Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя: Рабочий цикл четырехтактного и двухтактного двигателей: описание и принцип работы

«Рабочий цикл 4-х тактного бензинового двигателя»

Цель: Познакомить учащихся с рабочим циклом четырехтактного бензинового двигателя.

1. Образовательная: познакомить учащихся с рабочим циклом четырехтактного бензинового двигателя.

2. Воспитательная: воспитание у учащихся сознательного отношения к правильной эксплуатации узлов и агрегатов двигателя автомобиля.

3. Развивающая: формировать навыки самостоятельной творческой работы с узлами и агрегатами автомобиля.

Структурная часть	Деятельность преподавателя	Деятельность учащихся	Цели
1. Организационный момент – 1 мин.	Приветствует учащихся, отмечает в журнале отсутствующих.	Учащиеся приветствуют преподавателя, командир помогает преподавателю отметить отсутствующих.	Подготовка учащихся к работе на занятии, включение учащихся в деловой ритм.
2. Актуализация опорных знаний через опрос учащихся – 4 мин.	« Ребята, скажите, пожалуйста: как работает двигатель внутреннего сгорания?»	Учащиеся отвечают на заданные преподавателем вопросы.	Выяснение степени ознакомления с устройством автомобиля.
3. Мотивация учебной деятельности – 1 мин.	Итак, ребята, мы с вами вспомнили, как работает двигатель внутреннего сгорания. А сегодня рассмотрим рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя.	Учащиеся внимательно слушают преподавателя.	Организация внимания учащихся, обеспечение восприятия нового материала.
4. Изучение нового материала – 25 мин.	Итак, тема нашего занятия: «Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя». Цель, которая будет стоять перед нами — разобраться, из чего состоит рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя? Я надеюсь, что ответ на этот вопрос вы найдете в течение нашего занятия. «Ребята, как вы думаете, что такое рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя?» Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя состоит из тактов впуска, сжатия, расширения, и выпуска (рис. 4.1). Такт впуска. При такте впуска поршень в цилиндре перемещается от в.м.т. до н.м.т. Коленчатый вал поворачивается под действием стартера (если производится запуск двигателя) или по инерции от маховика и/или крутящего момента, создаваемого поршнями других цилиндров (если двигатель работает). Впускные клапаны при такте впуска открыты, выпускные закрыты. За счёт разрежения, создаваемого движущимся поршнем, топливно-воздушная смесь из впускного трубопровода через открытые впускные клапаны поступает в цилиндр. Разрежение в цилиндре на такте впуска может достигать 0,07 МПа. Разряжение в 0,07 МПа является существенной величиной и определяет чувствительность двигателя к негерметичности соединений, через которые в цилиндр поступает «лишний» воздух. «Лишний» воздух обедняет рабочую смесь, что приводит к неустойчивой работе двигателя, особенно на режиме холостого хода. Температура в цилиндре к концу такта впуска опускается до 130 – 100°С. Клапаны, стенки камеры сгорания и стенки цилиндров, поршни и другие детали ЦПГ охлаждаются новой порцией смеси, заполняющей цилиндр. Пройдя нижнюю мёртвую точку, поршень начинает движение к верхней мёртвой точке при такте сжатия. Такт сжатия. Поршень движется к в.м.т., но сжатие смеси начинается не тогда когда поршень начинает движение «вверх» а спустя некоторое время после этого, когда закроется впускной клапан. Время открытия и закрытия как впускных, так и выпускных клапанов, как правило, не совпадает с моментом прихода поршня в мёртвую точку. Открытие клапанов происходит раньше этого момента, а закрытие позже, что необходимо для более полного наполнения цилиндров свежей порцией горючей смеси и для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов. Время открытия и закрытия клапанов удобно выражать в углах поворота коленчатого вала, так как угол поворота проще измерить и проконтролировать. В этом случае говорят об углах опережения открытия и углах запаздывания закрытия клапанов относительно мёртвых точек. При сжатии рабочей смеси в цилиндре растёт давление и температура, которые достигают максимума  при приближении поршня к в.м.т. (8 –14 кгс/см2 и 400 — 500°С, соответственно). В конце такта сжатия (поршень не доходит до в.м.т. на 1 — 30° по углу поворота КВ) смесь в цилиндре воспламеняется от электрической искры и сгорает. Температура горения топливной смеси бензиновых двигателей может достигать 2800°С. Под воздействием температуры давление газов в цилиндре возрастает до 30 – 70 кгс/см2 и поршень начинает движение к н.м.т., совершая полезную работу, т.е. через шатун вращает коленчатый вал двигателя. Воспламенение (зажигание) рабочей смеси в камере сгорания происходит раньше прихода поршня в в. м.т. Такое зажигание называетсяранним зажиганием. Физический смысл необходимости «раннего» воспламенения смеси упрощённо сводится к следующему: Топливо необходимо сжечь к моменту прихода поршня в верхнюю мёртвую точку, для того чтобы максимальное давление газов начало действовать на поршень с началом его движения к н.м.т. В этом случае мощность двигателя будет наибольшей, а расход топлива оптимальным. Если смесь сгорает до прихода поршня в в.м.т., зажигание слишком раннее, если смесь горит при движении поршня к н.м.т. – зажигание позднее (на самом деле процесс горения смеси продолжается некоторое время при такте рабочего хода). Как при чрезмерно раннем, так и позднем зажигании, рабочие характеристики двигателя ухудшаются. Так как с увеличением оборотов коленчатого вала двигателя поршень движется быстрее, то и зажигание должно быть более ранним. Время воспламенения топливной смеси (также как и время открытия – закрытия клапанов) выражается в углах поворота коленчатого вала относительно в. м.т. и называется углом опережения зажигания. В зависимости от оборотов КВ угол опережения зажигания современных двигателей меняется в пределах от 0 до 30 и, иногда более градусов. Угол опережения зажигания, устанавливаемый для оборотов «холостого хода», называется начальным углом опережения зажигания. Такт расширения. Пройдя верхнюю мёртвую точку, поршень движется к н.м.т. под давлением расширяющихся газов. Процесс сгорания смеси начинается до прихода поршня в в.м.т. в конце предыдущего такта и длится 40 — 60° в углах поворота КВ. Впускные и выпускные клапаны закрыты, но за 45 — 60° до прихода поршня в н.