Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

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

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

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

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

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

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

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

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

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

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

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

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

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

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

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

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

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

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

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

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

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

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

5.3. Задачи для самостоятельного решения

5.3. 1.
Бак с жидкостью, над поверхностью которой
находится воздух, герметически закрыт.
Почему, если открыть кран, находящийся
в нижней части бака, после вытекания
некоторого количества жидкости дальнейшее
ее истечение прекратится? Что надо
сделать, чтобы обеспечить свободное
вытекание жидкости?

5.3.2.
Во сколько раз изменится давление
воздуха в цилиндре, если поршень
переместится на 1/3 его хода влево? Вправо?

5.3.3.
Баллон содержит 40 л сжатого воздуха под
давлением 15 МПа. Какой объем воды можно
вытеснить из цистерны подводной лодки
воздухом из этого баллона, если лодка
находится на глубине 20 м?

5.3.4.
Какова плотность сжатого воздуха при
0⁰С
в камере автомобиля «Волга», если он
находится под давлением 0,17 МПа (избыточным
над атмосферным)?

5.3.5.
Какая масса воздуха м
выйдет из
комнаты объемом V
= 60 м³
при повышении температуры от T₁
= 280 К до Т₂
= 300 К при нормальном давлении?

5. 3.6.
Почему аэростаты окрашивают в серебристый
цвет?

5.3.7.
Резиновую лодку надули ранним утром,
когда температура окружающего воздуха
была 7⁰С.
На сколько процентов увеличилось
давление воздуха в лодке, если днем под
лучами солнца от прогрелся до 35⁰
С ?

5.3.8.
При какой температуре находился газ в
закрытом сосуде, если при нагревании
его на 140 К давление возросло в 1,5 раза?

5.3.9.
Какова зависимость числа молекул газа
в единице объема от абсолютной температуры
при изохорном процессе? При изобарном
процессе?

5.3.10.
Газ при давлении 0,2 МПа и температуре
15⁰ С
имеет объем 5 л? Чему равен объем этой
массы газа при нормальных условиях?

5.3.11.
Какое давление рабочей смеси установилось
в цилиндрах внутреннего сгорания, если
к концу такта сжатия температура
повысилась с 47 до 367⁰
С, а объем
уменьшился с 108 до 0,3 л? Первоначальное
давление было 100 кПа.

5.3.12.
Каково давление сжатого воздуха,
находящегося в баллоне емкостью 20 л при
12⁰
С, если масса этого воздуха 2 кг?

5.3.13.
Какой емкости нужен баллон для содержания
в нем 50 моль газа, если при максимальной
температуре 360 К давление не должно
превышать 6 МПа?

5.3.14.
В одинаковых баллонах при одинаковой
температуре находятся равные массы
водорода (Н₂)
и углекислого газа (СО₂).
Какой из газов и во сколько раз производит
большее давление на стенки баллона?

5.3.15.
Пользуясь таблицей Менделеева, найти
плотность ацетилена (С₂
Н₂)
при нормальных условиях.

5.3.16.
Зная плотность воздуха при нормальных
условиях, найти молярную массу воздуха.

5.3.17.
Вычислить увеличение внутренней энергии
2 кг водорода при повышении его температуры
на 10 К.

5. 3.18.
Для получения газированной воды через
воду пропускают сжатый углекислый газ.
Почему температура воды при этом
понижается?

5.3.19.
Вычислить КПД газовой горелки, если в
ней используется газ. Теплота сгорания
которого 36 МДж/м²,
а на нагревание чайника с 3 л воды от
10⁰С
до кипения было израсходовано 60 л газа.
Теплоемкость чайника 100 Дж/К.

5.3.20.
При трении двух тел, теплоемкости которых
по 800 Дж/К, температуре через 1 мин
повысилась на 30 К. Найти среднюю мощность
при трении.

5.3.21.
Два одинаковых стальных шарика упали
с одной и той же высота. Первый упал в
вязкий грунт, а второй, ударившись о
камень, отскочил и был пойман рукой на
некоторой высоте. Который из шариков
больше нагрелся?

