Действительные циклы двигателей

Строительные машины и оборудование, справочник

Действительные циклы двигателей

Действительные циклы, происходящие в цилиндрах двигателей, значительно отличаются от рассмотренных теоретических. В реальном двигателе теплота не подводится извне мгновенно, а получается в результате сгорания топлива в цилиндре. При этом возникают дополнительные потери, не рассматривавшиеся выше. В действительном цикле состав и количество газа в течение цикла не остаются неизменными, так как рабочая смесь топлива и воздуха превращается в смесь отработавших газов. По окончании цикла отработавший газ не возвращается в первоначальное состояние, а принудительно удаляется из цилиндра. На его место поступает свежий заряд. На преодоление сопротивления потоков свежего заряда и отработавших газов затрачивается часть полезной работы. И наконец, в реальном двигателе стенки цилиндров теплопроводны, и в течение цикла некоторая часть теплоты отводится в окружающую среду.

Рис. 1. Теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Рис. 2. Индикаторные диаграммы действительных циклов двигателей внутреннего сгорания

Таким образом, в действительном цикле происходят процессы, вызывающие дополнительные по сравнению с теоретическим циклом потери теплоты. Следовательно, КПД действительного цикла ниже КПД теоретического. Очевидно, более совершенным будет такой действительный цикл, в котором указанные выше потери теплоты будут наименьшими.

Данные, характеризующие протекание отдельных процессов, их совокупность и совершенство действительного цикла двигателя, получают, как правило, экспериментально путем снятия индикаторной диаграммы, т. е. записи изменения давления в цилиндре в функции объема (в координатах р—У). В современных автотракторных двигателях индикаторную диаграмму снимают либо с помощью малоинерционных регистрирующих приборов (шлейфных или катодных осциллографов), либо с помощью пневмоэлектрических индикаторов давления. На рис. 10 показаны индикаторные диаграммы четырехтактных двигателей и двухтактного дизеля, причем в увеличенном масштабе (в нижней части рисунка) изображены диа-граммы процессов впуска и выпуска.

В четырехтактном карбюраторном двигателе процесс впуска горючей смеси начинается в точке, соответствующей началу открытия впускного клапана, и заканчивается в точке 2, когда впускной клапан полностью закрылся. Начало впуска происходит до подхода поршня к в.м.т., а окончание — после прохождения н.м.т., т. е. общая продолжительность впуска больше 180° угла поворота коленчатого вала и характеризуется линией 1—5—а—2. Среднее давление смеси в цилиндре в период впуска ниже атмосферного ро, следовательно, заполнение цилиндра свежим зарядом происходит под действием перепада давлений.

Далее происходит процесс сжатия. При этом поступившая в цилиндр горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов, образуя однородную рабочую смесь. Сжатие рабочей смеси (линия 2—3) сопровождается плавным повышением ее температуры и давления. В конце процесса сжатия, когда поршень подходит к в.м.т., между электродами свечи зажигания происходит электрический разряд, в результате которого возникает небольшой очаг раскаленного газа, являющийся основой для прогревания окружающих его слоев рабочей смеси. Последовательное прогревание этих слоев до температуры воспламенения смеси (линия 3—с) происходит с одновременным увеличением давления в цилиндре. Воспламенение и горение рабочей смеси сопровождается резким нарастанием давления и температуры. Горение смеси продолжается и во время процесса расширения (линия z—4) и заканчивается при достижении пламенем наиболее удаленных зон камеры сгорания. При расширении тепловая энергия превращается в механическую. Удаление из цилиндра отработавших газов начинается в точке 4, соответствующей началу открытия выпускного клапана. При этом поршень движется еще к н.м.т., и газы выходят в атмосферу под действием избыточного давления в цилиндре. К приходу поршня в н.м.т. давление в цилиндре падает и при дальнейшем движении поршня к в. м.т. газы выталкиваются через выпускной клапан при незначительном избыточном давлении, что требует затрат энергии на процесс выпуска. Выпуск отработавших газов (линия 4—1—5) заканчивается в момент закрытия выпускного клапана.

В четырехтактном дизеле процесс впуска воздуха в Цилиндр (линия 1—5—а—2) происходит аналогично рассмотренному выше впуску горючей смеси в карбюраторном двигателе. После закрытия впускного клапана (точка 2) происходит сжатие заряда, состоящего из смеси атмосферного воздуха с остаточными газами, сопровождающееся повышением давления и температуры. при приближении поршня к в.м.т. в камеру сгорания впрыскивается топливо. В период 3—с происходит процесс перемешивания топлива со сжатым воздухом, предшествующий воспламенению топлива (период задержки воспламенения). После того как в отдельных зонах с наиболее благоприятными условиями происходит воспламенение рабочей смеси, переходящее в интенсивное горение, давление и температура в цилиндре резко возрастают, а затем в течение некоторого промежутка времени остаются почти неизменными. Процесс расширения совершается на участке z—4, во время которого тепловая энергия, выделившаяся при сгорании топлива, превращается в механическую. С открытием выпускного клапана начинается выпуск отработавших газов (линия 4—1—5), который происходит также, как и в карбюраторном двигателе.

Действительный цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала. На рис. 2, в показана индикаторная диаграмма цикла двухтактного дизеля с щелевой продувкой. Процессы сжатия, сгорания и расширения в двухтактных двигателях принципиально не отличаются от аналогичных процессов в четырехтактных. Процессы же впуска и выпуска происходят за более короткий промежуток времени, чем в четырехтактных при движении поршня вблизи н.м.т. В конце процесса расширения (точка 1) поршень открывает впускные окна, и отработавшие газы выходят в атмосферу под действием избыточного давления в цилиндре. При этом давление в цилиндре резко снижается и в точке становится ниже давления рк, создаваемого продувочным насосом (компрессором). В этот момент поршень, перемещаясь к н.м.т., открывает продувочные окна, через которые начнет поступать воздух, вытесняющий из цилиндра отработавшие газы через выпускные окна. Происходит одновременная очистка и наполнение цилиндра (линия 4—а). При обратном движении к в.м.т поршень вначале перекрывает продувочные окна, прекращая доступ воздуха в цилиндр из продувочного насоса (компрессора). В момент полного закрытия продувочных окон давление в цилиндре превышает атмосферное р0 на величину, зависящую от давления, создаваемого насосом рк. Выход воздуха из цилиндра прекратится в точке, когда поршень перекроет выпускное окно, и с этого момента начинается процесс сжатия, протекающий так же, как и в четырехтактном дизеле.

Рекламные предложения:

Читать далее: Тепловые процессы, происходящие в двигателях

Категория: —
Автомобили и трактора

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Действительный цикл — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Cтраница 3

Действительный цикл двигателя внутреннего сгорания существенно отличается от теоретического. В реальном двигателе происходит смена рабочего тела в каждом цикле. Сгорание топлива вблизи ВМТ, соответствующее подводу тепла в теоретическом цикле, происходит не строго при постоянных объеме и давлении, так как поршень перемещается и объем над ним изменяется. Часть топлива не успевает сгореть сразу, а догорает на линии расширения, где часть тепла теряется через стенки цилиндра, поршень и головку блока.
 [31]

Действительный цикл газового четырехтактного двигателя состоит из следующих чередующихся процессов: наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выпуска.
 [32]

Действительный цикл паровых поршневых машин несколько отличается от разобранного. Для вычерчивания цикла реальной машины применяется прибор, называемый индикатором.
 [34]

Действительные циклы работы карбюраторных двигателей и дизелей значительно отличаются от теоретических, так как практически невозможно выполнить многие условия и допущения, которыми последние характеризуются.
 [35]

Действительные циклы безвального свободнопоршневого генератора газа и мотогенераторной силовой установки аналогичны указанным выше.
 [36]

Действительный цикл работы пароэжекторной холодильной машины, изображенный пунктирными линиями в диаграмме на рис. 2, отличается от рассмотренного теоретического цикла.
 [37]

Поэтому действительные циклы сравнивают с циклом Карно.
 [38]

Отличие действительных циклов от теоретических заключается в следующем. Открытие и закрытие клапанов в цилиндрах двигателя происходят не в мертвых точках, а с некоторым опережением открытия выпускного клапана и запаздыванием закрытия впускного клапана. Процессы впуска рабочего тела и его выпуска осуществляются при изменяющихся проходных сечениях клапанов, а не при мгновенном открытии и закрытии их в мертвых точках; рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. и сгорание протекает при изменяющихся объеме и давлении. Кроме того, в процессе расширения топливо частично догорает; работа дви-гателя протекает с потерями тепла через охлаждаемые водой или воздухом стенки цилиндров и процессы сжатия и расширения рабочих тел в цилиндре происходят не адиабатно, а политроп-но при переменных значениях показателей политроп, процессы всасывания и выпуска рабочих тел сопровождаются гидравлическими потерями.
 [39]

Изображение действительного цикла в Тз-диатрам ме представлено на фиг.
 [40]

Расчет действительного цикла сводится к определению параметров этих точек, что возможно сделать, учитывая величины потерь в основных элементах пароструйного аппарата.
 [41]

Изображением действительного цикла является индикаторная диаграмма, для записи которой служит прибор, называемый индикатором. Она показывает изменение давления газа в цилиндре по ходу поршня или величину давления при изменении объема полости цилиндра.
 [42]

Отклонения действительных циклов от теоретических учитываются соответствующими рабочими коэфициентами.
 [43]

Диаграмма действительного цикла отличается от диаграммы идеального цикла вследствие появления разных тепловых потерь при работе пара в паровой машине, поэтому площадь ее меньше площади индикаторной диаграммы идеального цикла ( фиг.
 [44]

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.
 [45]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

   5

Циклы двигателя: определение, типы и анализ

Двигатели внутреннего сгорания работают по четырехтактному циклу , также известному как цикл двигателя.

Эти четырехтактные циклы включают четыре такта, начиная с впуска, сжатия, расширения сгорания и выпуска. Эти четыре такта непрерывно повторяются для выработки энергии и преобразования химической энергии в механическую.

Анализ циклов двигателя

Анализ циклов двигателя состоит из четырех этапов. К ним относятся впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Каждая ступень показана на рисунке 1 ниже, который описывает четырехтактный дизельный двигатель или бензиновый двигатель. Стоит упомянуть об основных отдельных компонентах в цилиндре двигателя. В цилиндре происходит сгорание. Поршень представляет собой цилиндр внутри двигателя, соединенный со штоком, который используется для перемещения поршня вертикально внутри цилиндра двигателя с газонепроницаемой посадкой. В верхней части цилиндра есть два клапана, впускной клапан и выпускной клапан, а также топливная форсунка или свеча зажигания между двумя клапанами.

Рис. 1. Цикл четырехтактного двигателя

В бензиновых или дизельных двигателях каждое вертикальное движение поршня вверх или вниз называется тактом. Следовательно, в четырехтактных двигателях поршень совершает в общей сложности 4 движения вверх и вниз, которые обычно делятся на четыре разных этапа для завершения цикла двигателя.

Анализ циклов двигателя: такт впуска

Первый такт — такт впуска. При такте впуска поршень перемещается по цилиндру из верхнего максимального положения в нижнее минимальное положение. Предварительно смешанные воздух и топливо всасываются в цилиндр через открытые впускные клапаны, увеличивая объем внутри цилиндра. Давление в баллоне остается постоянным, примерно ниже атмосферного.

В бензиновом двигателе или двигателе с искровым зажиганием топливо должно быть предварительно смешано с воздухом, прежде чем оно достигнет впускного клапана. Это делается в устройстве, называемом карбюратор. В последнее время используется более сложный способ тщательной оценки количества топлива, впрыскиваемого во впускное отверстие для воздуха непосредственно над впускными клапанами. Количество впрыскиваемого топлива контролируется электронным блоком управления, также известным как ECU.

Анализ циклов двигателя: компрессия

В этот момент клапаны закрыты. Теперь поршень перемещается вверх из минимального вертикального положения в максимальное положение, уменьшая объем и увеличивая давление внутри цилиндра. Смесь сжимается по направлению к свече зажигания. Работа совершается над воздухом при сжатии. Это второй штрих.

Крайне важно, чтобы искра появлялась непосредственно перед концом такта, чтобы смеси было достаточно, чтобы достичь верхней точки своего такта, тем самым позволяя максимальному давлению воздействовать на опускающийся поршень. Нагретое топливо приводит в действие турбину, а затем впрыскивается в камеру сгорания, где оно сгорает.

Анализ циклов двигателя: сгорание

Из-за высокого давления вблизи верхнего максимального положения к концу второго такта температура смеси повышается, и смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. На этом этапе объем остается почти постоянным. Это последний шаг второго штриха.

Анализ циклов двигателя: расширение

Высокое давление расширенных газов заставляет поршень двигаться вниз. Работа совершается расширяющимися газами. Выпускной клапан открывается в минимальном положении, и давление снижается почти до атмосферного. Это третий штрих.

Анализ циклов двигателя: выхлоп

Поршень движется вверх, выталкивая сгоревшие газы через открытый выпускной клапан, в то время как давление в цилиндре остается чуть выше атмосферного. Это четвертый и последний такт цикла двигателя. Затем цикл повторяется.

Тепловые циклы или циклы двигателя в основном добавляют и отбрасывают энергию в виде тепла на стадиях сгорания и выпуска, в то время как работа выполняется на стадиях сжатия и расширения.

Два типа циклов для бензиновых и дизельных двигателей

Существует два типа двигателей. Дизельные и бензиновые двигатели работают в соответствии с различными теоретическими циклами двигателя, дизельным циклом и циклом Отто соответственно.

Идеальный или теоретический цикл Отто 9Описанный выше 0004 — это принцип работы бензинового двигателя. Он предполагает следующие условия:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие обратимое и адиабатическое (1-2).

• Горение (подвод тепла) изохорное (2-3).

• Расширение обратимое и адиабатическое (3-4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный (4-1).

Адиабатический — это термодинамический процесс, который происходит без передачи тепла или массы между системой и окружающей средой.

Изохорный — термодинамический процесс, происходящий при постоянном объеме .

Изобарический термодинамический процесс, происходящий при постоянном давлении .

Идеальный цикл Отто также может описывать четыре такта с использованием графика зависимости термодинамического давления от объема. Это показано на рисунке ниже, где четыре такта обозначены цифрами от 1 до 4, что означает четыре последовательных такта, завершающих один цикл двигателя. Показаны процессы постоянного объема и постоянного давления.

Рис. 2. Идеальный цикл Отто

Идеальный или теоретический дизельный цикл – это принцип работы дизельного двигателя. Его можно описать при следующих условиях:

• Впуск изобарический (0-1).

• Сжатие адиабатическое (1–2).

• Горение (подвод тепла) изобарное (2–3).

• Расширение адиабатическое (3–4).

• Выхлоп (отвод тепла) изохорный ( 4–1). 9Рис. 3. Идеальный дизельный цикл — StudySmarter Originals показано на рисунке ниже.

  Рис. 4. Слева: указан дизельный двигатель, справа: показан бензиновый двигатель

  Из приведенных выше рисунков видно, что они не совпадают с теоретическими значениями циклов. Это связано с тем, что термодинамические процессы, происходящие при внутреннем сгорании, не соответствуют теоретическим циклам. Стадии сгорания и расширения не являются постоянными по объему и давлению, как предполагалось. Они также необратимы в реальной жизни, как это предполагается в теоретических условиях.

  Помимо цикла Отто и Дизеля существуют и другие циклы двигателя, в том числе цикл Карно, цикл Брайтона и цикл Ренкина. Наиболее эффективным циклом является цикл Карно, а наименее эффективным циклом является цикл дизельного двигателя.

  Уравнения для циклов двигателя

  Приведенные выше цифры можно использовать для сравнения с идеальными циклами, а также для определения работы, совершаемой над газом во время сжатия, путем оценки площади под кривой сжатия и работы, выполняемой расширением газ, оценив площадь, измеренную в м ² под кривой расширения.

  Таким образом, чистая работа, совершаемая воздухом за один цикл, определяется площадью под замкнутым контуром на p-V диаграмме. Если проделанную работу разделить на время одного цикла, указанная мощность получается, как показано в уравнении ниже, где n _с число циклов в секунду, n _{цилиндров} i с количество цилиндры в двигателе. Р _и – указанная мощность, развиваемая при сгорании топлива в камере сгорания.

  \[P_i[W] = Площадь \cdot n_s \cdot n_{цилиндры}\]

  Часть химической энергии будет потеряна из-за трения, поэтому выходная мощность двигателя будет меньше указанной мощности. Следовательно, выходная мощность P _из равна указанной мощности P _i за вычетом силы трения P _f , как показано ниже.

  \[P_{out}[W] = P_i — P_f\]

  Кроме того, выходная мощность P _out также может быть рассчитана с использованием крутящего момента выходного вала T и угловая скорость ω . Следовательно, максимальная мощность — это входная мощность, полученная за счет химической энергии топлива.

  \[P_{выход} [Вт] = T[Нм] \cdot \omega [рад/с]\]

  Это можно рассчитать по приведенным формулам, где P _в – входная мощность, генерируемая химическим энергозатраты, m _f – расход топлива, а c _f – теплотворная способность топлива.

  \[P_{in}[МВт] = c_f[МДж/кг] \cdot m_f[кг/с]\] 9{0,4}} = 0,22 = 22\%\)

  Найдите указанную мощность шестицилиндрового двигателя, если площадь под кривой равна 200, двигатель совершает 5 циклов в секунду.

  Решение :

  Используя указанное уравнение мощности подставляем Площадь под кривую p-v, получаем количество цилиндров и циклов в секунду.

  \(P_i[W] = A \cdot n_s \cdot n_c = 5 \cdot 200 \cdot 6 = 6000 Вт = 6 кВт\)

  Циклы двигателя — Основные выводы

  • Четыре ступени завершают один цикл двигателя за один двигатель внутреннего сгорания.
  • Бензиновый и дизельный двигатели — это два типа двигателей внутреннего сгорания.
  • В то время как бензиновые двигатели совершают циклы оттока, дизельные двигатели завершают дизельные циклы.
  • Теоретические циклы строятся с использованием некоторых допущений, неприменимых в реальной жизни.

  ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЗАЖИГАНИЕМ ОТ КОМПРЕССИИ

  Офодике А. Эзекой
  

  Дж.Т. MacGuire Professor
  Факультет машиностроения, Техасский университет в Остине Остин, Техас 78712

  Двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от внутреннего сгорания (CI-ICE) считаются долговечными и надежными двигателями для выработки электроэнергии. CI-ICE питает электрогенераторы, пассажирские автомобили, грузовики, автобусы, корабли и подводные лодки. Самой базовой моделью CI-ICE является дизельный цикл воздушного стандарта. Это идеализация реального цикла сгорания, заменяющая процесс сгорания процессом подвода тепла. Основные эксплуатационные особенности заключаются в том, что поток воздуха поступает в систему поршневого цилиндра, оснащенную впускным и выпускным клапанами. Движение поршня от наибольшего объема цилиндра к наименьшему объему цилиндра сжимает воздух, заставляя его нагреваться. Когда поршень сжимает воздух до наименьшего объема, в цилиндр впрыскивается распыленное топливо. Топливо сжигается в среде горячего воздуха. Горючая смесь воспламеняется горячим сжатым воздухом, что сообщает часть CI названия CI-ICE. Как правило, процесс воспламенения происходит немного раньше, чем поршень сжимает смесь реагентов до минимального объема (максимального давления). Это называется верхней мертвой точкой. После воспламенения пламя расширяется сначала в виде так называемого ядра пламени, а затем, в конце концов, в виде турбулентного фронта горения. В процессе расширения образуются продукты сгоревшего газа, которые имеют более высокую температуру и более низкую плотность, чем несгоревший материал. Расширяющееся пламя приводит в движение поршень и работает. Как только поршень прошел через доступный объем цилиндра, выпускной клапан (клапаны) открывается, и дальнейшее движение цилиндра вверх выталкивает продукты сгорания через выпускные клапаны в выпускное отверстие. После того, как эти газы исчерпаны, движение поршня возвращается от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, всасывая свежую смесь реагентов и повторяя цикл. Термодинамическая модель обратимого цикла Дизеля со стандартным воздухом показана ниже:

  Элементы дизельного цикла представляют собой процесс медленного сгорания, который моделируется как процесс подвода тепла при постоянном давлении, в котором объем цилиндра увеличивается от полностью сжатого значения до гораздо большего значения, которое генерируется в процессе сгорания. После окончания процесса распространения пламени происходит изоэнтропический процесс расширения. В конце процесса расширения происходит процесс выхлопа, который моделируется как процесс постоянного объема. Как отмечалось ранее, в действительности процесс выхлопа происходит, когда поршень движется от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, после чего следует процесс впуска (всасывания реагента). Эти два процесса не полностью влияют на количество работы, производимой двигателем, и обычно отображаются на термодинамических индикаторных диаграммах как параллельные процессы при постоянном атмосферном давлении.

  Важные темы исследований и разработок для CI-ICE включают необходимость повышения термодинамической эффективности цикла при одновременном снижении вредных продуктов сгорания, образующихся во время его работы. CI-ICE имеет тепловой КПД примерно 30%. В идеальном сценарии горения единственными продуктами горения являются углекислый газ и водяной пар. Признание роли, которую CO ₂ играет в глобальном потеплении и изменении климата, приводит к вопросам и возможностям повышения теплового КПД двигателя и снижения количества CO 9 .