Рабочий цикл дизельного двигателя кратко: Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

---

Строительные машины и оборудование, справочник

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.

Такт впуска. При движении поршня вниз через впускной трубопровод и открытое отверстие впускного клапана и цилиндр поступает чистый воздух. Отсутствие карбюратора уменьшает гидравлические сопротивления и несколько повышает давление в конце впуска (0,09-0,95 ЛШа), а температура воздуха составляет 50-80 С°.

Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Вследствие большой степени сжатия (е 14—20) давление конца сжатия достигает 4…..5 МПа, а температура 500-700 С°. Такое повышение температуры и давления необходимо для воспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя в конце такта сжатия насосом высокого давления через форсунку.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Такт расширения. В конце такта сжатия, когда поршень еще не дойдет до ВМТ на 15—30° по углу поворота коленчатого вала, насос высокого давления через форсунку впрыскивает дизельное топливо под большим давлением 15—18 МПа. Давление впрыска топлива должно значительно превышать давление воздуха, сжатого в камере сгорания для обеспечения более тонкого рас-пыливания топлива и распределения его по всему объему воздуха, сосредоточенного в камере сгорания.

Струя топлива при выходе из распиливающих отверстий сопла форсунки под действием высокого давления приобретает огромную скорость и, пронизывая массу сжатого воздуха, дробится на мелко распыленные частицы (диаметром 0,002……. 0,005 мм). Продолжительность впрыска составляет 6—30 угла поворота коленчатого вала двигателя. Распыленное топливо под воздействием высокой температуры сжатого воздуха воспламеняется и быстро сгорает. Поршень под действием газов перемещается от ВМТ к НМТ, т. е. совершает механическую работу.

Давление газов в конце сгорания достигает -8 МПа, а температура 1800— 2000 С. К концу такта расширения давление в цилиндре падает до 0,3— 0,4 МПа, а температура до 700—800 С°.

Такт выпуска. При этом такте выпускной клапан открыт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан и выпускной трубопровод из цилиндра удаляются отработавшие газы. Давление выпуска равно 0,105—0,11 МПа, а температура 600—700 С°.

При дальнейшем вращении коленчатого вала двигателя все перечисленные такты повторяются в такой же последовательности.

Четырехтактные дизельные двигатели в настоящее время получили преимущественное распространение на тракторах и автомобилях большой грузоподъемности.

Рекламные предложения:

Читать далее: Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

Категория: — Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум

---

---

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

 

Как осуществляется рабочий цикл в одноцилиндровом четырехтактном дизельном двигателе?

При вращении коленчатого вала (рис.4, а) поршень движется от ВМТ к НМТ, объем в цилиндре увеличивается, давление уменьшается до 0,075-0,090 МПа. В это время с помощью газораспределительного механизма открывается впускной клапан (выпускной закрыт) и в цилиндр поступает чистый воздух. Осуществляется такт впуска. На индикаторной диаграмме (рис.4, д) линия ra. Коленчатый вал повернется на 180°. Воздух соприкасается с нагретыми стенками цилиндра и нагревается до 70-110°С.

Рис.4. Рабочий цикл и индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя:
а – впуск; б – сжатие; в – расширение; г – выпуск; д – индикаторная диаграмма.

При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень достигнет НМТ и поменяет направление движения, Впускной клапан закрывается, выпускной останется закрытым. Поршень движется от НМТ к ВМТ и сжимает чистый воздух (рис.4, б), объем его в цилиндре уменьшается, а давление и температура повышаются. К концу сжатия давление увеличивается до 3,5-4,0 МПа, температура – до 600-700°С. На индикаторной диаграмме линия az. В точке с через форсунку в цилиндр под высоким давлением впрыскивается дизельное топливо в мелко распыленном виде. Соприкоснувшись с нагретым воздухом, оно быстро испаряется, образуется горючая смесь, которая самовоспламеняется. В точках zz’ давление увеличивается до 6,0-8,0 МПа, а температура – до 1700—2000°С. Поршень меняет направление движения и движется от ВМТ к НМТ под давлением расширяющихся газов (рис.4, в). Происходит такт рабочего хода, при котором тепловая энергия преобразуется в механическую, а возвратно-поступательное движение поршня – во вращательное движение коленчатого вала и в виде крутящего момента передается через трансмиссию на колеса автомобиля.