5.3.22. Что
обладает большей внутренней энергией:
рабочая смесь, находящаяся в цилиндре
двигателя внутреннего сгорания к концу
такта сжатия (до проскакивания искры),
или продукт ее горения к концу рабочего
хода?

5. 3.23. Гусеничный
трактор развивает номинальную мощность
60 кВт и при этой мощности расходует в
среднем в час 18 кг дизельного топлива.
Найти КПД его двигателя.

24. В сосуде объемом
    20 л находится 4 г водорода, при температуре
    27⁰
    С. Найдите давление водорода.

25. Определите число
    молекул, содержащихся в единице массы
    углекислого газа. Найдите массу одной
    молекулы и для нормальных условий
    число молекул в 1 см³
    газа, если плотность данного газа при
    нормальных условиях равна 1.98 кг/м³.

26. Найдите плотность
    кислорода при температуре 300 К и
    давлении 1.6 ∙ 10⁵
    Па. Определите массу кислорода,
    занимающего при этих условиях 200 м³.

27. Сколько степеней
    свободы имеет молекула, обладающая
    средней кинетической энергией теплового
    движения 9. 7 ∙ 10^-21
    Дж при температуре 7⁰С?

28. Чему равна средняя
    кинетическая энергия поступательного
    движения и полная средняя кинетическая
    энергия молекул при температуре 1000⁰С
    для одноатомных, двухатомных и
    многоатомных газов?

29. Найдите среднюю
    квадратичную скорость молекул газа.
    Имеющего плотность 1,8 кг/м³
    при давлении 152 кПа.

30. Газ нагревается
    в открытом сосуде при нормальном
    атмосферном давлении от 27^оС
    до 327^оС.
    На сколько при этом изменится число
    молекул в единице объема?

31. Удельная
    теплоемкость при постоянном давлении
    некоторого газа 987 Дж/кг∙К, масса его
    34 кг/кмоль. Определите, каким числом
    степеней свободы обладают молекулы
    этого газа.

32. Разность между
    удельными теплоемкостями при постоянном
    давлении и постоянном объеме для
    некоторого газа равна 260 Дж/кг∙К.
    Определите молярную массу данного
    газа.

33. При нагревании
    газа на 25^оС
    при постоянном давлении необходимо
    затратить 500 Дж тепла, а при охлаждении
    того же количества газа на 78^оС
    при постоянном объеме выделяется 1070
    Дж. Определите отношение теплоемкостей
    С_p/ C_V.

34. 5,6 г окиси углерода
    (СО) находится под давлением 2∙10⁵
    Н/м²
    при температуре 17^оС.
    После нагревания при постоянном
    давлении газ занял объем 5 дм³.
    Определите количество теплоты,
    полученной газом.

5.3.35. Закрытый
баллон объемом 0,8 м³
заполнен
азотом под давлением 2,3∙10⁶
Н/м²
при
температуре 20^оС.
Газу сообщили 4,6∙10³
кДж тепла. Определите температуру и
давление газа в конце процесса.

5. 3.36. В
цилиндре диаметром d
= 40 см содержится V
= 0,08 м³
двухатомного газа. На сколько следует
увеличить нагрузку поршня при подводе
84 Дж тепла, чтобы поршень не пришел в
движение?

5.3.37. При
изобарическом расширении некоторой
массы многоатомного газа, находящегося
под давлением 2∙10⁵
Н/м²,
его внутренняя энергия изменилась на
4,8 кДж. Найдите увеличение объема газа.

5.3.38. На
сколько километров пути хватит автомашине
V
= 40 л бензина, если ее вес равен Р = 35,5 кН,
общее сопротивление движению составляет
0,050 этой силы, кпд двигателя η = 18%, удельная
теплота сгорания бензина q
= 4,6∙10⁷
Дж/кг, плотность бензина ρ = 0,7∙10³
кг/м³.
Движение считать равномерным.

5.3.39. Какое
количество теплоты за сутки теряется
через стены и окна в комнате с печным
отоплением, если для поддержания в ней
постоянной температуры воздуха
потребовалось сжечь 10 кг угля? Удельная
теплота сгорания угля q
= 2. 05∙10⁷
Дж/кг; кпд печи равна 35%.

