Цикл двс


Принцип работы и рабочие циклы двигателя автомобиля (ДВС)

На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя и 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.

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).

Принцип работы ДВС - схематично

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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 600оС. 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 - 900оС.

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 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

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. Значит после рабочего хода в первом цилиндре следующий происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

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.

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Идеальные циклы поршневых двигателей



Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).
При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода - вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия - в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.
Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает "превращаться" в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

***



Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе "Л.Нобеля" показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает "убежать" от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного ("чистого") дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по "чистому" циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей - 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2' и 1–2" изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2'–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2"–3' и 3'–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

***

Термодинамика поршневого двигателя

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):


Главная страница


Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Энергетическое образование

1. Циклы газовых двигателей

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Термодинамические циклы это круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия). Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых двигателях.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Прямой термодинамический цикл.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты $Q_1$ у нагревателя и отдаёт количество теплоты $Q_2$ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом:

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

Изменение внутренней энергии $ΔU$ в круговом процессе равно нулю (это функция состояния), а работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен:

$$η=\frac{A}{Q_1} =\frac{Q_1-Q_2}{Q_1} =\frac{M·q_1-M·q_2}{M·q_1}=\frac{q_1-q_2}{q_1} =1-\frac{q_2}{q_1}.$$

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую.

Цикл Карно.

В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ передает теплоту рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту $q_1$ по изотерме AB. На процессе BC рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от $T_1$ до $T_2$. В обратимом процессе CD рабочее тело передает теплоту $q_2$ холодному источнику по изотерме $T_2=const$. На процессе DA рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от $Т_2$ до $Т_1$.

Для цикла Карно в $T-s$ диаграмме подведенная $q_1$ и отведенная $q_2$ теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для $q_1$ – с $T_1$ и $Δs$, для $q_2$ – с $T_2$ и $Δs$. Величины $q_1$ и $q_2$ определяются по формулам изотермического процесса:

$$q_1=T_1·Δs,$$ $$q_2=T_2·Δs.$$

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

$$l_ц=q_1-q_2=(T_1-T_2)·Δs.$$

В соответствии с выражением выше получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при $Т_2=0$ K, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около $300$ K. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота $q_1$ превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота $q_2$, отдается холодному источнику, и при заданных $Т_1$ и $Т_2$ она не может быть использована для получения работы, величина $q_2$ является тепловыми потерями (тепловым сбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

$$η=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{T_2·Δs}{T_1·Δs}=1-\frac{T_2}{T_1}.$$

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше $T_1$ и меньше $T_2$. При $T_1=T_2$ КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый часто циклом Отто. В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты $q_2$. осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном объеме $v=const$ (цикл Отто).

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_v·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1 - \frac{ \frac{T_4}{T_1} - 1 }{ \frac{T_3}{T_2} - 1 } · \frac{T_1}{T_2}.$$

Сравнивая адиабаты 1-2 и 3-4, можно показать, что:

$$\frac{T_4}{T_1} =\frac{T_3}{T_2}.$$

и, следовательно получим:

$$η_t=1-\frac{T_1}{T_2}.$$

Отношение всего объема цилиндра $v_1$ к объему камеры сгорания $v_2$ называется степенью сжатия $ε$:

$$ε=\frac{v_1}{v_2}.$$

и является одной из основных конструктивных характеристик поршневого ДВС.

Учитывая, что для адиабаты 1-2 между $v$ и $T$ существует связь:

$$T_1·v_1^{k-1}= T_2·v_2^{k-1},$$

окончательно имеем:

$$η_t=1-\frac{1}{ε^{k-1}}.$$

Из этого выражения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия $ε$, и с увеличением $ε$ $η_t$ возрастает. Понятно, что температура в конце сжатия $T_2$ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет порядка $7-10$ или несколько больше, в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеля. Рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2, а изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.е. подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход выражен адиабатным расширением продуктов сгорания 3-4. Наконец, изохора 4-1 характеризует отвод теплоты $q_2$, заменяя для четырехтактных двигателей выпуск продуктов сгорания, а для двухтактных выпуск и продувку цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном давлении $p=const$ (цикл Дизеля).

Формула для расчета термического КПД в этом случае принимает вид:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1}=1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_p·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{k·(T_3-T_2)}=1-\frac{ \frac{T_4}{T_1} - 1 }{ k·\frac{T_3}{T_2} - 1 } ·\frac{T_1}{T_2}.$$

Кроме степени сжатия $ε$, у цикла Дизеля имеется еще одна характеристика – степень предварительного расширения:

$$ρ=\frac{v_3}{v_2}.$$

Для изобары 2-3 можно записать $\frac{v_3}{v_2}=\frac{T_3}{T_2}$. Рассматривая изохору 4-1 и учитывая $p_4·v_4^k=p_3·v_3^k$, $p_1·v_1^k=p_2·v_2^k$ и $v_4=v_1$, получаем:

$$\frac{T_4}{T_1}=\frac{p_4}{p_1}=\frac{p_4·v_4^k}{p_1·v_1^k}=\frac{p_3·v_3^k}{p_2·v_2^k}=ρ^k.$$

Окончательно, с учетом соотношения $T_1·v_1^{k-1}=T_2·v_2^{k-1}$, формула для расчета термического КПД цикла Дизеля имеет вид:

$$η_t=1-\frac{ρ^k-1}{k·(ρ-1)}·\frac{1}{ε^{k-1}}.$$

Это выражение показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия $ε$, с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Нижний предел для $ε$ обусловлен необходимостью получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. Верхний предел $ε$ (до $20$) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения $ρ$ вызывает снижение термического КПД цикла. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать, наряду с другими обстоятельствами, при определении оптимального режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели, осуществляется по следующей схеме. Адиабата 1-2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 3-4 изображает процесс горения остальной части топлива по мере поступления его из форсунки. Расширение продуктов сгорания происходит по адиабате 4-5, а изохора 5-1 соответствует выпуску отработавших газов в атмосферу.

Термодинамический цикл поршневого ДВС со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера).

Таким образом, теплота $q_1$ подводится в двух процессах 2-3 и 3-4:

$$q_1=q_1'+q_2''.$$

Приведем без вывода выражение для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты:

$$η_t=1-\frac{λ·ρ^k-1}{(λ-1)+k·λ·(ρ-1)}·\frac{1}{ε^{k-1}}.$$

Параметр $λ$ называется степенью повышения давления и рассчитывается так:

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыл топлива производится механическим топливным насосом высокого давления, а воздушный компрессор, применяемый в двигателе Дизеля, отсутствует. Степень сжатия $ε$ в рассматриваемом цикле может достигать $18$ и более.

Легко показать, что математическое выражение термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов поршневых ДВС.

Сравнение эффективности рассмотренных циклов проведем на $T-s$ диаграмме, предположив, что в каждом из них достигается одинаковая максимальная температура $T_3$.

Одинаковы и количества отведенной теплоты $q_2$ в каждом цикле (площадь 14аb). При таких условиях теплота цикла $q_ц$, равная полезной работе цикла $l_ц$, будет наибольшей для цикла Дизеля 12”34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 12’3’34 занимает промежуточное положение.

Сравнение циклов ДВС на $T-s$ диаграмме 1234 – цикл Отто; 12”34 – цикл Дизеля; 12’3’34 – цикл Тринклера.

Таким образом, термический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла Отто с подводом теплоты при постоянном объеме.

Цикл двигателя Стирлинга представляет собой цикл газового двигателя поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга. Например двигатель стирлинга модификации «Альфа» состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов. В процессе 3 холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе $T_2=const$ при интенсивном отводе теплоты $q_2''$. В процессе 4 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что $v=const$ (изохорный процесс), а температура увеличивается от $T_2$ до $T_1$ при подводе теплоты $q_1'$.

В изотермическом процессе расширения 1 $T_1=const$ к рабочему телу подводится теплота $q_1''$. Затем в процессе 2 поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную ($v=const$) с отводом теплоты $q_2'$. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты $q_1''$), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты $q_2''$:

$$l_ц=q_1''-q_2''.$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1''-q_2''}{q_1'-q_1''}.$$

Дизельная электростанция как правило, объединяет в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, а также систему контроля и управления установкой. Такие электростанции и установки применяются в качестве основных, резервных или аварийных источников электроэнергии для потребителей одно- или трёхфазного переменного тока.

Схема дизельной электростанции.

Цикл газотурбинной установки. Одним из основных недостатков поршневых двигателей является невозможность достижения больших мощностей в одном агрегате, что сужает нишу возможного использования ДВС поршневого типа. Это связано, прежде всего с наличием кривошипно-шатунного механизма, предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Периодичность производства рабочего хода поршня неизбежно вызывает неравномерность работы конструкции и требует наличие маховика, что заметно увеличивает удельный вес двигателя – отношение веса двигателя к вырабатываемой им мощности. Этих недостатков лишены двигатели внутреннего сгорания газотурбинного типа, к числу которых относятся воздушно-реактивные двигатели.

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри).

Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении содержит в себе все основные элементы, присущие турбокомпрессорному воздушно-реактивному двигателю. Газотурбинный двигатель состоит из размещенных на одном валу турбины, компрессора, топливного насоса и потребителя мощности. В схему входит также камера сгорания, выхлопное сопло или патрубок отвода отработавших газов и свеча зажигания.

Турбина приводит во вращение компрессор, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды. Процесс сжатия предполагается протекающим по адиабате 1-2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда насосом из топливной емкости прокачивается топливо. Тщательно перемешенная смесь в камере сгорания воспламеняется свечой зажигания, и при постоянном давлении реализуется процесс сжигания топлива. В результате протекания экзотермической реакции возрастает энтальпия продуктов сгорания – газа. Высокоэнтальпийный поток газа поступает на турбину расширяется в ней по адиабате 3-4. В процессе расширения газа на турбине генерируется мощность, снимаемая частично приводом полезной мощности (электрогенератором), частично она расходуется на привод компрессора, насоса и других агрегатов установки.

Термодинамическая эффективность теплосилового цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия:

$$η_t=1-\frac{1}{ε^{k-1}} =1-\frac{1}{ λ^{\frac{k-1}{k}} },$$

где $ε=\frac{v_1}{v_2}$ – степень сжатия, а $λ=\frac{p_2}{p_1}$ – степень повышения давления.

Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.

Отличие регенеративной газотурбинной установки от рассмотренной ранее состоит во введением дополнительного конструктивного узла в виде теплообменника регенератора, в котором тепло от уходящих газов передается к газу, сжатому компрессоре установки.

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

По условиям организации цикла не все избыточное тепло уходящих газов может быть передано воздуху, сжатому в компрессоре. Тогда коэффициент полезного действия можно определить:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =\frac{ (T_5-T_1)-(T_3-T_2) }{T_4-T_2}.$$

Цикл Гемфри. Газотурбинная установка со сгоранием при $v=const$ в случае, если предельные давления одинаковы и подведенные теплоты равны, будут иметь несколько большую эффективность по сравнению с изобарным циклом. Это связано с тем, что при отмеченных условиях сравнения в цикле с $v=const$ по сравнению с циклом $p=const$ отводимая теплота будет несколько меньше, чем в цикле со сгоранием при $p=const$. Это видно из сравнения циклов, построенных в $T-s$ диаграмме.

Сравнение циклов газотурбинных установок с подводом тепла при $v=const$ и $p=const$.

Однако в конструкторском отношении газотурбинная установка с подводом тепла при $v=const$ заметно сложнее. Турбина приводит во вращение сидящие с ней на одном валу компрессор, насос и потребитель выработанной установкой механической энергии, обычно в виде трехфазного электрогенератора. Одновременно в камеру сгорания поступает воздух, сжатый в компрессоре, и топливо подаваемое насосом. В камере сгорания при закрытых клапанах, свечой зажигания осуществляется воспламенение топлива. Сгорание топлива происходит при закрытых клапанах, т.е. при постоянном объеме. В конце процесса сгорания при достижении заданного давления открываются выпускные клапаны и рабочее тело – продукты сгорания в виде высокоэнтальпийного потока – поступает на лопатки соплового аппарата, а затем рабочего колеса, на которых энтальпия рабочего тела срабатывается, превращаясь в механическую энергию, воспринимаемую приводами. Отработавшие продукты сгорания – газы отводятся из двигателя через выхлопной патрубок.

