1Цикл двс с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)

В
качестве топлива в таких двигателях
применяются легкое топливо и газообразное
(бензин, керосин, генераторный или
светильный газ).

В
поршневых двигателях рабочим телом
являются смесь воздуха и паров жидкого
топлива (на начальном участке цикла) и
газообразные продукты сгорания на
остальных участках цикла.

На
рис.11.1 приведен термодинамический цикл
ДВС с подводом теплоты при постоянном
объеме в vP—
и sT-диаграммах
для 1 кг рабочего тела.

Цикл
состоит из следующих процессов: 1-2
– адиабатное сжатие рабочего тела в
цилиндре; 2-3
– подвод теплоты при постоянном объеме;
3-4

адиабатное расширение рабочего тела;
4-1
– отвод теплоты при постоянном объеме.

Параметрами,
характеризующими данный цикл, являются:

—
степень адиабатного сжатия;
— степень повышения давления. Термический
КПД цикла определяется по формуле:

.
(11.3)

Рис.
11.1. Термодинамический цикл двигателя
внутреннего сгорания с подводом

Теплоты при постоянном объеме:

а
— в
vP—
диаграмме; б
– в
sT-диаграмме.

Количество
теплоты, подводимое к рабочему телу в
процессе 2-3:

. (11.4)

Количество
теплоты, отводимое в изохорном процессе
4-1:

. (11.5)

Количество
подведенной теплоты
и отведеннойможно
определить через параметры цикла. Для
этого температурыивыражаются через температуруи
параметры циклаи.

Таблица
11.1 — Определение температуры в характерных
точках цикла с изохорным подводом
теплоты

После
преобразований:

;
.

. (11.6)

Из
выражения (11.6) видно, что термический
КПД цикла с подводом теплоты при
зависит
от степени сжатия рабочего тела(конструкции
двигателя) и показателя адиабатыk
рабочего тела, совершающего цикл. От
степени повышения давления
термический КПД не зависит. В современных
двигателях=712.
При значениях
=1012
темп возрастания
уменьшается.
Степень сжатия ограничивается температурой
самовоспламенения горючей смеси. При
высоких степенях сжатия значительно
повышаются температура и давление в
конце сжатия. Так, при некоторых
значенияхчасто
еще до прихода поршня в левое крайнее
положение происходит воспламенение
горючей смеси, т.е. возникает ее детонация.
При этом процесс сгорания нарушается,
мощность двигателя падает, расход
топлива возрастает. Поэтому каждому
виду топлива соответствует своя степень
сжатия.

На
рис. 11.2 приведены два цикла с различной
степенью сжатия
.
Из рисунка видно, что при равенствепл.
67810 = пл. 6235, но при разных степенях сжатиятермический КПД больше у цикла с большей
степенью сжатия, т.к. в окружающую среду
отводится меньшее количество теплоты,
т.е. пл. 61910
пл. 6145.

Работа
цикла:

(11.7)

Из
выражения (11.7) видно, что работа, получаемая
за цикл, зависит от начальной температуры
и
параметров циклаи.

Рис.
11.2. Влияние степени сжатия
на величинуцикла
двигателя внутреннего сгорания

С подводом теплоты при и

11.2 Цикл двс с подводом теплоты при постоянном давлении (цикл Дизеля)

В
двигателях с подводом теплоты при
производится раздельное сжатие воздуха
и жидкого топлива (горючего), что исключает
самовоспламенение и позволяет получить
высокие степени сжатия. Давление в конце
сжатия порядка 3-4 МПа. Степень сжатия=1418.

На
рис. 11.3 приведен термодинамический цикл
ДВС с подводом теплоты при постоянном
объеме в vP—
и sT-диаграммах
для 1 кг рабочего тела.

Цикл
состоит из следующих процессов: 1-2
– адиабатное сжатие рабочего тела в
цилиндре; 2-3
– подвод теплоты при постоянном давлении;
3-4

адиабатное расширение рабочего тела;
4-1
– отвод теплоты при постоянном объеме.

