель Bourke

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом с помощью шатунной шейки, проходящей через общую шпильку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, за один оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе. Кривошипный механизм также устраняет боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндров.

Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Это также цилиндровые двигатели, которые могут быть однотактными или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используют два соединенных зубчатых колеса, концентрические кулачки, вращающиеся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили выступов кулачка (всегда нечетные и не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые расположены на 180 градусов друг от друга для каждой пары кулачков, вращающихся в противоположных направлениях. Для однотактных версий на пару цилиндров приходится столько же циклов, сколько кулачков на каждом кулачке, и вдвое больше для двухтактных агрегатов.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, его правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы происходят в разных местах двигателя. ; однако, как и двухтактный поршневой двигатель, он обеспечивает один «такт» мощности на оборот на ротор, что дает ему аналогичную эффективность пространства и веса. Фаза сгорания цикла Бурка более точно соответствует сгоранию при постоянном объеме, чем четырехтактный или двухтактный циклы. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому он должен преодолевать меньшее трение, чем два других возвратно-поступательных типа. Кроме того, его более высокая степень расширения также означает, что используется больше тепла от фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Scuderi

Новое изобретение Кармело Скудери, двигатель с разделенным циклом Scuderi, как утверждается, повышает эффективность двигателя с 33,2% до 42,6%. Кроме того, утверждается, что токсичные выбросы снижаются на целых 80%.

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых бескомпрессорных двигателях внутреннего сгорания: В первой части хода поршня вниз всасывалась или вдувалась топливно-воздушная смесь. На остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрывался и топливо/ сгорела воздушная смесь. При движении поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитировать работу поршневого парового двигателя.

Типы топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают бензин (британский термин: бензин), сжиженный нефтяной газ, испаренный нефтяной газ, сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, JP18 (реактивное топливо), свалочный газ, биодизельное топливо, биобутанол, арахис масло и другие растительные масла, биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другое биотопливо. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, которые используют газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Однако бензиновые двигатели, к сожалению, также часто в просторечии называют «газовыми двигателями».

Основные ограничения для топлива заключаются в том, что топливо должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании, чтобы сделать использование двигателя практичным.

Окислитель обычно представляет собой воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри транспортного средства, что увеличивает удельную мощность. Однако воздух можно сжимать и перевозить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили используют закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались в экспериментах; но в основном непрактичны.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее при более низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах. Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельными двигателями стали широко распространены с 19 века.90-х годов, что составляет около 40% рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Некоторые предполагают, что в будущем такое топливо может заменить водород. Кроме того, с внедрением технологии водородных топливных элементов использование двигателей внутреннего сгорания может быть прекращено. Преимущество водорода в том, что при его сгорании образуется только вода. Это не похоже на сжигание углеводородов, при котором также образуется двуокись углерода, основная причина глобального потепления, а также угарный газ в результате неполного сгорания. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение. Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше плотности воды и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендолой, создает водород по мере необходимости, но у него есть другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.)

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно от одного до двенадцати, хотя используется до 36 (Lycoming R-7755). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: Первое. двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшими отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрировать в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что точка разрыва составляет около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

• Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, в некоторых высокопроизводительных автомобилях их десять, двенадцать или даже шестнадцать, а в некоторых очень маленьких автомобилях и грузовиках — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
• Радиальные авиадвигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, например Pratt & Whitney R-4360. Ряд содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но он так и не был запущен в производство.
• Мотоциклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть (хотя существуют некоторые «новинки» с 8, 10 и 12 цилиндрами).
• Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но и туристических машин) их четыре.
• Небольшие переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют цепные пилы с двумя цилиндрами.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка цикла, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС. Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 90 градусов после ВМТ. Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук. Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания с патентом США, « Электровоспламенитель для газовых двигателей «, 16 августа 1898 г.

Топливные системы

Основная статья: Впрыск топлива

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль правильного количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможен.

Бензиновые двигатели большего размера, например, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива (см. Бензиновый непосредственный впрыск). Дизельные двигатели всегда используют впрыск топлива.

Двигатели, работающие на сжиженном газе, используют комбинацию систем впрыска топлива и карбюраторов с замкнутым контуром.