Коэффициент полезного действия такого цикла определяется и соотношения:

$$η_t=1-\frac{k}{ε^{k-1}}·\frac{λ^{\frac{1}{k}}-1}{λ-1}.$$

где $λ=\frac{p_3}{p_2}$ – степень повышения давления.

Парогазовая установка – электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около $500$ °C позволяет получать перегретый пар при давлении около $100$ атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор.

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

Рабочий цикл двигателя: что это такое

Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте  (грузовые и легковые авто,  спецтехника, моторные  лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл.  Далее мы поговорим о том,  что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

Содержание статьи

Рабочий цикл ДВС: что нужно знать

Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).

Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов.  Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу.  Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.

Итак, рабочий  цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если  один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда коленчатый вал делает один оборот, такой двигатель является двухтактным.

Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.

Как работает четырехтактный бензиновый двигатель

Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы  ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка.  Теперь вернемся к тактам.

  • На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент  открыт впускной клапан, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего  в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
  • Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота.  В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
  • К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на свече зажигания). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент  поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю  мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.
Далее от поршня через шатун энергия передается на КШМ, позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.
  • После того, как поршень почти дойдет до НМТ в конце рабочего хода, происходит  открытие выпускного клапана. После этого давление в цилиндре снижается,  несколько падает и температура. Затем начинается такт выпуска.  В это время коленчатый вал совершает последний полуоборот, при этом поршень снова поднимается из НМТ в ВМТ, буквально «выталкивая» отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного дизельного ДВС

Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом  воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).

Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем,  до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает солярку, затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.

С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через  открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.

Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны  полностью закрыты, что позволяет поршню  сильно сжать воздух.

Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине степень сжатия в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых.  Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).

Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под  очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.

Для решения этой задачи многие системы питания дизельного двигателя имеют ТНВД (топливный насос высокого давления). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание  двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое крутящий момент и мощность двигателя. Из этой статьи вы подробно узнаете о данных характеристиках, в чем измеряется мощность и момент двигателя, как эти показатели зависят друг от друга и т.д.

После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в  результате горения смеси  повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов  «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ.  Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.

Синхронная работа нескольких цилиндров

Выше были описан принцип работы ДВС, при этом рассматривались процессы в одном цилиндре. Однако, как известно, большинство двигателей являются многоцилиндровыми. Для того чтобы добиться ровной и синхронной работы всех цилиндров,  рабочий ход поршня в каждом отдельном цилиндре должен происходить через  равный промежуток времени (одинаковые углы поворота коленвала).

При  этом последовательность, с которой чередуются  одинаковые такты в разных цилиндрах, принято называть  порядком работы ДВС (например, 1-2-4-3). На практике это выглядит таким образом, что после рабочего хода в цилиндре 1, далее рабочий ход происходит во втором, четвертом, а уже затем в третьем цилиндре.

В зависимости от компоновки двигателя и его конструктивных особенностей последовательность (порядок работы) может быть разной. Дело в том, что двигатели бывают не только рядными, но и V-образными.

Рекомендуем также прочитать статью о КПД дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете о данном параметре и от чего зависит КПД, а также почему дизельные моторы имеют КПД выше по сравнению с бензиновыми ДВС.

Во втором случае такая компоновка позволяет разместить цилиндры под углом, при этом становится возможным увеличить общее количество цилиндров без увеличения самой длины блока цилиндра двигателя. Такое решение позволяет разместить мощный многоцилиндровый ДВС под капотом не только большого внедорожника или грузовика, но и легкового авто.

Читайте также

устройство, принцип работы и классификация


Что такое ДВС?

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.

ДВС работает  благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС. В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).


Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).

Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

  • Несмотря на то, что технологии, в том числе, в транспортной сфере, развиваются семимильными шагами, ДВС на авто человечество будет устанавливать еще долго. Даже концерн Volkswagen, который, как известно, готовит масштабную программу электрификации модельного ряда своих двигателей, пока не спешит отказываться от ДВС. Открытой является информация, что автомобили с ДВС будут выпускаться не только в ближайшие 5, но и 30 лет. Да, время разработок новых ДВС у концерна уже подходит к финальной стадии, но производство никто сворачивать не будет. Нынешние актуальные разработки будут использоваться и впредь. Некоторые же концерны по производству авто и вовсе не спешат переходить на электромоторы. Это можно обосновать и экономически, и технически. Именно ДВС из всех моторов одни из наиболее надежных и при этом дешёвых, а постоянное совершенствование моделей ДВС позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на атмосферу.
  • Современные дизельные двигатели внутреннего сгорания позволяют снизить расход топлива на 25-30 %. Лучше всего такое уменьшение расхода топлива смогли достигнуть производители дизельных ДВС. Но и производители бензиновых двигателей внутреннего сгорания активно удивляют. Ещё в 2012-м году назад американский концерн Transonic Combustion (разработчик так называемых сверхкритических систем впрыска топлива) впечатлил решением TSCiTM. Благодаря новому подходу к конструкции топливного насоса и инжекторам, бензиновый двигатель стал существенно экономичней.
  • Большие ставки на ДВС делает и концерн Mazda. Он акцентирует внимание на изменении конструкции выпускной системы. Благодаря ей улучшена продувка газов, повышена степень их сжатия, а, вместе с тем, снижены и обороты  (причём сразу на 15%). А это и экономия расхода топлива, и уменьшение вредных выбросов – несмотря на то, что речь идёт о бензиновом двигателе, а не о дизеле.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

  1. Блок цилиндров. Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.
  2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).
  3. Газораспределительный механизм (ГРМ). Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.

    Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

    Замену ГРМ проводят через каждые 60000 - 90 000 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.

    Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.

  4. Система питания. В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
  5. Система смазки. Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки  выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.
  6. Система охлаждения. Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.
  7. Выхлопная система. Служит для отвода от мотора продуктов сгорания.
    Включает:
    - выпускной коллектор (приёмник отработанных газов),
    - газоотвод (приёмная труба, в народе- «штаны»),
    - резонатор для разделения выхлопных газов и уменьшения их скорости,
    - катализатор (очиститель) выхлопных газов,
    - глушитель (корректирует направление потока газов, гасит шум).
  8. Система зажигания. Входит в состав только бензодвигателей. Неотъемлемые компоненты системы – свечи и катушки зажигания. Самый популярный вариант конструкции – «катушка на свече». У двигателей внутреннего сгорания старого поколения также были высоковольтные провода и трамблер (распределитель). Но современные производители моторов, прежде всего, благодаря появлению конструкции «катушка на свече», могут себе позволить не включать в систему эти компоненты.
  9. Система впрыска. Позволяет организовать дозированную подачу топлива.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто. А это одна из важнейших характеристик любого мотора.


Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС. 

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения "Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля", на платформе ELECTUDE. Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива - тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

  1. Поршень в цилиндре движется вниз.
  2. Открывается впускной клапан.
  3. В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
  4. Поршень поднимается.
  5. Выпускной клапан закрывается.
  6. Поршень сжимает воздух.
  7. Поршень доходит до верхней мертвой точки.
  8. Срабатывает свеча зажигания.
  9. Открывается выпускной клапан.
  10. Поршень начинает двигаться вверх.
  11. Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно! Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE. 

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.


Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

  1. Такт выпуска.
  2. Такт сжатия воздуха.
  3. Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
  4. Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.


Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

  • Поршень двигается снизу-вверх.
  • В камеру сгорания поступает топливо.
  • Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
  • Возникает компрессия. (давление).
  • Возникает искра.
  • Топливо загорается.
  • Поршень продвигается вниз.
  • Открывается доступ к выпускному коллектору.
  • Из цилиндра выходят продукты сгорания.

То есть первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй - опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Двухтактный принцип работы – распространённое явление для мототехники, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности такие устройства можно сделать очень лёгкими и компактными.

Важно! Кроме количества тактов есть отличия в механизме газообмена.

В моделей, которые поддерживают 4 такта, газораспределительный механизм открывает и закрывает в нужный момент цикла клапаны впуска и выпуска.

У решений, которые поддерживают два такта, заполнение и очистка цилиндра осуществляются синхронно с тактами сжатия и расширения (то есть непосредственно в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки).


Классификация двигателей

Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.

Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла

В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс), выделяют два типа моторов: 

  1. Ориентированные на цикл Отто. Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
  2. Ориентированные на цикл Дизеля. Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.

Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.


А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.

И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.


Классификация двигателей в зависимости от конструкции

  • Поршневой. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
  • Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.

Классификация двигателей по принципу подачи воздуха

Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса:

  1. Атмосферные. При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
  2. Турбокомпрессорные. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.

Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.


Атмосферные системы активно встречаются как среди дизельных, так и бензиновых моделей. Турбокомпрессорные ДВС – в большинстве своём, дизельные двигатели. Это связано с тем, что монтаж турбонаддува предполагает достаточно сложную конструкцию самого ДВС. И на такой шаг готовы пойти чаще всего производители авто премиум-класса, спорткаров. У них установка турбокомпрессора себя оправдывает. Да, такие решения более дорогие, но выигрыш есть в весе, компактности, показателе крутящего момента, уровни токсичности. Более того! Выигрыш есть и в расходе топлива. Его требуется существенно меньше.

Очень часто решения с турбокомпрессором выбирают автовладельцы, которые предпочитают агрессивный стиль езды, высокую скорость.

Преимущества ДВС

  1. Удобство. Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
  2. Высокая скорость заправки двигателя топливом.
  3. Длительный ресурс работы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo" P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
  4. Компактность. Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Недостатки ДВС

При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.

Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).

Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.

Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.

Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Исследование теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания проводят при следующих допущениях все процессы, протекающие в двигателях внутреннего сгорания, обратимы цикл протекает с постоянным количеством одного и того же рабочего тела химический состав рабочего тела остается постоянным в течение всего цикла, так как предполагается, что топливо не сгорает в цилиндре, а теплота подводится к рабочему телу извне и часть ее передается поглотителю теплоты (холодильнику) процессы сжатия рабочего тела и его расширения адиабатны теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры.  [c.224]
Расскажите о теоретических циклах двигателей внутреннего сгорания.  [c.242]

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.7]

Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, изображенный в виде графика на рис. 1, состоит из следующих процессов.  [c.8]

Рис. 23. Индикаторные диаграммы теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания а — сгорание при постоянном объеме, б — смешанный цикл
Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания представляются индикаторными диаграммами, отражающими особенности тех или иных циклов.  [c.52]

Индикаторные диаграммы теоретических циклов двигателей внутреннего сгорания и рабочих процессов компрессоров позво-52  [c.52]

Теоретические циклы двигателей внутреннего "сгорания можно разделить на три вида  [c.372]

В первой части учебного пособия кратко изложены исторические данные, показана роль, которую играли русские и советские ученые в развитии основных положений теоретической теплотехники. Подробно рассмотрены основные законы термодинамики, термодинамические процессы, дифференциальные уравнения термодинамики и истечение газов и паров. В прикладной части рассмотрены циклы двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и паротурбинных установок, а также циклы атомных электростанций,  [c.3]

На рис. 169 изображена теоретическая диаграмма расчетного цикла двигателя внутреннего сгорания. По оси абсцисс отложен объем рабочей смеси, заключенной в цилиндре (этот объем пропорционален перемещению поршня), а по оси ординат — давление в цилиндре.  [c.153]

Теоретически работа двигателей внутреннего сгорания происходит по определенным циклам, рассмотренным выше (см. стр. 69—77).  [c.420]


Диаграмму цикла двигателя внутреннего сгорания, вычерченную в системе координат v — р и характеризующую величину работы, получаемой в цилиндре двигателя за один цикл, можно построить на основе расчетов (теоретическая диаграмма) или снять непосредственно с работающего двигателя его индицированием (действительная индикаторная диаграмма) специальными приборами — индикаторами.  [c.432]

Принятое направление в теплотехнике — внедрение высоких параметров пара для повышения к. п. д. установок — требовало новых научных исследований. В 1939 г. советские ученые внесли ценный вклад в теоретические основы теплотехники было предложено уравнение состояния водяного пара, проведено исследование регенеративного цикла, разработана методика сравнения циклов двигателей внутреннего сгорания и введено понятие о средней термодинамической температуре.  [c.43]