5.3.40. Двигатель
автомобиля развивает мощность 55 кВт и
потребляет 0,31 кг бензина на 1 кВт∙ч
энергии. Определите кпд двигателя.

5.3.41. Найдите
массу горючего, необходимого для
тепловоза, состоящего из двух секций с
дизелями мощностью 735 кВт в каждом при
кпд 28%, чтобы пройти расстояние 10³
км со средней скоростью 72 км/ч.

5.3.42. Газ
совершает цикл Карно. Абсолютная
температура нагревателя в 3 раза выше
абсолютной температуры холодильника.
Какую долю тепла, получаемого за один
цикл от нагревателя, газ отдает
холодильнику?

5.3.43. Идеальная
тепловая машина, работающая по циклу
Карно, имеет температуру нагревателя
227^оС,
температуру холодильника 127^оС.
Во сколько раз нужно увеличить температуру
нагревателя, чтобы кпд машины увеличился
в 3 раза?

5.3.44. Газ,
совершающий идеальный цикл Карно, ¾
тепла, которое он получил от нагревателя,
отдает холодильнику. Температура
холодильника 0^оС.
Определите температуру нагревателя.

Как работает двигатель? Сгорание и компоненты

• Новости

Поделиться:

Двигатель внутреннего сгорания работает путем преобразования топлива и воздуха в механическую энергию.

К основным компонентам двигателя относятся клапанный механизм, поршни и коленчатый вал.

Купить артикул

AMSOIL Synthetic Motor Oil

AMSOIL Synthetic Diesel Oil

Работа двигателя заключается в преобразовании топлива в энергию. Итак, как работает двигатель? Двигатели внутреннего сгорания создают энергию, сжигая топливно-воздушную смесь под давлением внутри цилиндра, и она преобразуется в движение поршнями двигателя, шатунами и коленчатым валом.

Однако конструкция и функции компонентов различаются в зависимости от основного назначения автомобиля, типа топлива и других соображений. Начнем с основ сгорания и конструкции двигателя.

Четыре функции сгорания

Четырехтактные двигатели должны выполнять четыре основные функции для правильной и эффективной работы:

• Впуск
• Компрессия
• Мощность
• Выпуск

Функция впуска включает подачу смеси воздуха и топлива в камеру сгорания. компрессия функция сжимает смесь. Функция power включает воспламенение смеси и использование силы этой реакции. Функция выхлопа вытесняет сгоревшие газы из двигателя.

В четырехтактном двигателе процесс сгорания состоит из 1) тактов впуска, 2) сжатия, 3) рабочего и 4) тактов выпуска.

Поршень и поршневые кольца

Поршень движется вверх и вниз или совершает возвратно-поступательные движения внутри цилиндра двигателя. При этом он помогает выполнить четыре функции сгорания, создавая вакуум, который втягивает топливно-воздушную смесь в камеру сгорания (впуск), сжимает смесь (сжатие), воспламеняет ее (мощность) и удаляет продукты сгорания (выхлоп). ).

Область над поршнем называется цилиндром или камерой сгорания. Воздух и топливо сжимаются и воспламеняются в цилиндре. Поршневые кольца под днищем поршня образуют уплотнение на стенке цилиндра, чтобы предотвратить утечку топлива из камеры сгорания и помочь предотвратить утечку большей части побочных продуктов сгорания через поршневые кольца и загрязнение масла в картере. Поршневые кольца также помогают охлаждать поршень, распределяя масло по стенке цилиндра и передавая тепло.

Двигатель в разрезе, открывающий поршни, камеру сгорания и отверстие форсунки.

Шатуны и поршневые пальцы

Шатуны соединяют поршень с коленчатым валом. Наручный штифт используется для крепления поршня к шатуну, позволяя им поворачиваться при возвратно-поступательном движении. И под коронкой, и под запястьем штифт подвергаются экстремальным нагрузкам, поскольку они воспринимают силу возвратно-поступательных поршней, особенно когда поршень движется вниз под действием силы сгорания.