Коленчатый вал повернется на 180°. На индикаторной диаграмме линия z’b.

С опусканием поршня в цилиндре объем над поршнем увеличивается, а давление газов к концу расширения уменьшается до 0,35-0,45 МПа. В этот момент открывается выпускной клапан и отработавшие газы устремляются в атмосферу. Поршень, дойдя до НМТ, начинает двигаться к ВМТ, вытесняя отработавшие газы из цилиндра. Происходит такт выпуска (рис.4, г). Давление газов в цилиндре уменьшается к концу выпуска до 0,120-0,105 МПа, а температура – до 650-600°С. Коленчатый вал повернется на 180°. На индикаторной диаграмме линия br.

Таким образом, в дизельном двигателе полезной работе соответствует площадь (рис.4, д), ограниченная линией

Fzz’bF, отрицательной работе (потерям) – линия aFra.

Какие недостатки имеет одноцилиндровый четырехтактный двигатель?

Из работы одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного или дизельного двигателя видно, что рабочий цикл в таком двигателе совершается за два оборота коленчатого вала, из которых только пол-оборота он поворачивается за счет энергии расширяющихся газов, остальные полтора оборота, необходимые для выполнения вспомогательных тактов (впуск, сжатие, выпуск), совершаются за счет кинетической энергии маховика, накапливаемой при такте расширения. Отсюда возникает неравномерность вращения коленчатого вала, что требует увеличения массы маховика и в конечном итоге размеров и массы двигателя, снижая тем самым полезную грузоподъемность автомобиля. Поэтому на современных автомобилях одноцилиндровые четырехтактные двигатели не устанавливаются.

***
Проверьте свои знания и ответьте на контрольные вопросы по теме «Рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания»

вал, давление, двигатель, диаграмма, коленчатый, поршень, цилиндр

Смотрите также:

Дизельный цикл — Дизельный двигатель | Определение

Дизельный цикл – pV, Ts диаграмма

pV диаграмма идеального дизельного цикла

Дизельные циклы часто наносятся на диаграмму давление-объем (pV диаграмма) и температурно-энтропийную диаграмму (Ts диаграмма).

На диаграмме давление-объем изобарический процесс следует изобарной линии газа (горизонтальные линии), изохорный процесс следует изохорной линии газа (вертикальная линия), адиабатические процессы проходят между этими линии, а область, ограниченная полным циклом, представляет собой общая работа которую можно выполнить за один цикл.

Диаграмма температура-энтропия (диаграмма Ts), на которой термодинамическое состояние определяется точкой на графике с удельной энтропией (s) в качестве горизонтальной оси и абсолютной температурой (T) в качестве вертикальной оси. Диаграммы Ts являются полезным и распространенным инструментом, особенно потому, что они помогают визуализировать теплопередачу во время процесса. Для обратимых (идеальных) процессов площадь под Т-кривой процесса равна тепло, переданное системе во время этого процесса.

Четырехтактный дизельный двигатель

Дизельные двигатели могут быть двухтактными или четырехтактными. Четырехтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ВС), в котором поршень совершает четыре отдельных хода при вращении коленчатого вала. Под ходом понимается полный ход поршня вместе с цилиндром в любом направлении. Следовательно, каждый удар не соответствует одному термодинамическому процессу, описанному в главе 9. 0005 Дизельный цикл – Процессы.