Рис.
11.3. Термодинамический цикл двигателя
внутреннего сгорания

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

Архив Приложение к журналу Ключевые слова Аннотации Архив рубрик Логин Пароль ВХОД регистрация забыли пароль? Другие журналы Аэрокосмический научный журнал Инженерный вестник Математика и математическое моделирование Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация Молодежный научно-технический вестник Радиооптика Технологии инженерных и информационных систем	Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания # 08, август 2012 DOI: 10. 7463/0812.0475919 Файл статьи: Самойленко_P.pdf (478.57Кб) автор: Самойленко А. Ю. УДК 621.431.74 Россия, Новороссийск, ФГБОУ ВПО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» [email protected]   Введение Известные методы теоретического и практического анализа и синтеза циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) базируются исключительно на термодинамических представлениях о цикле. Этим методам посвящено огромное число  работ теоретического и практического характера, перечислить которые в рамках статьи не представляется возможным. Достаточно указать на ставшую классической в данной области работу отечественных ученых [1].  Как известно,  в теории тепловых двигателей в качестве термодинамического эталона рассматривается цикл Карно. Менее известен в этом качестве регенеративный цикл, например, цикл Стирлинга [2]. В тоже время, когда речь идет о цикле ДВС,  и, в частности, о  судовых дизелях, эти эталоны практически не рассматриваются, поскольку они весьма далеки по составу и характеру процессов от реального цикла ДВС. B практических расчетах и  теоретических исследованиях анализ циклов ДВС ограничен, как правило,  вариациями от цикла с изохорным, до цикла с изобарным подводом тепла и их комбинацией, что подробно рассмотрено в той же работе [1] или, например, в работе [3]. Кроме этого, в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) процессы изменения объема цилиндра и давления газов протекают не ступенчато, а плавно в функции угла  φ  поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. В итоге это существенно изменяет вид реальных циклов, по сравнению с рассматриваемыми в теории. В данной работе  сделана попытка устранить эти противоречия и  предложить цикл, который мог бы использоваться в качестве эталонного цикла ДВС, как альтернативы известным эталонам. Дальнейшее изложение материала статьи базируется на  данных, полученных автором на  дизелях морских судов. Однако никаких принципиальных ограничений по применению полученных результатов к другим разновидностям  ДВС, с традиционной конструкцией КШМ, автор не усматривает.   Метод исследования Для решения этой задачи, в отличие от традиционных методов, цикл дизеля анализируется автором не в функции объема, а в функции угла ПКВ, с использованием методов гармонического анализа. При рассмотрении цикла двигателя в функции угла  ПКВ, как периодически повторяющегося процесса, его развернутая индикаторная диаграмма р(φ) представлена суммой гармоник  k с амплитудами  Pimax  начальными фазами  φi, отсчитываемыми относительно положения верхней мертвой точки, и некоторой постоянной составляющей ро ,                                  (1) где i=1, 2, 3… — номер гармоники. Частота первой гармоники равна частоте вращения коленчатого вала двигателя. В качестве примера на рис. 1 представлена развернутая индикаторная диаграмма судового высокооборотного дизеля  4L20, с частотой вращения 900 1/мин, а также компоненты ее разложения на гармоники в соответствии с выражением (1).     Рис. 1 Исходная индикаторная диаграмма и ее компоненты разложения: 1- первая гармоника; 1, 2 – сумма первых двух гармоник; 1…6 — сумма первых 6 гармоник   Роль гармоник в индикаторной диаграмме При таком представлении развиваемое в цикле дизеля среднее индикаторное давление рmi, как показано автором в работе  [4], определяется выражением ,                          (2) где P1max и φ1 – амплитуда и начальная фаза первой гармоники;        P2max и φ2 – амплитуда и начальная фаза второй гармоники;        λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна двигателя, характеризующее КШМ. Из выражения (2) следует, что среднее индикаторное давление, то есть полезный эффект от  работы двигателя, создается только первыми двумя гармониками. В работе [5] автором данной статьи доказано, что кроме первой гармоники в рmi теоретически вносят  вклад все четные гармоники. Однако, начиная с 4-й гармоники их суммарный вклад незначителен, не превышает 1 %, и его можно не учитывать. Из выражения (2) напрашивается естественный вывод — поскольку гармоники, начиная с третьей,  с позиции получения рmi  бесполезны, то цикл дизеля целесообразно организовать так, чтобы он содержал только первые две гармоники.  