0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Циклы работы двигателя рисунки

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Читать еще:  Двигатель асинхронный 30 квт сколько меди

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное

учреждение высшего образования

«Севастопольский государственный университет»

Институт кораблестроения и морского транспорта

Гоголев Г.В.

Расчет и построение теоретической

Индикаторной диаграммы судового двс

Рекомендовано

Учебно-методическим советом института

в качестве методических указаний

для студентов очной и заочной форм обучения

специальности

26.05.06 – Э ксплуатация судовых энергетических установок и

очной и заочной форм обучения

ББК 39.46

Рецензенты: К.В. Перепадя, к.т.н., доцент каф. ОиК

В.А. Очеретяный, к.т.н., доцент каф. ЭМСС

Г.В. Гоголев , В.В. Душко

Расчет и построение теоретической индикаторной диаграммы судового ДВС: методические указания к практическому занятию по дисциплине «Судовые двигатели внутреннего сгорания». – Севастополь: ФГАОУВО «СевГУ», 2016. – 12 с.

Рассматривается расчет и построение теоретической индикаторной диаграммы судовых двухтактных и четырехтактных дизельных двигателей.

Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения Севастопольского государственного университета, института кораблестроения и морского транспорта, специальности 26.05.06 – Эксплуатация судовых энергетических установок.

Выполнение практической работы направлено на изучение следующих профессионально-специализированных компетенций (Конвенция ПДНВ):

ПСК-6 – Основные принципы конструкции и работы механических систем, включая судовой дизель.( Эксплуатация главных установок и вспомогательных механизмов и связанных с ними систем управления)

© Гоголев Г.В., Душко В.В. 2016

© Издание ФГАОУВО «СевГУ», 2016

Список принятых условных обозначений………………

Введение

Тепловой расчет двигателя завершается построением индикаторной диаграммы рабочего процесса в координатных осях p — V (давление – объём). Индикаторная диаграмма, изображенная в этих осях, представляет собой зависимость давления газов в цилиндре от его объема. При построении индикаторной диаграммы следует помнить, что рабочий процесс в четырехтактных двигателях происходит за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода поршня двигателя, а в двухтактных – за один оборот коленчатого вала, т.е. за два хода поршня.

Расчетная индикаторная диаграмма строится по значениям давлений и объемов в характерных точках расчетного цикла (a, b, c, d, y, z, f) и значениям показателей политроп сжатия и расширения (n 1, n 2). В качестве примера на рисунках 3.1 и 3.3 представлены индикаторные диаграммы 4- и 2-тактных двигателей соответственно.

Полученная расчетная (теоретическая) индикаторная диаграмма в дальнейшем будет исходным материалом для динамического и прочностного расчетов двигателя.

Список принятых условных обозначений

ДВС– двигатель внутреннего сгоранияV– объем цилиндра текущий
ВМТ– верхняя мертвая точкаVc– объем камеры сжатия
НМТ– нижняя мертвая точкаpa– давление в начале сжатия
p к – давление наддува (после компрессора)p т– давление перед турбиной турбокомпрессора
Δp к– сопротивление впускного трактаps– давление наддувочного воздуха перед органами впуска
pz– максимальное давление сгоранияа– начало процесса сжатия
p с – давление в конце сжатияb– открытие выхлопного клапана
pr– давление остаточных газов в цилиндре в конце процесса выпускаd– открытие продувочных окон (клапанов)
Δpr– аэродинамическое сопротивление выпускного трактаb ′– закрытие выхлопного клапана
p – атмосферное давлениеS– ход поршня
p 1 – среднее давление процесса сжатияp е – среднее эффективное давление
p 2 – среднее давление процесса расширенияpi – среднее индикаторное давление
p м – среднее давление механических потерьbi– индикаторный удельный расход топлива bi,
Vs– рабочий объем цилиндраVa– полный объем цилиндра

ИНДИКАТОРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ДВС

Графическое изображение рабочего цикла, т.е. диаграмма, показывающая изменение давления р в цилиндре в зависимости от объёма цилиндра V (или хода поршня S) за цикл называется нормальной индикаторной диаграммой. Такую диаграмму снимают на работающем дизеле при помощи специального прибора – индикатора.