Четырехтактный двигатель состоит из:

• Дизельный двигатель аналогичен бензиновому двигателю. На этом снимке двигатель Отто зажигает свеча зажигания, а не само сжатие. Четырехтактный двигатель – двигатель Отто
  Источник: wikipedia.org, собственная разработка Zephyris, CC BY-SA 3.0

  Такт 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 воздух (без топлива) 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 закрыты впускной и выпускной клапаны, что приводит к адиабатическому сжатию воздуха (т. е. без передачи тепла в окружающую среду или из нее). Во время этого сжатия объем уменьшается, а давление и температура повышаются. В конце этого такта топливо впрыскивается и сгорает в сжатом горячем воздухе. В конце этого такта коленчатый вал совершил полный оборот на 360 градусов.
• Рабочий такт – Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит точки 2 → 3 → 4. В этом такте и впуск, и выпуск клапаны закрыты. В начале рабочего такта почти изобарическое сгорание происходит между 2 и 3. В этом интервале давление остается постоянным, так как поршень опускается, а объем увеличивается. При 3 впрыск топлива и сгорание завершаются, и в цилиндре находится газ с более высокой температурой, чем при 2. Между 3 и 4 этот горячий газ расширяется, опять же примерно адиабатически. В этом такте поршень движется к коленчатому валу, объем увеличивается, и работа совершается газом над поршнем.
• Такт выпуска. Поршень движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), и цикл проходит 4 → 1 → 0. камера. В конце этого такта коленчатый вал совершил второй полный оборот на 360 градусов.

Обратите внимание, что: В идеальном случае адиабатическое расширение должно продолжаться до тех пор, пока давление не упадет до уровня окружающего воздуха. Это увеличило бы тепловой КПД такого двигателя, но это также вызывает практические трудности. Просто двигатель должен быть намного больше. 9. Основные различия между реальными и идеальными дизельными двигателями 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 дизельный цикл основан на следующих допущениях:

• Замкнутый цикл : Самая большая разница между двумя диаграммами заключается в упрощении тактов впуска и выпуска в идеальном цикле. В такте выпуска тепло Q _из выбрасывается в окружающую среду (в реальном двигателе газ покидает двигатель и заменяется новой смесью воздуха и топлива).
• Добавление изобарического тепла . В реальных двигателях подвод тепла никогда не бывает изобарным.
• Без теплопередачи
  • Сжатие — газ адиабатически сжимается из состояния 1 в состояние 2. В реальных двигателях всегда есть некоторые неэффективности, которые снижают тепловую эффективность.
  • Расширение. Газ адиабатически расширяется из состояния 3 в состояние 4.
• Полное сгорание 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 . Потеря продувки вызвана ранним открытием выпускных клапанов. Это приводит к потере производительности во время такта расширения.
• Без картерных газов . Утечка сжатых газов вызывает потери картерных 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 производит большую мощность примерно на 20% (аналогично двигателю Отто).

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. For this engine a ll required volumes are known:

• V ₁ = V ₄ = V _max = 500×10 ^-6 m ³ (0.5l)
• V ₂ = 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 (самовоспламенения) 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 степень сжатия до 12,5 : 1 (например, Ferrari 458 Italia).
• В 2012 году Mazda выпустила новые бензиновые двигатели под торговой маркой SkyActiv с 14:1 степень сжатия. 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 дизельного цикла

В целом, тепловой КПД , η _th , любой тепловой машины определяется как отношение совершаемой ею работы, Вт , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q _H .

Термическая эффективность , , η _TH , представляет фракцию HEAT , Q _H , Convertted до 5-100065 по 6. Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q _H должна равняться выполненной работе W плюс теплота, которая должна быть рассеяна в виде отработанного тепла Q _C в окружающую среду. Следовательно, мы можем переписать формулу для теплового КПД в виде:

Потребляемая теплота возникает при сгорании топливно-воздушной смеси, когда возникает искра, примерно при постоянном объеме. Поскольку во время изохорного процесса работа над системой не совершается, первый закон термодинамики диктует ∆U = ∆Q. Следовательно, добавление тепла, добавленное и отклоненное, дано:

Q _{Добавить} = MC _P (T ₃ — T ₂ )

Q _OUT = MC _V (T ₄ 44 = MC _V (T ₄ 4444 = MC _V (T ₄ 444 = MC _V (T ₄ 44 = MC _V (T ₄ 44 = MC _V (T ₄ . – T ₁ )

Подставив эти выражения для подводимого и отводимого тепла в выражение для теплового КПД, получаем:

Это уравнение можно преобразовать в вид со степенью сжатия и степенью отсечки:

, где

• η _Дизель -максимальная термоэффективность дизельного цикла
• α- Cut-Off V ₃ /V ₂ (I.E., Ratio. at the end and start of the combustion phase)
• CR is the compression ratio
• κ = c _p /c _v = 1. 4

Это очень полезный вывод, потому что желательно достичь высокой степени сжатия, чтобы извлечь больше механической энергии из данной массы топлива. Как было сказано в предыдущем разделе, тепловой КПД цикла Отто в стандартном воздушном цикле также зависит от степени сжатия и κ.