Третья и более высокие гармоники не просто бесполезны с точки зрения выработки pmi, но и в определенной степени вредны. Так, одним из основных параметров механической напряженности судового дизеля является максимальное давление его цикла Рmax. По данному параметру конструкции современных судовых дизелей приблизились к пределу прочности применяемых конструкционных материалов. Это является сдерживающим фактором на пути дальнейшего форсирования дизелей, в частности – повышения развиваемого в цилиндре среднего индикаторного давления pmi.   Третья и более высокие гармоники не дающие  вклада в среднее индикаторное давление, тем не менее, вносят существенный вклад в максимальное давление. Это наглядно видно на рис. 1, где максимальное давление суммы первых двух гармоник составляет примерно 92 бара, а для суммы первых шести гармоник оно возрастает уже до 128 бар.   Цикл ДВС из двух гармоник Исходя из вышеизложенного, на рис. 2 приведено сравнение двух индикаторных диаграмм судового малооборотного дизеля (МОД) – исходной, полученной на реальном двигателе, и синтезированной из ее двух первых гармоник. Для упрощения реализации синтезированная диаграмма, по сравнению с диаграммой, показанной на рис. 1 обнулена в своих окончаниях.     Рис. 2. Индикаторная диаграмма МОД, исходная (а)  и синтезированная из двух гармоник (б), развернутая (1) и нормальная (2)   Исходная диаграмма МОД имеет показатели: рmi  = 13. 6 бар,   Pmax  = 105 бар. Показатели синтезированной диаграммы:  рmi  = 14.6 бар, а  Pmax = 76 бар. Таким образом, при примерно одинаковых средних индикаторных давлениях, у синтезированной диаграммы выигрыш по максимальному давлению цикла очевиден. Заметим также, что в  цикле с двумя гармониками работа поршнем при его движении в цилиндре совершается более равномерно. В то же время у исходной диаграммы (рис. 2, нормальная диаграмма) по мере удаления поршня от верхней мертвой точки производимая им работа на единицу пути сильно уменьшается.   Цикл ДВС в виде первой гармоники Обработка многочисленных реальных индикаторных диаграмм  показывает, что произведения P1maxsinφ1 и P2maxsinφ2, входящие в выражение (2), примерно равны по величине, отличаясь не более чем на 10 %. Поэтому, относительный вклад второй гармоники в рmi фактически определяется коэффициентом λ/2 формулы (2). Для λ=0,2…0,47 этот вклад составляет соответственно 0,1…0,235, что существенно меньше  вклада первой гармоники. Большие значения соответствуют длинноходовым МОД, меньшие – средне- и высокооборотным судовым дизелям. В этой связи возникает вопрос – насколько полезна вторая гармоника, ведь помимо вклада в среднее индикаторное давление она также повышает Pmax. Это наглядно проявляется на рис. 1 – максимальное давление суммы первых двух гармоник существенно выше максимума первой гармоники. Поэтому важно выяснить, что сильнее возрастает  при использовании второй гармоники — среднее индикаторное давление или максимальное давление. Исследование, проведенное автором в работе [6], показало, что при условии постоянства  рmi  по сравнению с циклом из одной первой гармоники  введение второй гармоники увеличивает Pmax на 0…15 % в диапазоне изменения λ=0,5…0,2. При этом для длинноходовых судовых МОД, у которых λ приближается к теоретическому пределу 0,5, практически нет разницы в значениях Pmax, полученных для циклов, содержащих только одну первую гармонику или  первые две гармоники. Для двигателей же с более низкими значениями λ, а это судовые средне- и высокооборотные дизели, с позиции снижения Pmax теоретически более выгодным является цикл с одной первой гармоникой. В этом случае выражение (2) примет вид .                                 (3) Индикаторные диаграммы двухтактного дизеля для этого случая показаны на рис. 3, а развернутая индикаторная диаграмма представляется выражением .     Рис. 3. Желаемая индикаторная диаграмма дизеля в виде первой гармоники, при отсутствии (1) и наличии (2) топливоподачи, развернутая (а) и нормальная (б)   В отсутствие топливоподачи (рис.  3, кривая а,1) цикл дизеля  представляет собою косинусоиду, симметричную относительно верхней мертвой точки, при этом  ее начальный фазовый сдвиг φ1=0. Вследствие этого и среднее индикаторное давление, в соответствии с выражением (3), равно нулю. При наличии топливоподачи, за счет горения топлива косинусоида смещается в сторону процесса расширения на величину фазового угла  φ1 (рис. 3, кривая а, 2). Это, а также некоторое увеличение Pmax, и обеспечивают  ненулевое значение среднего индикаторного давления. В функции объема цилиндра индикаторная диаграмма при наличии топливоподачи приобретает форму эллипса (рис. 3, б),  вырождающегося в прямую линию при отключении топливоподачи.  