К индикаторным показателям двигателя относятся среднее индикаторное давление pi, индикаторная мощность Ni, индикаторный удельный расход топлива bi, и индикаторный к.п.д. h i.

Если бы давление было выражено в паскалях, а объем цилиндра в м 3 , то полезная работа была бы представлена заштрихованной площадью внут­ри индикаторной диаграммы (заштрихованная пло­щадь рисунок. 1.1 пропорциональна полезной работе цикла). Эту работу принято называть индикатор­ной работой — Li, Дж.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает получение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индикаторным давлением pi. Следовательно под средним индикаторным давлением подразумевается условное постоянное давление pi, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла. Графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого равна площади индикаторной диаграммы, а основание – длине диаграммы. На рисунке 1.1 показана геометрическая интерпретация опреде­ления pi. Если площадь индикаторной диаграммы (косая штриховка) преобразовать в равновеликую площадь прямоугольника с длиной, рав­ной Vh (отмечено вертикальной штриховкой), то высота этого прямоу­гольника будет равна pi.

Среднее индикаторное давление, как удельная работа цикла, от­ражает эффективность использования рабочего объема цилиндра — чем больше pi, тем больше Дж полезной работы снимается с 1 м 3 рабочего объема цилиндра, тем выше эффективность двигателя как источника механической работы.

Мощность, получаемая в одном цилиндре за один рабочий цикл — ин­дикаторная цилиндровая мощность, определяется как:

,

где — время совершения одного рабочего цикла, с;

m, n -коэффициент тактности и частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Принимая , получим:

,

где -постоянная цилиндра.

Индикаторная мощность многоцилиндрового дизеля при условии идентичности рабочих процессов в цилиндрах определится умноже­нием правой части формулы на число цилиндров i:

.

Для расчета прочности коленчатого вала требуется определить крутящий индикаторный момент двигателя — М i. Расчетная формула для М i имеет вид:

,

где, кроме известных параметров — площадь поршня, м 2 ;

-радиус кривошипа коленчатого вала, м. При подстановке в фор­мулу pi. в МПа крутящий момент будет измеряться в МН∙м.

Показатели работы двигателя поддразделяются на индикаторные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре и эффективные (внешние), учитывающие помимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя.

Эффективная мощность двигателя определяется площадью индикаторной диаграммы 1, или равной ей площадью 3, механические потери – площадью 2.

Рисунок 1.1 – Теоретическая индикаторная диаграмма

При условии полного сгорания цикловой подачи топлива gц количество теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле, составит , кДж ( — низшая удельная теплота сгорания топлива, КДжкг). Теплота, эквивалентная полезной работе цикла Q i=L i, кДж.

Отношение полезной теплоты к подведенной называют индика­торным КПД:

.

Физический смысл индикаторного КПД состоит в том, что его численное значение, выраженное в долях от единицы или в процентах, показывает, какая часть от выделившегося при сгорании топлива тепла преобразована в полезную механическую работу в рабочем цикле. В современных судовых дизелях достигнуты значения h i = 0,53…0,55 (53…55%).

Индикаторный КПД отражает степень преобразования тепловой энергии топлива в механическую работу. Затраты топлива на получе­ние полезной работы оцениваются показателем, получившим наиме­нование удельный индикаторный расход топлива:

,

где Gч — расход топлива на двигатель, кг/ч (часовой расход топлива). Очевидно, что g i имеет размерность кг/(кВт∙ч). Физический смысл удель­ного индикаторного расхода топлива ясен из его размерности: значе­ние g i показывает, сколько кг топлива затрачивается на получение 1 кВт∙ч полезной индикаторной работы.