Когда мы сравним их с формулами, можно увидеть, что цикл Отто будет более эффективным для заданной степени сжатия (CR), чем цикл Дизеля. Но дизельные двигатели обычно более эффективны, поскольку они могут работать при более высоких степенях сжатия.

В обычных двигателях Отто степень сжатия имеет свои пределы. Степень сжатия в бензиновом двигателе обычно не превышает 10:1. Более высокие степени сжатия сделают бензиновые двигатели подверженными детонации, вызванной самовоспламенением несгоревшей смеси, если используется топливо с более низким октановым числом. Риск самовоспламенения топлива минимален, поскольку дизельные двигатели являются двигателями с воспламенением от сжатия, и в начале такта сжатия в цилиндре нет топлива.

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 от 25% до 30% теплового КПД. 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 в настоящее время 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%.

Среднее эффективное давление — MEP

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

Параметр, используемый инженерами для описания характеристик поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, известен как 9.0005 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).

В целом, среднее эффективное давление представляет собой постоянное теоретическое давление, которое создавало бы такую ​​же сеть, как и в одном полном цикле, если бы оно действовало на поршень во время рабочего такта. MEP можно определить как:

Например, чистая величина указывает среднее эффективное давление , известное как IMEP _n , равно среднему эффективному давлению, рассчитанному по давлению в цилиндре (это измерение должно быть) за полный цикл 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, производящий 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 является полезной характеристикой двигателя . Для двух двигателей одинакового рабочего объема один с рабочим объемом более высокая MEP будет производить большую сеть и, если двигатели будут работать с одинаковой скоростью, большую мощность .

Дизельный цикл – Задача с решением

pV-диаграмма идеального дизельного цикла

Предположим, что дизельный цикл 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 . Кроме того, коэффициент отсечки V ₃ /V ₂ представляет собой отношение объемов в конце и начале фазы сгорания.

В этом примере предположим, что дизельный цикл имеет степень сжатия CR = 20 : 1 и степень отсечки α = 2. Воздух находится при 100 кПа = 1 бар, 20 °C (293 K) и объем камеры 500 см³ перед тактом сжатия.

• Удельная теплоемкость при постоянном давлении воздуха при атмосферном давлении и комнатной температуре: 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

Calculate:

1. the mass of intake air
2. the temperature T ₂
3. the pressure p ₂
4. the temperature T ₃
5. количество тепла, добавляемого при сгорании топливно-воздушной смеси
6. тепловой КПД этого цикла
7. МЭП

Решение:

1)

В начале расчетов необходимо определить количество газа в цилиндре перед тактом сжатия. Используя Закон об идеальном газе, мы можем найти Mass:

PV = MR _{Специфический} T

Где:

• P — абсолютное давление Gas
• M — это абсолютное давление GAS
M — это абсолютное давление Gas
• M — это абсолютное давление Gas
• M — это абсолютное давление Gas
• M — это абсолютное давление Gas
• M . масса вещества
• T абсолютная температура
• V – объем
• R _{удельный} – удельная газовая постоянная, равная универсальной газовой постоянной, деленной на молярную массу газа или смеси (M). Для сухого воздуха R _{удельный} = 287,1 Дж.кг ^-1 .K ^-1 .