м.т. начинает открываться выпускной клапан. С открытием выпускных клапанов давление в цилиндре быстро снижается до 5 – 3кгс/см2, температура к концу такта опускается до 1300 — 900°С. К моменту перехода поршнем нижней мёртвой точки выпускной клапан будет полностью открыт, а цилиндр «готов» к очистке от отработавших газов. Такт выпуска. Двигающийся к верхней мёртвой точке поршень, через выпускные клапаны, вытесняет отработавшие газы в систему выпуска двигателя. Вследствие сопротивления выпускной системы и ряда других факторов, часть отработавших газов остаётся в цилиндре и участвует при последующем такте впуска в смесеобразовании, часть газов на впуске искусственно возвращается в цилиндр (рециркулируется), с целью снижения содержания в отработавших газах окислов азота. Давление в конце такта выпуска немногим больше атмосферного, температура опускается до 400 — 300°С. За 9 — 40° до прихода поршня в в.м.т. открывается впускной клапан. Выпускной клапан при этом продолжает быть открытым вплоть до начала очередного такта впуска, и некоторое время спустя, после того как поршень начнёт движение «вниз». Угол поворота кривошипа коленчатого вала, при котором впускной и выпускной клапаны одновременно приоткрыты, называется углом перекрытия клапанов.  Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала относительно мёртвых точек, называют фазами газораспределения.  Фазы газораспределения «среднестатистического» бензинового двигателя, в виде круговой диаграммы, показаны на рис. 4.2. При дальнейшем вращении КВ, рассмотренные нами такты будут чередоваться в той же последовательности. Как мы видим, протекание того или иного такта в цилиндре двигателя зависит от положения клапанов (открыты или закрыты) и направления движения поршня. Например, такт впуска возможен, если поршень движется вниз, впускные клапаны открыты, а выпускные закрыты. За своевременное открытие – закрытие клапанов «отвечает» распределительный вал, за направление движения поршней – коленчатый вал. Для обеспечения рабочего цикла двигателя работа кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов должна быть синхронизирована. «Синхронизация» обеспечивается установкой коленчатого и распределительного валов в «стартовую позицию» по специальным меткам, выбитым на шкивах валов и корпусных деталях двигателя и получившим название — «метки фаз газораспределения». Если метки фаз газораспределения, по каким либо причинам не совпадают (например, при сборке двигателя механик не обеспечил правильную установку валов) двигатель будет работать неустойчиво или попросту не заведётся. В худшем случае может произойти поломка двигателя из-за «встречи» (столкновения) клапана и поршня. Типовое расположение меток на шкивах коленчатых и распределительных валов показано на рис. 4.3.	Учащиеся записывают название темы занятия. Учащиеся отвечают на поставленный преподавателем вопрос. Учащиеся самостоятельно работают с наглядным пособием, слушают объяснения преподавателя и записывают в тетради рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. Учащиеся записывают в тетради изменения, происходящие в цилиндре при такте впуска. Учащиеся записывают в тетради изменения, происходящие в цилиндре при такте сжатия. Учащиеся записывают в тетради изменения, происходящие в цилиндре при такте расширения. Учащиеся записывают в тетради изменения, происходящие в цилиндре при такте выпуска. Учащиеся самостоятельно работают с наглядным пособием, слушают объяснения преподавателя и записывают в тетради «Диаграмму фаз газораспределения четырехтактного двигателя». Учащиеся самостоятельно работают с наглядным пособием, слушают объяснения преподавателя и записывают в тетради «Типовое расположение меток на шкивах коленчатых и распределительных валов».	Преподаватель сообщает тему урока и нацеливает учащихся на изучение нового материала. Изучение нового материала начинается с вопроса: «Что такое рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя?» Преподаватель обращает внимание на изменения, происходящие в цилиндре при такте впуска. Преподаватель обращает внимание на изменения, происходящие в цилиндре при такте сжатия. Преподаватель обращает внимание на изменения, происходящие в цилиндре при такте расширения. Преподаватель обращает внимание на изменения, происходящие в цилиндре при такте выпуска. Применяется объяснительно-иллюстрированный метод, используются наглядное пособие «Диаграмма фаз газораспределения четырехтактного двигателя» Применяется объяснительно-иллюстрированный метод, используются наглядное пособие «Типовое расположение меток на шкивах коленчатых и распределительных валов».
5.Закрепление изучаемого материала – 8 мин.	Итак, давайте закрепим материал нашей темы. Я предлагаю вам обратиться к записям в своих тетрадях с целью повторения материала. Ну, а теперь ответьте на вопрос: «Что такое рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя?»	Учащиеся работают со своими тетрадями. Предполагаемый ответ: Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя состоит из тактов впуска, сжатия, расширения, выпуска.	Самостоятельная работа с тетрадями. Используется метод контроля (письменная проверка знаний).
6.Обобщение и систематизация изучаемого материала – 2 мин.	Предлагаю рассказать, что нового учащиеся узнали на уроке.	Слушают вопросы, отвечают, делают выводы по изученному материалу.
7.Подведение итогов занятия и оценка деятельности учащихся – 3 мин.	Вначале занятия перед вами был поставлен вопрос: «Из чего состоит рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя?» Я надеюсь, что вы уже сможете ответить на этот вопрос. Итак, Какова цель нашего занятия? Достигли ли мы ее? Что нового вы сегодня узнали? Вам понравилось занятие? Преподаватель делает выводы по результатам занятия, анализирует работу учащихся. Знакомит с оценками за работу на уроке.	Каждый учащийся высказывает свое мнение по данному вопросу. Учащиеся отвечают на поставленные преподавателем вопросы. Учащиеся слушают, анализируют, делают выводы.	Рефлексия
8.Сообщение домашнего задания – 1 мин.	К следующему уроку, знать какие функции выполняют узлы и механизмы трансмиссии и коробки передач автомобиля?	Учащиеся записывают домашнее задание.	Информация домашнего задания, инструкция по его выполнению.