Теоретическую индикаторную диаграмму строят по данным расчета рабочего цикла.

Дата добавления: 2019-01-14 ; просмотров: 1347 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Анализ идеальных циклов поршневых ДВС

Приступая к изучению двигателей внутреннего сгорания, необходимо иметь четкое представление о термодинамических особенностях того или иного типа двигателей, их эффективности в зависимости от ограничений, накладываемых условиями эксплуатации. Такое представление может быть получено путем рассмотрения идеальных циклов ДВС.

  • Цикл поршневого двигателя со смешанным подводом тепла
  • Идеальный цикл комбинированного двигателя

При этом практический интерес представляет экономичность цикла и параметры, ее определяющие.

Цикл поршневого двигателя со смешанным подводом тепла

Напомним основные особенности идеальных циклов:

  • а) рабочее тело в цикле — идеальный газ;
  • б) количество идеального газа — постоянно;
  • в) сжатие и расширение газа происходит по адиабате;
  • г) процессы сгорания топлива Расчет процесса сгорания топлива и выпуска газов условно заменяются процессами подвода и отвода тепла при постоянном давлении или постоянном объеме.

Как 2-тактные, так и 4-тактные двигатели имеют одинаковые идеальные циклы.

Из курса термодинамики известно, что для современного поршневого дизеля с непосредственным впрыском топлива в цилиндр идеальным является цикл со смешанным подводом теплоты (рис. 1).

Рис. 1 Цикл со смешанным подводом теплоты

В верхней части рисунка дано изображение цикла в осях «давление-объем», где площади под кривыми численно равны работе в процессе расширения или сжатия. В нижней части рисунка цикл изображен в осях «температура-энтальпия», где площади под кривыми численно равны количеству подведенной или отведенной теплоты. Подвод теплоты в цикле осуществляется частично при постоянном объеме (для теплоты q1 определяется площадью ocz1n1 ), частично при постоянном давлении (доля q2 определяется площадью n1z1zn ). Отведенная теплота q3 определяется площадью oabn .

Термический КПД цикла равен:

η t = 1 – q 3 q 1 + q 2 Ф о р м . 1

  • q1 — количество подведенного тепла (площадь oczn на диаграмме T-S);
  • q3 — количество тепла, переданное холодному источнику (площадь abno ).

Доли подведенной и отведенной теплоты, выраженные через теплоемкости газа Cv и Cp и температуры в точках цикла, равны:

q 1 = C v T z 1 – T c ;

q 2 = C p ( T z – T z 1 ) ;

q 3 = C v ( T b – T a ) ; Ф о р м . 2

Выразим температуры через параметры цикла:

Читать еще:  Высокие обороты двигателя тойота витц

T c = T a ε k – 1 ;

T z 1 = T c λ = T a ε k – 1 ;

T z = T z 1 ρ = T a ε k – 1 λ ρ ;

T b = T z ρ / ε k – 1 = T a ε k – 1 λ ρ ρ / ε k – 1 = T a λ ρ k . Ф о р м . 3

Выполнив преобразования исходной зависимости (Формула 1) с учетом приведенных равенств найдем:

η t = 1 – 1 ε k – 1 · λ ρ k – 1 λ – 1 + k λ ρ – 1 , Ф о р м . 4

  • k = Cp/Cv — показатель адиабаты.
  • ε – степень сжатия;
  • λ – степень повышения давления;
  • ρ – степень предварительного расширения.

Если принять ρ = 1 – расчетная формула становится справедливой для идеального цикла карбюраторного двигателя (цикл быстрого горения). При λ = 1 – формула справедлива для “дизельного” цикла (цикл компрессорного дизеля с воздушным распыливанием топлива и сгоранием при постоянном давлении).

Как видно из приведенной зависимости, для любого идеального цикла термический КПД растет с ростом степени сжатия ε . При равной степени сжатия цикл быстрого горения имеет более высокий КПД, “дизельный” цикл – минимальный КПД.

