Рабочие циклы дизельного двигателя: Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Категория:

   Устройство и работа двигателя

Публикация:

   Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Читать далее:

   Рабочий цикл двухтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Вариант 1 – Вариант 2 – Вариант 3

—

Вариант 1

Рабочий цикл четырехтактного дизеля (двигателя с воспламенением от сжатия) включает следующие такты: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Впуск. При такте впуска поршень перемещается от в. м. т. до н. м. т., и через открытый впускной клапан в цилиндр из впускного трубопровода поступает чистый воздух. В этом заключается основное отличие дизеля от карбюраторного двигателя, где при такте впуска в цилиндр поступает горючая смесь. Ввиду того что впускная система дизеля значительно проще, чем у карбюраторного двигателя, и оказывает меньшее сопротивление проходу воздуха, давление в цилиндре в конце впуска равно 0,85—0,95 кГ/см2, т. е. цилиндр заполняется лучше. Температура заряда в конце впуска равна 60-70° С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного дизеля: а — впуск; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск

Сжатие. Во время такта сжатия (рис. 1, б) поршень перемещается от н. м. т. до в. м. т. при закрытых клапанах и производит сжатие поступившего в цилиндр воздуха.

В дизелях применяется значительно более высокая степень сжатия, чем в карбюраторном и газовом двигателях, достигающая 16—17, так как при сжатии чистого воздуха нет опасности возникновения детонационного сгорания смеси. В конце такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 30—35 кГ/сма, а температура воздуха повышается до 600—700 °С.

Рабочий ход. Перед рабочим ходом (рис. 1, в) в конце такта сжатия в цилиндр через форсунку при помощи топливного насоса под большим давлением впрыскивается тяжелое жидкое топливо в мелкораспыленном состоянии.

Частицы топлива, соприкасаясь с воздухом, имеющим высокую температуру, быстро сгорают; при этом выделяется большое количество тепла, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1800—2000 °С, а давление — до 50—60 кГ/см. Под действием давления газов поршень перемещается к н. м. т., и происходит рабочий ход. Оба клапана при этом закрыты. При рабочем ходе газы, образовавшиеся вследствие сгорания топлива, расширяются и давление их к концу рабочего хода падает до 3—4 кГ/см2, а температура снижается до 800—600 °С.

Выпуск. При такте выпуска (рис. 1, г) поршень перемещается от н. м. т. до в. м. т. и через открытый выпускной клапан выталкивает отработавшие газы, очищая цилиндр. Давление в цилиндре к концу выпуска падает до 1,05—1,15 кГ/см2, а температура — до 200—300 °С.

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

Большие значения степени сжатия в дизелях обеспечивают высокую экономичность работы этих двигателей.

Предельное значение степени сжатия в дизелях ограничивается величиной возрастающих потерь на трение в кривошипно-шатунном механизме, прочностью деталей и условиями пуска двигателя. По четырехтактному циклу работают дизели ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238.

—

Вариант 2

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения, или рабочего хода, и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в раскаленный воздух из форсунки впрыскивается мелкораспылеиное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом. Поэтому дизель иногда называют двигателем с воспламенением от сжатия.

Первый такт — наполнение цилиндра воздухом. При движении поршня (рис. 2, а) от в. м. т. до н. м. т. в цилиндре создается разрежение. Впускной клапан открывается, и цилиндр наполняется воздухом, который предварительно проходит через воздухоочиститель. Давление воздуха в цилиндре (у прогретого двигателя) при такте впуска составляет 80—90 кН/м2 (0,8 — 0,9 кгс/см?), а температура до 50—80 °С.

Второй такт — сжатие воздуха. Поршень (рис. 2, б) движется от н. м. т. до в. м. т., впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем воздуха уменьшается, а его давление и температура увеличиваются. Дизели работают с высокими степенями сжатия — от 13 до 22. В конце сжатия давление воздуха внутри цилиндра повышается до 4000—5000 кН/м2 (40—50 кгс/см2), а температура до 600—700 °С. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре дизеля должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.

Рис. 2. Схема рабочего цикла четырехтактного одноцилиндрового дизеля: а — впуск воздуха; б — сжатие воздуха; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1 — цилиндр; 2 — топливный яасос; 3 = поршень; 4 – форсунка; 5 — впускной клапан; 6 — выпускной клапан

Третий такт — рабочий ход. Оба клапана (рис. 2, в) закрыты. При положении поршня около в. м. т. в сильно нагретый и сжатый воздух из форсунки 4 впрыскивается мелкораспыленное топливо под большим давлением 13 000—18 500 кН/м2 (130—185 кгс/см2), создаваемым топливным насосом. Топливо перемешивается с воздухом, нагревается и воспламеняется. Часть топлива сгорает при движении поршня к в. м. т., т. е. в конце такта сжатия, а другая часть при движении поршня вниз в начале такта расширения. Образующиеся при сгорании топлива газы увеличивают внутри цилиндра двигателя давление до 6000—8000 кН/м2 (60—80 кгс/см2) и температуру до 1800 — 2000 °С. Горячие газы расширяются и давят на поршень, который перемещается от в. м. т. до н. м. т., совершая рабочий ход.

Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. до в. м. т. (рис. 2, г) и через открытый клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра. Давление и температура в конце выпуска соответственно равны 110—120 кН/м2 (1,1—1,2 кгс/см2) и 600—700 °С. После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется в рассмотренной последовательности.

—

Вариант 3

В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно. Сначала цилиндр дизеля заполняется воздухом. Затем воздух подвергается сжатию, в результате чего его температура и давление значительно повышаются. В конце такта сжатия в цилиндр вводится мелко распыленное жидкое топливо, которое самовоспламеняется от соприкосновения с горячим воздухом.

Рабочий цикл бескомпрессорного четырехтактного дизеля протекает следующим образом.

1. Такт впуска. Поршень движется от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает воздух. Изменение объема и соответствующего ему давления характеризуется кривой впуска га на индикаторной диаграмме.
2. Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия (порядка 15—20) давление и температура воздуха в конце такта сжатия сильно возрастают. Температура сжатого воздуха становится выше температуры воспламенения топлива. Изменение давления в такте сжатия характеризуется кривой ас на диаграмме.

Рис. 3. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: — такт впуска; б — такт сжатия: в — такт расширения; г — такт выпуска.

Рис. 4. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля.

В конце такта сжатия (при положении поршня, близком к в.м.т.) в цилиндр через форсунку впрыскивается тонко распыленное жидкое топливо.

Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь, которая воспламеняется. Часть топлива быстро сгорает при постоянном объеме. Изменение давления при этом иллюстрируется кривой cz’ на индикаторной диаграмме.

3. Такт расширения. Оба клапана закрыты. Поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. В начале движения поршня сгорает остальная часть топлива, поэтому в цилиндре в течение небольшого отрезка времени поддерживается почти постоянное давление. Кривая z’z на индикаторной диаграмме отображает процесс предварительного расширения газов.

Далее при движении поршня к н.м.т. в связи с увеличением объема уменьшается давление газов в цилиндре. Кривая zb на индикаторной.

Рис. 5. Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя:
1 — канал, идущий из кривошипной камеры; 2 — продувочное окно; 3 — поршень; 4 — цилиндр; 5 —свеча; 6 — выпускное окно; 7 — впускное окно; 8 — карбюратор; 9 — кривошипная камера.

4. Такт выпуска. Выпускной клапан открывается. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Такт выпуска на индикаторной диаграмме показан в виде кривой.

У двигателей обоих типов в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных (подготовительных) тактов — выпуске, впуске и сжатии — перемещение поршня происходит за счет механической энергии, накопленной маховиком во время такта расширения.

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:

Схема дизельного цикла

CyclePad Библиотека дизайна Цель Мы рассмотрим конструкцию дизельного цикла и то, как его производительность можно улучшить, изменив степень объемного сжатия. Цикл Дизеля представляет собой замкнутый цикл (где система представляет собой управляющую массу), обычно используемый для моделирования цилиндров искрового зажигания, внутреннего сгорания, автомобильных двигателей, т. е. бензиновых двигателей. Общая идея Цикл Дизеля очень похож на цикл Отто тем, что оба являются замкнутыми циклами, обычно используемыми для моделирования двигателей внутреннего сгорания. Разница между ними заключается в том, что цикл Дизеля представляет собой цикл с воспламенением от сжатия , а не цикл искрового зажигания, как цикл Отто. В циклах воспламенения от сжатия используется топливо, которое начинает сгорать, когда достигает температуры и давления, которые возникают естественным образом в какой-то момент во время цикла и, следовательно, не требуют отдельного источника энергии (например, от свечи зажигания) для сжигания. Дизельное топливо смешивают таким образом, чтобы обеспечить надежное сгорание при надлежащем тепловом состоянии, чтобы двигатели дизельного цикла работали хорошо. (Можно отметить, что большинство видов топлива начинают сгорать сами по себе при определенной температуре и давлении. Но это часто происходит непреднамеренно и может привести к слишком раннему сгоранию топлива в цикле. Например, когда бензиновый двигатель — обычно устройство цикла Отто — работает при слишком высоких степенях сжатия, оно может начать «дизель», когда топливо воспламеняется до образования искры.Часто трудно заставить такой двигатель отключить от , поскольку обычный метод просто лишения это искры может не работать. Этапы дизельных циклов Дизельные циклы состоят из четырех стадий: сжатия, сгорания, расширения и охлаждения. Рис. 3: движение вниз при сжатии Сжатие: Мы начинаем с воздуха в условиях окружающей среды — часто это просто внешний воздух, всасываемый в двигатель. Готовясь к добавлению тепла к воздуху, мы сжимаем его, перемещая поршень вниз по цилиндру. Именно в этой части цикла мы вносим работу 9от 0020 до воздух. В идеальном дизельном цикле это сжатие считается изоэнтропическим. Именно на этом этапе задаем коэффициент объемного сжатия , r который представляет собой отношение объема рабочего тела до процесса сжатия к его объему после. Поршень: перемещение от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Рисунок 4: пуск в нижней мертвой точке (показано пунктиром) во время горения Горение: Затем тепло добавляется в воздух за счет сжигания топлива. Этот процесс начинается, как только поршень выходит из положения нижней мертвой точки. Поскольку поршень движется в течение этой части цикла, мы говорим, что подвод тепла является изохорным, как и процесс охлаждения. Поршень: начинается с нижней мертвой точки, начинает двигаться вверх. Рисунок 1: движение вверх при расширении Расширение: В дизельном цикле топливо сжигается для нагревания сжатого воздуха, а горячий газ расширяется, заставляя поршень двигаться вверх в цилиндре. Именно в этой фазе цикл совершает свою полезную работу, вращая коленчатый вал автомобиля. Мы делаем идеальное предположение, что эта стадия в идеальном цикле Дизеля изоэнтропична. Поршень: перемещение от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Рис. 2. Верхняя мертвая точка при охлаждении Охлаждение: Далее расширенный воздух охлаждается до условий окружающей среды. В реальном автомобильном двигателе это соответствует выпуску воздуха из двигателя в окружающую среду и замещению его свежим воздухом. Поскольку это происходит, когда поршень в цикле находится в верхней мертвой точке и не движется, мы называем этот процесс изохорным (без изменения объема). Поршень: в верхней мертвой точке. Диаграмма P-V Диаграмма P-v для дизельного цикла показана ниже. Рисунок 5: Диаграмма P-v дизельного цикла Пример схемы дизельного цикла Постановка проблемы В целях иллюстрации предположим, что мы хотим разработать дизельный цикл, который использует 1 кг воздуха при температуре окружающей среды 15°C и давлении 100 кПа, сжимает его до одной восемнадцатой части исходного объема и добавляет к нему 1800 кДж тепла при сгорании. процесс. С тем, что мы знаем о циклах Дизеля, это все, что нам нужно, чтобы полностью описать проблему. (Мы также отмечаем, что это то же самое тепло, которое добавляется в примере конструкции цикла Отто.) CyclePad Реализация Ниже представлена ​​возможная конструкция CyclePad дизельного цикла. Рисунок 6: Цикл дизельного топлива в CyclePad рабочая жидкость Наиболее распространенным рабочим телом для дизельного цикла является воздух, поскольку это самая дешевая вещь для сжигания бензина. Мы можем выбрать воздух в качестве нашего рабочего тела как воздух, выбрав его в качестве вещества в окне измерителя любого вещества. Описание этапов цикла Мы кратко рассмотрим каждую точку состояния и процесс цикла Дизеля, где должны быть сделаны проектные предположения, подробно описав каждое предположение. Как мы видим из примерных проектных ограничений, для описания идеального цикла Дизеля необходимо указать очень мало чисел. Остальные предположения определяются путем применения базовых знаний о цикле. Принципиальным численным проектным решением является степень сжатия. Свойства цикла В пункте меню Cycle мы можем вызвать окно индикатора Cycle Properties. Единственное необходимое предположение здесь состоит в том, что цикл является тепловым двигателем (устройством для преобразования тепла в работу), поэтому CyclePad знает, как оценить его эффективность. Предварительное сжатие (S1) В этот момент у нас есть воздух, поступающий в цилиндр при условиях окружающей среды, поэтому мы предполагаем, что температура равна 15% ° C, а давление равно 100 кПа, как указано в постановке задачи. Это также хороший момент, чтобы указать, что рабочей жидкостью будет воздух, и указать, что масса воздуха составляет 1 кг. Процесс сжатия (CMP1) Здесь мы предполагаем, что сжатие для нашего идеального дизельного цикла является изоэнтропическим, и что наша степень сжатия равна 18, как указано в постановке задачи. Посткомпрессия (S2) Здесь нет необходимых спецификаций. Процесс сжигания (HTG1) Здесь мы предполагаем, что нагрев (который происходит сразу после выхода поршня из положения нижней мертвой точки) происходит при движении поршня под постоянным давлением, поэтому он изобарический. Здесь мы также предполагаем, что подведенное тепло ( Q ) 1800 кДж. Предварительное расширение (S3) Здесь нет необходимых спецификаций. Процесс расширения (EXP1) Поскольку мы анализируем идеальный цикл Дизеля, мы предполагаем, что расширение является изоэнтропическим. Если бы мы знали, сколько тепла было потеряно при расширении и какую работу оно произвело, мы могли бы указать их здесь вместо того, чтобы смоделировать неидеальный процесс расширения. Выхлоп (после расширения) (S4) Здесь нет необходимых спецификаций. Здесь мы выпускаем использованный воздух в окружающую среду. Процесс охлаждения (CLG1) Поскольку замена отработанного воздуха свежим воздухом происходит при нахождении поршня в верхней мертвой точке, процесс охлаждения будем считать изохорным. Эффективность дизельного цикла Мы можем снова посмотреть в окно индикатора Cycle Properties, чтобы увидеть, что тепловой КПД построенного нами дизельного цикла составляет около 59%. Рисунок 7: Свойства цикла Одной из основных технических характеристик дизельного цикла была объемная степень сжатия. Мы можем использовать Инструмент чувствительности CyclePad для построения графика тепловой эффективности цикла в зависимости от этой степени сжатия. Рисунок 8: Эффективность цикла в зависимости от степени объемного сжатия Итак, если бы мы изменили значение r на 25, эффективность нашего цикла увеличилась бы до 65%, что является очень большим улучшением. Мы можем вспомнить из нашей конструкции цикла Отто, что увеличение степени сжатия оказало такое же благотворное влияние на эффективность в этом случае, как и здесь для цикла Дизеля. В цикле Отто ограничение заключалось в том, что при увеличении степени сжатия в цикле развивалось чрезвычайно высокое давление. Однако в цикле Дизеля мы не добавляем все наше тепло в цикл, пока поршень застревает в положении, обеспечивающем наименьший объем, поэтому чрезвычайно высокие давления, которые мы наблюдали в цикле Отто, развиваются не так быстро. На рисунке ниже показано. Рисунок 9: Максимальное давление цикла в зависимости от степени объемного сжатия Например, при выборе степени сжатия с 18 до 25, что увеличивает тепловую эффективность примерно до 65%, максимальное давление цикла увеличивается только с менее чем 5,7 МПа до чуть более 9 МПа. Для сравнения, цикл Отто с аналогичной эффективностью требует степени сжатия около 13,5, что приводит к максимальному давлению более 15 МПа. CyclePad Файлы дизайна Загрузить CyclePad дизайн дизельного цикла. Связанные записи Модель цикла Отто Схема цикла Ренкина Источники Уолли, П. Б. 1992. Основы инженерной термодинамики . Издательство Оксфордского университета. ISBN: 0-19-856255-1 Ван Вилен, Зоннтаг, Боргнакке. 1994. Основы классической термодинамики, 4 -й издание . Джон Уайли и сыновья. ISBN: 0-471-59395-8 Идти к или Предоставил: М. Э. Броковски Начальная запись: 28.01.2002 Последнее редактирование: 25.03.2002 Для комментариев или предложений обращайтесь по адресу [email protected] .

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 совершить 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 передает тепло в систему 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. Ход относится к полному перемещению поршня вместе с цилиндром в любом направлении. Следовательно, каждый удар не соответствует одному термодинамическому процессу, описанному в главе 9. 0211 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 ход – Поршень перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), и цикл проходит точки 2 → 3 → 4. В этом такте происходит как впуск, так 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 неэффективность, снижающая 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. Для этого двигателя A LL Требуемые объемы известны:

• V ₁ = V ₄ = V _MAX = 500 × 10 ^-6 M ³ (0.56)
.9018.9086. 9018.9018. . 9018. .9018. 9018. (0.56) ^-6 M ³ (0.56). = 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 работы, которую она совершает, W , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q _H .

The thermal efficiency , η _th , represents the fraction of heat , Q _H , converted to work . 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. Поэтому мы можем переписать формулу для теплового КПД как:

Поглощение тепла происходит 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, тепло, добавленное и отклоненное, дается по:

Q _{Добавить} = MC _P (T ₃ — T ₂ )

Q _OUT = MC ). – T ₁ )

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

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

where

• η _Diesel is the maximum thermal efficiency of a Diesel cycle
• α is the cut-off ratio V ₃ /V ₂ (i.e., the ratio of volumes 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.

Если сравнить их с формулами, можно увидеть, что цикл Отто будет более эффективным для данной степени сжатия (CR), чем цикл Дизеля. Но дизельные двигатели обычно более эффективны, поскольку они могут работать при более высокой степени 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 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.
• Типичный дизельный автомобильный двигатель работает при от 30% до 35% . В целом, 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 % теплового 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 работы поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, известен как 9.0211 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, которая развивалась бы за один полный цикл, 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 на основе давления 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 ) известна как степень сжатия . Кроме того, коэффициент отсечки составляет V ₃ /V ₂ , что является отношением объемов в конце и начале фазы сгорания.

В этом примере допустим дизельный цикл со степенью сжатия CR = 20 : 1 и степенью отсечки α = 2. Воздух имеет давление 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

202020202020202020202020 2 . 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 .

Therefore

m = p ₁ V ₁ /R _specific T ₁ = (100000 × 500×10 ^-6 )/(287.1 × 293) = 5.95 × 10 ^-4 кг

2)

В этой проблеме все томы известны:

• V ₁
. . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 29. 1 1 2 1. ×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)

4)

уравнение состояния дает

T ₃ = (V ₃ /V ₂ ) x T ₂ = 1942 K

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

Q _add = mc _p (T ₃ – T ₂ ) = 5. 95×10 ^-4 x 1010 x 971 = 583.5 J

5)

Thermal efficiency for this Diesel цикл:

Как было получено в предыдущем разделе, тепловой КПД дизельного цикла является функцией 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 горения)
• CR – степень сжатия
• κ = c _p /c _v = 1.4

For this example:

η _Diesel = 0.6467 = 64.7%

6)

The MEP was defined as:

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

W _NET = Q _ADD Q _.