Содержание
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.
Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Теория двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Классификация ДВС По способу смесеобразования
|
Рабочий цикл — Определение рабочего цикла в автомобилестроении
Инженеры NATC консультируют наших клиентов в автомобильной промышленности со всего мира по широкому спектру программ и многогранным вопросам, связанным с проектированием и разработкой автомобилей, процедурами и стандартами, а также специализированными испытаниями.
Разработка транспортных средств
Работая с нашими клиентами, мы учитываем требования профилей использования транспортных средств и производственных возможностей, чтобы помочь оптимизировать затраты на проектирование, разработку и производство. Мы определяем сильные и слабые стороны разработанного клиентом транспортного средства, используя применимые ссылки, стандарты и исторические платформы. Кроме того, мы помогаем клиентам создавать планы проверки и проверки, чтобы свести на нет риски и обеспечить выпуск готового к продаже продукта.
Наши инженеры являются техническими экспертами в различных областях транспортной отрасли, включая легковые и коммерческие автомобили, внедорожные автомобили для отдыха, а также сельскохозяйственные, профессиональные и военные автомобили. Поскольку у нас есть инженерный опыт, инструменты моделирования и симуляции, а также средства для физических испытаний и проверки в одном месте, мы предлагаем комплексное решение для нужд наших клиентов.
Процедуры технического обслуживания/эксплуатации
NATC имеет значительный опыт первоначальной разработки, пересмотра, изменения, временного изменения и пересмотра процедур технического обслуживания и эксплуатации, используемых военными и промышленными клиентами. Сотрудничая с нашими клиентами, мы определяем уровень набора навыков, связанных с процедурами, и уровень предполагаемых знаний для целевой аудитории. Имея в штате сертифицированных главных механиков и опытных бывших военных ремонтников, мы разрабатываем эффективные и доступные процедуры технического обслуживания и эксплуатации и предоставляем их в формате, который может соответствовать отраслевым стандартам или стандартам Министерства обороны США.
Стандарты
NATC помогает регулирующим органам, руководителям автопарков и покупателям транспортных средств в разработке требований и стандартов для транспортных средств, используя наши обширные знания об эксплуатации дорожных и внедорожных транспортных средств и уроки, извлеченные из исторических документов по требованиям. Мы помогаем нашим клиентам определять наиболее важные возможности системы и разрешать противоречивые требования. У нас есть техническая база и опыт разработки и тестирования транспортных средств, чтобы брать условные описания транспортных средств и преобразовывать их в конкретные, объективные и проверяемые требования. Кроме того, наши инженеры являются активными членами с правом голоса в нескольких комитетах организаций по разработке стандартов, таких как SAE, ISO, TRB, ATA и т. д., которым поручено поддерживать и разрабатывать новые стандарты для наземных транспортных средств.
Специализированные тесты
Мы стремимся удовлетворить все потребности наших клиентов в тестировании и диагностике. Независимо от того, настраиваете ли вы тесты для анализа основных причин отказов или тестируете подтверждение концепции, мы преуспеваем в нестандартизированных и специализированных тестах. У нас есть ресурсы и опыт, необходимые для создания и настройки любого теста, который может понадобиться клиенту.
Ресурсы включают, но не ограничиваются:
- Выделенный инструментальный отдел, занимающийся сбором соответствующих данных
- Специализированный отдел электроники и управления с возможностью изготовления по индивидуальному заказу прецизионных испытательных приспособлений и контроллеров
- Инженерный отдел для проектирования и разработки испытаний
- Возможности трехмерного САПР и моделирования, включая МКЭ компонентов и систем, оценки усталости и жизненного цикла, а также полные модели динамического моделирования
- Программное обеспечение для отслеживания высокоскоростного видео и трехмерного видео
- Аэрофотосъемка с использованием беспилотных летательных аппаратов
- Полностью оснащенные производственные и механические цеха с сертифицированными сварщиками
Опыт и знания включают в себя, но не ограничиваются:
- Разработка последовательного пожара в салоне автомобиля для проверки установленных на автомобиле систем пожаротушения
- Разработка устройства для последовательного переворачивания транспортных средств для проверки систем защиты от опрокидывания
- Испытания систем ночного видения и ночного вождения на километрах частных трасс
- Разработка приспособлений, позволяющих проводить структурные испытания при минимальном влиянии на траекторию нагрузки
Что такое рабочий цикл и как он связан с электрическими шаровыми кранами?
Электрическое управление повышает эффективность процессов за счет поддержания точности повторяющегося открытия и закрытия шаровых кранов. Электрические приводы представляют собой компактные и масштабируемые устройства управления потоком, которые могут создавать переменный крутящий момент. Рабочий цикл — это общий термин, когда речь идет о выборе электрических приводов шаровых кранов. Рабочий цикл привода клапана влияет на срок службы привода. Каждый привод имеет соответствующую норму использования, которая гарантирует безопасную работу привода в различных условиях эксплуатации. Превышение рекомендуемых рабочих циклов сопряжено с опасностями. Электродвигатель может перегреться, что приведет к повреждению электродных щеток и других компонентов привода.
Что такое рабочий цикл?
Рабочий цикл — это числовое значение, определяемое как отношение между временем работы привода и временем покоя привода. Другими словами, отношение времени включения к времени выключения срабатывания. Математически это выглядит следующим образом:
Привод с более высоким рабочим циклом работает дольше, чем привод с более низким рабочим циклом. Например, масштабируя концепцию рабочего цикла до продолжительности в одну минуту, привод с рабочим циклом 90% будет работать в течение 54 секунд и иметь время отдыха 6 секунд. Тот, у которого рабочий цикл 25%, будет работать в течение 15 секунд и отдыхать в течение 45 секунд, прежде чем снова включиться. Время срабатывания может варьироваться от нескольких секунд, минут, часов до недель или месяцев. Это означает, что приводу требуется достаточно времени, чтобы остыть, прежде чем он снова начнет работать. Часто повторяющиеся операции с трубопроводами, такие как процессы модуляции потока, требуют, чтобы клапаны открывались и закрывались почти постоянно или непрерывно. Чтобы поддерживать надежность таких условий потока, становится неизбежным использование приводов с более высокими показателями рабочего цикла и тех, которые требуют меньшего обслуживания.
Факторы, влияющие на рабочие циклы электрических приводов шаровых кранов:
- Величина гидравлической нагрузки, действующей на клапаны — При увеличении нагрузки на клапан или резком увеличении рабочей скорости привод, рабочий цикл уменьшается. И наоборот, когда привод работает медленно и поддерживает меньшую нагрузку на клапан, рабочий цикл привода увеличивается. Привод приближается к точке максимальной эффективности.
- Температура и влажность рабочей среды — При более высоких температурах приводам клапанов труднее рассеивать тепло, выделяемое при работе.
Почему рабочий цикл важен для клапанов?
Каждый привод имеет порог срабатывания, выше которого дальнейшее повышение температуры может привести к повреждению или ухудшению характеристик привода. Например, привод с рабочим циклом 25 % не должен работать непрерывно при максимальной нагрузке и со скоростью, равной или превышающей указанное значение 25 %.
Рабочий цикл в отношении электрических шаровых кранов
На рынке существуют различные типы клапанов с различными приводными механизмами, подходящими для промышленного применения. Электрические, пневматические, гидравлические и электрогидравлические приводы обеспечивают средства для автоматизации работы клапана. Электрические приводы клапанов, как и другие электронные компоненты, во время работы выделяют тепло.
Автоматизированные механизмы управления полагаются на технологические сигналы для изменения положения клапана, чтобы инициировать, останавливать или изменять скорость потока рабочей среды. Рабочие циклы различаются для каждого привода в зависимости от характеристик нагрузки и рабочих температур окружающей среды.
Установка шаровых кранов с электрическим приводом в системе трубопроводов обеспечивает низкий перепад давления на протяжении всего процесса. В быстродействующих устройствах регулирования расхода небольшое смещение клапана инициирует быструю подачу рабочей жидкости. Приводы преобразуют электрический ток в импульсы, которые реагируют на условия давления в трубопроводе для открытия или закрытия клапанов.
Электрические шаровые краны могут иметь переменный ток (AC), постоянный ток (DC) или регулируемую ширину импульса в качестве входных сигналов. Устройства контроля потока на четверть оборота обеспечивают герметичные уплотнения, необходимые для устранения загрязнения. Они обычно используются в соединениях с большими портами и могут работать с более тяжелыми средами (полутвердые жидкости, шлам) и перекачивать большие объемы, чем соленоидные клапаны. Электрические шаровые краны имеют длительный срок службы, обеспечивают отличные характеристики уплотнения и эффективное управление потоком для тысяч оборотов. Они предпочтительнее для большинства промышленных применений, таких как обработка химикатов, производство продуктов питания и напитков, электростанции и нефтепроводы, поскольку они допускают высокое давление на входе и имеют более высокую величину противодавления.
Улучшение работы электропривода требует снижения мощности, подаваемой электрическими сигналами. При избыточной мощности происходит нагрев, увеличивающий вероятность отказа привода. В электрических шаровых кранах используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для уменьшения неравномерного распределения мощности. Он разбивает электрические сигналы на непрерывные импульсы, которые обеспечивают достаточную мощность для поддержания работы клапанов. Схемы ШИМ способствуют экономии энергии, снижая общую стоимость эксплуатации.
Электромагнитные клапаны и электроприводы быстро реагируют на входные сигналы (электрические импульсы). Когда частота импульсов увеличивается, колебания якоря двигателя увеличиваются. Широтно-импульсная модуляция гарантирует, что входные сигналы имеют те же рабочие частоты, что и электромагнитный клапан или электрический привод. Когда частоты меняются, компоненты лампы имеют тенденцию следовать (отставать) за колеблющимся входным сигналом. Применение равномерной частоты сигнала на протяжении всего цикла срабатывания защищает механические части клапана от перебегов, увеличивающих тепловые нагрузки на корпус клапана.
Дополнительные критерии выбора шаровых кранов с электроприводом
К настоящему моменту стало ясно, что рабочие циклы имеют решающее значение при выборе приводов для шаровых кранов с электроприводом. Выбор шарового крана будет зависеть от типа рабочей среды, простоты обслуживания, потребляемой мощности и быстродействия. Есть несколько других факторов для рассмотрения.
- Скорость двигателя — Более быстрые двигатели гарантируют быструю реакцию на входные сигналы при работе с жидкостным регулированием. Хотя быстрая реакция исполнительного механизма имеет решающее значение, она влияет на стабильность электрических исполнительных механизмов. Быстродействующий привод, скорее всего, выйдет за пределы своего рабочего предела. Решение этой проблемы требует использования двигателя с меньшим числом оборотов в минуту. В качестве альтернативы, механизм снижения скорости будет способствовать идеальному балансу между стабильностью и отзывчивостью.
- Характеристики запирания клапана — Для работы с жидкостью типа «открыто-закрыто» привод должен работать на максимальной скорости. Когда клапан приближается к закрытому положению, турбулентность жидкости возрастает.