Однако у дизеля величина степени сжатия больше в 1,5-2 раза по сравнению с карбюраторным двигателем, у которого ε ограничивается детонационными качествами топлива (бензина), что реально обеспечивает более высокие значения ηt у дизелей.

Что касается максимальных значений степени сжатия у дизелей – величины ε ограничиваются требованиями механической напряженности двигателя. Чем выше степень сжатия – тем выше давление сжатия и соответственно давление сгорания в цилиндре, больше механические напряжения в деталях.

Если выдвинуть требования – при сравнении циклов исходить из одинакового давления сгорания, то более экономичным оказывается цикл “компрессорного” дизеля, затем следует цикл со смешанным подводом тепла; цикл быстрого горения имеет минимальный термический КПД. Такое положение объясняет тенденцию изменения показателей рабочего процесса и регулировки современных дизелей по мере их форсировки – ограничения по механическо напряженности заставляют изменять цикл со смешанным подводом теплоты в сторону цикла сгорания при постоянном давлении (уменьшать долю q1 и увеличивать долю q2 ). Реально это осуществляется за счет уменьшения угла опережения подачи топлива и даже перенесения всего впрыска топлива за ВМТ.

Идеальный цикл комбинированного двигателя

Современный дизельный агрегат представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, оснащенный турбокомпрессором ТК (газовой турбиной с сидящим на одном валу с ней компрессором, рис. 2). Газы совершают полезную работы сначала в цилиндре (перемещая рабочий поршень), а затем в газовой турбине. Если газовая турбина отдает часть полезной работы на общий фланец отбора мощности – такой двигатель в полной мере может быть назван комбинированным.

Рис. 2 Схема комбинированного двигателя

Реально в современных двигателях газовая турбина используется только для приводы воздушного компрессора, подающего воздух в цилиндры под более высоким давлением, чем давление окружающей среды. Энергия газов, преобразованная в механическую работу в газовой турбине, передается в компрессоре воздуху, и при отсутствии охлаждения воздуха возвращается в цилиндр. Двигатель с такой схемой использования энергии может быть назван комбинированным условно.

Идеальный цикл двигателя в осях P-V дан на рис. 3, в осях T-S на рис. 4. Он состоят из цикла acz1zb поршневого двигателя со смешанным подводом теплоты и упрощенного цикла турбокомпрессора без охлаждения воздуха bmoa .

Рис. 3 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме P-V

В цикле ТК обозначено:

  • bm — адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине;
  • mo — передача тепла холодному источнику q3 при P = const (истечение газа из газовой турбины при постоянном давлении);
  • oa — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;

В осях P-V полезная работа определяется площадью диаграммы.

Как видно из рисунка 3, полезная работа в комбинированном двигателе acz1zbmo при прочих равных условиях больше полезной работы цикла поршневого двигателя acz1zb на величину, определяемую площадью bmoa .

Поскольку количество подведенного тепла считается неизменным, следовательно, полезная работа увеличена за счет уменьшения количества отводимого тепла. Это видно из рис. 4, где уменьшение отведенного тепла по сравнению с циклом поршневого двигателя определяется заштрихованной площадью bmoa.

Рис. 4 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме T-S

Определим термический КПД идеального цикла комбинированного двигателя. Для этого обозначим:

— суммарная степень сжатия в компрессоре и в цилиндре;

  • Δδ = Vm/Vo — отношение объема газа на выходе из турбины к объему газа на входе в компрессор..
  • Остальные обозначения — те же, что и в циклах поршневых ДВС. Тогда:

    η t = 1 – q 3 / q 1 + q 2 . Ф о р м . 5

    q 1 = C v T z 1 – T c ;

    q 2 = C p T z – T z 1 ;

    q 3 = C p T m – T o . Ф о р м . 6

    а температуры определяются равенствами:

    T c = T o ε k – 1 ;

    T z 1 = T c λ = T o ε Σ k – 1 λ ;

    T z = T z 1 ρ = T o ε Σ k – 1 λ ρ ;

    T b = T z V z / V b k – 1 = T o λ ρ k V o / V b k – 1 ;

    T m = T b V b / V m k – 1 = T o λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 ; Ф о р м . 7

    η t = 1 – C p T o λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 – 1 C v T o ε Σ k – 1 λ – ε Σ k – 1 + C p T o ε Σ k – 1 λ ρ – ε Σ k – 1 . Ф о р м . 8

    Учитывая, что Cp/Cv = k , и выполнив алгебраические преобразования, окончательно получим:

    η t = 1 – 1 ε Σ k – 1 · k λ ρ k 1 / ∆ δ k – 1 – 1 λ – 1 + k λ ρ – 1 . Ф о р м . 9

    Из этого равенства видно, что термический КПД комбинированного двигателя зависит от тех же факторов, что и цикл поршневого двигателя. Увеличение ηi комбинированного двигателя по сравнению с поршневым определяется двумя факторами: возрастанием суммарной степени сжатия

    и влиянием дополнительного расширения в турбине, характеризуемым отношение Vm/Vo = Δδ .

    Любое увеличение суммарной степени сжатия и степени последующего расширения в турбине приводит к уменьшению правой части равенства (Формула 9) и к соответствующему увеличению термического КПД цикла. Это – один из определяющих факторов, благодаря которому удалось поднять эффективный КПД современных двигателей до небывалой ранее величины 50-52 %.

    Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

    Двигатель внутреннего сгорания: рабочий цикл,как работает,система питания двс,фото,видео.

    КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

    В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

    Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

    Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

    Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

    Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

    Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

    Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

    На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

    Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

    Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

    Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

    При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

    Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

    Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

    По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

    РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

    Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одному проходу поршня.

    Читать еще:  Датчика температуры двигателя на ровер

    Двигатели внутреннего сгорания бывают четырехтактными и двухтактными. Принципиальная разница между ними заключается в следующем: в четырехтактном двигателе один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, а в двухтактном — за два хода. Двухтактные двигатели используются в основном на мотоциклах, моторных лодках, скутерах и т. п. Поэтому здесь будем вести речь о четырехтактном двигателе внутреннего сгорания — именно такими моторами оснащаются легковые автомобили.

    Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты.

    1. Первый такт — впуск горючей смеси в цилиндр двигателя. Нужно сказать, что в цилиндре происходит сгорание топлива не в чистом виде, а смеси его паров с воздухом (горючая смесь). В советских автомобилях за приготовление такой смеси отвечал специальный прибор — карбюратор. Однако в современных автомобилях карбюраторы давно не применяются — данный процесс контролируется электроникой (прибором, который называется инжектор).

    Для бензинового двигателя внутреннего сгорания оптимальной является горючая смесь, состоящая из 1 части бензина и 15 частей воздуха (то есть 1:15).

    Горючая смесь попадает в цилиндр при открывшемся впускном клапане (напомню, что в нужный момент на него давит кулачок распределительного вала). В момент открытия впускного клапана поршень всегда расположен в ВМТ и начинает перемещаться вниз к НМТ. При этом над поршнем возникает разрежение, под воздействием которого в цилиндр поступает горючая смесь. Иными словами, при движении вниз к НМТ поршень засасывает горючую смесь в цилиндр через открывшийся впускной клапан. Как только поршень достигнет НМТ, клапан под воздействием мощной пружины возвращается на прежнее место и плотно закрывает впускное отверстие.

    Когда горючая смесь попадает в цилиндр, она перемешивается с остатками имеющихся в нем выхлопных газов. Такая смесь называется рабочей, и именно она будет сгорать в камере сгорания.

    На протяжении первого такта работы мотора кривошип коленчатого вала (рис. 1.4) проворачивается на пол-оборота.

    Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя.

    2. Исходное положение для начала второго такта таково: поршень находится в НМТ, впускной клапан плотно закрыт, цилиндр заполнен рабочей смесью. Во время второго такта поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая в процессе этого находящуюся в цилиндре рабочую смесь.

    Опытным водителям хорошо знакомо такое понятие, как степень сжатия. Данный показатель информирует о том, во сколько раз сокращается объем рабочей смеси при достижении поршнем ВМТ. Отмечу, что степень сжатия — одна из наиболее значимых технических характеристик любого автомобиля.

    В процессе сжатия рабочей смеси ее температура существенно повышается. При достижении поршнем ВМТ она равняется примерно +300… 400 °С. Что касается давления внутри цилиндра, то оно при этом составляет порядка 9-10 кг/см.

    Второй такт заканчивается при достижении поршнем ВМТ. В этот момент рабочая смесь максимально сжата. За второй такт кривошип коленчатого вала проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за два такта коленчатый вал делает один полный оборот.

    3. Как отмечалось ранее, принцип работы двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Это происходит на третьем этапе работы двигателя, который называется рабочим ходом. Когда поршень находится в ВМТ, а рабочая смесь максимально сжата, между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, что вызывает воспламенение рабочей смеси (это происходит в камере сгорания). В результате на поршень, находящийся в ВМТ, оказывается мощное давление. Клапаны в этот момент плотно закрыты, продуктам горения деваться некуда, и именно они давят на поршень, который под воздействием этого давления вынужден двигаться вниз к НМТ. При этом он передает энергию своего движения через шатун на кривошип коленчатого вала, тем самым вынуждая его вращаться. Именно это вращение является движущей силой автомобиля.

    Давление на поршень во время третьего такта рабочего цикла двигателя достигает 40 кг/см.

    Во время третьего такта коленчатый вал двигателя проворачивается еще на пол-оборота.

    4. Последний, четвертый такт рабочего цикла — выпуск отработанных газов. Он начинается, когда после третьего такта поршень находится в НМТ и начинает двигаться вверх. В этот момент под воздействием соответствующего кулачка распределительного вала открывается выпускной клапан и движущийся вверх поршень выдавливает выхлопные газы из цилиндра. Сразу после этого клапан плотно закрывает выпускное отверстие. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся наружу.

    Четвертый такт завершается, когда поршень достиг ВМТ и плотно закрылся выпускной клапан.

    В течение четвертого такта коленчатый вал проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за четыре такта работы (на протяжении одного рабочего цикла) коленчатый вал делает два полных оборота.

    После четвертого такта опять начинается первый такт и т. д.

    СИСТЕМА ПИТАНИЯ

    Система питания является одной из ключевых систем двигателя внутреннего сгорания, поэтому от ее исправности и технического состояния, а также от качества используемого топлива напрямую зависит мощность и надежность двигателя, а также возможность его быстрого запуска.

    Внимание!

    Практически любая неисправность системы питания влечет за собой повышение расхода топлива и, как следствие, снижение экономичности автомобиля.

    Среди наиболее характерных признаков, свидетельствующих о наличии неполадок в системе питания, можно отметить резкий запах топлива, а также наличие подтеканий из топливной системы. О неисправностях в топливной системе также может говорить трудный запуск двигателя, его нестабильная работа в разных режимах, а также слишком высокий расход топлива.

    Состав выхлопных газов может рассказать о состоянии системы питания. Например, неполадки часто приводят к образованию слишком богатой либо наоборот — слишком бедной рабочей смеси, что в конечном счете отражается на содержимом выхлопных газов.

    При диагностике системы питания следует учесть, что отклонения в показателях какого- либо параметра могут быть обусловлены сразу несколькими неполадками. В частности, повышенное потребление топлива случается из-за неисправностей в кривошипно¬шатунном либо газораспределительном механизме, из-за неполадок в системе зажигания, а также при наличии некоторых неисправностей подвески. Результаты диагностики в такой ситуации будут достоверными только тогда, когда точно известно техническое состояние каждого из названных узлов и агрегатов.