3.2. Действительные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Действительные рабочие циклы, протекающие при работе реальных поршневых ДВС, существенно отличаются от теоретических или термодинамических циклов. Эти отличия определяются следующим: изменением химического состава рабочего тела в течение цикла; сменой рабочего тела от цикла к циклу; сообщением теплоты рабочему телу по сложным закономерностям, определяемым процессом сгорания; наличием теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра.

Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. В результате КПД действительного цикла меньше КПД теоретического.

Рабочий цикл в цилиндре двигателя характеризуется изменением температуры и давления рабочего тела. Изменение давления газов за цикл может быть представлено графически в виде индикаторной диаграммы. Индикаторная диаграмма используется для изучения и анализа процессов, протекающих в цилиндре двигателей. Она может быть получена с помощью специального прибора — индикатора давления, который регистрирует зависимость давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала . Такая диаграмма называется «развернутой». Полученную индикаторную диаграмму можно с учетом связи между ходом поршня и углом поворота коленчатого вала перестроить в координатах

-V. В этом случае она называется «свернутой». Типичная индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя в координатах — представлена на рис. 2,б, а в координатах Р-V на рис. 2,а.

Рис. 2. Индикаторная диаграмма безнаддувного бензинового двигателя: а) свернутая; б) развернутая.

Рабочим циклом, происходящим в цилиндре двигателя, называется комплекс следующих друг за другом в одной и той же последовательности физических и химических процессов, в результате, которого выделяющееся при сгорании топлива количество теплоты преобразуется в механическую работу.

Тактом называется перемещение поршня от ВМТ до НМТ или наоборот. Плоскость, в которой находится верхняя кромка поршня при его наибольшем удалении от оси кривошипа, называется верхней мертвой точкой — ВМТ (рис. 1). При таком положении поршня кривошип направлен вверх, шатун является его продолжением и оба они лежат на оси цилиндра.

Рабочий цикл может осуществляться за два или четыре такта. Подавляющее большинство автотракторных двигателей работают по четырехтактному циклу, обеспечивающему их лучшую топливную экономичность, меньшую дымность и токсичность отработавших газов.

По двухтактному циклу работают двигатели средств малой механизации и мотоциклетные двигатели.

В четырехтактном бензиновом двигателе рабочий цикл протекает в течение двух оборотов коленчатого вала. На рис. 2,а,б представлена индикаторная диаграмма безнаддувного бензинового двигателя, а также диаграмма фаз их газораспределения (рис. 3), на которой обозначены моменты начала открытия и конца закрытия впускного и выпускного клапанов.

Рис. 3. Диаграмма фаз газораспределения.

1. Такт впуска (r — а) поршень перемещается от ВМТ к НМТ, а освобождающаяся надпоршневая полость цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом, называемой горючей смесью. Горючая смесь и продукты сгорания, всегда остающиеся в объеме камеры сжатия от предыдущего цикла, смешиваясь между собой, образуют

рабочую смесь.

Количество горючей смеси, поступающей в цилиндр за один рабочий цикл, называют свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся к моменту поступления в него свежего заряда, — остаточными газами.

