Такты работы двс: Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Опубликовано: 18.05.2016

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

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

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

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

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

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

Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье как устроен двигатель внутреннего сгорания.

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200^оС.

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

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600^оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900^оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700^оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

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

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

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

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Циклы двигателя внутреннего сгорания — Машины — Термодинамика

А) Ниже мы рассмотрим каждую стадию цикла отдельно.

Этап 1

Мы знаем из гипотезы, что воздух в начале сжатия находится при и . Следовательно, начальное давление равно:

(1)

а начальная температура в кельвинах () равна:

(2)

Мы также знаем из гипотезы, что степень сжатия равна . Поскольку степень сжатия определяется как:

(3)

получаем начальный объем:

(4)

что становится, принимая во внимание то и это объем клиренса ():

(5)

Поэтому , , и .

Этап 2

Имеем из гипотезы, что верхнее давление равно . Следовательно:

(6)

Также из гипотезы имеем, что объем клиренса равен . Таким образом:

(7)

Принимая во внимание, что:

(8)

мы можем написать как:

(9)

Заменяя числовые значения (см. 1, 2, 5, 6 и 7), получаем:

(10)

из которого:

(11)

Поэтому , , и .

Этап 3

(12)

откуда с учетом (6) получаем, что:

(13)

Для шага цикла мы также можем написать, что:

(14)

где – подводимая теплота (), удельная теплоемкость при постоянном давлении (), – разность температур, выраженная в , а – количество газа, присутствующего при давлении и температуре . Для расчета можно написать так:

(15)

из которого:

(16)

Принимая во внимание, что:

(17)

а также заменяя другие числовые значения (см. 1, 2 и 5), получаем, что:

(18)

(19)

Используя значение из (19) в уравнении (14), а также учитывая, что , и что , мы получаем, что:

(20)

что приводит к:

(21)

или, переведя разницу температур в кельвины, в:

(22)

Как (см. 11), получаем как:

(23)

Еще для шага цикла мы можем написать, что:

(24)

из которого становится:

(25)

или, заменив числовые значения (см. 7, 11 и 23):

(26)

Уравнение (26) приводит к:

(27)

Поэтому , , и .

Этап 4

Поскольку этап цикла Дизеля является изохорным (см.

(28)

откуда с учетом (5) получаем, что:

(29)

Что касается шага цикла, мы имеем следующее:

(30)

мы можем написать:

(31)

из которого становится:

(32)

или, заменив числовые значения (см. 13, 27 и 29):

(33)

Из уравнения (33) получаем:

(34)

Мы знаем, что Следовательно, мы можем разделить уравнение (30) на и все равно получить константу:

(35)

Уравнение (35) также можно записать в виде:

(36)

(37)

Следовательно, мы можем написать, что:

(38)

из которого становится:

(39)

или, заменив числовые значения (см. 23, 27 и 29):

(40)

Из уравнения (40) получаем:

(41)

Поэтому , , и .

Б) Производительность цикла определяется по формуле:

(42)

тогда как ). Для расчета можно написать так:

(43)

что приводит к:

(44)

Применяя функцию к уравнению (44), получаем:

(45)

(46)

или, заменив числовые значения (см. 1, 5, 6 и 7):

(47)

Уравнение (47) приводит к:

(48)

Заменяя все числовые значения в уравнении (42) (см. 1, 5, 6, 7, 13, 27, 29 и 34), а также учитывая, что , (см. 48), и что , получаем работу сделано как:

(49)

из чего получаем:

(50)

C) Мы знаем, что тепловой КПД определяется как:

(51)

где — произведенная работа и подведенное тепло.

Так как в нашем случае (см. 50) и , а также с учетом того, что получаем тепловой КПД цикла Дизеля как:

(52)

из чего получаем:

(53)

или, выраженное в процентах:

(54)

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был доминирующим первичным двигателем в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти XIX века [подробнее см., например, Heywood (1988)]. Его цель состоит в том, чтобы генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри рабочей части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания. Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциируется с двигатели с искровым зажиганием (иногда называемые Отто, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельные двигатели (или двигатели с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в различных устройствах, начиная от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт и заканчивая ручными инструментами, мощность которых составляет менее 100 Вт. Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между от крупных дизелей с диаметром цилиндра более 1000 мм, совершающих возвратно-поступательные движения со скоростью до 100 об/мин, до небольших бензиновых двухтактных двигателей с диаметром цилиндра около 20 мм. В эти две крайности входят среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели большой мощности, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Из всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются самыми крупными двигателями, производимыми в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают по так называемому четырехтактному циклу (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение/мощность и выпуск. Каждый цилиндр двигателя требует четырех ходов поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, которая приводит к производству мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска начинается с движения поршня вниз, который всасывает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через порт/клапан в сборе, и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ). Смесь образуется либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через форсунку игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). По сути, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (клапанов) зависит от конструкции впускного коллектора, которая влияет на газодинамику и объемный КПД двигателя, а также на частоту вращения двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его целью является подготовка смеси к горению за счет повышения ее температуры и давления. Сгорание инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым повышением давления в цилиндре.