Обработка диаграмм,  в том числе представленной на рис. 1, показывает, что  в современных конструкциях судовых дизелей на нагрузках, близких к номинальным, фазовый сдвиг первой гармоники находится в диапазоне φ1=12…14  0ПКВ.   Преимущества, новизна предложенных эталонных циклов Представленные на рис.  2 и рис. 3  диаграммы в виде двух или одной гармоник могут использоваться в качестве  эталонных циклов дизеля, являясь альтернативой традиционным эталонам. Они обеспечивают наименьшее возможное значение максимального давления в цикле при заданном среднем индикаторном давлении, более низкие максимальные температуры цикла и, как следствие, снижение вредных выбросов (оксидов азота и др.),  более благоприятные условия работы подшипников. Если цикл состоит только из  первой гармоники, давление в цилиндре дизеля изменяется плавно, по синусоиде, как  в цикле Стирлинга [2]. Это косвенно указывает на определенную  общность процессов получения рmiв ДВС и в двигателе Стирлинга. Тенденция  к применению более сглаженной формы индикаторной диаграммы подтверждается практикой современного судового дизелестроения [7]. В качестве примера  на рис. 4 показана индикаторная диаграмма  судового малооборотного дизеля с электронным управлением типа 6SME—C фирмы MANB&W. на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота. Ее спектральный анализ  (рис. 5) показывает существенное снижение доли высших гармоник и на этом фоне усиление первых двух гармоник.     Рис. 4. Индикаторная диаграмма МОД типа 6SME—C  на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота,  частота вращения 91 об/мин.     Рис. 5 Спектральный состав диаграммы традиционного вида (кривая 1) и диаграммы, представленной на рис. 4 (кривая 2)   Заключение Практическая  реализация предложенных эталонных циклов в виде одной или двух гармоник, безусловно, будет сопровождаться теми или иными отклонениями от желаемой формы. Важно однако отметить, что в настоящее время их реализация  принципиально возможна, в связи  с появлением нового поколения судовых дизелей — с электронным управлением. В таких двигателях электронными средствами реализуется управление подачей топлива в цилиндры, выпускными клапанами и др.  При этом возможно оперативное и гибкое формирование не только желаемого закона топливоподачи, но и процесса горения топлива, фаз газораспределения, а в конечном итоге – формы индикаторной диаграммы, как это иллюстрирует рис. 4.  Наибольшие возможности для этого имеются в мощных судовых МОД, где процессы протекают сравнительно медленно.   Список литературы   1. Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983.- 372 с. 2. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: пер. с англ.- М.: Мир, 1986.- 464 с. 3.Танатар Д.Б. Судовые дизели. Теория рабочего процесса.- Л.: Морской транспорт, 1962.- 306 с. 4. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления на основе гармонического анализа индикаторной диаграммы дизеля // Двигателестроение. — 2004.-№ 1. — С. 17-19. 5. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления по параметрам гармоник развернутой индикаторной диаграммы дизеля // Сборник научных трудов НГМА.- Новороссийск: НГМА, 2005.- Вып.10.- С. 179-183. 6. Самойленко А.Ю., Шостак Н.А. Максимальное давление индикаторной диаграммы, представленной суммой гармоник // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки.- 2008.- Спец. выпуск.- С. 64-67. 7. Конкс Г.А., Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: учеб. пособие.- М.: Машиностроение, 2005.- 512 с. Поделиться:	ЮБИЛЕИ 14 января 2017 год. Камышная Э.Н., доцент кафедры ИУ-4 МГТУ им. Н.Э.Баумана 29 января 2016 год Шахнов В.А., член-корреспондент РАН, д.т.н., профессор МГТУ им. Н.Э.Баумана ФОТОРЕПОРТАЖИ   СОБЫТИЯ Всероссийская олимпиада студентов «Я — профессионал» 2022 Юбилейный, V сезон всероссийской олимпиады студентов «Я – профессионал» запущен!   НОВОСТНАЯ ЛЕНТА 26.05.2022 Всероссийская олимпиада студентов «Я — профессионал» 15.06.2018 Искусcтвенный интеллект научит горожан экономить время 19.01.2017 На сайте ВАК размещена справочная информация об изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования 4.01.2017 На сайте ВАК размещена обновленная информация, о перечне рецензируемых научных изданий 19.12.2016 В МГТУ им.Н.Э.Баумана состоялся региональный этап Всероссийского Конкурса «IT-Прорыв»
	© 2003-2023 «Наука и образование» Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена  Тел. : +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)