Как работает двигатель? Коленчатый вал

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение, которое передается на коробку передач. В типичном потребительском автомобиле коленчатый вал присоединяется к трансмиссии через сцепление (в ручном режиме) или преобразователь крутящего момента (в автоматическом режиме). В газонокосилке коленчатый вал крепится непосредственно к режущим ножам.

Уплотнения на концах коленчатого вала предотвращают утечку масла из двигателя. Уплотнения в двухтактных двигателях имеют дополнительную проблему, связанную с работой под действием сил положительного и отрицательного давления, создаваемых возвратно-поступательным движением поршня. Сальники четырехтактных двигателей не работают при таком давлении.

Поршни приводят в движение коленчатый вал, который приводит в движение трансмиссию и транспортное средство.

Подшипники

Коренные подшипники двигателя поддерживают коленчатый вал. В зависимости от конструкции двигателя могут использоваться подшипники качения или подшипники скольжения.

Роликовые подшипники (подшипники качения) используются в двухтактных двигателях, поскольку для них нет специального источника смазки. Роликовые подшипники содержат подвижные элементы и могут также называться роликовыми подшипниками.

Подшипники скольжения — это фиксированные неподвижные подшипники, которые поддерживают вращающийся коленчатый вал в четырехтактных двигателях. Они предназначены для обеспечения низкого сопротивления трению и требуют специального источника смазки под давлением для обеспечения адекватного жидкостного барьера между металлическими компонентами.

Что означает вязкость масла

Вязкость масла является мерой его сопротивления течению. То, насколько быстро или медленно течет моторное масло, влияет на то, насколько хорошо оно защищает ваш двигатель.

Узнать больше

Клапанный механизм и фазы газораспределения

Клапанный механизм двигателя отвечает за открытие и закрытие клапанов цилиндров в нужное время в процессе сгорания. Он состоит из клапанов, узлов клапанных пружин, распределительных валов, толкателей, толкателей и коромыслов.

Клапаны используются либо для подачи топливно-воздушной смеси в цилиндр, либо для выпуска выхлопных газов. В старых автомобилях для каждой функции использовался один клапан; однако в новых автомобилях используется до двух впускных и двух выпускных клапанов на цилиндр.

Впускной клапан подает топливно-воздушную смесь в камеру сгорания. Выпускной клапан выпускает выхлопные газы из цилиндра.

Каждый клапан имеет уплотнение клапана, которое отвечает за предотвращение попадания масла в камеру сгорания. Неисправные уплотнения клапанов могут привести к попаданию масла в цилиндр и воспламенению во время сгорания, в результате чего двигатель будет сжигать масло.

Магазин AMSOIL Products

Распредвал

Распредвал содержит эксцентрики и шейки, которые регулируют фазы газораспределения. Эксцентрики представляют собой механические кулачки, которые передают возвратно-поступательное движение между механическими компонентами. Каждый эксцентрик управляет одним клапаном. Например, четырехцилиндровый двигатель с двумя клапанами на цилиндр будет использовать распределительный вал с восемью эксцентриками.

Форма эксцентриков контролирует точно настроенное движение и синхронизацию клапанного механизма, включая то, насколько далеко поднимаются клапаны, как долго они остаются поднятыми и когда эти движения происходят относительно положения поршней.

Два основных типа распределительных валов — плоского толкателя и роликового. Толкатель, или толкатель, на распределительном валу с плоским толкателем плоский, и для отделения его поверхности от кулачка требуется масло. Распределительные валы с плоскими толкателями создают высокое трение и высокие температуры, потому что поверхности быстро скользят друг относительно друга. Масляная пленка является единственным барьером, препятствующим слипанию толкателя и кулачка кулачка.

Трение между двумя компонентами может привести к износу кулачка плоского толкателя и повлиять на работу клапана. Мощность и эффективность двигателя снижаются, если кулачки с плоскими толкателями не могут поднять клапаны достаточно, чтобы адекватно заполнить камеру для воспламенения или выпуска выхлопных газов.

Роликовый распределительный вал использует колеса или ролики для уменьшения износа толкателя. Тела качения практически полностью уменьшают трение между толкателем и кулачком, продлевая срок службы распределительного вала. Роликовые распределительные валы обычно предпочтительнее распределительных валов с плоскими толкателями, поскольку они значительно снижают износ и могут повысить производительность двигателя.