Такт мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ. В этот момент газы высокой температуры и высокого давления, образующиеся при сгорании, толкают поршень вниз, тем самым заставляя кривошип вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, выпускной клапан (клапаны) открывается, и сгоревшие газы выходят из цилиндра из-за перепада давления между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот такт выхлопа завершает цикл двигателя, удаляя из цилиндра сгоревшие, частично сгоревшие или даже несгоревшие газы, выходящие из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже угла поворота коленчатого вала.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают существенное влияние на продолжительность сгорания, скорость повышения давления и образование загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь в конце газа может самовоспламениться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к стуку , что порождает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Свойство бензинового топлива сопротивляться самовоспламенению и таким образом предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется его октановым числом . До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов обусловили необходимость использования неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношение объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на тепловой КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто в честь его изобретателя Николауса Отто, построившего первый двигатель в 1876 году, производит рабочий такт за каждые два оборота коленчатого вала. Одним из способов увеличения выходной мощности двигателя данного размера является преобразование его в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности, хотя и не до двойного уровня, ожидаемого при простых расчетах, он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах как с искровым зажиганием, так и с дизельными двигателями. Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрывающимися и открываемыми движением поршня, вместо громоздкой и сложной конструкции с верхним кулачком.

В двухтактном цикле тактов сжатия начинаются после того, как впускное и выпускное отверстия закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается, а затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично воспламенению в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание вблизи ВМТ. При этом в картер допускается поступление свежего заряда перед последующим его сжатием движущимся вниз поршнем во время такта мощности или такта расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень до тех пор, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные, а затем впускные (перекачивающие) каналы. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, поступает в цилиндр через правильно ориентированные передаточные отверстия.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра в процессе продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштабы этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления поступающего заряда в сторону от расположения выпускных отверстий, эффективность наддува в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через пневматические форсунки в период, когда и выпускное, и перепускное отверстия закрыты. Несмотря на короткий период, доступный для смешивания, распылители с подачей воздуха могут обеспечить гомогенную обедненную смесь во время воспламенения, генерируя капли бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия известен своим высоким КПД, сниженным расходом топлива и относительно низким общим выбросом газов. Его название происходит от имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858–1913 гг. ), который в 1892 г. описал в своем патенте форму двигателя внутреннего сгорания, не требующую внешнего источника воспламенения и в которой сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в двигатель. высокая температура и давление воздуха в конце такта сжатия.

Неотъемлемые преимущества эффективности дизельного двигателя проистекают из его обедненной общей смеси, высокой степени сжатия двигателя, обеспечиваемой отсутствием воспламенения конечных газов (детонации) и более высокими степенями расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческого применения, такого как корабли/лодки, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и за последние 20 лет или около того , легковых автомобилей, а особенно в Европе.

Недостаток дизельных двигателей с низкой выходной мощностью был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к весу двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей, независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от работы двигателя с искровым зажиганием главным образом способом образования смеси перед сгоранием. Только воздух вводится в двигатель через спиральный или направленный порт, а топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия, после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизель с непрямым впрыском или IDI) или в основную камеру (дизель с непосредственным впрыском). или DI) непосредственно перед началом горения.

Потребность в хорошем смешивании топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется системами впрыска топлива под высоким давлением, которые создают капли со средним диаметром около 40 мкм. Для легковых автомобилей системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, которые различаются по своей конструкции в зависимости от применения; в дизельных двигателях с непосредственным впрыском используются форсунки с отверстиями, а в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа. В более крупных дизельных двигателях используются рядные топливные насосы высокого давления, насос-форсунки (насос и форсунка, объединенные в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровней выбросов выхлопных газов транспортных средств. и двигателей всех типов. С момента их введения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой сложной задачей, связанной со стандартами, согласованными для 19 лет.96 и далее, которые обобщены для легковых автомобилей в таблице  1. Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе в 2000 году, будут еще ниже, после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов после начала века. Однако неясно, удовлетворят ли существующие двигатели этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские нормы выбросов за 1996 год

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязняющими веществами в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO _x = NO + NO ₂ ), а в дизельных двигателях , NO _x и твердые частицы, которые состоят из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, являющиеся стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, работающими на неэтилированном бензине, пропускают около 90% сокращение выбросов HC, CO и NO _x путем их преобразования в диоксид углерода (CO ₂ ), воду (H ₂ O) и N ₂ .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO ₂ . Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сжигания бедных смесей с соотношением воздух-топливо намного выше 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям, работающим на обедненной смеси, соответствовать требованиям будущего законодательства по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в научных кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO 9 .0335 2 и H ₂ O, а также по рециркуляции отработавших газов и замедленному впрыску для снижения уровней NO _x .