Двигатель внутреннего сгорания | Работа, типы и усовершенствования

под редакцией Editorial Team | Теплотехника

Путь человека изменился после изобретения двигателя внутреннего сгорания в 19 веке. От кораблей и самолетов до автомобилей, они повсюду. Несмотря на то, что прошло столетие, они по-прежнему вездесущи. Этот пост в блоге покажет подробную работу этих движков, их типы и последние достижения.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, как следует из названия, относится к типу тепловых двигателей, в которых зажигание или сгорание происходит внутри, т. е. топливо воспламеняется внутри корпуса двигателя для выполнения работы. В отличие от внешнего сгорания, такого как паровой двигатель, где сгорание происходит вне двигателя.

Выработка работы может осуществляться двумя способами либо с помощью поршневого цилиндра (т. е. поршневых двигателей), либо с помощью турбина . Первый тип является наиболее распространенным типом, который вы можете увидеть на своем велосипеде, скутере или автомобиле.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Сгорание, химический процесс выделения энергии в форме тепла из топливной смеси , является первичным этапом этих двигателей. Из термодинамики известно, что повышение температуры газов увеличивает их давление. Теплота, образующаяся при сгорании, повышает температуру газов, что, в свою очередь, расширяется и оказывает -е воздействие.0008 давление .

Это повышенное давление используется для создания работы либо с помощью системы поршень-цилиндр , либо с помощью турбины .

В поршне-цилиндровом двигателе это вызывает движение поршня, который вращает прикрепленный к нему коленчатый вал . Таким образом, часть подводимой энергии топлива преобразуется в полезную работу поршня.

В то время как в газотурбинном двигателе это заставляет лопасти турбины вращаться, когда на них попадает высокотемпературный газ. Это приводит к непрерывному производству работы.

Двигатели внутреннего сгорания: поршневой двигатель и газотурбинный двигатель.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (двигатель внутреннего сгорания) — это общий термин, охватывающий широкий спектр двигателей, от поршневых двигателей прерывистого действия до турбинных двигателей непрерывного действия в подаче энергии.

Классификация двигателей внутреннего сгорания по мощности:

• Прерывистый (поршневой цилиндр): Выходная мощность таких двигателей является прерывистой, поэтому требуется большой маховик для снижения вибрации двигателя и обеспечения плавной подачи мощности от двигателя.
• Непрерывный (турбина): Выходная мощность таких двигателей непрерывна, что обеспечивает большую мощность без значительной вибрации.

Несмотря на прерывистую подачу мощности, цилиндро-поршневые двигатели часто чрезвычайно отзывчивы и экономичны по топливу . Это делает их оптимальными для использования в транспортных средствах, двигателях локомотивов или кораблях.

Наоборот, газотурбинный двигатель имеет более высокую удельную мощность , а отсутствие прерывистых волн давления также значительно снижает вибрацию .

Все двигатели внутреннего сгорания также можно классифицировать на основе термодинамических циклов, в которых они работают:

• Цикл Отто: Это идеализированный цикл для двигателя с искровым зажиганием (SI), такого как бензиновый двигатель или двигатель, работающий на сжатом природном газе. Он состоит из двух изоэнтропических процессов и двух изохорных процессов.
• Дизельный цикл: Идеально подходит для двигателей с воспламенением от сжатия (CI), таких как дизельный двигатель. Он состоит из двух изоэнтропических процессов, одного изохорного и одного изобарического.
• Цикл Брайтона: Это идеализированный цикл для газотурбинных двигателей, таких как реактивные двигатели. Он состоит из двух изоэнтропических процессов и двух изобарических процессов.

Все эти циклы можно увидеть на рисунке ниже.

Различные термодинамические циклы двигателя внутреннего сгорания.