Для повышения эффективной мощности двигателя, стремятся увеличить абсолютную величину свежего заряда и его массовую долю в рабочей смеси. Достигают это снижением сопротивления впускных патрубков и других элементов впускного тракта, использованием переменных фаз газораспредления, повышением давления на впуске, т.е. применением наддува двигателя, вследствие чего повышается плотность свежего заряда и, следовательно, массовое наполнение цилиндров. Для лучшего наполнения цилиндров свежей смесью целесообразно увеличить продолжительность фазы впуска. С этой целью впускные клапана открывают до верхней мертвой точки (ВМТ), а закрывают после нижней мертвой точки (НМТ).

φ₁ – угол опережения открытия впускного клапана – позволяет обеспечить требуемое проходное сечение впускного клапана к моменту прихода поршня в верхнюю мертвую точку (φ = 10 — 20° по углу поворота коленчатого вала (ПКВ)).

φ₂ – угол опаздывания закрытия впускного клапана – позволяет улучшить наполнение цилиндров за счет использования силы инерции входящей смеси. При увеличении частоты вращения коленчатого вала этот угол желательно увеличивать (переменные фазы газораспредления), так как возрастает инерция входящей смеси (φ = 30 — 60° ПКВ).

2. Такт сжатия (а – с) (рис. 2,а) оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, сжимает рабочую смесь (в общем случае — рабочее тело). Предварительное сжатие рабочего тела интенсифицирует процесс сгорания. При нахождении поршня вблизи ВМТ рабочую смесь поджигают от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (до 18 кВ). Для подачи искры в цилиндр двигателя с принудительным воспламенением служит свеча

1 зажигания, которую ввертывают в головку цилиндра, как показано на схеме рис. 1.

3. Такт расширения (с — z – в), в течение которого поршень перемещается от ВМТ до НМТ, совершая рабочий ход. Во время этого такта в цилиндре происходят три процесса — сгорание, расширение продуктов сгорания и начало их выпуска, причем первый из них начался еще в конце такта сжатия. Раскаленные газы, стремясь расшириться, перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на шатунную шейку коленчатого вала и вызывает его вращение.

3. Такт выпуска (b—r) поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открывающийся к этому времени выпускной клапан 2 выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объеме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочего цикла.

Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию ее в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгорания, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счет кинетической энергии маховика, которую он накапливает при рабочем ходе. В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счет работы других цилиндров, поэтому в принципе они могут работать без маховика.

Для повышения мощности двигателя необходимо улучшить очистку цилиндров от остаточных газов (ОГ). Объясняется это следующими причинами: ОГ имеют высокую температуру, следовательно, входящая свежая смесь будет подогреваться – ее плотность уменьшиться – массовое наполнение цилиндров ухудшиться; ОГ – это инертный продукт, замедляющий процесс сгорания (необходимо чтобы сгорание происходило в минимальном объеме, т. е. в районе ВМТ).

Для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов (ОГ) целесообразно увеличить продолжительность фазы выпуска. С этой целью выпускные клапана открывают до нижней мертвой точки (НМТ), а закрывают после верхней мертвой точки (ВМТ).

– угол опережения открытия выпускного клапана – позволяет уменьшить отрицательную работу, затрачиваемую на выпуск ОГ

(φ = 30-60° ПКВ).

– угол опаздывания закрытия выпускного клапана – позволяет улучшить очистку цилиндров за счет использования силы инерции выходящий газов (φ = 10-20° ПКВ).

В районе ВМТ между двумя последовательными циклами, где впускной клапан уже начинает открываться, а выпускной еще не закрылся, оба клапана находятся в приоткрытых положениях. Это называется перекрытием клапанов. Перекрытие позволяет уменьшить теплонапряженность деталей камеры сгорания и улучшить очистку цилиндров от ОГ.

Четырехтактный бензиновый двигатель — цикл Отто

Цикл Отто — двигатель Отто

В 1876 году немецкий инженер Николаус Август Отто, продвинулся в изучении тепловых двигателей, построив первый работающий четырехтактный двигатель. Стационарный двигатель, использующий в качестве топлива угольную газовоздушную смесь. Вильгельм Майбах (1846-1929), один из самых важных немецких инженеров, усовершенствовал конструкцию, которая производилась в больших количествах уже в конце 1876 года. Эти изобретения быстро изменили мир, в котором они жили.

Цикл двигателя Отто называется циклом Отто. Это один из наиболее распространенных термодинамических циклов , встречающихся в автомобильных двигателях, а описывает работу типичного поршневого двигателя с искровым зажиганием. В отличие от цикла Карно цикл Отто не выполняет изотермические процессы, потому что они должны выполняться очень медленно. В идеальном цикле Отто система, выполняющая цикл, претерпевает серию из четырех внутренне обратимых процессов: два изоэнтропических (обратимых адиабатических) процесса чередуются с двумя изохорными процессами.

Поскольку принцип Карно гласит, что ни один двигатель не может быть более эффективным, чем обратимый двигатель ( тепловой двигатель Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами, двигатель Отто должен иметь более низкий КПД, чем КПД двигателя Карно . Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД примерно от 25% до 30% . Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.