В других двигателях внутреннего сгорания, таких как реактивные двигатели, используются горелки, а в ракетных двигателях используются различные идеи, включая ударные струи, сдвиг газа/жидкости, предварительные горелки и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физический размер и плавность хода (более плавные двигатели производят меньшую вибрацию). Общие конфигурации включают прямую или встроенную конфигурацию, более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или оппозитную конфигурацию. Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию, обеспечивающую более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с оппозитным поршнем. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, по одному на каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Рабочий объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это смещение или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах или кубических дюймах для больших двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно кубических сантиметрах) для двигателей меньшего размера. Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент при более низких оборотах, но также потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Во-первых, увеличить ход поршня, а во-вторых, увеличить диаметр поршня 9.0665 (См. также: Коэффициент хода) . В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

Указанная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии. Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II имели двигатели с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были от одного и того же производителя. Однако объемы двигателей были указаны как 1000 куб.см, 1100 куб.см и 109 куб.см.8cc соответственно в торговой литературе и на значках автомобилей.

Загрязнение двигателя

Как правило, двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию угарного газа и некоторого количества сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшими углеводородами в зависимости от условий эксплуатации и соотношения топливо/воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому соотношению, чтобы добиться сгорания (топливо сгорало бы более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли из множества мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (СНГ), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку сжиженный нефтяной газ сгорает очень чисто и полно и не содержит серы или свинца.

• Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
• Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
• Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой характеристикой двигателей, но, поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит. Если двигатели работают на биомассе, то чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа во время роста.
• Водородные двигатели должны производить только воду, но когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

См.

также

• Уильям Барнетт — один из первых патентообладателей (1838 г.)

Библиография

• Певец Чарльз Джозеф; Рэпер, Ричард, История технологий: двигатель внутреннего сгорания , под редакцией Чарльза Сингера … [и др.], Clarendon Press, 1954–1978. стр. 157-176 [2]
• Харденберг, Хорст О., Средневековье двигателя внутреннего сгорания , Общество автомобильных инженеров (SAE), 1999

Внешние ссылки

• Анимированные двигатели — поясняет разнообразие типов
• Библия о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
• Модификации двигателя — поясняет, какие модификации доступны для двигателя автомобиля
.
• Среда самосовершенствования — ABC 702 Drive audio
• Роль технологии распыления и двигателей внутреннего сгорания
• Зажигание полуцилиндров — от V8 до V4
• Свечи зажигания — объясняет, почему свечи зажигания так важны

Как Николаус Август Отто создал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Во время своих путешествий Отто познакомился с первым двигателем внутреннего сгорания, построенным Ленуаром, и то, что Отто разработал, по-прежнему остается актуальным в современных двигателях внутреннего сгорания.

Опубликовано 5 ноября 2020 г., Жан-Франсуа Тиссо

Как мы уже обсуждали ранее, Этьен Ленуар внес огромный вклад в разработку двигателя внутреннего сгорания , и его работа напрямую повлияла на один из них.0148 Николаус Август Отто, молодой продавец из Германии. 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 прусское министерство торговли. 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, чей отец 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, N. A. Otto & Cie. Помимо своего участия в разработке двигателя внутреннего сгорания, Ланген разработал метод для производил кубики сахара на предприятии своего отца (1857 г.)0 с.

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 несколькими годами ранее. 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 встретить 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. Отметим, что, помимо Лангена, Отто, Даймлера и Майбаха, на Deutz впоследствии работали и некоторые другие очень известные люди, в том числе Проспер Л’Оранж (с 1904 до октября 1908 г. ), Этторе Бугатти (в 1907 г.) и Роберт Бош.

Разработка цикла Отто

В 1876 году Отто разработал четырехтактный цикл на газообразном топливе со сжатым зарядом, который 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 увеличить эффективность с чуть менее 5% до 15% между 1880 и 189 годами. 0 с.

Однако не все было 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.0 км/ч. Автомобиль был назван в честь дочери Еллинека по имени Мерседес. Но это уже другая история…

Цикл Отто

Часто в литературе четырехтактный цикл с искровым зажиганием, который до сих пор широко используется в большинстве автомобилей, называют «циклом Отто», в основном благодаря тому факту, что Н.