Поршневой двигатель можно далее классифицировать как:

• Двухтактный двигатель: Те двигатели, в которых поршень совершает 2 хода для завершения одного термодинамического силового цикла.
• Четырехтактный двигатель: Те двигатели, в которых поршень выполняет 4 такта для завершения одного термодинамического силового цикла.

Исследования и разработки двигателей внутреннего сгорания

За последние несколько десятилетий исследования и разработки в области материаловедения и проектирования помогли производителям сократить выбросы парниковых газов и повысить производительность и эффективность этих двигателей. Технологии как переменная фаза газораспределения (VVT) включает ускорение клапана в зависимости от частоты вращения двигателя. Добавление ребер вокруг цилиндра улучшает рассеивание тепла, а включение электронного блока управления позволяет точно контролировать время воспламенения и топливно-воздушную смесь.

Но тенденция роста электромобилей (EV) такими производителями, как Tesla, Volkswagen и BYD, создает большие трудности для применимости двигателей внутреннего сгорания. Но он также расширяет границы современной конструкции двигателей внутреннего сгорания, чтобы соответствовать технологическому прогрессу и устойчивости. Гибрид или 9Транспортные средства 0007 на основе метанола — это такие попытки сохранить жизнь этим двигателям.

Выводы

От лошадей к двигателям внешнего сгорания и, наконец, к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) — так мир видел развитие транспортных средств. На уровне ядра в двигателях внутреннего сгорания почти ничего не изменилось, но в целом они намного более продвинуты, чем раньше. Что будет дальше в их развитии, пока не видно.

Некоторые важные выводы из поста:

• Двигатель внутреннего сгорания: Те типы тепловых двигателей, в которых воспламенение или сгорание происходит внутри.
• Термодинамические циклы двигателя внутреннего сгорания: Существуют три основных термодинамических цикла, по которым работают эти двигатели: цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Брайтона.

Приложения для Android

⭐️ ⭐️ ⭐️ ⭐️ ⭐️ 1000+ | 400 000 + загрузок (всего)

Наша цель в eigenplus — научить студентов-строителей анализу конструкций и проектированию, начиная с фундаментальных принципов. Мы делаем это с помощью интерактивных приложений для Android и сопутствующих веб-статей и видео.

Наши приложения помогли более чем 400 тысячам студентов по всему миру понять и изучить концепции проектирования конструкций. Ознакомьтесь с нашими приложениями в магазине Google Play.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Теги цикл Брайтона, дизельный двигатель, тепловой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, двигатель внутреннего сгорания, цикл Отто, бензиновый двигатель, термодинамика, турбина в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти XIX в.век [подробнее см., например, Heywood (1988)]. Его цель состоит в том, чтобы генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри рабочей части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания. Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциируется с с искровым зажиганием (иногда называемые Отто, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельные двигатели (или двигатели с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в различных устройствах, начиная от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт и заканчивая ручными инструментами, мощность которых составляет менее 100 Вт. Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между от крупных дизелей с диаметром цилиндра более 1000 мм, совершающих возвратно-поступательные движения со скоростью до 100 об/мин, до небольших бензиновых двухтактных двигателей с диаметром цилиндра около 20 мм. В эти две крайности входят среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели большой мощности, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Из всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются самыми крупными двигателями, производимыми в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают по так называемому четырехтактному циклу (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение/мощность и выпуск. Каждый цилиндр двигателя требует четырех ходов поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, которая приводит к производству мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска начинается с движения поршня вниз, который всасывает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через порт/клапан в сборе, и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ). Смесь образуется либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через форсунку игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). По сути, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (клапанов) зависит от конструкции впускного коллектора, которая влияет на газодинамику и объемный КПД двигателя, а также на частоту вращения двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его целью является подготовка смеси к горению за счет повышения ее температуры и давления. Сгорание инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым повышением давления в цилиндре.