Четырехтактный двигатель — двигатель Отто
Источник: wikipedia.org, собственная разработка Zephyris, CC BY-SA 3. 0

Цикл Отто — четырехтактный двигатель

Цикл Отто представляет собой набор двигателей внутреннего сгорания с искровым тактный или четырехтактный циклы). Николаус Август Отто первым разработал так называемый четырехтактный двигатель. Под ходом понимается полный ход поршня вместе с цилиндром в любом направлении. Следовательно, каждый из них не соответствует одному термодинамическому процессу, приведенному в главе 9.0005 Цикл Отто – Процессы.

Четырехтактный двигатель состоит из:

• такта впуска – Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит 0 → 1. В этом такте впускной клапан открыт, в то время как поршень втягивает воздушно-топливную смесь в цилиндр, создавая разрежение в цилиндре посредством своего движения вниз.
• такт сжатия – Поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), и цикл проходит точки 1 → 2 . В этом такте впускной и выпускной клапаны закрыты. Поэтому топливно-воздушная смесь сжимается. В конце этого такта топливно-воздушная смесь воспламеняется от искры, что вызывает дальнейшее повышение давления и температуры в камере. В конце этого такта коленчатый вал совершил полный оборот на 360 градусов.
• Рабочий ход – Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит точки 2 → 3 → 4. В этом такте впускной и выпускной клапаны закрыты. В начале рабочего такта искра воспламеняет топливно-воздушную смесь в камере сгорания, что вызывает очень быстрое сгорание топлива. В этом такте поршень движется к коленчатому валу, объем увеличивается, а давление падает, поскольку газ совершает работу над поршнем.
• такта выпуска. Поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), и цикл проходит 4 → 1 → 0. В этом такте выпускной клапан открыт, в то время как поршень вытягивает выхлопные газы из камеры. В конце этого такта коленчатый вал совершил второй полный оборот на 360 градусов. . Основные различия между реальным и идеальным двигателем Отто показаны на рисунке. В действительности идеального цикла не бывает, и с каждым процессом связано много потерь. Для реального цикла форма pV-диаграммы аналогична идеальной, но площадь (работа), охватываемая pV-диаграммой, всегда меньше идеального значения. Идеальный цикл Отто основан на следующих предположениях:
  • Замкнутый цикл.  Самое большое различие между двумя диаграммами заключается в упрощении тактов впуска и выпуска в идеальном цикле. В такте выпуска тепло Q _out выбрасывается в окружающую среду. В реальном двигателе газ покидает двигатель и заменяется новой смесью воздуха и топлива.
  • Мгновенный подвод тепла (изохорический подвод тепла). В реальных двигателях подвод тепла происходит не мгновенно. Следовательно, пиковое давление находится не в ВМТ, а сразу после ВМТ.
  • Отсутствие теплопередачи (адиабатическое)
    • Сжатие – Газ (топливно-воздушная смесь) адиабатически сжимается из состояния 1 в состояние 2. В реальных двигателях всегда есть некоторые неэффективности, которые снижают тепловую эффективность.
    • Расширение. Газ (топливно-воздушная смесь) адиабатически расширяется из состояния 3 в состояние 4.
  • Полное сгорание топливно-воздушной смеси.
  • Без насосных работ . Насосная работа – это разница между работой, совершаемой во время такта выпуска и такта впуска. В реальных циклах существует разница давлений между давлением на выходе и на входе.
  • Без потерь при продувке . Раннее открытие выпускных клапанов приводит к потере продувки. Это приводит к потере производительности во время такта расширения.
  • Без картерных газов . Потеря картерных газов вызвана утечкой сжатых газов через поршневые кольца и другие щели.
  • Без потерь на трение .

  Эти упрощающие допущения и потери приводят к тому, что площадь (работа) pV-диаграммы реального двигателя значительно меньше, чем площадь (работа) pV-диаграммы идеального цикла. Другими словами, идеальный цикл двигателя будет переоценивать сеть, и, если двигатели работают с одинаковой скоростью, фактический двигатель будет производить большую мощность примерно на 20%.

  Степень сжатия – двигатель Отто

  Степень сжатия , CR определяется как отношение объема в нижней мертвой точке к объему в верхней мертвой точке. Это ключевая характеристика многих двигателей внутреннего сгорания. В следующем разделе будет показано, что степень сжатия определяет тепловой КПД используемого термодинамического цикла двигателя внутреннего сгорания. Желательно иметь высокую степень сжатия, потому что это позволяет двигателю достигать более высокой тепловой эффективности.

  Например, пусть цикл Отто со степенью сжатия CR = 10 : 1. Объем камеры составляет 500 см³ = 500×10 ^-6 м ³ (0,5 л) перед тактом сжатия. Для этого двигателя A LL Требуемые объемы известны:

  • V ₁ = V ₄ = V _MAX = 500 × 10 ^-6 M ³ (0,5L)
  126 2 29 29. 2 ³ (0,5L)
  • . = В ₃ = В _мин. = В _макс. / CR = 55,56 × 10 ^-6 м ³

  Обратите внимание, что (V _макс. – V _мин. ) x количество цилиндров = общий объем двигателя.

  Примеры степеней сжатия – бензин по сравнению с дизельным двигателем

  • Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не намного выше 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя (самозажигание) и не ниже 6: 1 .
  • Турбированный Subaru Impreza WRX имеет степень сжатия 8. 0:1 . Как правило, двигатели с турбонаддувом или наддувом уже имеют сжатый воздух на впуске воздуха. Поэтому они обычно строятся с более низкой степенью сжатия.
  • Стандартный двигатель Honda S2000 (F22C1) имеет степень сжатия 11,1:1 .
  • Некоторые атмосферные двигатели спортивных автомобилей могут иметь соотношение 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia).
  • В 2012 году Mazda выпустила новые бензиновые двигатели под торговой маркой SkyActiv с соотношением сторон 14:1 9.Степень сжатия 0006. Остаточный газ снижается за счет использования выхлопных систем двигателя 4-2-1, внедрения поршневой полости и оптимизации впрыска топлива для снижения риска детонации двигателя.
  • Дизельные двигатели имеют степень сжатия, которая обычно превышает 14:1, а также распространены степени выше 22:1.

  Тепловой КПД для цикла Отто

  Термический КПД цикла Отто по стандарту воздуха является функцией степени сжатия и κ = c _р /с _в .

  Тепловой КПД для цикла Отто – κ = 1,4

  Это очень полезный вывод, поскольку желательно достичь высокой степени сжатия для извлечения большего количества механической энергии из данной массы воздушно-топливной смеси. Более высокая степень сжатия позволяет достичь той же температуры сгорания с меньшим количеством топлива, обеспечивая при этом более длительный цикл расширения. Это создает большую выходную механическую мощность и снижает температуру выхлопа . Снижение температуры выхлопных газов приводит к снижению энергии, выбрасываемой в атмосферу. Это соотношение показано на рисунке для κ = 1,4, представляющего окружающий воздух.

   

  КПД двигателей на транспорте

  • В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля производилось 6 МДж механической энергии.
  • Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с КПД около от 25% до 30% . Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.
  • Типичный дизельный автомобильный двигатель работает при от 30% до 35% . В общем, двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
  • В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы 1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По данным Mercedes, их силовой агрегат теперь достигает более чем на 45% и близкого к 50% термического КПД, т. е. 45 – 50% потенциальной энергии топлива доставляется на колеса.
  • Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания. Тихоходные дизельные двигатели (используемые на судах) могут иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%.

  Самовоспламенение – предел степени сжатия

  В обычных бензиновых двигателях степень сжатия имеет свои пределы. Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно будет не намного выше 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя ( самовоспламенение ) и не ниже 6:1 . При более высоких степенях сжатия бензиновые двигатели будут подвержены детонации, вызванной самовоспламенение несгоревшей смеси при использовании топлива с более низким октановым числом. Несгоревшая смесь может самовозгораться, детонируя только от давления и тепла, а не от воспламенения свечи зажигания в нужный момент. Детонацию двигателя можно уменьшить за счет использования высокооктанового топлива , повышающего устойчивость бензина к самовоспламенению . Чем выше октановое число, тем большее сжатие может выдержать топливо перед детонацией (воспламенением). Поскольку температура, достигаемая топливно-воздушной смесью во время сжатия, увеличивается с увеличением степени сжатия, вероятность самовоспламенения увеличивается с увеличением степени сжатия. Самовоспламенение может снизить эффективность или повредить двигатель, если нет датчиков детонации для изменения момента зажигания.

  Более высокая степень сжатия может быть достигнута в дизельных двигателях (также называемых двигателями с воспламенением от сжатия ), поскольку они не сжимают топливо, а сжимают только воздух, а затем впрыскивают топливо в воздух, нагретый за счет сжатия. Степень сжатия в диапазоне от 12 до 20 типична для дизельных двигателей. Большее расширение в дизельных двигателях означает, что они выделяют меньше тепла в своих более холодных выхлопных газах. Более высокая степень сжатия (большее расширение) и более высокая пиковая температура приводят к тому, что дизельные двигатели достигают более высокого теплового КПД.

  Среднее эффективное давление — MEP

  MEP — полезная мера способности двигателя выполнять работу независимо от рабочего объема двигателя.

  Параметр, используемый инженерами для описания работы поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, известен как среднее эффективное давление или MEP . MEP — полезная мера способности двигателя выполнять работу независимо от объема двигателя. Существует несколько типов МЭП. Эти MEP определяются методом измерения и расчета местоположения (например, BMEP или IMEP).

  Обычно среднее эффективное давление является теоретическим постоянным давлением. Если бы он действовал на поршень во время рабочего такта, он бы создал такую ​​же сеть, развитую за один полный цикл. MEP может быть определен как:

  Например, нетто указывает среднее эффективное давление , известное как IMEP _n , равно среднему эффективному давлению, рассчитанному на основе давления в цилиндре (это измерение должно быть). на протяжении всего цикла двигателя. Обратите внимание, что это 720° для четырехтактного двигателя и 360° для двухтактного двигателя.

  Некоторые примеры:

  • МРД атмосферного бензинового двигателя может составлять от 8 до 11 бар в области максимального крутящего момента.
  • MEP бензинового двигателя с турбонаддувом может составлять от 12 до 17 бар.
  • МЭП атмосферного дизеля может составлять от 7 до 9 бар.
  • MEP дизельного двигателя с турбонаддувом может составлять от 14 до 18 бар

  Например, четырехтактный бензиновый двигатель мощностью 200 Н·м при рабочем объеме 2 л имеет MEP, равный (4π)(200 Н·м) /(0,002 м³) = 1256000 Па = 12 бар. Как видно, MEP полезен характеристики двигателя . Для двух двигателей одинакового рабочего объема тот, у которого MEP на выше, , будет производить на большую чистую работу и, если двигатели работают с одинаковой скоростью, на большую мощность .

  Цикл Отто – Задача с решением

  Предположим, цикл Отто , который является одним из наиболее распространенных термодинамических циклов , которые можно найти в автомобильных двигателях . Одним из ключевых параметров таких двигателей является изменение объемов между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). Соотношение этих объемов ( V ₁ / V ₂ ) известен как степень сжатия .

  Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не превышает 10:1 из-за потенциальной детонации двигателя (самовоспламенения) и не ниже 6:1. Например, некоторые двигатели спортивных автомобилей могут иметь степень сжатия до 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia). pV-диаграмма цикла Отто. Площадь, ограниченная полной траекторией цикла, представляет собой общую работу, выполненную за один цикл.

  В этом примере допустим цикл Отто с коэффициентом сжатия из CR = 9 : 1 . Всасываемый воздух имеет давление 100 кПа = 1 бар, 20 °C, а объем камеры перед тактом сжатия составляет 500 см³. Температура в конце адиабатического расширения равна Т ₄ = 800 К.

  • Удельная теплоемкость при постоянном давлении воздуха и комнатной температуре при атмосферном давлении: c _p = 1,01 кДж/кгК.
  • Удельная теплоемкость при постоянном объеме воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре: c _v = 0,718 кДж/кгК.
  • κ = C _P /C _V = 1,4

  Расчет:

  1. . ₃
  2. давление р ₃
  3. the amount of heat added by burning of fuel-air mixture
  4. the thermal efficiency of this cycle
  5. the MEP

  Solution:

  1)  масса всасываемого воздуха

  В начале расчетов надо определить количество газа в цилиндре перед тактом сжатия. Используя закон идеального газа, мы можем найти массу:

  PV = MR _{Специфический} T

  , где:

  • P — Absolute The Gas
  • 4444. абсолютная температура
  • V объем
  • R _{удельная} удельная газовая постоянная, равная универсальной газовой постоянной, деленной на молярную массу газа или смеси (M). Для сухого воздуха R _{удельное} = 287,1 Дж.кг ^-1 .К ^-1 .

  Следовательно,

  M = P ₁ V ₁ /R _{Специфический} T ₁ = (100000 × 500 × 10 ^-6 ) /(287.1 × 293) = 9000 5.95 5.95 × 9000 5.95 × 9000 5.95 5.95. ^-4 кг

  В этой задаче все тома известны:

  • V ₁ = V ₄ = V _MAX = ₄ . M ³ (0,5 л)
  • V ₂ = V ₃ = V _MIN = V _MAX / CR = 55,56 × 10 ^-6 M ³ 6666666666606666666666666666666666. 0669 . 66666666666. 069 -6. _макс. – V _мин. ) x количество цилиндров = общий объем двигателя.

    2)  температура T ₃

    Поскольку процесс адиабатический, то для адиабатических процессов можно использовать следующее соотношение p, V, T:

    таким образом

    Т ₃ = Т ₄ . CR ^{κ – 1} = 800 . 9 ^0,4 = 1926 K

    3) давление p ₃

    Опять же, мы можем использовать закон идеального газа, чтобы найти давление в начале рабочего хода: p ₃ = mR _{специфичный} T ₃ / V ₃ = 5,95×10 ^-4 x 287,1 x 1926 / 55,56 × 100128 -6 = 5920000 Па = 59,2 бар

    4) количество подведенного тепла

    первый закон термодинамики для изохорного процесса, который гласит Q _add = ∆U, следовательно:

    Q _add = mc _v (T ₃ – T ₂

    6 )

    76 конец такта сжатия можно определить по соотношению p, V, T для адиабатических процессов между точками

    1 → 2.

    Т ₂ = Т ₁ . CR ^{κ – 1} = 293 . ^0,4 = 706 K

    Затем

    Q _{Добавить} = MC _V (T ₃ -T ₂ ) = 5,95 × ^-4

  9 2 9075 2 ) = 5,95 × ^-4

9 2 ) = 5,95 × -4 2 ). = 521,2 Дж

5)  тепловой КПД

Термический КПД для цикла Отто:

Как было получено в предыдущем разделе, тепловой КПД цикла Отто является функцией степени сжатия и κ :

6)  среднее эффективное давление

MEP был определен как:

В этом уравнении рабочий объем равен V _{max 6 907 min.}

6 – V 90 Сеть для одного цикла может быть рассчитана с использованием добавления тепла и тепловой эффективности:

W _NET = Q ₅₆₆₉₆ 4545454545454545454545454545454545454545454544. _Otto = 521.2 x 0.5847 = 304.7 J
MEP = 304.7 / ( 500×10 ^-6 – 55.56 ×10 ^-6 ) = 685.6 kPa = 6,856 бар

 

Ссылки:

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, Addison MA, Wess, 1-е изд.
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. WSC. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
7. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965
8. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.

Advanced Reactor Physics:

1. К. 0-894-48033-2.
2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

См. выше:

Цикл Отто

2-тактные или 4-тактные двигатели — что лучше?

С появлением новых триммеров и газонокосилок, оснащенных 4-тактными двигателями, нам часто задают вопрос: 2-тактные или 4-тактные двигатели – что лучше?

Вопрос касается того, лучше ли эти новые 4-тактные инструменты OPE, чем их 2-тактные аналоги (буквально: «Что лучше, 2-тактный или 4-тактный?») Ответ может быть проще, чем вы думаете, но сначала , важно понимать различия между этими двумя технологиями. У каждого есть свои сильные стороны, хотя мы бы не считали их достаточно подходящими — по крайней мере, не для портативных средств по уходу за газоном. Ознакомьтесь с нашим обзором 4-тактного триммера для струн Makita EM2650LH.

Основы 2-тактных и 4-тактных двигателей

2-тактные (иногда называемые 2-тактными) двигатели обычно рассматриваются как двигатели, работающие на предварительно смешанной газомасляной смеси. Эта смесь, состав которой может варьироваться от 50:1 до 20:1 в зависимости от двигателя, обеспечивает как топливо, так и смазку двигателя во время работы.

4-тактные (иногда называемые 4-тактными) двигатели больше похожи на те, которые вы найдете в своем автомобиле. Четырехтактные двигатели также имеют картер и систему распределения масла, которая отделяет масло от газа, поскольку оно смазывает компоненты двигателя. Поскольку масло отдельно, его также необходимо периодически менять — обычно после каждых 25 часов использования.

Четырехтактные двигатели используют тот же бензин, который вы покупаете для своего автомобиля, и могут содержать до 10% этанола (вы не должны использовать газ E85, так как он не совместим ни с 2-тактными, ни с 4-тактными двигателями, обычно используемыми в небольших триммерах для газонов). и режущие машины).

Как работают двухтактные и четырехтактные двигатели

Существует заметная разница между работой двухтактных и четырехтактных двигателей. 4-тактный двигатель работает, как и следовало ожидать, в четыре этапа. Есть такт мощности (вниз), такт выпуска (вверх), такт впуска (снова вниз) и такт сжатия (снова вверх). Для выполнения этих четырех тактов требуется два полных оборота коленчатого вала. Это рабочий ход, который посылает поршень через каждую из трех оставшихся стадий.

Автор Zephyris — собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10896588

Двухтактный двигатель буквально имеет всего два цикла, которые сочетают в себе вышеуказанные функции. Первый такт представляет собой комбинированный такт мощности и такта выпуска, а второй — такт сжатия и впуска. И мощность, и сгорание происходят, когда поршень достигает верхней точки своего хода. Внизу происходит выхлоп и впуск. Требуется всего один оборот, чтобы произвести два хода и продвинуть поршень по полному циклу.

А. Ширваген с использованием OpenOffice Draw, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/, через Wikimedia Commons гораздо больше движущихся частей. У них есть коленчатый вал, распределительный вал, шатун, клапаны, толкатели и поршень. Двухтактный двигатель на самом деле имеет только три основных движущихся части. Это включает в себя коленчатый вал, шатун и поршень. В малогабаритных двухтактных двигателях нет ни кулачков, ни толкателей, ни клапанов. Как правило, чем меньше деталей, тем меньше вероятность отказа и проще техническое обслуживание.

В целом, 2-тактный двигатель обычно имеет меньший рабочий объем и размер по сравнению с 4-тактным, который во многих случаях почти удваивает рабочий объем и общий размер для достижения той же мощности. Причина этого в том, что, поскольку 2-тактный двигатель сочетает в себе две функции за один оборот, он увеличивает мощность в два раза быстрее, чем 4-тактный.

Плюсы и минусы 2-тактных двигателей по сравнению с 4-тактными

Из приведенного описания вы можете подумать, что 2-тактные двигатели полностью доминируют над 4-тактными… Что ж, в небольших морских судах и домашнем уходе за газонами так оно и есть. . Однако сравнение 2-тактных и 4-тактных двигателей требует немного больше работы. Дело в том, что 4-тактный двигатель имеет лишь несколько преимуществ: больший потенциальный крутящий момент, более высокая экономия топлива и более низкие выбросы. С учетом сказанного, давайте рассмотрим список плюсов и минусов как для 2-тактного, так и для 4-тактного режима и изложим ситуацию для каждого из них:

	2-cycle	4-cycle
Parts	ADVANTAGE	More moving parts
Maintenance	ADVANTAGE	Must change oil
Storage	ПРЕИМУЩЕСТВО	Должен поддерживать уровень
Вибрация	ПРЕИМУЩЕСТВО	Повышенная вибрация
Топливо Экономия	Низкая эффективность	0860	ADVANTAGE
Emissions	Burns oil	ADVANTAGE
Torque	Less potential	ADVANTAGE
Starting	ADVANTAGE	Much harder to start
Weight	ADVANTAGE	Больше деталей = больше вес

Сравнение 2-тактных и 4-тактных двигателей

Как видите, наличие 4-тактного двигателя для триммера или другого устройства для ухода за газоном определенно дает несколько преимуществ, но для по большей части, есть причина, по которой двухтактные двигатели в настоящее время являются королями.