Таким образом, по характеру теоретического теплового цикла двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели со сгоранием топлива при постоянном объёме, со сгоранием топлива при постоянном давлении и со сгоранием — по смешанному циклу.  [c.350]

В действительных циклах двигателей внутреннего сгорания имеются потери тепла, вызванные отклонением линии сжатия и расширения от линий адиабат, отдачей тепла стенкам цилиндра, догоранием топлива на линии расширения и т. д. В результате наличия этих потерь индикаторная работа действительного цикла будет меньше теоретической работы по идеальному циклу.  [c.314]

В чем различие между теоретическим и действительным циклом двигателя внутреннего сгорания  [c.242]

Хотя двигатели внутреннего сгорания и не работают по замкнутому круговому процессу, все же их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и для изучения процессов превращения в них теплоты в работу, а также для выявления экономичности двигателей пользуются тем же термодинамическим методом исследования, какой применялся для изучения ранее рассмотренных циклов. Применяя этот метод к циклам двигателей внутреннего сгорания, процессы горения топлива рассматривают как процессы подвода к газу теплоты для превращения ее в работу Л/ и определяют теоретическое максимально возможное значение Получаемая  [c.158]

Диаграммы действительных циклов двигателей внутреннего сгорания отличаются от теоретических наличием ряда факторов, которые не учитываются при рассмотрении теоретических циклов. Эти факторы следующие сопротивление во впускном трубопроводе, опережение зажигания или впрыска, фазы газораспределения. Действительные циклы лишь в большей или меньшей мере приближаются к теоретическим.  [c.14]

Книга состоит из двух частей первая посвящена технической термодинамике, вторая—теплопередаче. В первой части рассматриваются основные понятия, первое и второе начала термодинамики, термодинамические процессы идеальных и реальных газов, циклы двигателей внутреннего сгорания, паротурбинных установок и компрессоров, процессы истечения газов. Во второй части освещены вопросы переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением, метод подобия и основы теплового расчета теплообменников. При изложении материала авторы старались обращать особое внимание на физическую сущность изучаемых явлений, формировать у учащихся научное понимание основ теплотехники и прививать им практические навыки в решении задач прикладного характера. При этом авторы исходили из того, что изучение теоретических основ теплотехники должно предшествовать изучению специальных курсов, посвященных парогенераторам, паротурбинным установкам, автоматизации тепловых процессов, эксплуатации теплоэнергетических установок.  [c.3]

Глава I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАМКНУТЫЕ ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.9]

Экономические и мощностные показатели двигателей внутреннего сгорания, работающих по разным циклам, трудно сравнивать в реальных условиях. Действительно, в этих условиях особенность протекания отдельного процесса рабочего цикла или деталь конструкции двигателя могут повлиять на конечные результаты сравнения. Поэтому основные показатели разных циклов сравнивают в теоретических условиях, когда каждый цикл осуществляется в наивыгоднейших условиях в воображаемой тепловой машине. Таким образом, каждый цикл двигателя внутреннего сгорания можно рассматривать происходящим в теоретических (т. е. в условиях воображаемой тепловой машины) или действительных условиях. В соответствии с этим следует ввести понятие о теоретическом и действительном (рабочем) циклах.  [c.11]


Действительный цикл двигателей внутреннего сгорания значительно отличается от рассмотренных выше теоретических циклов. Если в теоретическом цикле предполагается, что состав и количество газа остаются неизменными, то в действительном цикле происходят не только физические, но и химические изменения состава газа, а количество его не остается постоянным. После окончания каждого действительного цикла отработавший газ не возвращается в свое первоначальное состояние в цилиндре и выпускается в атмосферу, уступая место горючей смеси или воздуху таким образом, действительный цикл по существу является разомкнутым. Процессы сжатия и расширения происходят при наличии теплообмена с внешней средой, а в процессе расширения происходит, кроме того, догорание топлива. Таким образом, при осуществлении действительного цикла использование теплоты в нем происходит с большими потерями по сравнению с теоретическим циклом, вследствие чего действительный к. п. д. будет ниже термического.  [c.376]

Таким образом, в теоретическом анализе действительные процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания, заменяются теоретическим термодинамическим циклом, состоящим из обратимых процессов.  [c.111]

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказал теоретический рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня I — всасывание воздуха  [c.95]

Раскрытие указанной функциональной связи возможно при условии принятия такого теоретического цикла двигателя, который автором был предложен и изложен в учебнике по теории двигателей внутреннего сгорания [1 ]. Все исходные показатели и параметры газов в начале процесса  [c.258]

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.266]

Теоретические циклы и действительные процессы двигателей внутреннего сгорания 267  [c.267]

Рис. 16,3, Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при V = oпst (Г—з-диа-грамма)
Рис. 16.12. Теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты (Т—з-ди-аграмма)
Цикл с изохорным подводом теплоты цикл Отто). На рис. 169, а показан теоретический цикл двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты. Точка 1 соответствует состоянк ю 1 кг рабочего тела перед сжатием с параметрами р , Vi, Ti. Рабочее тело адиабатно (кривая 1—2) сжимается, и в точке 2 его параметры р2, v , Т. . Затем к рабочему телу изохорно (кривая  [c.224]

Во втором случае прикладные части термодинамики не отрываются от соответствующих теоретических частей курса. При такой постановке каждая часть общего курса как термодинамика газов, так и термодинамика паров будет иметь большую законченность. Целесообразность такой постановки определяется также тем, что термодинамические методы исследования циклов двигателей внутреннего сгорания и паротурбинных установок различны. Как известно, при исследовании циклов паротурбинных установок имеет широкое применение диаграмма г—5. Кроме того, метод, при котором прежде излагается вся теоретическая часть термодинамики, а затем вся ее прикладная часть, является более однообразным и поэтому более тяжелым при изложении на лекциях. Подобный метод постановки циклов имеется во лшогих учебниках, нанример Жуковского, Карпова, Литвг.на, в первых четырех изданиях учебника Сушкова и др.  [c.291]

При общей высокой оценке по учебнику могут быть сделаны следующие замечания. Раздел Дифференциальные уравнения термодина.мики является менее методически отработанным, чем др угие разделы учебника. Автор не гюказал метода развития и обоснования приводимой теории. Не показано автором и огромное теоретическое и практическое значение этого раздела. А без этих данных рассматриваемая 3 разделе теория имеет слишком формальный, отвлеченный характер. Следовало бы упростить выводы формул термического к. п. д. циклов двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. Целесообразно было бы привести общий метод сравнения циклов. Нельзя согласиться с с зормально-математической постановкой рассмотрения политропного процесса.  [c.342]

Во всех приведенных выше теоретических циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания уравнения для определения количества подведенной и отведенной теплоты, а также для термического к. п. д. даны для случая с -- onst.  [c.130]

Практически наиболее удобно подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или смешанным способом — по изохоре и изобаре. В соответствии с этим для двигателей внутреннего сгорания разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение.  [c.112]

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком ули газообразном топливе. Двигатели внутреннего сгорания делят на две группы карбюраторные, работающие на легком топливе, и дизельные. Теоретическим циклом карбюраторного двигателя внутреннего сгорания является цикл с подводом тепла при постоянном объеме (u = onst). В карбюраторных двигателях топливо и воздух смешиваются вне цилиндра — в карбюраторе и после сжатия смеси в цилиндре она принудительно воспламеняется электрической искрой.  [c.414]


Теоретическая машина, осуществляющая этот цикл, принимается идеальной абррак-цией, к которой могут приближаться действительные двигатели внутреннего сгорания высокого сжатия (компрессорные дизели . Соотношения параметров по адиабате а с.  [c.464]

Теоретическая машина, осуществляющая этот цикл, принимается идеальной абстракцией, к котброй могут приближаться действительные двигатели внутреннего сгорания высокого сжатия с бескомпрессорной подачей топлива (бескомпрессорные дизели). Соотношения параметров  [c.464]

В 1910 г. Н.Р. Брилинг издал свой первый курс по двигателям внутреннего сгорания, который лег затем в основу капитального труда по двигателям внутреннего сгорания, изданного в 1935 г. Изданный литографически на восьми печатных листах, этот курс, непрерывно пополнявшийся новыми теоретическими и экспериментальными работами автора, выдержал пять изданий и за последуюш,ие 25 лет увеличился в объеме более чем в 5 раз — до 45 печатных листов. В этом труде сконцентрированы как основные теоретические разработки Николая Романовича по теории двигателей (потери действительного цикла, уравнение сгорания в двигателе и др.), так и огромный опыт мирового двигателестроения. Эта работа легла в основу многочисленных трудов по теории, расчету и конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания в нашей стране и за рубежом.  [c.254]


Рабочий цикл ДВС | Автомобильный портал

Рабочий цикл ДВС

Абсолютно все современные и древние двигатели внутреннего сгорания функционируют на одном принципе. Но для многих людей сама суть работы ДВС остается загадкой. Сейчас мы попробуем разобраться в этом вопросе полностью.

Работа ДВС – ключевые моменты

ДВС состоит из узлов слаженно работающих механизмов, которые создают хорошие условия для горения горючей смеси. Как в дизельных, так и бензиновых, топливо внутри камеры сгорания воспламеняется из-за сжатия. Благодаря смеси топлива и кислорода, при сжатии эта субстанция очень легко воспламеняется. Единственная разница дизельных и двигателей работающих на высокооктановом топливе в системе подачи горючего. У дизельного мотора в цилиндр горючее доставляется с помочью форсунок под сильным давлением, и в момент сжатия форсунка распыляет горючее, где в это время находится сжатый воздух. Вследствие этого смесь возгорается. У бензинового мотора смесь внутри камеры сгорания поджигается искрой вызванной высоким током, что подаётся на свечи зажигания, вследствие чего топливо возгорается.

Когда возгорается топливная смесь внутри камеры сгорания, происходит расширение, которое толкает поршень. Именно это является основой работы ДВС.

С теорией разобрались, теперь немного углубимся в детали, и разберемся в вопросе, как происходит рабочий цикл ДВС.

Если мы возьмем шприц, наберем в него воздух, перекроем выход на иголке и попытаемся его сжать, то получим компрессию. В моторе, работающем на принципе внутреннего сгорания, происходит та же ситуация. Штоком шприца является поршень, а пластиковая обойма – это гильза. Помимо поршня и гильзы в моторе автомобиля есть еще ГРМ (газораспределительный механизм). Именно он отвечает за своевременную подачу новой порции горючего и выпуск CO2 из камеры сгорания.

Когда поршень переходит из ВМТ вниз, то в этот момент клапана открываются и разрежённость внутри гильзы засасывает топливную смесь, состоящую из высокооктанового топлива и кислорода в карбюраторных моторах, а в дизельных, в этот момент поглощается только воздух, топливо впрыскивается форсункой. Обеспечивает непрерывное движение поршня по одной траектории кривошипно-шатунный механизм. Этот цикл называется «Впуск».
Следующий цикл – «Сжатие». Когда поршень достиг НМТ, клапана переходят в закрытое положение, а поршень продолжает движение вверх, создавая сжатие.

Третий цикл «Рабочий ход». Именно он обеспечивает работу мотора. Когда поршень доходит до ВМТ, на свече образуется искра, а в дизельных моторах происходит впрыск дизельного топлива. Происходит возгорание и газы, появившиеся вследствие сгорания, толкают поршень вниз.

Под воздействием силы газов поршень начинает идти вниз, клапана впускные при этом закрыты, но открываются выпускные. Следующее движение поршня выталкивает сгоревшие газы, и при достижении верхнего положения, выпускные клапана перекрываются, а впускные переходят в открытое положение и цикл повторяется.

За четыре такта происходит рабочий цикл ДВС, от этого происходит название двигателя – «Четырёхтактный».

Существуют 2-хтактные двигатели, где рабочий ход выполняется всего за 2 оборота, а в четырёхтактных за 4. Принцип работы двухтактного подобный 4-хтактному, их отличие только в системе КШМ, у этих двигателей его попросту нет. Впуск и выпуск производится с помощью окон, (отверстий в гильзе).

Таким образом функционируют моторы внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания - Как именно они работают?