Распределительный вал содержит эксцентрики, открывающие впускной и выпускной клапаны.

Как работает двигатель? Конструкции блоков цилиндров

Рядный двигатель

Рядные двигатели располагают поршни в один ряд. Рядный блок цилиндров — это обычная компоновка, используемая в различных автомобильных и спортивных приложениях, включая снегоходы, гидроциклы и мотоциклы.

Двигатель V-Style

Двигатели V-Style имеют два ряда цилиндров, смещенных относительно друг друга так, что они образуют V-образную форму. V-образный двигатель — это обычная конструкция автомобильного двигателя. Рынок крупногабаритных мотоциклов также обычно использует эту конструкцию.

Оппозитный двигатель

В оппозитных двигателях цилиндры лежат горизонтально и расположены перпендикулярно к обеим сторонам коленчатого вала. Porsche* и Subaru* используют оппозитную конструкцию блока цилиндров в автомобилях, а Kohler* и Briggs & Stratton* хорошо известны тем, что используют оппозитные двигатели в газонокосилках.

Роторный двигатель

Известный как двигатель Ванкеля, роторный двигатель использует треугольный ротор вместо поршня для производства энергии. Треугольные роторы вращаются внутри специальной камеры; один цикл состоит из функций впуска, сжатия, мощности и выпуска.

Поскольку мощность поступает от вращающегося ротора, а не от возвратно-поступательных поршней, он работает плавно с очень небольшой вибрацией. Роторный двигатель в основном используется в автомобилях, включая Mazda* RX7 и RX8.

Как видите, на правильно работающий двигатель внутреннего сгорания уходит очень много. Надеюсь, это поможет ответить на вопрос: как работает двигатель?

Купить AMSOIL Products

Купить артикул

AMSOIL Synthetic Motor Oil

AMSOIL Синтетическое дизельное масло

Сгорание в дизельных двигателях

Сгорание в дизельных двигателях

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

• Приготовление и смешивание дизельного топлива
• Исследовательские двигатели для оптической диагностики

Abstract : В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия. Во время фазы, известной как задержка воспламенения, топливная струя распыляется на мелкие капли, испаряется и смешивается с воздухом. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке, температура смеси достигает температуры воспламенения топлива, вызывая воспламенение некоторого количества предварительно перемешанного количества топлива и воздуха. Остаток топлива, не участвовавший в предварительном сгорании, расходуется на фазе сжигания с регулируемой скоростью.

• Компоненты процесса горения
• Скорость тепловыделения в двигателях с прямым впрыском
• Три фазы сгорания дизельного топлива
• Концептуальная модель сжигания дизельного топлива
• Шум, создаваемый горением

Сгорание в дизельных двигателях очень сложное, и до 1990-х годов его подробные механизмы не были хорошо изучены. В течение десятилетий его сложность, казалось, не позволяла исследователям раскрыть его многочисленные секреты, несмотря на доступность современных инструментов, таких как высокоскоростная фотография, используемая в «прозрачных» двигателях, вычислительная мощность современных компьютеров и множество математических моделей, разработанных для имитации сгорания в дизельном топливе. двигатели. Применение лазерной визуализации к обычному процессу сгорания дизельного топлива в 1990-е годы стали ключом к значительному расширению понимания этого процесса.

В этом документе будет рассмотрена наиболее известная модель внутреннего сгорания для обычного дизельного двигателя . Это «обычное» дизельное сгорание в первую очередь контролируется смешиванием с, возможно, сгоранием с предварительным смешиванием, которое может происходить из-за смешивания топлива и воздуха перед воспламенением. Это отличается от стратегий сжигания, которые пытаются значительно увеличить долю происходящего сжигания предварительно смешанного топлива, например, различные ароматы низкотемпературного сгорания.

Основной предпосылкой дизельного сгорания является его уникальный способ высвобождения химической энергии, содержащейся в топливе. Чтобы выполнить этот процесс, кислород должен быть доступен для топлива определенным образом, чтобы облегчить горение. Одним из наиболее важных аспектов этого процесса является смешивание топлива и воздуха, которое часто называют приготовлением смеси .