Такт мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ. В этот момент газы высокой температуры и высокого давления, образующиеся при сгорании, толкают поршень вниз, тем самым заставляя кривошип вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, выпускной клапан (клапаны) открывается, и сгоревшие газы выходят из цилиндра из-за перепада давления между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот выпускной такт завершает цикл двигателя, удаляя из цилиндра сгоревшие, частично сгоревшие или даже несгоревшие газы, выходящие из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже угла поворота коленчатого вала.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают существенное влияние на продолжительность сгорания, скорость повышения давления и образование загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь на конце газа может самовоспламениться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к стуку , что порождает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Тенденция бензинового топлива сопротивляться самовоспламенению и тем самым предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется его октановым числом . До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов обусловили необходимость использования неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношение объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на тепловой КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто в честь его изобретателя Николауса Отто, построившего первый двигатель в 1876 году, производит рабочий такт за каждые два оборота коленчатого вала. Одним из способов увеличения выходной мощности двигателя данного размера является преобразование его в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности, хотя и не до двойного уровня, ожидаемого при простых расчетах, он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах как с искровым зажиганием, так и с дизельными двигателями. Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрывающимися и открываемыми движением поршня, вместо громоздкой и сложной конструкции с верхним кулачком.

В двухтактном цикле такт сжатия начинается после того, как впускное и выпускное отверстия закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается, а затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично воспламенению в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание вблизи ВМТ. При этом допускается поступление свежего заряда в картер перед последующим его сжатием движущимся вниз поршнем во время такта рабочего или такта расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень до тех пор, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные, а затем впускные (перекачивающие) каналы. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, поступает в цилиндр через правильно ориентированные передаточные отверстия.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра в процессе продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштабы этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления поступающего заряда в сторону от расположения выпускных отверстий, эффективность наддува в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через пневматические форсунки в период, когда и выпускное, и перепускное отверстия закрыты. Несмотря на короткий период, доступный для смешивания, распылители с подачей воздуха могут обеспечить гомогенную обедненную смесь во время воспламенения, генерируя капли бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия известен своим высоким КПД, сниженным расходом топлива и относительно низким общим выбросом газов. Его название происходит от имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858−1913 гг. ), который в 1892 г. описал в своем патенте форму двигателя внутреннего сгорания, не требующего внешнего источника воспламенения и в котором сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в двигатель. высокая температура и давление воздуха в конце такта сжатия.

Неотъемлемые преимущества эффективности дизельного двигателя проистекают из его общих соотношений обедненной смеси, высокой степени сжатия двигателя, обеспечиваемой отсутствием воспламенения конечных газов (детонации) и более высокими степенями расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческого применения, такого как корабли/лодки, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и за последние 20 лет или около того , легковых автомобилей, а особенно в Европе.

Недостаток дизельных двигателей с низкой выходной мощностью был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к весу двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей, независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от работы двигателя с искровым зажиганием главным образом способом образования смеси перед сгоранием. Только воздух вводится в двигатель через спиральный или направленный порт, а топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия, после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизель с непрямым впрыском или IDI) или в основную камеру (дизель с непосредственным впрыском). или DI) непосредственно перед началом горения.

Потребность в хорошем смешивании топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется системами впрыска топлива под высоким давлением, которые создают капли со средним диаметром около 40 мкм. Для легковых автомобилей системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, которые различаются по своей конструкции в зависимости от применения; в дизельных двигателях с непосредственным впрыском используются форсунки с отверстиями, а в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа. В более крупных дизельных двигателях используются рядные топливные насосы высокого давления, насос-форсунки (насос и форсунка, объединенные в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровни выбросов выхлопных газов транспортных средств. и двигателей всех типов. С момента их введения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой сложной задачей, связанной со стандартами, согласованными для 19 лет.96 и далее, которые обобщены для легковых автомобилей в Таблице 1. Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе на 2000 год, будут еще ниже после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов после начала века. Однако неясно, удовлетворят ли существующие двигатели этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские нормы выбросов за 1996 год

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязняющими веществами в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO _x = NO + NO ₂ ), а в дизельных двигателях , NO _x и твердые частицы, состоящие из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, являющиеся стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, работающими на неэтилированном бензине, пропускают около 90% сокращение выбросов HC, CO и NO _x путем их преобразования в диоксид углерода (CO ₂ ), воду (H ₂ O) и N ₂ .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO ₂ . Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сжигания бедных смесей с соотношением воздух-топливо намного выше 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям, работающим на обедненной смеси, соответствовать требованиям будущего законодательства по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в научных кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO 9 .0243 2 и H ₂ O, а также по рециркуляции отработавших газов и замедленному впрыску для снижения уровней NO _x .