Двигатель внутреннего сгорания положил начало золотому веку автомобильной и транспортной отрасли. Создателем бензинового двигателя внутреннего сгорания был Карл Фридрих Бенц , а варианта с самовоспламенением - Рудольф Дизель. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания с тех пор существенно не изменился, но эти агрегаты стали намного эффективнее и надежнее. Как именно работает такой двигатель?

Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Большинство современных автомобилей имеют четырехтактные двигатели с искровым зажиганием .Они характеризуются тем, что поршень в них совершает четыре движения и эта работа называется циклом Отто .

Первый цикл - воздушная заслонка, и теперь поршень перемещается, позволяя всасывать смесь воздуха и топлива. Следующий этап – сжатие, благодаря которому топливо «сжимается» и топливно-воздушная смесь взрывается с помощью свечи зажигания.

Это создает рабочее явление, когда поршень снова отталкивается назад, и результирующая энергия приводит в движение коленчатый вал .Затем вал начинает вращаться, что приводит в движение трансмиссию.

Завершающий этап работ - продувка выхлопных газов. На этом этапе открывается выпускной клапан , и выхлопной газ выходит из цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Затем цикл двигателя внутреннего сгорания начинается заново.

Принцип действия двухтактных двигателей

Рабочий цикл немного отличается у двухтактных двигателей, известных, например, по польским Trabant или Syrena, хотя аналогичные агрегаты устанавливались и на модели Saab или Suzuki в 1970-х годах.ХХ века.

В таком агрегате при движении поршня вниз из-за повышения давления выхлопной газ вытесняется за счет нагнетания топливной смеси. Поршень снова движется вверх, а затем сжимается и готовится к воспламенению.

Циклы двигателя Ванкеля

Двигатель внутреннего сгорания также является двигателем Ванкеля, которым славится модель Mazda RX-7. В таком агрегате также четыре такта работы, при этом поршень работает вращательно.Вращательное движение двигателя означает, что в его корпусе нет проблем с вибрациями, хотя, в частности, благодаря на потери тепла, высокий расход топлива и выброс большого количества выхлопных газов обычно не используется в автомобилях.

Если вы ищете специалистов, занимающихся обработкой двигателей внутреннего сгорания, обращайтесь в нашу компанию. Мы выполняем такие работы, как регенерация двигателей , шлифовка коленчатых валов и другие услуги, связанные с восстановлением этого типа агрегатов до их блеска.Если вы заинтересованы в такой помощи, пожалуйста, свяжитесь с нами.

.

Цикл Аткинсона-Миллера - путь к более экономичным двигателям

Традиционный цикл Аткинсона

Что я могу сделать, чтобы лучше использовать энергию выхлопных газов? Их надо распаковать "дольше", т.е. , увеличить коэффициент расширения . В двигателях, работающих по циклам Отто и Дизеля , степень расширения равна степени сжатия.

Точнее, это отношение объема камеры сгорания, когда поршень находится в положении нижней мертвой точки, к соответствующему объему, когда поршень находится в положении верхней мертвой точки.

Чтобы увеличить декомпрессию отработавших газов, мы должны также увеличить степень сжатия. Проблема в том, что в двигателях с искровым зажиганием она не может превышать 10-12. Использование более высоких значений приводит к превышению уровня безопасных давлений в цилиндре и детонации сгорания.

Кривошип и поршень

(фото: Адриан Пшеквас)

Еще в году в 1887 году Джеймс Аткинсон предложил механизм для решения этой проблемы.Специфическая кривошипно-поршневая система, показанная выше, означала, что ход поршня в рабочем и выпускном тактах был больше, чем во впускном и рабочем тактах. В результате степень расширения была выше, чем степень сжатия. Интересен тот факт, что все четыре такта совершались за один оборот коленчатого вала .

Аткинсона с типичной кривошипно-поршневой системой

Конечно, сложный механизм, предложенный Аткинсоном, не прижился. Искали более простое решение.Оказалось, что аналогичного эффекта можно добиться, путем изменения фаз газораспределения .

Нужно только задержать закрытие впускного клапана, чтобы он находился на такте сжатия. Пока клапан не закрыт, смесь не сжимается и поступает обратно во впускной коллектор.

Таким образом, например, , можно получить фактическую степень сжатия (измеренную от закрытия впускного клапана) 10 с геометрической степенью сжатия (измеренную от нижней мертвой точки поршня) 13.Эти пропорции можно регулировать с помощью механизма изменения фаз газораспределения. Двигатели, использующие этот метод, приобрели популярность, в частности, в гибридных конструкциях. на Тойоте Приус.

Перезарядка

Недостатком двигателей, работающих по циклу Аткинсона, является меньшая мощность на литр рабочего объема . Это связано с тем, что меньшая часть смеси  -  сжимается при более коротком ходе сжатия. Для исправления этого было предложено оснастить двигатель нагнетателем .Такие конструкции чаще всего описывают как работающие по циклу Миллера.

До сих пор ведутся споры о том, какие двигатели следует называть циклами Миллера, а какие двигателями цикла Аткинсона. Некоторые ссылаются на прежний термин для всех двигателей с укороченным тактом сжатия из-за последующего закрытия впускного клапана, другие ограничивают термин «цикл Миллера» от до только двигателей с наддувом.

На фотографии, открывающей запись, показан двигатель Mazda, работающий по циклу Миллера.Оснащен механическим компрессором Lysholm. Идея кажется странной, поскольку часть работы сжатия, потерянной из-за более короткого хода, переносится на внешний компрессор. Потенциальная экономия должна быть результатом большей эффективности внешнего компрессора и снижения механических потерь двигателя, который из-за наддува имеет меньший рабочий объем .

Двигатель HR12DDR

(фото: пресс-материалы / Nissan)

Недавно концепт вернулся с новым двигателем 1 мощностью 98 л.с.2 Nissan HR12DDR, посвященные Micra. Он также работает по циклу Миллера и имеет внешний компрессор. Геометрическая степень сжатия достигает 13. Компрессор может быть отсоединен от , что снижает потери при малых нагрузках. Nissan говорит о выбросах CO2 на уровне 95 г/км, что эквивалентно 4 литра бензина на 100 км . Это может быть революция.

.

Четырехтактный двигатель с искровым зажиганием | Направляющие

Дата публикации: 31.01.2017

В 4-тактных двигателях текущей конструкции 1 цикл двигателя всегда выполняется за два оборота коленчатого вала (720О OWK), независимо от числа цилиндров. За два оборота коленчатого вала в каждом цилиндре двигателя выполняется только один рабочий такт.

В современных конструкциях систем управления двигателем в течение одного цикла двигателя время впрыска остается одинаковым для всех форсунок одного блока цилиндров, также в так называемомсистемы последовательного впрыска. Однако вскоре мы перейдем на индивидуальную настройку времени впрыска для отдельных цилиндров.

Двигатель разбивается на блоки цилиндров
Двигатели с бортовой диагностикой OBDII/EOBD разбиваются на блоки цилиндров, сокращенно «блоки». Эта поломка — это не поломка механической конструкции двигателя, а сбой в программе управления двигателем. Двигатели с числом цилиндров до 4 обычно имеют один блок цилиндров.

Двигатели с 6 и более цилиндрами обычно делятся на 2 или более блоков цилиндров. Например, двигатель, разделенный на два блока цилиндров, дает два отдельных двигателя с точки зрения управления. Давайте познакомимся с основными преимуществами разделения двигателя на блоки цилиндров. Одно и то же значение времени впрыска (доза топлива), рассчитанное контроллером, например, для 3 цилиндров на основе сигнала кислородного датчика, который измеряет содержание кислорода в отработавших газах, смешанных из 3 цилиндров, гарантирует, что каждый из 3 цилиндров снабжается смесью состава, более близкого к требуемому, чем в двигателе с 6 цилиндрами, для которого контроллер рассчитывает время впрыска на основании сигнала кислородного датчика, измеряющего содержание кислорода в отработавших газах, смешанных с 6 цилиндрами.

Чем ближе состав исходной смеси к требуемому, тем больше:
• эффективность каталитического нейтрализатора больше, поэтому выхлопные газы чище;
• расход топлива меньше.

Кроме того, система управления опережением зажигания, взаимодействующая с двумя или более датчиками детонации, каждый из которых "слушает" звуки сгорания, например, в 3 цилиндрах, работает более точно, чем система управления углом опережения зажигания, взаимодействующая только с одним датчиком детонации, который «Слушает» звуки процесса горения, например.6 цилиндров. Это повышает точность определения угла опережения зажигания в системах, оборудованных датчиком детонации.

Нумерация блоков цилиндров
Если двигатель не разделен на блоки цилиндров, все его цилиндры относятся к блоку цилиндров 1. Если двигатель разделен на два или более блоков цилиндров, номер 1 обозначает блок цилиндров, к которому относится цилиндр принадлежит № 1 (см. рис. 2–5). Блок цилиндров также называют «банком», но он является частью английского термина «ряд цилиндров», который, например,в программном обеспечении диагностического тестера оно не было переведено, поскольку переводчик не знал, что оно означает.

Текст взят из Технического приложения к НОВОСТЯМ Inter Cars SA № 40 / сентябрь 2011 г. «Выбор времени впрыска бензина и газа»

.

Принцип работы четырехтактного двигателя - SAMOLOTY.PL

Этот двигатель имеет клапаны в головке блока цилиндров: впускной, через который смесь (или воздух) поступает в цилиндр, и выпускной, через который выхлопные газы выходят из цилиндра. Есть 4 рабочих цикла:

  • дроссель
  • сжатие
  • работа
  • выхлоп


Двигатель работает следующим образом:

Первый ход - ДРОССЕЛЬ
Всасывающий клапан открывается, поршень движется вниз к JPA (внутренняя точка возврата).Он создает разрежение, благодаря которому топливно-воздушная смесь всасывается из карбюратора (или системы впрыска и воздуховодов) из впускного канала за закрывающим его впускным клапаном. Он проходит внутри полости цилиндра, между днищем поршня и головкой, образуя полость цилиндра (равную полной емкости). Это делается в атмосферных двигателях, в то время как в двигателе с наддувом смесь нагнетается под давлением. Как только поршень превышает BPA, всасывающий клапан закрывается.

Такт II - СЖАТИЕ
Поршень движется вверх по цилиндру и сжимает воздушно-топливную смесь. Сжатие происходит под огромным давлением в объеме камеры сгорания. Но до того, как давление достигнет максимального значения, примерно за 5 градусов поворота коленчатого вала до того, как поршень достигнет Внешней точки возврата (ЗТП), происходит воспламенение (так называемый опережение зажигания). Цель состоит в том, чтобы сжечь всю смесь при момент, когда поршень уже превысил ZMP и может быть оттеснен расширяющимися выхлопными газами для начала рабочего такта.

Ход III - РАБОТА
Поршень отталкивается назад - с невообразимой силой, так как внутри камеры сгорания после воспламенения создается давление, соответствующее давлению в 5 тонн на поршень! И такие силы должны передаваться от днища поршня через шатун на коленчатый вал. После этого одного рабочего такта двигатель должен набрать достаточное количество импульса коленчатого вала, чтобы выполнить оставшиеся три такта. Поэтому легко понять, почему двигатели работают более плавно, чем больше у них цилиндров.Образовавшаяся кинетическая энергия запасается в маховике (и/или других системах выравнивания и уравновешивания работы двигателя).


Такт IV - ВЫПУСК
Еще до того, как поршень достигнет HPP, открывается выпускной клапан, и еще не полностью расширенный выхлопной газ может выйти из цилиндра в сторону выхлопной системы. Двигаясь вверх, поршень выталкивает из цилиндра остальные газы, а при превышении запускает цикл сначала.
В конце концов 4.ходов коленчатый вал сделал два полных оборота.
На приведенной ниже диаграмме показан полный рабочий цикл 4-тактного двигателя.

Принцип четырехтактного двигателя

Мачей Луговский

.

Описание цикла Миллера работы двигателя внутреннего сгорания. Крупные оригиналы. График индикаторов циклов Отто и Аткинсона

Аткинсон, Миллер, Отто и другие в нашем небольшом техническом туре.