    При диагностике системы питания работники автосервисов и СТО нередко «разводят на деньги» своих клиентов. Подобное мошенничество базируется на том, что кислородный датчик может оказывать существенное влияние на экономичность потребления топлива автомобилем. Исправность этого прибора водитель самостоятельно проверить не может, если только не является большим докой в устройстве современного автомобиля.

    Когда клиент на СТО жалуется, что его автомобиль стал в последнее время слишком «прожорлив», ему сразу же предлагают пройти диагностику. Стоимость такой процедуры зависит от конкретной СТО, но в среднем она составляет порядка $15–20. Результат проверки почти всегда один и тот же: строгим тоном, не терпящим возражений, клиенту заявляют, что в его машине неисправен датчик кислорода. В наличии таких датчиков, само собой, сейчас нет, поэтому придется заказывать новый из-за границы. На робкий вопрос клиента относительно цены нового кислородного датчика механик авторитетно заявляет: «Вообще-то это дорого, но для вас сделаем всего за $350».

    Расчет в данном случае простой: подавляющее большинство клиентов не пожелают выкладывать такую сумму за датчик кислорода и просто смирятся с возросшей «прожорливостью» своего автомобиля. Деньги, уплаченные за диагностику, разумеется, вам никто не вернет. На такой псевдо-диагностике в настоящее время делается очень неплохой «навар». Стоит ли говорить о том, что на самом деле неисправность, ставшая причиной высокого потребления топлива, может заключаться совершенно в другом, и устранить ее можно быстро и недорого. Вот только заниматься этим работники российских автосервисов не хотят: куда проще «содрать» с клиента $350, чем чинить его машину за меньшие деньги.

    На вопрос клиента, что именно стало причиной выхода из строя кислородного датчика, может последовать много ответов: здесь и плохое качество российского топлива (об этом наши соотечественники знают чуть ли не с детского сада), и этилированный бензин, из-за которого датчик приходит в негодность практически сразу же, и морозные российские зимы и т. п. Практически все эти утверждения в большинстве случаев не имеют ничего общего с реальностью, иначе все автомобилисты в России ездили бы с неисправными датчиками либо меняли эти датчики едва ли не каждую неделю.

    Конечно, никто не берется утверждать, что датчик кислорода не влияет на потребление топлива. Иногда он действительно является виновником его повышенного расхода, причем в исправном состоянии. Вот наиболее простой пример: в автомобиле поврежден воздухопровод и имеет место нештатный подсос воздуха. В таком случае кислородный датчик распознает лишний воздух как слишком бедную рабочую смесь и добавляет в нее топливо, чтобы довести до кондиции.

    Как же определить, имеется ли в машине нештатный подсос воздуха?

    Это несложно. Возьмите обыкновенный аэрозоль, содержащий горючую смесь (они обычно используются для промывки карбюратора), заведите мотор и направьте из баллончика струю в то место, в котором, как вы подозреваете, имеется нештатное проникновение воздуха. Если ваши подозрения подтвердятся, то у двигателя самопроизвольно повысятся обороты (поскольку через место, куда обычно попадает лишний воздух, сейчас проникает струя горючей смеси из аэрозоля).

    Повышенный расход топлива на современных автомобилях, оборудованных электронной системой зажигания, может быть обусловлен неправильным выставлением датчика положения дроссельной заслонки. В таком случае компьютер будет воспринимать ошибочную информацию как верную, что может повлечь за собой неправильное приготовление рабочей смеси, а также смещение угла опережения зажигания. В конечном счете это приведет к нарушению работы двигателя на холостом ходу (мотор может работать нестабильно, либо холостые обороты могут быть повышенными и др.).

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector