Содержание

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

В данной статье разберем устройство и теорию двигателей внутреннего сгорания, рассмотрим из чего они состоят и как работают. Вы найдете основные понятия и термины, описывается конструкция и работа двигателя.

Автомобильные двигатели различают:

  • по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели),
  • по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе),
  • по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением,
  • расположению цилиндров — рядные и V-образные,
  • по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).

Бензиновые – это двигатели, работающие на бензине, с принудительным зажиганием. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные и инжекторные системы питания. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.

Дизельные — это двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.

Газовые — это двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и мы не будем их рассматривать. Однако, если вы переоборудовали свой автомобиль «на газ», то советую изучить статью Газобаллонное оборудование. Схема ГБО.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания:

  • кривошипно-шатунный механизм,
  • газораспределительный механизм,
  • система питания (топливная),
  • система выпуска отработавших газов,
  • система зажигания,
  • система охлаждения,
  • система смазки.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Для начала, возьмем простейший одноцилиндровый двигатель и разберемся с его устройством и работой. Рассмотрим протекающие в нем процессы, и выясним откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.

Одна из основных деталей двигателя — цилиндр 6, в котором находится поршень 7, соединенный через шатун 9 с коленчатым валом 12. При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз его прямолинейное движение шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик 10, который необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 5 и выпускной клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала 14 через передаточные детали 15. Распределительный вал приводится во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения.

Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Понятия и термины при работе двигателя

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — это крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — это крайнее нижнее положение поршня.

Ход поршня — это расстояние, пройденное от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на полоборота.

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — это пространство, освобождаемое поршнем при перемещение его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. При малых объемах (до 1 л.) его выражают в кубических сантиметрах, а при больших — в литрах.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема.

Степень сжатия — это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В бензиновых двигателях степень сжатия бывает от 8 до 12, а в дизелях — от 14 до 18. Степень сжатия не стоит путать с компрессией, т.к. это два разных понятия.

Такт — процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).

При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.


Рабочий цикл четырехтактного двигателя: а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск.

Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Подробнее в статье Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя.

Об устройстве двигателя также рассказано в данных статьях:

  • Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы
  • Как работает двигатель (из цикла передачи ‘как это устроено’)

Как работает двигатель внутреннего сгорания.

» Хабстаб

Для непосвящённых, двигатель выглядит как хитросплетение металлических трубок и проводов. Возможно, покупая автомобиль, вы слышали что-то типа “двигатель V-6, объёмом 3 литра”. В этой статье мы рассмотрим базовые принципы работы двигателя.
Бензиновый двигатель преобразует энергию бензина, в поступательное движение автомобиля. Бензиновый двигатель есть не что иное, как двигатель внутреннего сгорания. Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания: дизельные, роторные, хеми, двухтактные. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Также существуют двигатели внешнего сгорания. Паровой двигатель паровоза и парохода, является наглядным примером двигателя внешнего сгорания. Топливо в паровом двигателе сгорает не в двигателе, а пар создаёт движение уже внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания намного эффективнее двигателей внешнего сгорания, то есть расходуют меньше топлива при одинаковой работе. Плюс, двигатель внутреннего сгорания гораздо меньше, чем аналогичный по мощности, двигатель внешнего сгорания. Этот факт объясняет почему мы не увидим двигатель внешнего сгорания на автомобилях GM или Ford.
 
Принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем: если малое количество топлива, обладающего большой энергоёмкостью и находящегося в небольшом закрытом пространстве — поджечь, выделится огромное количество энергии в виде газа. Преобразовав эту энергию в поступательное или вращательное движение, можно использовать её для своих нужд.
 
Почти все современные автомобильные двигатели четырехтактные. Четырехтактный цикл сгорания так же известен как цикл Отто, в честь Nikolaus Otto, который предложил его в 1867 году.
Он состоит из следующих этапов:

  • Впускной такт;
  • Такт сжатия;
  • Такт горения;
  • Выпускной такт;

Рассмотрим подробнее каждый такт.

Впускной такт. Поршень из верхней точки начинает двигаться вниз, открывается впускной клапан и в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь. Эта смесь состоит примерно из 15 частей воздуха и одной части бензина.
 
Такт сжатия. Поршень перемещается вверх, чтобы сжать смесь. Сжатие делает взрыв более эффективным.
 
Такт горения. Когда поршень достигает верхней точки, в цилиндре проскакивает искра и смесь взрывается, толкая поршень вниз.
 
Выпускной такт. После того как поршень достигает нижней точки, открывается выпускной клапан и поршень выталкивает отработавшие газы в выхлопную трубу. Работа газов заключалась в толкании поршня вниз, а так, как свою работу они выполнили их называют отработавшими.

 
На анимации выше каждый такт окрашивает камеру сгорания своим цветом, расшифровка цветов указана правее. Коленвал через шатун приводит в движение поршень. Таким образом, вращательное движение коленвала преобразуется в поступательное движение поршня.
Выше мы рассмотрели как работает один цилиндр. Обычно количество цилиндров в двигателе начинается с четырёх, также может быть шесть и восемь.
Расположены цилиндры могут быть одним из трёх способов: в ряд, напротив друг друга и в виде буквы “V”. Теперь понятно откуда берутся названия типа: рядная четвёрка или “V”—образная шестёрка. Каждая конфигурации имеет свои  преимущества и недостатки.

Рассмотрим основные части двигателя.

Свеча зажигания создаёт искру для поджига топливовоздушной смеси. Искра создаётся в цилиндре в строго определённое время.

Впускной и выпускной клапана открываются в строго заданное время, что бы поршень мог затянуть топливовоздушную смесь в цилиндр и выпустить отработавшие газы. Хотелось бы отметить, что во время рабочего такта, камера сгорания герметично закрыта клапанами.

Поршень представляет собой кусок металла, выполненный в форме цилиндра, который совершает поступательное движение внутри цилиндра.
Поршневые кольца выполняют несколько функций:

  • Обеспечивают минимальный зазор между поршнем и кромкой цилиндра, обеспечивая максимальную герметичность.
  •  Через кольца происходит охлаждение поршня, так как кольца связывают цилиндр с водяной рубашкой.
  • Уменьшают расход масла.

Часто среди автомобилистов можно услышать фразу ”двигатель ест масло”, это значит что кольца неплотно прилегают к стенкам цилиндра и масло попадает в цилиндр, а там ему ничего не остаётся как сгореть.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом.

Коленчатый вал, вращаясь, за счёт своей геометрии позволяет двигаться поршню вверх, вниз.
 
Почему не заводится двигатель.
Вы выходите утром на работу, а ваша машина не заводится. Где же искать причину?
Теперь когда вы знаете как работает двигатель, давайте определим три основные причины:

  • отсутствие искры;
  • не поступает топливная смесь в цилиндр или поступает, но не в том количестве, или не должного качества;
  • отсутствие должной компрессии;

Если отсутствует искра или появляется не в то время, автомобиль не заведётся. Искра может отсутствовать по следующим причинам:

  • неисправна свеча;
  • обрыв высоковольтного провода;

Перейдём к топливной смеси, если воздухозаборник забит, топлива будет достаточно, но воздуха будет недостаточно. Если топливный насос не создаёт положенного давления, ситуация будет обратной. Примесь в топливетакая, как вода, не даст двигателю завестись.

Отсутствие положенной компрессии может быть по следующим причинам:

  • изношены поршневые кольца;
  • впускные и выпускные клапана не обеспечивают должной герметичности;
  • прогар цилиндра;

Также существуют другие причины:

  •  сел аккумулятор, и стартер не может провернуть двигатель;
  • заклинил подшипник коленчатого вала;
  • сбились метки газораспределительного механизма;
  • кто-то засунул в глушитель картошку, отработавшие газы не могут выйти из цилиндра и двигатель не заведётся;
  • закончилось масло в двигателе;
     

 
Давайте рассмотрим подробнее как работает газораспределительный механизм(ГРМ).
Деталь, которая открывает и закрывает клапана, называется распределительным валом.
На распределительном валу можно увидеть кулачки, которые толкают клапана. Для того чтобы кулачки вовремя толкали клапана, распредвал соединён цепью или зубчатым ремнём с коленвалом. Таким образом, клапана синхронизированы с поршнями. Распределительный вал вращается со скоростью в два раза меньшей чем коленвал.

Система зажигания.
В системе зажигания генерируется высокое напряжение, которое потом передаётся через провода к свечам. Высокое напряжение подаётся на трамблёр, который определяет какой свече необходимо подать искру в данный момент. Увидеть это можно на анимации ниже.

 
Система охлаждения.
Система охлаждения в большинстве двигателей состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует вокруг цилиндров, забирая тепло, затем проходя через радиатор — охлаждается. В некоторых автомобилях (в первую очередь Volkswagen Жук), а также на большинстве мотоциклов и газонокосилок, применяется двигатель с воздушным охлаждением. Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но, как правило, ресурс и мощность двигателя снижаются. 

В этой статье мы рассмотрели не все системы автомобиля, как это сделано в оригинале, а лишь те которые показались нам наиболее интересными.

Исследование и влияние угла опережения зажигания на работу бензинового двигателя и выбросы | European Transport Research Review

  • Оригинальный документ
  • Открытый доступ
  • Опубликовано:
  • Дж. Зари 1 и
  • А. Х. Какаи 1  

Обзор европейских транспортных исследований
том 5 , страницы 109–116 (2013 г. )Процитировать эту статью

  • 53 тыс. обращений

  • 32 Цитаты

  • Сведения о показателях

Abstract

Введение

Момент зажигания в двигателе с искровым зажиганием представляет собой процесс установки времени, когда в камере сгорания произойдет воспламенение (во время такта сжатия) относительно положения поршня и угловой скорости коленчатого вала. Установка правильного угла опережения зажигания имеет решающее значение для производительности и выбросов выхлопных газов двигателя. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы оценить, может ли изменение угла опережения зажигания влиять на выбросы выхлопных газов и характеристики двигателя SI.

Метод

Для достижения этой цели при частоте вращения 3400 об/мин момент зажигания был изменен в диапазоне от 41° до ВМТ до 10° до ВМТ, а для оптимизации работы был разработан угол опережения зажигания при полностью открытой дроссельной заслонке и наконец, получают и обсуждают рабочие характеристики, такие как мощность, крутящий момент, BMEP, объемный КПД и выбросы.

Результаты

Результаты показывают, что оптимальная мощность и крутящий момент достигаются при 31°C перед верхней мертвой точкой и объемный КПД, BMEP увеличиваются с увеличением угла опережения зажигания. О 2 , CO 2 , CO был почти постоянным, но HC с опережением опережения зажигания увеличивался, и наименьшее количество NO x достигается при 10 ВМТ.

Выводы

В заключение было получено, что угол опережения зажигания можно использовать как альтернативный способ прогнозирования работы двигателей внутреннего сгорания. Также было обнаружено, что частота вращения двигателя и положение дроссельной заслонки значительно влияют на характеристики этого двигателя.

1 Введение

Работа двигателей с искровым зажиганием зависит от многих факторов. Одним из самых важных является момент зажигания. Кроме того, это один из наиболее важных параметров для оптимизации эффективности и выбросов, позволяющий двигателям внутреннего сгорания соответствовать будущим целям и стандартам выбросов [1]. С момента появления первого четырехтактного двигателя Отто разработка двигателя с искровым зажиганием достигла высокого уровня успеха. В первые годы главными задачами конструкторов двигателей были увеличение мощности и надежности двигателя. Однако в последние годы момент зажигания привлек повышенное внимание к разработке усовершенствованных двигателей SI для достижения максимальной производительности [2, 3].

Чан и Чжу работали над моделированием термодинамики в цилиндрах при высоких значениях задержки воспламенения, в частности над влиянием задержки зажигания на распределение давления в цилиндре. Также были рассчитаны температура газа в цилиндре и захваченная масса при различных условиях зажигания [4]. Сойлу и Герпен разработали двухзонную термодинамическую модель для исследования влияния угла опережения зажигания, состава топлива и коэффициента эквивалентности на скорость горения и давление в цилиндре двигателя, работающего на природном газе [5]. Был проведен анализ скорости горения для определения периода возникновения и распространения пламени при различных режимах работы двигателя [5].

Модель нульмерного термодинамического цикла с двухзонной моделью сжигания/несгорания, в основном основанная на работе Фергюсона и Крикпатрика [6], была разработана для прогнозирования давления в цилиндре, выполненной работы, тепловыделения, энтальпии выхлопных газов и т.д. вперед. Нульмерная модель основана на первом законе термодинамики, в котором устанавливается эмпирическая связь между скоростью сгорания топлива и положением кривошипа.

Сегодня поддержание чистоты окружающей среды стало важной проблемой в промышленно развитом обществе. Загрязнение воздуха, вызванное автомобилями и мотоциклами, является важной экологической проблемой, которую необходимо решить. Для этой цели поиск новых альтернативных источников энергии вместо нефти в двигателях внутреннего сгорания становится необходимостью как никогда.

2 Испытательный двигатель

Средства для контроля и управления параметрами двигателя (такими как: частота вращения двигателя, нагрузка двигателя, температура воды и смазочного масла, потоки топлива и воздуха и т. д.) установлены на полностью автоматизированном испытательном стенде, экспериментальный стандартный двигатель SI , расположенный в лаборатории компании «Иран Ходро». Первый набор рабочих характеристик был получен при изменении угла синхронизации, давление во впускном коллекторе составляло 100 кПа, а эквивалентность поддерживалась на уровне единицы. Технические характеристики испытательного двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 Технические характеристики двигателя

Полноразмерная таблица

Двигатель установлен на полностью автоматизированном испытательном стенде и соединен с вихретоковым динамометром Schenck W130, способным поглощать нагрузку и приводить в движение двигатель. Имеется один электрический датчик скорости и один датчика нагрузки, сигналы от которых подаются на индикаторы на панели управления и на контроллер. С помощью ручек на панели управления оператор может настроить динамометр на контроль скорости или нагрузки. Также имеется возможность установки угла опережения зажигания с помощью переключателя на панели управления. Циркуляция охлаждающей жидкости и смазочного масла осуществляется насосами с электрическим приводом, а температура регулируется теплообменниками с подачей воды. Нагреватели используются для поддержания температуры масла и охлаждающей жидкости во время прогрева и в условиях легкой нагрузки. На рис. 1 показана панель управления и испытательный двигатель на динамометрическом стенде.

Рис. 1

Панель управления и испытательный двигатель на динамометрическом стенде

Увеличенное изображение

3 Метод

3.1 Прибор для анализа выхлопных газов

Прибор для анализа выхлопных газов состоит из ряда анализаторов для измерения сажи, NOx, CO и общее количество несгоревших углеводородов (HC). Уровень дыма (сажи) в выхлопных газах измерялся с помощью «AVL Di Gas», показания которого представлены в единицах Харта (% непрозрачности) или эквивалентной плотности дыма (сажи) (миллиграммы сажи на кубический метр выхлопных газов). ). Концентрация оксидов азота в ppm (частей на миллион по объему) в выхлопных газах измерялась анализатором «Сигнал» серии-4000, оснащенным обогреваемой линией с термостатическим управлением.

3.2 Экспериментальные ошибки

Никакая физическая величина не может быть измерена с полной уверенностью; всегда есть ошибки в любом измерении. Это означает, что если мы измерим некоторую величину, а затем повторим измерение, то почти наверняка во второй раз измерим другую величину.

Однако, поскольку мы проявляем большую осторожность в наших измерениях и применяем все более совершенные экспериментальные методы, мы можем уменьшить ошибки и тем самым получить большую уверенность в том, что наши измерения приближаются к истинному значению [7].

3.

2.1 Объединение ошибок в расчетах

При выполнении нескольких измерений и их объединении в формулы результирующая ошибка будет представлять собой комбинацию отдельных ошибок. Хотя ошибки могут компенсироваться, мы должны вычислить максимально возможную ошибку, предполагая, что ошибки аддитивны [8, 9].

Сначала преобразуйте абсолютные ошибки в % ошибок. Максимально возможная ошибка определяется путем сложения % ошибок вместе. Если при расчете показание возводится в степень, то % ошибки для этой части представляет собой степень, умноженную на % ошибки. Как правило, ошибки можно разделить на два широких и грубых, но полезных класса: систематические и случайные.

Систематические ошибки — это ошибки, которые имеют тенденцию к систематическому сдвигу всех измерений, так что их среднее значение смещается. Это может быть связано с такими вещами, как неправильная калибровка оборудования, постоянное неправильное использование оборудования или неспособность должным образом учесть какой-либо эффект [10].

Источниками систематических ошибок являются внешние воздействия, которые могут изменить результаты эксперимента, но поправки на которые недостаточно известны. В науке причины, по которым часто требуется несколько независимых подтверждений экспериментальных результатов (особенно с использованием разных методов), заключаются в том, что разные устройства в разных местах могут подвергаться различным систематическим эффектам. Поэтому следует учитывать погрешности прибора перед тестированием.

3.2.2 Расчетная комбинированная ошибка

Коэффициент вероятной ошибки в каждом среднем получается из комбинированных ошибок каждой части. Предположим, что M равно u 1 ,   u 2 ,   …  u n
независимая переменная n функция количества [11, 12]

$$ \begin{array}{c}\hfill f\left({u}_1\pm \varDelta {u}_1,\kern0.5em {u} _2\pm \varDelta {u}_2,\kern0.5em \dots, \kern0.5em {u}_n\pm \varDelta {u}_n\right)=f\left({u}_1,\kern0. 2f}{\partial {u}_1}+\dots \right\} +\dots \hfill \end{массив} $$

(1)

(2)

Вероятная ошибка

(3)

Вероятная ошибка в полученных измерениях

(4)

Вероятная ошибка каждого измерения ошибка с доверительной вероятностью 99 %

(6)

Средняя величина вероятной ошибки с доверительной вероятностью 95 %

(7)

После того, как есть некоторые экспериментальные измерения, они обычно объединяются в соответствии с некоторой формулой для получения желаемой величины. Чтобы найти предполагаемую ошибку для вычисленного результата, нужно знать, как комбинировать ошибки во входных величинах. Простейшей процедурой было бы добавить ошибки. Это было бы консервативным предположением, но оно переоценивает неопределенность результата. Ясно, что если ошибки во входных данных случайны, то они будут компенсировать друг друга по крайней мере некоторое время. Случайны ли ошибки измеряемых величин и независимы ли они, можно получить из нескольких простых формул. В этом исследовании среднее количество вероятных ошибок с 9Достигнута достоверность 9 %.

3.2.3 Состояние и параметры Испытано-экспериментальная методика

Серию испытаний проводят с изменением угла опережения зажигания при частоте вращения двигателя 3400 об/мин при угле опережения зажигания 41 угол поворота коленчатого вала перед ВМТ и при полная нагрузка. Из-за различий между теплотворной способностью и содержанием кислорода в испытуемых топливах сравнение должно проводиться при одном и том же среднем эффективном давлении моторного торможения, т. е. при нагрузке, а не при соотношении воздух/топливо. в этом же тесте учитываются точность измерений и точность измерений и неопределенность вычисленных результатов.

В каждом испытании измеряются объемный расход топлива, дымность выхлопных газов и регулируемые выбросы выхлопных газов, такие как оксиды азота (NOx), окись углерода (CO) и общее количество несгоревших углеводородов (HC). Из первого измерения рассчитываются удельный расход топлива и термическая эффективность тормозов с использованием плотности образца и низшей теплотворной способности. В таблице 2 показана точность измерений и неопределенность результатов вычислений различных параметров.

Таблица 2 Точность измерений и неопределенность расчетных результатов

Полноразмерная таблица

4 Результаты и обсуждение

Первая корректировка рабочих характеристик была проведена при изменении положения дроссельной заслонки. Изменяя положение дроссельной заслонки, давление во впускном коллекторе изменялось до 100 кПа в положении полностью открытой дроссельной заслонки. Скорость поддерживалась на уровне 3400 об/мин, а коэффициент эквивалентности оставался равным единице.

Результаты показывают, что среднее эффективное давление в тормозной системе (BMEP) имеет тенденцию к увеличению с увеличением угла опережения зажигания до 31° перед верхней мертвой точкой (ВМТ), а затем падает. Наилучшие характеристики будут достигнуты при максимальном зажигании 31° до ВМТ. Если угол опережения зажигания недостаточно опережен, первоначальная часть максимального давления будет создаваться в такте расширения, и в этом случае мы теряем полезную эффективность и снижаем производительность.

Максимальный BMEP достигается при моменте зажигания 31°ВМТ. Минимальное опережение для максимального тормозного момента (МВТ) определяется как наименьшее опережение, при котором достигается 99 % максимальной мощности.

Следует отметить, что MBT будет изменяться как в зависимости от положения дроссельной заслонки, так и от частоты вращения двигателя в условиях большего количества дроссельной заслонки; плотности заряда в цилиндре на менее плотных смесях потребуется не очень большое опережение зажигания. В этом случае воспламенение происходит и дает соответствующие характеристики (рис. 2).

Рис. 2

Взаимосвязь между IMEP и BMEP и опережением зажигания — полностью открытая дроссельная заслонка; Соотношение эквивалентности одного

Изображение в натуральную величину

На приведенном выше рисунке показано, что указанное среднее эффективное давление (IMEP) имеет тенденцию к увеличению с опережением опережения зажигания между 21 и 41° до ВМТ. Ожидается, что IMEP должен увеличиваться с увеличением угла синхронизации до определенной точки, а затем уменьшаться. Наилучшие характеристики достигаются, когда большая часть сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки. Если момент зажигания недостаточно опережен, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расширять эту порцию газа на весь диапазон, снижая производительность. Если угол опережения зажигания будет слишком опережать, слишком много газа сгорит, пока поршень все еще поднимается. Работа, которую необходимо совершить для сжатия этого газа, уменьшит произведенную чистую работу. Эти конкурирующие эффекты приводят к тому, что IMEP достигает максимума в зависимости от опережения зажигания.

Как видно на рис. 3, пиковое давление увеличивается с увеличением угла опережения зажигания перед верхней мертвой точкой. Максимальное давление будет достигнуто, если весь газ сгорит к моменту достижения поршнем ВМТ. Но давление уменьшается с менее опережающим опережением зажигания, потому что; газ не сгорает полностью, пока поршень не опустится на такте расширения.

Рис. 3

Взаимосвязь между температурой выхлопных газов и пиковым давлением в цилиндре в зависимости от момента зажигания при полностью открытой дроссельной заслонке; отношение эквивалентности одного

Изображение полного размера

На приведенном выше рисунке также видно, что температура выхлопных газов снижается по мере приближения к ВМТ и ВМТ. IMEP представляет собой работу, совершаемую поршнем. Температура выхлопных газов представляет собой энтальпию выхлопных газов для идеальных газов. Энтальпия является функцией только температуры, и энергия, выделяемая при сгорании топлива, должна идти на работу расширения. Температура выхлопных газов также снижается, если необходимо сохранить энергию (рис. 4).

Рис. 4

Зависимость между BMEP и моментом зажигания. Частота вращения двигателя 3400 об/мин, давление во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение с полным размером

Результаты показывают, что BMEP увеличивается с опережением опережения зажигания. Это ожидало, что BMEP уменьшится с закрытием времени зажигания до верхней мертвой точки. Если зажигание недостаточно опережающее, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расходовать эту порцию газа и снижаем производительность. Если зажигание слишком раннее, большая часть газа сгорит, пока поршень еще поднимается; работа, которую необходимо совершить, чтобы сжать этот газ, уменьшит произведенную чистую работу. Кроме того, результаты показывают, что максимальное значение BMEP находится в диапазоне от −21° до 41°, а максимальное значение BMEP для даты имеет момент зажигания при 31° до ВМТ.

Рисунок 5 показывает, что удельный расход топлива при торможении (BSFC) имеет тенденцию к улучшению с увеличением угла опережения зажигания до верхней мертвой точки. Следует отметить, что при увеличении BMEP обратно пропорционально увеличивается BSFC.

Рис. 5

Взаимосвязь между BSFC и опережением зажигания при 3400 об/мин и коэффициентом эквивалентности, равным единице

Изображение в натуральную величину

На рис. 6 показаны O 2 и концентрация углеводородов в зависимости от угла опережения зажигания. Угол опережения зажигания вызывает более высокое пиковое давление в цилиндре. Это более высокое давление выталкивает больше топливно-воздушной смеси в щели (в первую очередь пространство между днищем поршня и стенками цилиндра), где пламя гасится, а смесь остается несгоревшей. Кроме того, температура в конце цикла, когда смесь выходит из этих щелей, ниже при более раннем зажигании. Более поздняя температура означает, что углеводороды и кислород не реагируют. Это увеличивает концентрацию кислорода в выхлопных газах и несгоревших углеводородов.

Рис. 6

Зависимость между O 2 и концентрацией углеводородов в зависимости от момента зажигания при 3400 об/мин и давлении во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение в натуральную величину

Рис. Концентрация CO и HC в зависимости от момента зажигания, давления во впускном коллекторе 100 кПа и коэффициента эквивалентности, равного единице

Увеличенное изображение

На приведенном выше рисунке концентрации оксида углерода, кислорода и углекислого газа очень мало изменяются с изменением угла опережения зажигания в исследуемом диапазоне (рис. 7). ).

Здесь отношение эквивалентности поддерживалось постоянным и равным единице, так что кислорода было достаточно для превращения большей части углерода в CO 2 . Концентрация CO увеличилась, а концентрация CO 2 уменьшилась, когда не хватает кислорода. Некоторое количество угарного газа действительно появляется в выхлопных газах из-за замороженной равновесной концентрации CO, O 2 и CO 2 .

Рис. 8

Зависимость концентрации NO от момента зажигания. Частота вращения двигателя при 3400 об/мин и давлении во впускном коллекторе 100 кПа

Изображение полного размера

На рисунке показана зависимость концентрации NO в отработавших газах от момента зажигания. Образование NO зависит от температуры. С увеличением угла опережения зажигания пиковое давление в цилиндре увеличивается. Закон идеального газа гласит, что увеличение пикового давления должно соответствовать увеличению пиковой температуры, а более высокая температура приводит к увеличению концентрации NO (рис. 8).

Рис. 9

Зависимость между мощностью и крутящим моментом от угла опережения зажигания

Изображение полного размера

Результаты показывают, что мощность имеет тенденцию к увеличению с опережением зажигания между 17 и 35°CA до ВМТ. Ожидается, что мощность должна увеличиваться с продвижением искры до точки, а затем падать. Наилучшие характеристики достигаются, когда большая часть сгорания происходит вблизи верхней мертвой точки. Если искра недостаточно развита, поршень уже будет двигаться вниз, когда происходит большая часть сгорания. В этом случае мы теряем возможность расширять эту порцию газа на весь диапазон, снижая производительность. Если зажигание слишком раннее, слишком много газа сгорит, пока поршень все еще поднимается. В результате работа, которую необходимо совершить для сжатия этого газа, уменьшит произведенную чистую работу. Эти конкурирующие эффекты приводят к тому, что максимальная мощность зависит от опережения зажигания.

Также показывает, что крутящий момент увеличивается с увеличением опережения зажигания. Это связано с увеличением давления в такте сжатия и, следовательно, с увеличением полезной работы. Необходимо отметить, что при дальнейшем увеличении опережения зажигания крутящий момент не будет увеличиваться в основном из-за пикового давления в цилиндре в период сжатия и снижения давления в такте расширения. По этой причине определение оптимального угла опережения зажигания является одной из наиболее важных характеристик для двигателя SI (рис. 9).).

На рисунке 10 представлены прогнозируемые результаты теплового КПД в сравнении с экспериментальными данными. Тепловой КПД — это работа, деленная на потребляемую энергию. Видно, что чистая работа увеличивается с увеличением опережения зажигания до точки, а затем несколько уменьшается. Это происходит из-за увеличения трения при высоких значениях опережения зажигания и, следовательно, уменьшения полезной работы. Согласно рис. 6, наибольшее количество сети происходит при 31° СА до ВМТ.

Рис. 10

Зависимость КПД от момента зажигания

Изображение в натуральную величину

5 Заключение

Целью данной статьи было изучение влияния угла опережения зажигания в двигателе с искровым зажиганием, использующего различные начальные моменты времени и обороты двигателя, на характеристики двигателя экспериментально. Общие результаты показывают, что угол опережения зажигания можно использовать как альтернативный способ прогнозирования работы двигателей внутреннего сгорания. В этой работе наилучшие результаты были получены при 31°ВМТ для 3400 об/мин. Также было обнаружено, что частота вращения двигателя и положение дроссельной заслонки значительно влияют на характеристики этого двигателя. Объемный КПД, BMEP увеличивались с увеличением угла опережения зажигания. HC с увеличением опережения зажигания, O 2 , CO 2 , содержание CO было почти постоянным, а наименьшее количество NOx было получено при 10°БМТ. Для будущей работы рекомендуется управлять синхронизацией зажигания и фаз газораспределения вместе и изменять положение дроссельной заслонки на разных скоростях.

Ссылки

  1. Голку М., Секмен Ю., Салман М.С. (2005) Моделирование на основе искусственных нейронных сетей изменения фаз газораспределения в двигателе с искровым зажиганием. Applied Energy 81:187–197

    Статья

    Google Scholar

  2. Чан С.Х., Чжу Дж. (2001) Моделирование. Int J Therm Sci 40(1):94–103

    Статья
    MathSciNet

    Google Scholar

  3. Soylu S, Van Gerpen J (2004) Разработка основанных на опыте подмоделей скорости горения для двигателя, работающего на природном газе. Energy Convers Manage 45 (№ 4): 467–481. doi:10.1016/S0196-8904(03)00164-X

    Статья

    Google Scholar

  4. Чан С.Х., Чжу Дж. (2001) Моделирование термодинамики цилиндров двигателя при высоких значениях задержки зажигания. Int J Therm Sci 40 (1): 94–103

    Артикул
    MathSciNet

    Google Scholar

  5. Soylu S, Van Gerpen J (2004) Разработка основанных на опыте подмоделей скорости горения для двигателя, работающего на природном газе. Energy Convers Manage 45(4):467–481

    Статья

    Google Scholar

  6. Фергюсон К.Р., Крикпатрик А.Т. (2001) Двигатели внутреннего сгорания — Прикладные тепловые науки. Уайли, Нью-Йорк

    Google Scholar

  7. Choia GH, Chungb YJ, Hanc SB (2005) Рабочие характеристики и характеристики выбросов двигателя внутреннего сгорания на сжиженном нефтяном газе, обогащенном водородом, при 1400 об/мин. Int J Hydrogen Energy 30:77–82

    Статья

    Google Scholar

  8. Тетер В. Д. (2007 г.) Профессор приборостроения и управления, Департамент гражданского строительства, Инженерный колледж, Университет штата Делавэр. Раздел 16

  9. Публикация UKAS M 3003 (1997) Выражение неопределенности и уверенности в измерении. Выпуск 1, декабрь. измерения, 2-е издание, University Science Books

  10. «>

    Bevington PR, Robinson DK (1992) Сокращение данных и анализ ошибок для физических наук, 2-е издание, WCB/McGraw-Hill

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Automotive, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

    J. Zareei & A. H. Kakaee

Authors

  1. J. Zareei

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

  2. A. H. Kakaee

    Посмотреть публикации автора

    Вы также можете искать этого автора в
    PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Дж. Зари.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает любое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора (авторов) и источника.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Как работает 4-тактный бензиновый двигатель или цикл искрового зажигания?

Что такое двигатель?

Прежде чем узнать, как работает бензиновый двигатель, давайте сначала разберемся, что такое двигатель. Это характерно как для бензиновых, так и для дизельных двигателей. Двигатель – это энергетическая машина, которая преобразует потенциальную энергию топлива в тепловую энергию, а затем в движение. Он производит энергию, а также работает на своей собственной энергии.

Двигатель вырабатывает энергию за счет сжигания топлива в саморегулируемом и контролируемом процессе «Сгорание» . Процесс сгорания включает в себя множество подпроцессов, которые эффективно сжигают топливо и обеспечивают плавную работу двигателя.

Эти процессы включают:

  1. Всасывание воздуха (также известное как дыхание или аспирация).
  2. Смешивание топлива с воздухом после разделения жидкого топлива на сильно распыленную форму/туман.
  3. Воспламенение топливно-воздушной смеси от искры (бензиновый двигатель) или путем самовоспламенения после повышения температуры воздуха путем его сжатия (дизельный двигатель).
  4. Сгорание высокодисперсных частиц топлива с выделением/выбросом тепловой энергии.

Как работает двигатель?

Двигатель преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию в виде « возвратно-поступательного движения ». Расширение нагретых газов и их силы действуют на поршни двигателя. Газы толкают поршни вниз, что приводит к возвратно-поступательному движению поршней.

Это движение поршня позволяет коленчатому валу вращаться. Таким образом, оно, наконец, преобразует возвратно-поступательное движение в « Вращательное движение » и переходит к колесам.

Действие / принцип работы двигателя:

Обычный двигатель внутреннего сгорания работает по двум основным принципам:

  1. Цикл Отто и
  2. Дизельный цикл

Что такое «цикл Отто»? Как работает бензиновый двигатель?

Цикл Отто, также известный как Четырехтактный цикл искрового зажигания . Он был назван в честь немецкого инженера Николауса Отто , который изобрел, разработал и запатентовал первый четырехтактный бензиновый двигатель. Четырехтактный бензиновый двигатель работает по следующему циклу, который включает –

1. Такт всасывания – При движении поршней вниз и открытии впускного клапана создается всасывание воздушно-топливной смеси.

Такт всасывания бензина

2. Такт сжатия – При закрытии впускного клапана он закрывает область над поршнем. Поршень движется вверх, что приводит к сжатию топливовоздушной смеси в замкнутом пространстве.

Такт сжатия бензина

Процесс сгорания – На этом этапе свеча зажигания выжигает искру, которая приводит к мгновенному сгоранию бензина, что приводит к взрыву. Это вызывает выделение тепла, которое создает силы расширения, известные как мощность.

Диаграмма процесса сгорания бензина

3. Рабочий ход – Кроме того, эти силы снова толкают поршни вниз, что приводит к их возвратно-поступательному движению.

Posted inДвигатель