Во-первых, давайте рассмотрим, что такое цикл двигателя. Двигатель внутреннего сгорания - это объект, который преобразует давление сгорания топлива в механическую энергию, и, поскольку он работает с теплом, он является тепловым двигателем. Таким образом, цикл для тепловой машины представляет собой круговой процесс, в котором сходятся начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (в нашем случае это цилиндр с поршнем).Этими параметрами являются давление, объем, температура и энтропия.

Именно эти параметры и их изменение определяют, как будет работать двигатель, т.е. каков будет его цикл. Поэтому при наличии желания и знаний в области термодинамики можно создать собственный цикл работы теплового двигателя. Поэтому самое главное — запустить двигатель, чтобы доказать, что вы имеете право на существование.

Отто

цикл

Начнем с самого важного рабочего цикла, который в наше время используют практически все двигатели внутреннего сгорания.Он был назван в честь Николауса Августа Отто, немецкого изобретателя... Сначала Отто использовал труды бельгийца Жана Ленуара. Небольшое понимание оригинальной конструкции даст эта модель двигателя Ленуара.

Поскольку Ленуар и Отто не были знакомы с электротехникой, воспламенение в их прототипах происходило от открытого пламени, воспламенявшего смесь внутри цилиндра через трубку. Основное различие между двигателем Отто и двигателем Ленуара заключалось в вертикальном расположении цилиндра, что побуждало Отто использовать энергию выхлопных газов для подъема поршня после его рабочего хода.Рабочий ход поршня вниз инициируется атмосферным давлением. А когда давление в цилиндре достигло атмосферного, выпускной клапан открылся и поршень своей массой вытеснил выхлопные газы. Именно суммарное использование энергии позволило поднять КПД до головокружительных по тем временам 15%, что даже превосходило КПД. паровые машины... Кроме того, такая конструкция позволяла в пять раз снизить расход топлива, что привело затем к ее полному доминированию на рынке.

Но главной заслугой Отто является изобретение четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Это изобретение было создано в 1877 году и тогда же было запатентовано. Но французские промышленники порылись в своих архивах и обнаружили, что идею четырехтактного двигателя за несколько лет до патента Отто описал французский Бо де Рош. Это позволило им снизить патентные сборы и начать разработку собственных двигателей. Но благодаря опыту двигатели Отто оказались на голову лучше, чем у конкурентов...И к 1897 году их было изготовлено 42 тысячи.

Но что такое цикл Отто? Это четыре прыжка ДВС, которые мы знаем со школы - впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Все эти процессы занимают одинаковое время, а тепловые характеристики двигателя представлены на диаграмме ниже:

Где 1-2 - сжатие, 2-3 - рабочий ход, 3-4 - выпуск, 4-1 - впуск. КПД такого двигателя зависит от степени сжатия и показателя адиабаты:

, где n – степень сжатия, k – показатель адиабаты, т.е. отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости газа при постоянном объеме.

Другими словами, это количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы вернуть газ внутри цилиндра в прежнее состояние.

Цикл Аткинсона

Он был изобретен в 1882 году британским инженером Джеймсом Аткинсоном. Цикл Аткинсона повышает эффективность цикла Отто, но снижает выходную мощность. Основное отличие заключается в разном времени включения разных двигателей.

Специальная конструкция рычага двигателя Аткинсона позволяет выполнять все четыре такта за один оборот коленчатого вала... Эта конструкция также делает ход поршня разной длины: ход поршня на впуске и выпуске больше, чем на сжатие и расширение.

Еще одной особенностью двигателя является то, что кулачки ГРМ (открытие и закрытие клапанов) расположены непосредственно на коленчатом валу. Это избавляет от необходимости отдельной установки распределительного вала... Кроме того, нет необходимости устанавливать коробку передач, так как коленчатый вал крутится с половинной скоростью. В 19 веке двигатель не получил распространения из-за сложной механики, но к концу 20 века стал популярнее, так как его начали использовать в гибридах.

В дорогом Лексусе есть такие странные агрегаты? Ни в коем случае никто не собирался реализовывать цикл Аткинсона в чистом виде, но доработать под него обычные двигатели вполне возможно. Поэтому не будем долго жаловаться на Аткинсона и перейдем к тому циклу, который привел его к реальности.

Цикл Миллера

Цикл Миллера

был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ объединить преимущества двигателя Аткинсона с более крупным простым двигателем Отто.Вместо того, чтобы механически укорачивать такт сжатия по сравнению с рабочим ходом (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх, а не вниз), Миллер предложил уменьшить такт сжатия с помощью такта воздушной заслонки, удерживая поршень в движении вверх. и вниз с той же скоростью (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два различных подхода: либо закрыть впускной клапан намного раньше, чем конец такта впуска, либо закрыть его намного позже, чем конец этого такта впуска. Первый подход среди опекунов условно называют «укороченным входом», а второй - «укороченным сжатием».В конечном итоге оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении той же степени расширения (т.е. рабочий ход остается таким же, как в двигателе Отто, а ход сжатия оказывается уменьшенным - как при Аткинсоне, только уменьшается не со временем, а со степенью сжатия смеси).

Таким образом, смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем она должна была бы сжиматься в двигателе Отто с такой же механической геометрией.Это позволяет повысить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, коэффициент расширения!) выше пределов, определяемых детонационными свойствами топлива - доведение фактического сжатия до допустимых значений за счет описанного "укорочения цикла сжатия" над. Другими словами, при той же фактической степени сжатия (ограничение топлива) двигатель Миллера имеет значительно более высокую степень расширения, чем двигатель Отто. Это позволяет полнее использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что фактически повышает тепловой КПД двигателя, обеспечивает высокий КПД двигателя и т.д.Одним из преимуществ цикла Миллера является также возможность более широкого варьирования момента зажигания без риска детонации, что дает большие возможности инженерам.

Преимущества повышенного теплового КПД цикла Миллера по сравнению с циклом Отто сопровождаются потерей пиковой мощности для указанного размера двигателя (и веса) из-за ухудшения уровня заполнения цилиндров. Поскольку для получения той же выходной мощности большего размера, чем двигатель Отто, потребуется двигатель Миллера, выигрыш от повышенного теплового КПД цикла будет частично использован для увеличения механических потерь (трение, вибрация и т. д.).) вместе с объемом двигателя.

Дизельный цикл

Наконец, стоит хотя бы вкратце напомнить о дизельном цикле. Изначально Рудольф Дизель хотел создать двигатель, максимально приближенный к циклу Карно, в котором КПД определяется только разностью температур рабочего тела. Но поскольку охлаждение двигателя до абсолютного нуля — это не круто, Дизель пошел другим путем. Увеличилась максимальная температура, при которой начиналось сжатие топлива до запредельных по тем временам значений.Двигатель получился действительно высокопроизводительным, но изначально работал на керосине. Рудольф построил первые прототипы в 1893 году, и только в начале 20 века он перешел на другие виды топлива, в том числе на дизельное топливо.

Цикл Миллера - термодинамический цикл, применяемый в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания . Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения преимуществ двигателя Аткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто .Вместо того, чтобы механически укорачивать такт сжатия от такта рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал укорачивать такт сжатия за счет такта впуска, сохраняя при этом движение поршня. вверх и вниз с одинаковой скоростью (как в классическом двигателе Отто).

Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрыть впускной клапан намного раньше конца такта впуска (или открыть позже, чем начало этого такта), либо закрыть его намного позже конца этого такта.Первый подход среди двигателестроителей условно называют «укороченным впуском», а второй — «укороченным сжатием». В конечном итоге оба этих подхода дают одно и то же: уменьшение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении той же степени расширения (т.е. ход рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто , а такт сжатия несколько уменьшен - как у Аткинсона, только уменьшен не во времени, а в степени сжатия смеси). Давайте подробнее рассмотрим второй подход Миллера. - потому что он несколько выгоднее по потерям на сжатие, а так это практически реализовано в серийных двигателях Mazda "Miller Cycle" (такой 2,3-литровый двигатель V6 с механическим компрессором устанавливался на Mazda Xedos-9 автомобиль, а недавно новейший «атмосферный» двигатель I4 этого типа объемом 1,3 литра отдали модели Mazda-2).

В таком двигателе впускной клапан не закрывается в конце такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия.Хотя весь объем цилиндра заполняется на такте впуска, часть смеси выталкивается обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень движется вверх на такте сжатия. На самом деле сжатие смеси начинается позже, когда впускной клапан окончательно закрывается и смесь оказывается в цилиндре. Таким образом, смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем в двигателе Отто с той же механической геометрией.Это позволяет увеличить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, коэффициент расширения!) выше предельных значений за счет детонационных свойств топлива - доведение фактического сжатия до допустимых значений за счет "укороченного цикла сжатия " описан выше. Иными словами, при одинаковой фактической степени сжатия. (уменьшенном расходе топлива) двигатель Миллера имеет гораздо более высокую степень расширения, чем двигатель Отто, что позволяет более полно использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов , что фактически повышает тепловой КПД двигателя, обеспечивает высокий КПД двигателя и так далее.

Конечно, реверсивный сдвиг заряда означает снижение мощностных показателей двигателя, а для атмосферных двигателей имеет смысл работать только по такому циклу в относительно узком режиме с частичными нагрузками... В случае постоянных фаз газораспределения , это можно компенсировать только во всем динамическом диапазоне с помощью наддува. В гибридных моделях недостаток тяги при неблагоприятных условиях компенсируется тягой электродвигателя.

Преимущества повышенного теплового КПД цикла Миллера по сравнению с циклом Отто сопровождаются потерей пиковой выходной мощности для данного размера двигателя (и веса) из-за ухудшения наполнения цилиндра.Поскольку для достижения той же выходной мощности, что и у двигателя Отто, потребуется двигатель Миллера большего размера, преимущества повышенного теплового КПД цикла будут частично использованы для увеличения механических потерь (трение, вибрация и т. д.) с размером двигателя. Поэтому инженеры Mazda построили свой первый серийный двигатель с неамосферным циклом Миллера. Когда они присоединили к двигателю компрессор Lysholm, они смогли восстановить высокую удельную мощность, не жертвуя высокой эффективностью, обеспечиваемой циклом Миллера.Именно это решение сделало двигатель Mazda V6 «Miller Cycle» привлекательным для Mazda Xedos-9 (Millenia или Eunos-800). Ведь при рабочем объеме 2,3 литра он выдает 213 л.с. и крутящий момент 290 Нм, что соответствует характеристикам обычного 3-х литрового атмосферника, а расход топлива для такого мощного мотора очень низкий - по трассе 6,3 л/100 км, по городу - 11,8 л/100 км, что соответствует показателям гораздо более слабых моторов объемом 1,8 л.Дальнейшие технологические достижения позволили инженерам Mazda создать двигатель, работающий по циклу Миллера, с приемлемыми рабочими характеристиками уже без использования нагнетателей — новая система последовательного регулирования фаз газораспределения, динамически управляющая фазами впуска и выпуска, частично компенсирует падение максимальной мощности, связанное с циклом Миллера. цикл. Новый двигатель будет выпускаться как 1,3-литровый рядный 4-цилиндровый в двух модификациях: мощностью 74 л.с. (118 Нм крутящего момента) и 83 л.с. (121 Нм). При этом расход топлива у этих моторов снизился на 20 процентов по сравнению с обычным мотором той же мощности — до чуть более четырех литров на сто километров.Кроме того, токсичность двигателя, работающего по циклу Миллера, на 75 процентов ниже текущих экологических требований. Реализация В классических Тойотовских двигателях 90-х годов с постоянными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается через 35-45° после НМТ (по углу коленчатого вала), степень сжатия 9,5-10,0. Более современные двигатели с ВВТ, возможный диапазон закрытия впускного клапана расширен до 5-70° после НМТ, степень сжатия увеличена до 10,0-11,0. Для двигателей гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускных клапанов составляет 80-120°...60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия 13,0-13,5. В середине 2010 года появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном, так и в цикле Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускных клапанов составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12,5-12,7, у турбоверсии - 10-100° и 10,0° соответственно.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ НА СТРАНИЦЕ

Honda NR500 8 клапанов на цилиндр с двумя шатунами на цилиндр, очень редкий, очень интересный и достаточно дорогой мотоцикл в мире, гонщики Хонды были умные и сообразительные))) Было выпущено около 300 штук , а теперь цены...

В 1989 году Toyota представила на рынке новое семейство двигателей серии UZ. В линейке появилось сразу три двигателя, отличающихся рабочим объемом цилиндров, 1UZ-FE, 2UZ-FE и 3UZ-FE. Конструктивно есть V-образная восьмерка с...

Мало кто задумывается о процессах, происходящих в всем известном двигателе внутреннего сгорания. Действительно, кто вспомнит курс физики в 6-7 классе средней школы? Разве что, по иронии судьбы, в памяти остаются общие моменты: цилиндры, поршни, четыре такта, впуск и выпуск.Неужели за сто лет ничего не изменилось? Конечно, это не совсем так. Поршневые двигатели усовершенствовались, и существуют принципиально иные способы заставить вал вращаться.

Среди прочих, компания Mazda (она же Toyo Cogyo Corp) известна как большой поклонник нестандартных решений. Обладая большим опытом разработки и эксплуатации обычных четырехтактных поршневых двигателей, Mazda много внимания уделяет альтернативным решениям и речь идет не о каких-то чисто экспериментальных технологиях, а о продуктах, собираемых в серийные автомобили... Наиболее известны две разработки: поршневой двигатель по циклу Миллера и роторный двигатель Ванкеля, в связи с чем стоит отметить, что идеи, лежащие в основе этих двигателей, родились не в лабораториях Мазды, но именно этой фирме удалось вспомнить оригинальные инновации. Часто бывает так, что вся прогрессивность технологии сводится на нет дорогостоящим производственным процессом, неэффективным составом конечного продукта или по какой-то другой причине. В нашем случае звезды сложились удачно, и Миллер и Ванкель начали свою жизнь как единицы Mazda.

Цикл сгорания воздушно-топливной смеси v Четырехтактный двигатель, известный как цикл Отто. Однако мало кто из автомобильных энтузиастов знает, что существует усовершенствованная версия этого цикла - цикл Миллера, и именно Mazda построила реально работающий двигатель по регламенту цикла Миллера - этот двигатель был установлен в 1993 году на Xedos. 9, также известный как Millenia и Eunos 800. Этот V-образный шестицилиндровый двигатель объемом 2,3 литра стал первым в мире, на котором работал двигатель серии Miller.По сравнению с обычными двигателями он развивает крутящий момент трехлитрового двигателя при расходе топлива в два литра. Цикл Миллера более эффективно использует энергию сгорания топливовоздушной смеси, поэтому мощный двигатель получается более компактным и экономичным с точки зрения экологических требований.

У Mazda Miller следующие характеристики: мощность 220 л.с. при 5500 об/мин, крутящий момент 295 Нм при 5500 об/мин — и был достигнут в 1993 году при мощности 2,3 л.Как это было достигнуто? Из-за некой несоразмерной меры. Их продолжительность различна, поэтому степень сжатия и степень расширения, основные величины, характеризующие работу двигателя внутреннего сгорания, неодинаковы. Для сравнения, в двигателе Отто продолжительность всех четырех тактов одинакова: впуск, сжатие смеси, рабочий ход поршня, выпуск - а степень сжатия смеси равна степени расширения выхлопных газов.

Увеличение коэффициента расширения позволяет поршню хорошо работать - это значительно увеличивает КПД двигателя...Но, по логике цикла Отто, увеличивается и степень сжатия, и здесь есть некий предел, выше которого смесь не может сжиматься и детонировать. На ум приходит идеальный вариант: увеличить степень расширения, максимально уменьшить степень сжатия, что невозможно применительно к циклу Отто.

Mazda преодолела это противоречие. В ее двигателе, работающем по циклу Миллера, снижение компрессии достигается за счет задержки открытия впускного клапана — он остается открытым, и часть смеси возвращается во впускной коллектор.В этом случае сжатие смеси начинается не при прохождении поршнем нижней мертвой точки, а когда он уже прошел пятую часть пути вверх от мертвой точки... Кроме того, предварительно сжатая смесь подается в цилиндр через Компрессор Лисхольма, своеобразный аналог наддува. Таким образом, этот парадокс легко преодолеть: продолжительность такта сжатия немного меньше, чем такта расширения, кроме того, падает температура двигателя и процесс сгорания становится намного чище.

Еще одна успешная идея Mazda — разработать модель роторно-поршневого двигателя на основе идей, предложенных почти пятьдесят лет назад инженером Феликсом Ванкелем. Сегодняшние восхитительные спортивные автомобили RX-7 и RX-8 с характерным «инопланетным» звуком двигателя прячут под капотом роторные двигатели, которые теоретически похожи на обычные поршневые двигатели, но практически — совершенно не от мира сего. Использование роторных двигателей Ванкеля в RX-8 позволило Mazda заявить о своей идее о 190 или даже 230 лошадиных силах при объеме двигателя всего 1,3 литра.

При массе и габаритах в два-три раза меньших, чем у поршневого двигателя, роторный двигатель способен развивать мощность, примерно равную поршневой, вдвое больше по объему. Эдакий черт в табакерке, заслуживающий самого пристального внимания. За всю историю автомобилестроения только две компании в мире сумели создать эффективные и недорогие роторы — это Mazda и… ВАЗ.

90 100
Мазда RX-7

Функцию поршня в роторно-поршневом двигателе выполняет ротор с тремя вершинами, с помощью которого давление дымовых газов преобразуется во вращательное движение вала.Ротор как бы катится вокруг вала, заставляя его вращаться, и ротор следует сложной кривой, называемой «эпитрохоидой». За один оборот вала ротор поворачивается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер, на которые ротор разделен неподвижным кожухом-статором, происходит полный четырехтактный цикл «впуск -сжатие-рабочий ход-выпуск».

Интересно, что этот процесс не требует газораспределительного механизма, есть только входной и выходной порты, перекрывающие одну из трех вершин ротора.Еще одним неоспоримым преимуществом двигателя Ванкеля является гораздо меньшее количество движущихся частей по сравнению с обычным поршневым двигателем, что значительно снижает вибрации как двигателя, так и автомобиля.

Следует признать, что очень экономичный характер такого двигателя не исключает многих недостатков. Во-первых, это очень быстрые и поэтому сильно нагруженные моторы, требующие дополнительной смазки и охлаждения. Например, расход от 500 до 1000 грамм специального минерального масла для Ванкеля — дело вполне обычное, так как для снижения нагрузки его необходимо впрыскивать непосредственно в камеру сгорания (синтетика не подходит из-за повышенного закоксовывания отдельных узлов двигателя ).

Недостаток конструкции, пожалуй, единственный: высокая стоимость производства и ремонта, так как точный ротор и статор имеют очень сложную форму и поэтому у многих дилеров Мазда капитальный гарантийный ремонт таких двигателей предельно прост: замена! Сложность еще и в том, что статор должен успешно выдерживать термическую деформацию: в отличие от обычного двигателя, где теплонагруженная камера сгорания частично охлаждается в фазе всасывания и сжатия свежей рабочей смесью, здесь процесс сгорания всегда происходит в одной части двигателя, а заезд - в другом...

Слайд 2

Classic ICE

Классический четырехтактный двигатель был изобретен в 1876 году немецким инженером Николаусом Отто, рабочий цикл такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Слайд 3

Индикаторная диаграмма цикла Отто и Аткинсона.

  • Слайд 4

    Цикл Аткинсона

    Британский инженер Джеймс Аткинсон еще до войны изобрел собственный цикл, который немного отличается от цикла Отто — его индикаторная диаграмма отмечена зеленым цветом... В чем разница? Во-первых, объем камеры сгорания такого двигателя (при том же рабочем объеме) меньше, а значит и степень сжатия выше. Поэтому самая высокая точка на диаграмме индикатора находится слева, в районе нижнего объема суперпоршня. И степень расширения (то же, что и степень сжатия, наоборот) также больше - это означает, что мы более эффективны благодаря более длинному ходу поршня, мы используем энергию выхлопных газов и у нас меньше потерь выхлопных газов (это отражено в меньшей ступени справа).Дальше все то же самое - есть такты выхлопа и впуска.

    Затвор 5

    Вот если бы все происходило по циклу Отто и впускной клапан закрывался бы на НМТ, то кривая сжатия шла бы вверх и давление в конце такта было бы избыточным - потому что здесь степень сжатия выше! За искрой последовала бы не вспышка смеси, а детонационный взрыв - и двигатель, не проработав и часа, погиб при взрыве. Но это был не британский инженер Джеймс Аткинсон! Он решил продлить фазу всасывания - поршень достигает НМТ и поднимается, а всасывающий клапан остается открытым примерно до половины полного хода поршня.Часть свежей горючей смеси одновременно выталкивается обратно во впускной коллектор, что повышает там давление, а точнее снижает разрежение. Это обеспечивает большее открытие при низких и средних нагрузках. дроссельной заслонки... Поэтому впускная магистраль в графике цикла Аткинсона выше и насосные потери двигателя меньше, чем в цикле Отто.

    Слайд 6

    Цикл Аткинсона

    Таким образом, такт сжатия для закрытия впускного клапана начинается с меньшего объема над поршнем, как показано зеленой линией сжатия, начинающейся на полпути от горизонтальной нижней впускной линии.Казалось бы, что проще: сделать более высокую степень сжатия, изменить профиль всасывающих кулачков и уже в мешке — двигатель с циклом Аткинсона готов! Дело, однако, в том, что для достижения хороших динамических характеристик во всем рабочем диапазоне оборотов двигателя необходимо с помощью наддува компенсировать выталкивание горючей смеси при удлиненном такте воздушной заслонки, в данном случае механический наддув. А его тяга забирает львиную долю энергии у двигателя, которую он успевает рекуперировать на прокачку и потери выхлопных газов.Цикл Аткинсона безнаддувного гибридного двигателя Toyota Prius стал возможен благодаря тому, что он работает в облегченном режиме.

    Слайд 7

    90 120 Цикл Миллера

    Цикл Миллера — это термодинамический цикл, используемый в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания. Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совместить преимущества двигателя Анткинсона с более простым поршневым механизмом двигателя Отто.

    Slide 8 90 100

    Вместо того чтобы механически укорачивать такт сжатия от рабочего такта (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер придумал укорачивать такт сжатия с помощью такт впуска, при котором поршень движется вверх и вниз с одинаковой скоростью (как в классическом двигателе Отто).

    Слайд 9

    Для этого Миллер предложил два различных подхода: закрытие впускного клапана задолго до окончания такта впуска (или открытие позже начала этого такта) и закрытие его задолго до окончания этого такта. Инсульт.

    Slide 10

    Первый подход к двигателям условно называется "укороченный впуск", а второй - "укороченное сжатие". Оба этих подхода дают одно и то же: уменьшение фактической степени сжатия рабочей смеси по отношению к геометрической при сохранении той же степени расширения (т.е. ход рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, и такт сжатия несколько уменьшается - как и у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси)

    Слайд 11

    Вторая попытка Миллера

    Этот подход несколько более благоприятен с точки зрения потерь на сжатие, поэтому этот подход практически реализован в автомобильных двигателях серии Mazda MillerCycle.В таком двигателе впускной клапан не закрывается в конце такта впуска, а остается открытым в течение первой части такта сжатия. Хотя весь объем цилиндра был заполнен на такте впуска, некоторое количество топливно-воздушной смеси вытесняется обратно во впускной коллектор через открытый впускной клапан, когда поршень движется вверх на такте сжатия.

    Slide 12

    Сжатие смеси фактически начинается позже, когда впускной клапан окончательно закрывается и смесь оказывается в цилиндре.Таким образом, смесь в двигателе Миллера сжимается меньше, чем в двигателе Отто с той же механической геометрией. Это позволяет повысить геометрическую степень сжатия (и, соответственно, коэффициент расширения!) выше пределов, определяемых детонационными свойствами топлива - доведение фактической компрессии до допустимых значений за счет описанного выше "укороченного цикла сжатия". Слайд 15

    Заключение

    Если вы внимательно посмотрите на цикл Аткинсона и Миллера, вы заметите, что в обоих есть дополнительный пятый такт.Он имеет свои особенности и по сути не является ни тактом впуска, ни тактом сжатия, а является промежуточным самостоятельным тактом между ними. Поэтому двигатели, работающие по принципу Аткинсона или Миллера, называются пятитактными.

    Просмотреть все

    слайда
    [e-mail protected] Страница
    Страница
    Январь 2016

    Приоритеты

    С момента появления первого Приуса возникло ощущение, что Джеймсу Аткинсону Toyota нравилась гораздо больше, чем Ральфу Миллеру.И постепенно «цикл Аткинсона» их пресс-релизов распространился на журналистскую среду.

    Toyota официально: «Двигатель с тепловым циклом, предложенный Джеймсом Аткинсоном (Великобритания), в котором такт сжатия и продолжительность такта расширения могут устанавливаться независимо. Более поздние усовершенствования Р.Х. Миллера (США) позволили отрегулировать время открытия/закрытия впускного клапана, чтобы включить практичную систему (цикл Миллера).
    - Toyota неофициально и антинаучно: «Двигатель, работающий по циклу Миллера, — это двигатель с наддувом, работающий по циклу Аткинсона».
    Более того, даже в местном инженерном сообществе цикл Миллера существует с незапамятных времен. Как будет правильнее?

    В 1882 году британский изобретатель Джеймс Аткинсон предложил идею повышения КПД поршневого двигателя за счет уменьшения такта сжатия и увеличения такта расширения рабочего тела. На практике это должно было осуществляться сложными механизмами поршневого привода (два поршня по схеме «боксер», поршень с кривошипно-коромысловым механизмом). Построенные варианты двигателей показали увеличение механических потерь, чрезмерно сложную конструкцию и снижение мощности по сравнению с двигателями других конструкций, поэтому широкого распространения не получили.Знаменитые патенты Аткинсона касались именно структур, без учета теории термодинамических циклов.

    В 1947 году американский инженер Ральф Миллер вернулся к идее пониженного сжатия и дальнейшего расширения, предложив ее реализовать не посредством кинематики поршневого привода, а путем подбора фаз газораспределения для двигателей с обычным кривошипно-шатунным механизмом. В патенте Миллер рассмотрел два варианта организации рабочего процесса — раннее (EICV) или позднее (LICV) закрытие впускного клапана.Фактически оба варианта означают уменьшение фактической (эффективной) степени сжатия по сравнению с геометрической. Понимая, что снижение степени сжатия приведет к потере мощности двигателя, Миллер первоначально сосредоточился на двигателях с наддувом, в которых потеря наполнения компенсировалась бы компрессором. Теоретический цикл Миллера для двигателя с искровым зажиганием полностью соответствует теоретическому циклу двигателя Аткинсона.

    Вообще говоря, цикл Миллера/Аткинсона не является самостоятельным циклом, а является разновидностью известных термодинамических циклов Отто и Дизеля.Аткинсон является автором концепции абстрактного двигателя с физически разными размерами тактов сжатия и расширения. Реальная организация рабочих процессов в реальных двигателях, применяемая на практике и по сей день, была предложена Ральфом Миллером.

    Принципы

    При работе двигателя по циклу Миллера с пониженной компрессией впускной клапан закрывается намного позже, чем по циклу Отто, так что часть порции возвращается во впускное отверстие и начинается собственно процесс сжатия во второй половине хода.В результате эффективная степень сжатия ниже геометрической степени сжатия (которая в свою очередь равна степени расширения газа на рабочем такте). За счет снижения насосных потерь и потерь на сжатие обеспечивается повышение теплового КПД двигателя в пределах 5-7% и соответствующая экономия топлива.


    Еще раз можно отметить ключевые моменты различия между циклами. 1&1" - Объем камеры сгорания у двигателя с циклом Миллера меньше, геометрическая степень сжатия и степень расширения выше.2 и 2" - газы допускают полезную работу при более длинном рабочем ходе, поэтому меньше остаточные потери на выходе. 3 и 3" - разрежение на входе меньше из-за меньшего дросселирования и обратного вытеснения предыдущего заряда, поэтому насосные потери меньше ниже. 4 и 4" - закрытие впускного клапана и начало сжатия начинается с середины хода, после обратного смещения части нагрузки.
  • 90 100

    Конечно, реверсивный сдвиг заряда означает снижение мощностных параметров двигателя, и для атмосферных двигателей имеет смысл работать по такому циклу только в относительно узком режиме частичных нагрузок.В случае фиксированных фаз газораспределения это можно компенсировать во всем динамическом диапазоне только с наддувом. В гибридных моделях недостаток тяги при неблагоприятных условиях компенсируется тягой электродвигателя.

    Реализация

    В классических Тойотовских двигателях 1990-х годов с фиксированными фазами, работающих по циклу Отто, впускной клапан закрывается на 35-45° после НМТ (по углу коленчатого вала), степень сжатия 9,5-10,0. В более современных двигателях с ВВТ возможный диапазон закрытия впускных клапанов расширился до 5-70° после НМТ, степень сжатия возросла до 10,0-11,0.

    На двигателях гибридных моделей, работающих только по циклу Миллера, диапазон закрытия впускных клапанов составляет 80-120°...60-100° после НМТ. Геометрическая степень сжатия 13,0-13,5.

    В середине 2010 года появились новые двигатели с широким диапазоном изменения фаз газораспределения (VVT-iW), которые могут работать как в обычном, так и в цикле Миллера. У атмосферных версий диапазон закрытия впускных клапанов составляет 30-110° после НМТ при геометрической степени сжатия 12,5-12,7, у турбоверсии - 10-100° и 10,0° соответственно.


    .

    Проектно-конструкторские работы - Двухтактный двигатель внутреннего сгорания нового поколения


    Разве никто из нас не мечтал о маленьком, долговечном, динамичном, дешевом двигателе, который благодаря своей действительно мощной мощности и значительному крутящему моменту доставлял бы огромное удовольствие от вождения? Двигатель, который позволял бы плавно заводиться даже начинающему водителю на неприлично холостых оборотах, который не сжигал бы сотни литров топлива в ожидании смены светофора и не оставлял бы следов черных клякс при парковке перед домом? Разве слесари и сервисники не мечтают о легкодоступном двигателе, лишенном клиновых ремней, легко снимаемом вверх, не разбирая при этом пол-автомобиля? Такой двигатель только строится.

    Яцек Маевский

    В течение многих лет конструкторские работы были сосредоточены на повышении производительности двигателя. Они пошли в двух направлениях. Во-первых, увеличить обороты двигателя. Использовалась простая логика. Чем больше количество рабочих ходов в единицу времени, тем больше мощность. К недостаткам можно отнести борьбу с силами инерции, вибрации, необходимость точной балансировки, быстрый износ деталей, повышенную температуру и проблемы с тяжелым наполнением цилиндров, особенно в диапазоне высоких оборотов.Второе направление заключалось в повышении давления газов в цилиндрах, на что больше всего повлияли столь популярные сегодня компрессоры. Недостатками являются повышенные затраты, повышенные механические нагрузки на все подвижные части, дорогое обслуживание, необходимость применения сложных, дорогих материалов. Оба маршрута, хотя и были эффективными, требовали повышенной точности и приводили к резкому увеличению стоимости отдельных деталей. И тут возникает ряд вопросов. Не было бы выгоднее использовать большее количество рабочих ходов за цикл вместо увеличения числа оборотов двигателя? Не было бы выгоднее использовать простой легкий вал вместо массивного сложного коленчатого вала, передающего огромные вибрации и крутильные нагрузки, а крутящие нагрузки передавать на другой, параллельный приводной вал? Не лучше ли иметь простой, практически беззатратный и безотказный компрессор вместо дорогого, аварийного и капризного? Широко известно, что двухтактный двигатель может генерировать в два раза больше мощности и крутящего момента, чем четырехтактный двигатель.Направление известно давно. Работа над созданием экологически чистого двухтактного двигателя внутреннего сгорания ведется уже более века. К сожалению, задача, видимо, оказалась крайне скверной, так как на этом поприще терялись даже самые светлые умы.


    Крутящий момент двухтактного четырехцилиндрового двигателя нового поколения


    Крутящий момент современного четырехтактного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

    В прошлом году я написал в "Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich" всю концепцию моего нового двухтактного двигателя.С тех пор, как работа над его конструкцией еще продолжается, я внес в него множество модификаций, поэтому новый двигатель выглядит намного интереснее. И хотя он находится на стадии проектных работ, заложенный в нем потенциал не должен остаться незамеченным сильными мира сего, определяющими направления развития автомобилестроения. Однако представить этот движок на более широком форуме непросто и не просто. Вряд ли кто-то склонен полагать, что где-то на окраине Европы кто-то мог придумать что-нибудь интересное.А если есть слоган о том, что кто-то только что сконструировал новый двигатель, такое сообщение тут же вызывает смех, которому многие кабаре могли бы позавидовать. Я бы и сам рассмеялся, если бы кто-то из моих коллег сказал мне что-то подобное.
    Процесс патентования занимает много времени. Наличие патентных свидетельств является безусловным основанием и становится своеобразным пропуском на переговоры с представителями автомобильных концернов. До сих пор робкие попытки наладить такие контакты, к сожалению, не принесли ожидаемых результатов.Это, пожалуй, даже объяснимо, так как конструкторские бюро завалены всевозможными идеями, а их начальство обычно не хочет ими заморачиваться. Подавляющее большинство таких идей — лунные видения «сумасшедших изобретателей». Конечно, есть и более ценные и достойные внимания, но, опасаясь угрозы последующих судебных разбирательств, штрафов или убытков, компании боятся использовать несанкционированные или недостаточно задокументированные решения. Я думаю, что после получения нужных документов можно будет активизировать процесс публикации и что время для более широкой презентации этого двигателя потихоньку приближается.Может быть, даже собрав соответствующие средства, удастся построить прототип. По опыту знаю, что работающий движок, который можно потрогать и послушать, говорит гораздо больше, чем даже самые красиво представленные проекты на бумаге. Хотя на самом деле сегодня только интересные и достоверные результаты испытаний могут привлечь внимание самых заинтересованных, т.е. производителей. На это тоже может быть время.


    Двухтактный двигатель внутреннего сгорания нового поколения


    Таковы характеристики двухтактного двигателя нового поколения на современном этапе разработки.

    Рабочие характеристики

    • Двухтактный двигатель на чистом топливе, соответствует всем экологическим стандартам.
    • Мощность и крутящий момент в два-три раза превышают показатели современных двигателей с такими же параметрами (масса, мощность, степень сжатия, число оборотов и т.д.).
    • Небольшие габариты и высокое соотношение мощности и веса.
    • КПД в пределах 60% (современные двигатели достигают примерно 40%).
    • Огромная динамика и крутящий момент даже на низких оборотах.
    • Стабильная и «ровная» работа двигателя во всем диапазоне оборотов, начиная с 400 об/мин.
    • Скорость свободного хода около 300 об/мин (сейчас 900 об/мин).
    • Низкий расход топлива, особенно в городском цикле.
    • Несмотря на увеличение мощности и крутящего момента в несколько раз, механические нагрузки на отдельные детали не превышают нагрузки на детали современных двигателей.
    • Возможность необязательной замены моторного масла в течение всего срока службы.
    • Возможность значительно увеличить срок службы коленчатого вала и втулок благодаря разделению систем смазки вала и поршневых колец и
    • с использованием чистого моторного масла, свободного от продуктов сгорания и растворенного нагара.
    • Значительно увеличенный срок службы цилиндров, поршней и колец благодаря устранению бокового давления поршней на цилиндры.
    • Возможность использования специального масла для смазки только поршневых колец (с повышенной способностью растворять и смывать нагар).
    • Без клиновых ремней.
    • Отсутствие неприятных утечек масла из двигателя даже с поврежденными уплотнениями благодаря устранению перепадов давления в кривошипной камере и замене их вакуумом.
    • Простота обслуживания благодаря удобному доступу к периферийным устройствам (стартер, генератор, гидроусилитель руля и водяной насос).
    • Простой, дешевый, удобный в использовании, безотказный вариант форсирования двигателя.


    Рабочие фазы нового двигателя

    Технические характеристики

    • Двухтактный четырехцилиндровый двигатель на чистом топливе, построенный по поперечной схеме.
    • Значительно более высокая мощность и крутящий момент являются результатом удвоенного количества рабочих ходов в единицу времени.
    • Увеличенный крутящий момент и высокая равномерность работы двигателя также являются результатом использования инновационного коленчатого вала, который обеспечивает взаимное перекрытие сил сгорания (в современных двигателях эти силы действуют импульсами, где промежутки между ними достигают своего рабочего времени).
    • Более высокий КПД двигателя за счет снижения внутреннего сопротивления, особенно отсутствия бокового давления поршней на стенки цилиндра, и увеличения эффективного времени воздействия сил сгорания на шейки коленчатого вала.
    • Отсутствие повышенных механических нагрузок на отдельные детали при значительно большей мощности двигателя является следствием благоприятного распределения усилий от дополнительных рабочих ходов в местах и ​​в моменты времени, где их раньше не было.


    Система смазки поршневых колец

    Коленчатый вал

    • Легкий коленчатый вал с двумя коленчатыми валами, не нагруженный крутящим моментом (крутящий момент передается параллельным приводным валом).
    • Увеличенное эффективное время давления сил сгорания, передаваемых на отдельные шейки коленчатого вала, составляет 150-160°С (для традиционного коленчатого вала это значение составляет 100-110°).
    • Шатуны заменены на ползуны только с возвратно-поступательным движением.
    • Четыре полностью нагруженных вкладыша шатуна используются для коленчатого вала с двумя коленчатыми валами (современные четырехцилиндровые двигатели с четырьмя кривошипами коленчатого вала имеют по восемь вкладышей шатуна, из которых только четыре нагружены).
    • Вал смазывается маслом с помощью традиционного масляного насоса.

    Поршень и кольца

    • Плоские, легкие поршни, лишенные традиционных боковых вкладышей, не требуют шатунов или пальцев.
    • Благодаря движущимся в гильзах ползунам поршни не нуждаются в наведении и не оказывают бокового давления на стенки цилиндров.
    • Днища поршней охлаждаются холодным воздухом, каждый раз всасываемым в камеру предварительного сжатия, а их внутренняя часть охлаждается маслом, используемым для смазки колец.
    • Каждый поршень имеет одно маслосъемное кольцо и два комплекта скребкового уплотнения. Смазочное кольцо расположено по центру между противолежащими наборами грязесъемных и уплотнительных колец.
    • Контролируемое масло под давлением дозировано подается на смазочные кольца, а его избыток сливается через каналы, расположенные внутри поршней и ползунов.
    • Излишки масла нагнетаются в кривошипную камеру или отдельный бак с помощью вакуумного или центробежного механизма.
    • Для смазки колец можно использовать отдельную систему.


    Система смазки поршневых колец с использованием отдельного дозатора и отдельного масляного резервуара

    Воздухозаборник

    • Чистый воздух всасывается в камеру предварительного сжатия и впускное отверстие цилиндра.
    • Камера сгорания, расположенная над поршнем, взаимодействует с камерой предварительного сжатия, расположенной под поршнем соседнего цилиндра под углом 90°.
    • Обе эти камеры соединены впускным каналом, который также является резервуаром предварительно сжатого воздуха, не использованного в предыдущем цикле.
    • Смещение камер сгорания и камер предварительного сжатия на 90° в фазе работы камер сгорания и начального сжатия на 90° позволяет добиться идеальной синхронизации времени, количества и скорости вытесняемого воздуха, а также эффективный обмен заряда при нижнем возврате поршня.
    • В камеру сгорания подается воздух, нагнетаемый под давлением поршнем соседнего цилиндра.Поток чистого воздуха выталкивает остатки выхлопных газов, проветривает камеру сгорания и загружает новую дозу чистого воздуха.
    • После того, как цилиндр предварительно загружен и выпускной клапан закрыт, топливо впрыскивается в еще движущийся поток воздуха.
    • По завершении впрыска впускной клапан закрывается. Поскольку воздух продолжает нагнетаться, а впускной клапан закрыт, избыточный воздух накапливается во впускном канале.
    • В целях обеспечения надлежащего притока воздуха, защиты от его возврата, нейтрализации явления «вредной емкости камеры предварительного сжатия» эта камера была оборудована двумя клапанами регулирования давления (НК).Оба клапана пропускают воздух только в камеру сгорания.


    Форсирование двигателя с увеличенной камерой предварительного сжатия

    Перезарядка

    • Простой и недорогой вариант форсирования двигателя — камера предварительного сжатия гораздо большего размера, чем камера сгорания. Это было достигнуто за счет простой конструкции двойного поршня разного диаметра.
    • Буст работает во всем диапазоне оборотов, начиная с холостого хода (в настоящее время буст-эффект проявляется только на более высоких оборотах).
    • В случае резкого увеличения оборотов двигателя реакция наддува происходит немедленно (без задержки, как в современных двигателях).
    • Конструкция не подвержена резкому останову двигателя на высоких оборотах (что в наше время часто приводит к выходу из строя подшипников турбокомпрессора).
    • Не нужно ждать остывания турбокомпрессора после его интенсивной работы (двигатель можно заглушить в любой момент, не подвергая компрессор внезапному недостатку смазки или перегреву).
    • Не обязательно использовать дорогой интеркулер.
    • Решение безотказно и не требует соблюдения каких-либо процедур.
    • Он также не требует дополнительного привода или сложного обслуживания.

    Резюме
    Благодаря плоской форме двигателя и оси вращения, перпендикулярной его поверхности, двигатель идеально подходит для использования в самолетах, катерах и мотоциклах, в частности в вертолетах, где из-за огромной инерции воздушного винта, плавная и плавная работа двигателя.Однако он был разработан в основном для легковых автомобилей. Благодаря своей форме он идеально адаптируется к капоту автомобиля. Вертикальная ось вращения заставляет привод передаваться вертикально, через сцепление, коробку передач, на дифференциал, где направление меняется на горизонтальное. Дополнительными преимуществами являются плоский двигатель с легким доступом ко всем цилиндрам, зубчатое колесо в верхней части двигателя с расположенными вокруг него периферийными механизмами, простота установки и обслуживания двигателя.Однако наиболее важными особенностями являются малые габариты, высокая мощность и крутящий момент. Безотказный, дешевый и динамичный двигатель, с огромной мощностью и огромным крутящим моментом, появляющимся даже на самых низких оборотах, наверное, самая большая мечта каждого водителя. Современные безнаддувные двигатели мощностью 2000 куб.см достигают мощности 130-150 л.с. Двухлитровый двигатель нового поколения при сопоставимых параметрах легко мог достигать мощности 300-450 л.с., а с наддувом и 1000 л.с. Поскольку обычному пользователю такая огромная мощность не нужна, автомобили с безнаддувными двигателями мощностью 100-130 л.с. могли иметь чрезвычайно маленькие, очень дешевые и экономичные двигатели объемом всего 350-500 куб.см.В грядущую эпоху гибридных автомобилей, где двигатель внутреннего сгорания играет лишь вспомогательную роль, особое значение приобретают его малые габариты, малый вес и высокий КПД. В автомобилях будущего, наверное, нет места крупным агрегатам, поэтому будущее выглядит довольно розовым перед двухтактным двигателем следующего поколения.
    Как я уже говорил, разработка двигателя продолжается, и я надеюсь, что скоро смогу поделиться с вами новыми концепциями и улучшениями, над которыми я сейчас работаю.

    Яцек Маевский

    Статья

    из номера 7/8 (106/107) июль-август 2016

    .

    Как цикл Аткинсона экономит топливо?

    Наиболее распространенные сегодня четырехтактные бензиновые двигатели работают по так называемому циклу Отто, разработанному в конце 19 века немецким изобретателем Николаусом Отто, конструктором одного из первых удачных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Суть этого цикла состоит из четырех тактов, выполняемых за два оборота коленчатого вала: такта впуска, такта сжатия, рабочего такта и такта выпуска.

    В начале такта впуска открывается впускной клапан, через который втягивающимся поршнем всасывается топливно-воздушная смесь из впускного коллектора.Перед началом такта сжатия впускной клапан закрывается и возвращающийся к головке поршень сжимает смесь. Когда поршень достигает пикового положения, смесь воспламеняется под действием электрической искры. Образовавшиеся горячие выхлопные газы расширяются и толкают поршень, передавая ему свою энергию, а когда поршень оказывается максимально далеко от головки, выпускной клапан открывается. Такт выпуска начинается с возвратного поршня, выталкивающего выхлопные газы из цилиндра в выпускной коллектор.

    К сожалению, не вся энергия выхлопа используется во время рабочего такта для толкания поршня (и, через шатун, для вращения коленчатого вала). Они все еще находятся под высоким давлением, когда клапан выдоха открывается в начале такта выдоха. Мы можем узнать об этом, когда слышим шум, издаваемый автомобилем со сломанным глушителем - он вызван выходом энергии в воздух. Вот почему КПД традиционных бензиновых двигателей составляет всего около 35 процентов.Если бы можно было увеличить ход поршня за рабочий ход и использовать эту энергию...

    Это была идея английского изобретателя Джеймса Аткинсона. В 1882 году он сконструировал двигатель, в котором благодаря сложной системе толкателей, соединяющих поршни с коленчатым валом, рабочий такт был длиннее такта сжатия. В результате в начале такта выпуска давление выхлопных газов практически равнялось атмосферному, а их энергия использовалась полностью.

    Так почему же идея Аткинсона не нашла более широкого применения и почему в двигателях внутреннего сгорания уже более века используется менее эффективный цикл Отто? Есть две причины: одна — сложность двигателя Аткинсона, а другая — и что более важно — меньшая мощность, которую он получает от водоизмещающего агрегата.

    Однако по мере того, как все больше внимания уделялось расходу топлива и влиянию моторизации на окружающую среду, вспоминали о высокой эффективности двигателя Аткинсона, особенно на средних оборотах.Его концепция оказалась отличным решением, особенно в гибридных автомобилях, в которых недостаток мощности, особенно необходимой при трогании и разгоне, компенсируется электродвигателем.

    Картина

    Двигатель 1.2 с турбонаддувом, который может работать как по циклу Отто, так и по циклу Аткинсона.

    Именно поэтому двигатель, работающий по модифицированному циклу Аткинсона, использовался в первом серийном гибридном автомобиле Toyota Prius, а затем и во всех остальных гибридах Toyota и Lexus.

    Что такое модифицированный цикл Аткинсона? Что ж, благодаря этому умному решению удалось заставить двигатель Toyota сохранить классическую, простую конструкцию обычных четырехтактных двигателей, а поршень проходит одинаковое расстояние на каждом такте, эффективный рабочий ход длиннее, чем такт сжатия .

    На самом деле следует сказать иначе: эффективный такт сжатия короче рабочего такта. Это достигается за счет задержки закрытия впускного клапана, который закрывается вскоре после начала такта сжатия.Таким образом, часть воздушно-топливной смеси возвращается во впускной коллектор. Это имеет два следствия: количество выхлопных газов, образующихся в результате его сгорания, меньше и способно полностью расширяться до начала такта выпуска, передавая всю энергию поршню, а на сжатие меньшего количества смеси требуется меньше энергии, что снижает внутренние потери двигателя. Используя это и другие решения, двигатель трансмиссии Toyota Prius четвертого поколения смог достичь теплового КПД до 41 процента, ранее доступного только для дизельных двигателей.

    Оригинальность решения заключается еще и в том, что задержка закрытия впускных клапанов не требует серьезных конструктивных изменений – достаточно использовать для этого механизм изменения фаз газораспределения с электронным управлением.

    А если можно так, разве нельзя и наоборот? Да, конечно! Двигатели с переменным рабочим циклом производятся уже некоторое время. Когда потребность в мощности невелика, например, при движении по неспешным дорогам, двигатель работает по циклу Аткинсона для низкого расхода топлива.А когда требуется лучшая производительность — от фар или обгона — переключается на цикл Отто, используя всю доступную динамику. Этот 1,2-литровый двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском используется, например, в Toyota Auris и Toyota C-HR. Такой же двухлитровый агрегат используется в автомобилях Lexus IS 200t, GS 200t, NX 200t, RX 200t и RC 200t, обеспечивая им большую производительность при более низком, чем ожидалось, расходе топлива и минимальном выбросе нежелательных веществ.

    .

    Смотрите также