В дизельных двигателях топливо часто впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия, всего за несколько градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки 9.0179 [391] . Жидкое топливо обычно впрыскивается с высокой скоростью в виде одной или нескольких струй через небольшие отверстия или форсунки в наконечнике форсунки. Он распыляется на мелкие капли и проникает в камеру сгорания. Распыленное топливо поглощает тепло окружающего нагретого сжатого воздуха, испаряется и смешивается с окружающим высокотемпературным воздухом высокого давления. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), температура смеси (в основном воздуха) достигает температуры воспламенения топлива. Быстрое воспламенение некоторых предварительно смешанного топлива и воздуха происходит после периода задержки воспламенения. Это быстрое воспламенение считается началом сгорания (а также концом периода задержки воспламенения) и характеризуется резким повышением давления в цилиндре по мере того, как происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Повышенное давление, возникающее в результате сжигания предварительно смешанной смеси, сжимает и нагревает несгоревшую часть заряда и сокращает время задержки перед его воспламенением. Это также увеличивает скорость испарения оставшегося топлива. Распыление, испарение, смешение паров топлива с воздухом и горение продолжаются до тех пор, пока не сгорит все впрыскиваемое топливо.

Сгорание дизельного топлива характеризуется обедненным общим соотношением A/F. Самое низкое среднее отношение A/F часто наблюдается в условиях максимального крутящего момента. Чтобы избежать чрезмерного дымообразования, соотношение A/F при пиковом крутящем моменте обычно поддерживается на уровне выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности, равного примерно 14,4:1. В дизельных двигателях с турбонаддувом соотношение A/F на холостом ходу может превышать 160:1. Поэтому избыточный воздух, находящийся в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже сгоревшими газами на протяжении всего процесса сгорания и расширения. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания выбрасывается, что объясняет окислительный характер дизельного выхлопа. Хотя сгорание происходит после того, как испарившееся топливо смешивается с воздухом, образуя локально богатую, но горючую смесь, и достигается надлежащая температура воспламенения, общее соотношение воздух/топливо обеднено. Другими словами, большая часть воздуха, поступающего в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избыточном воздухе помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, уменьшая их концентрацию в выхлопных газах до чрезвычайно малых концентраций.

Следующие факторы играют основную роль в процессе сгорания дизельного топлива:

• вводил наддувочный воздух , его температуру и кинетическую энергию в нескольких измерениях.
• Распыление впрыскиваемого топлива , проникающая способность, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют и другие параметры, которые могут сильно на них влиять и, следовательно, играть второстепенную, но все же важную роль в процессе горения. Например:

• Конструкция впускного отверстия , которая оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно когда он входит в цилиндр) и, в конечном счете, на скорость смешивания в камере сгорания. Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто за счет передачи тепла от водяной рубашки к наддувочному воздуху через площадь поверхности впускного отверстия.
• Впускной клапан размера , который регулирует общую массу воздуха, поступающего в цилиндр за конечное время.
• Степень сжатия , которая влияет на испарение топлива и, следовательно, на скорость смешивания и качество сгорания.
• Давление впрыска , которое определяет продолжительность впрыска для заданного размера отверстия форсунки.
• Геометрия отверстия сопла (длина/диаметр), которая контролирует проникновение струи, а также распыление.
• Геометрия распыления , которая непосредственно влияет на качество сгорания за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса распыления может поместить топливо на верхнюю часть поршня и за пределы камеры сгорания в дизельных двигателях с прямым впрыском с открытой камерой сгорания. Это условие привело бы к чрезмерному дымлению (неполному сгоранию) из-за лишения топлива доступа к воздуху, находящемуся в камере сгорания (камере). Большие углы конуса также могут привести к распылению топлива на стенки цилиндра, а не внутрь камеры сгорания, где это требуется. Топливо, распыляемое на стенку цилиндра, в конечном итоге будет стекать в масляный картер, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол распыления является одной из переменных, влияющих на скорость смешивания воздуха с топливной струей вблизи выходного отверстия форсунки, он может оказывать значительное влияние на общий процесс сгорания.