Следовательно,

M = P ₁ V ₁ /R _{Специфический} T ₁ = (100000 × 500 × 10 ^-6 ) /(287. 1 × 293) = 555.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.9.) /(287.1 × 293) = 9000 5.9.9.9.9.9.9.9.9.5 × 10 ^-4 кг

2)

В этой задаче все тома известны:

• V ₁ = V ₄ = V _{MA 1 = V 4 = V MA 1 = V 4 = V MA 1 = V 4 = V MA 1 = V 4 = V MA 1 = V 4 = V}
• MA ₁ = V ₄ = V
• . ×10 ^-6 m ³ (0.5l)
• V ₂ = V _min = V _max / CR = 25 ×10 ^-6 m ³

Note that ( V _макс. – V _мин. ) x количество цилиндров = общий объем двигателя

Поскольку процесс адиабатический, мы можем использовать следующее соотношение p, V, T для адиабатических процессов:

, таким образом,

T ₂ = T ₁ . CR ^{κ – 1} = 293 . 20 ^0,4 = 971 K

3)

Опять же, мы можем использовать закон идеального газа, чтобы найти давление в конце такта сжатия: Т ₂ / В ₂ = 5,95×10 ^-4 x 287,1 x 971 / 25 × 10 ^-6 = 6635000 Па = 66,35 бар

4)

Поскольку процесс 2 → 3 происходит при постоянном давлении газа состояние дает

T ₃ = (V ₃ /V ₂ ) x T ₂ = 1942 K

мы должны использовать первый закон термодинамики для изобарического процесса, который гласит:

Q _{Добавить} = MC _P (T ₃ -T ₂ ) = 5,95 × 10 ^-4 x 1010 x 971 = 583.5 J

5)

971. цикл:

Как было получено в предыдущем разделе, тепловой КПД дизельного цикла зависит от степени сжатия, степени отсечки и κ:

, где

• η _{КПД дизельного цикла}
• α – степень отсечки V ₃ /V ₂ (т. е. отношение объемов в конце и начале фазы сгорания)
• CR – степень сжатия
• κ = c _P /C _V = 1,4

Для этого примера:

η _Дизель = 0,6467 = 64,7%

4 6)

9004. Меп. В этом уравнении рабочий объем равен V _макс – V _мин . Чистая работа для одного цикла может быть рассчитана с использованием добавления тепла и тепловой эффективности:

W _NET = Q _{Добавить} . η _Otto = 583.5 x 0.6467 = 377.3 J

MEP = 377.3 / ( 500×10 ^-6 – 25 ×10 ^-6 ) = 794,3 кПа = 7,943 бар

Дизельный цикл: определение, процесс и уравнение

Знаете ли вы, что существует два основных типа автомобильных двигателей? Одни на бензине, другие на дизеле. Что интересно в этих двух видах топлива, так это то, что бензин может легко воспламениться от искры. Поэтому бензиновые двигатели также называются s парковочное зажигание или двигатель SI s . Дизель, с другой стороны, не загорится от простой искры. Воспламенение дизеля происходит только при очень высоком давлении. Это дало дизельным двигателям название 9.0005 двигатели с воспламенением от сжатия или CI . Дизельный цикл назван в честь немецкого изобретателя Рудольфа Дизеля. Он предложил термодинамический цикл, объясняющий работу дизельного двигателя. Теперь давайте посмотрим, как цикл Дизеля объясняет работу двигателя CI.

Дизельный цикл Определение

Дизельный цикл — это термодинамический цикл, который лучше всего представляет работу дизельного двигателя внутреннего сгорания.

Прежде чем мы поймем, как он это делает, давайте кратко рассмотрим работу двигателя CI — это поможет вам в отношении процессов дизельного цикла, которые мы объясним в следующих разделах.

Как работают дизельные двигатели?

Эта анимация поршня двигателя КИ показывает, как линейное движение тюрьмы преобразуется во вращение, которое вращает карданный вал для получения выходной мощности. Также показаны 4 «такта» цикла, которые будут объяснены позже. Wikimedia Commons CC-BY-SA-3.0

Есть три важные части, которые нам нужно знать, чтобы понять основной принцип работы двигателя с инжекторным двигателем: поршень, коленчатый вал и камера сгорания. Поршень скользит вверх и вниз внутри камеры сгорания. Эта камера герметична и воздухонепроницаема, и ее объем изменяется при движении поршня вверх и вниз. Другой конец поршня соединен с коленчатым валом. Умная инженерия преобразует линейное движение поршня во вращение коленчатого вала, что обеспечивает выходную мощность двигателя.

Наиболее важное различие между бензиновым двигателем и дизельным двигателем заключается в воспламенении топлива. Дизельные двигатели имеют высокую степень сжатия. Это сжимает топливно-воздушную смесь до очень высокого давления, обычно с помощью турбонагнетателя . На этом этапе температура топлива достигает точки, при которой оно может воспламениться без свечей зажигания.

Теперь давайте посмотрим, как химическая энергия дизельного топлива преобразуется в механическую энергию. Для этого двигатель внутреннего сгорания выполняет четыре шага. Каждый шаг называется такт , поскольку он представляет собой однократное движение поршня вверх или вниз.

Дизельный цикл Процесс

Дизельный цикл состоит из четырех процессов. Каждый из них можно наблюдать на анимации выше и на диаграмме PV в следующем разделе.

1. Процесс 1 [такт всасывания] — Это когда поршень сначала движется вниз, создавая вакуум, который всасывает воздух в камеру сгорания.

2. Процесс 2 [такт сжатия] — Как только поршень достигает нижней точки, он снова движется вверх и сжимает воздух в камере сгорания до очень высокого давления. Давление настолько велико, что нагревает воздух до температуры, превышающей температуру воспламенения дизельного топлива.

3. Процесс 3 [p рабочий ход] — Рабочий такт начинается резко, т.к. в конце такта сжатия (процесс 2) топливо впрыскивается в камеру сгорания через топливную форсунку . Топливо воспламеняется при смешивании с высокотемпературным воздухом внутри камеры. Этот управляемый взрыв толкает поршень обратно вниз, производя работа .

4. Процесс 4 [такт выпуска] — Наконец, это когда поршень движется обратно вверх и выталкивает побочные продукты сгорания (в основном \(\mathrm{CO_2}\)\) и тепло) из камеры сгорания . Это называется тактом выпуска . После этого поршень повторяет процесс 1 и снова выполняет тот же цикл.

Диаграмма цикла дизельного топлива

Теперь давайте объясним приведенный выше абзац с точки зрения термодинамики. Здесь у нас есть PV (давление-объем) диаграмма , изображающая идеальный дизельный цикл. Упомянутые выше процессы можно увидеть на рисунке ниже.

Диаграммы PV

Диаграммы PV (нажмите на ссылку для более глубокого понимания диаграмм PV) используются для графического представления различных термодинамических циклов. Давление измеряется по оси у, а объем измеряется по оси абсцисс. Это делает его удобным способом представления изменения объема и давления, что обычно важно, когда мы рассматриваем термодинамические циклы.

Вот несколько важных свойств диаграммы PV:

• Ось Y представляет давление, а ось X представляет объем.
• Возрастающие значения давления следуют в направлении вниз-вверх, а увеличивающиеся значения объема — слева направо.
• Стрелка указывает направление процессов.

Определения некоторых термодинамических терминов, которые используются для описания процессов на PV-диаграммах, приведены ниже:0006 — это термодинамический процесс, при котором давление остается постоянным.

~

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, при котором тепло или масса не передаются окружающей среде.

~

Изэнтропический процесс — это термодинамический процесс, который одновременно является адиабатическим и обратимым.

~

Точка воспламенения представляет собой комбинацию температуры и давления, при которой топливо самовозгорается.

Диаграмма PV дизельного цикла

Ниже представлена ​​диаграмма PV, изображающая теоретически идеальный дизельный цикл. Упомянутые выше процессы можно увидеть на рисунке ниже.

PV Схема дизельного цикла, StudySmarter Originals

Теперь, когда вы понимаете, как работает дизельный двигатель, мы объясним работу дизельного двигателя, используя дизельный цикл.

Ход всасывания

Горизонтальная синяя линия представляет всасывание такт (такт впуска) — начиная слева от синей линии на уровне объема , объем камеры увеличивается, потому что поршень движется вниз, втягивая воздух в камеру сгорания. Этот процесс изобарический , так как давление остается постоянным.

Такт сжатия

Изэнтропическое сжатие от a до b — это такт сжатия , который мы упоминали в предыдущем разделе. Воздух сжимается поршнем, когда он движется вверх, и объем камеры сгорания уменьшается, быстро увеличивая давление. Однако теплообмен отсутствует. Это делает его адиабатический процесс . На этом этапе камера сгорания содержит только воздух. Из-за повышения давления воздух нагревается выше точки воспламенения дизеля.

Рабочий ход

Подвод тепла при постоянном давлении, от b до c

Этот процесс охватывает первую часть рабочего хода. Непосредственно перед началом рабочего такта топливные форсунки впрыскивают капли топлива в камеру сгорания. Контакт между дизельным топливом и нагретым воздухом автоматически воспламеняет смесь, при этом контролируемый взрыв приводит к рабочему такту. Сгорание топлива завершается в 9 ч. 0005 точка в. Тепло, добавляемое в систему, представлено \(Q_H\) . Этот процесс длится очень короткое время. Когда поршень движется вниз, чтобы увеличить объем камеры сгорания во время рабочего такта, тепло, подводимое к двигателю, происходит при постоянном давлении. Это делает его изобарным процессом .

Из-за того, что подвод тепла происходит при постоянном давлении, дизельный цикл также известен как цикл постоянного давления .

Изэнтропическое расширение, от c до d

Это заключительная часть рабочего хода. Высокое давление после взрыва продолжает толкать поршень вниз, увеличивая объем камеры сгорания. Здесь тепловая энергия сгорания преобразуется в механическую работу. Этот процесс также является адиабатическим процессом.

Отвод тепла при постоянном объеме, d to a

Здесь тепло отводится из камеры сгорания, когда поршень достигает нижней точки рабочего хода. Объем остается постоянным, следовательно, это изохорный процесс . Выделяемое тепло обозначается \(Q_C\). На этом этапе давление также значительно снижается. Это очень похоже на финальный процесс цикла Отто.

Такт выпуска

Синяя линия в направлении, противоположном такту всасывания, представляет окончательный такт выпуска, при котором газы выбрасываются, когда поршень движется обратно вверх, готовый снова начать цикл.

Эффективность дизельного цикла

Формула эффективности \(\эта\) дизельного цикла определяется следующим уравнением.

Тепловой КПД тепловой машины определяется как отношение выполненной полезной работы \(Вт\) к подводимой теплоте при высокой температуре \(Q_H\).

$$\mathrm\eta=\frac{W}{Q_H}=\frac{{\mathrm Q}_{\mathrm H}+{\mathrm Q}_{\mathrm C}}{{\mathrm Q } _ {\ mathrm H}} = 1+ \ frac {{\ mathrm Q} _ {\ mathrm C} \; \ отмена {(\ mathrm {Джоули})}} {\ mathrm Q} _ {\ mathrm H }\;\cancel{(\mathrm{Джоули})}}$$

Чтобы увидеть, как изменяется тепловой КПД идеализированного дизельного цикла при изменении характеристик двигателя, мы можем определить два ключевых соотношения; 9Коэффициент отсечки 0005 и составляют коэффициент .

Степень сжатия

Степень сжатия \(R_c\) — это отношение объема камеры сгорания, когда поршень находится внизу, к объему, когда он находится вверху, измеренное во время такта сжатия .

Степень сжатия в дизельном двигателе, StudySmarter Originals

Это помогает нам понять, насколько воздух сжимается внутри двигателя перед рабочим тактом. Обычно дизельные двигатели имеют степень сжатия от 16:1 до 20:1. Это очень много по сравнению с циклом Отто. Он определяется следующим уравнением:

$$R_c=\frac{V_a}{V_b}$$

Коэффициент отсечки топлива

Коэффициент отсечки топлива \(R_v\) объем после сгорания \(V_c\) к объему до сгорания, \(V_b\).

Коэффициент отсечки дизельного цикла, StudySmarter Originals

$$R_v=\frac{V_c}{V_b}$$

Объем \(V_c\) — это объем, при котором прекращается впрыск топлива, отсюда и название. Помните, что топливо подается форсункой к горячему воздуху. Это соотношение может помочь нам понять, насколько расширяется камера в процессе сгорания.

Применяя условия идеализированного дизельного цикла, мы можем переписать эти соотношения различными способами:

Мы знаем, что объемы в точках a и d (отвод тепла при постоянном объеме) равны, так как изохорный процесс.

$$V_a=V_d$$

Это означает, что степень сжатия также может быть записана как:

$$R_c=\frac{V_a}{V_b}=\frac{V_d}{V_b}$$

И мы также можем переписать коэффициент расширения как:

$$R_e=\frac{V_d}{V_c}=\frac{V_a}{V_c}$$

Формула и уравнение дизельного цикла

Уравнения, используемые в дизельный цикл, StudySmarter Originals

Что, если бы мы захотели определить эффективность дизельного цикла, используя его температуру? Мы можем рассчитать тепло, добавляемое и выделяемое системе, используя удельную теплоемкость воздуха и температуры в каждой точке цикла.

$$Q=mC\треугольник T$$

$$\mathrm{Тепло}=\mathrm{масса}\;\times\;\mathrm{специфический}\;\mathrm{тепло}\;\times\ ;\mathrm{change}\;\mathrm{in}\;\mathrm{temp}$$

Примените это уравнение для обоих процессов, в которых тепло добавляется и выделяется. Поскольку тепло добавляется при постоянном давлении от

b до c , мы используем \(C_p\), который представляет собой удельную теплоемкость воздуха при постоянном давлении .

$$Q_H=mC_p(T_c-T_b)$$

Отвод тепла происходит при постоянном объеме от d в a , поэтому мы используем \(C_v\), который представляет собой удельную теплоемкость воздуха при постоянном объеме .

$$Q_C=mC_v(T_d-T_a)$$

Подставим эти выражения в наше предыдущее уравнение для теплового КПД, и получим:

$$\eta=1-\frac{Q_C}{Q_H}=1 -\frac{\cancel{m}C_v(T_d-T_a)}{\cancel{m}C_p(T_c-T_b)}$$

Чтобы упростить уравнение, можно сказать, что гамма \(\gamma\) отношение удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении \(C_p\) и постоянном объеме \(C_v\):

$$\gamma=\frac{C_p}{C_v}$$

Упрощая приведенное выше уравнение для эффективности, получаем:

$$\eta=1-\frac{1}{\gamma}\frac{ T_a-T_d}{T_c-T_b}$$

Теперь у нас есть тепловой КПД, выраженный в температуре, но отношения, которые мы определили ранее, выражены в единицах объема! Как мы можем выразить формулу эффективности через объемы? Во-первых, нам нужно еще раз изменить уравнение:

$$\eta=1-\frac{1}{\gamma}\frac{T_a}{T_b}\frac{\frac{T_d}{T_a}-1} {\ гидроразрыва {T_c} {T_b} -1} $ $ 9{\gamma-1} $$

И, наконец, нам нужно переписать выражение для коэффициента отсечки через температуры. Применяя уравнение идеального газа \(PV=nRT\) и видя, что давления в точках b и c одинаковы, мы можем записать отношение как:

$$R_v=\frac{V_c}{ V_b}=\left(\frac{\cancel RT_c}{\cancel{P_c}}\right)\left(\frac{\cancel{P_b}}{\cancel RT_b}\right)=\frac{T_c}{ T_b}$$

Определив эти отношения температур в терминах степеней сжатия и отсечки, мы теперь используем алгебру, чтобы упростить уравнение эффективности до этих параметров. 9\gamma-1}{\gamma(R_v-1)}\right)$$

Величина \(\gamma\) для автомобильных двигателей на Земле в основном остается постоянной, так как удельная теплоемкость воздуха составляет около 1,4. Как видите, приведенное выше уравнение для эффективности дизельного цикла показывает взаимосвязь между термической эффективностью дизельного цикла и коэффициентами сжатия и отсечки. При увеличении коэффициента отсечки тепловой КПД дизеля снижается. Когда степень сжатия увеличивается, тепловой КПД увеличивается.

На приведенном выше графике используется уравнение, которое мы только что вывели, чтобы показать, как эффективность дизельного цикла изменяется при изменении степени сжатия при различных значениях степени отсечки.