Рабочий цикл четырехтактного двигателя – особенности функционирования
В числе процессов, характеризующих работу мощных и производительных машин и механизмов, следует отметить рабочий цикл четырехтактного двигателя. Это совокупность процессов, повторяющихся в определенной последовательности, во время которых цилиндр наполняется рабочей смесью, после чего происходит ее сжатие и воспламенение. Газы, образовавшиеся при сгорании, расширяются, а затем – удаляются из цилиндра.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя – познаем азы
Чтобы разобраться, что называется рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания, необходимо узнать, что обозначает термин такт. Он представляет собой составную часть цикла и осуществляется в течение однократного хода поршня. В зависимости от количества тактов или ходов поршня, все двигатели разделяются на четырехтактные и двухтактные. В первом случае рабочий цикл от начала до конца осуществляет четыре операции: впуск, следом происходит сжатие, потом идет рабочий ход, и завершает все выпуск отработанных газов.
Наиболее распространенным вариантом считается рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Все процессы здесь проходят вот в какой последовательности: во время первого такта происходит поступление смеси бензина и воздуха. При этом впускной клапан находится в открытом положении, а выпускной – в закрытом. Поступая в разреженное пространство цилиндра, эта смесь перемешивается с предыдущими продуктами сгорания.
От наполнения цилиндра зависит общая мощность двигателя. Сжатие осуществляется в верхней критической отметке, именуемой мертвой точкой, при достижении максимального давления. Расширенные газы отправляют поршень вниз, образуя рабочий ход. В конце всего цикла через специальный выпускной клапан, который к этому моменту открыт, выходят отработанные газы.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя имеет ту же последовательность, что и аналогичный карбюраторный механизм.
Основное отличие состоит в способе образования рабочей смеси и ее воспламенении. Этот процесс происходит во время такта сжатия при высокой температуре и давлении во время впрыска топлива через форсунку мотора.
Двухтактный двигатель – особенности работы
Если рассматривать двухтактный двигатель, следует отметить, что газовый топливный обмен совершается при нахождении поршня возле нижней предельной точки (мертвой), несколько не доходя до нее. Отработанные газы начинают удаляться из цилиндра при изменении их объема за небольшой промежуток времени. Очистка цилиндра в классическом двухтактном двигателе производится с помощью продувки воздуха, поступающего через компрессор.
Во время продувки воздух частично удаляется, а выпуск отработанных газов производится с помощью выпускных окон до того, как они будут закрыты поршнем.
Рабочий цикл двухтактного двигателя – достоинства и недостатки
По описанному выше можно сделать вывод, что рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя считается наиболее экономичным при использовании его в определенных механизмах, например, на некоторых моделях мотоциклов. В этих конструкциях цилиндр продувается при помощи воздушно-топливной смеси, а затем вместе с отработанной воздушной смесью из цилиндра удаляется топливо, которое к этому моменту не успело сгореть.
Однако по сравнению с этими двигателями, модели четырехтактных моторов обладают большим ресурсом.
Благодаря высокой экономичности, они используются в большинстве машин и механизмов. Они обладают наиболее чистым выхлопом, не требующим устройства выхлопной системы повышенной сложности.
Четырехтактные двигатели не требуют предварительного смешивания бензина с маслом, у них гораздо меньший уровень шума.Исходя из достоинств, некоторые представители западного автопрома, например, SAAB, на заре своей деятельности устанавливали на свою продукцию двухтактные двигатели. Однако сегодня классический вариант этого силового агрегата попросту не выживет под натиском «экологических» требований к транспорту, поэтому его спешно заменили на четырехтактный. Однако достоинства двухтактного мотора заставили некоторые компании поработать над эффективностью сгорания топлива, и компания
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.
Первый такт — впуск.
Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление 0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.
Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного двигателя:
а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан
Второй такт — сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К.
Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.
Третий такт — рабочий ход.
В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .
Четвертый такт — выпуск.
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ.
Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200. После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.
Работа дизельного двигателя, подробнее
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
При рассмотрении рабочего цикла двигателя условно принято, что каждый такт начинается и заканчивается при нахождении поршня в ВМТ или НМТ.
Первый такт — впуск.
Поршень перемещается с ВМТ в НМТ. Освобождающаяся над поршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения. Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.
Работа четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя
а — впуск в цилиндр горючей смеси; б — сжатие горючей смеси; в — расширение газов; г- выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — распределительный вал; 3-поршень; 4 — цилиндр; 5— впускной трубопровод; 6 — карбюратор; 7— впускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — выпускной трубопровод; 11-шатун; 12 — поршневой палец; 13 — поршневые кольца
Второй такт — сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура — 600—700 К.
Третий такт — расширение.
В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая ооспл а меняется от искровою разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление. Вследствие давления газон поршень перемешается от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и совершают полезную работу. В начале расширения давление газов составляет 4—6 МПа, температура — 2500—2800 К. В конце расширения давление н цилиндре составляет 0,3—0.5 МПа, температура — 1100-1800 К.
Четвертый такт выпуск.
Поршень перемешается oт НМТ к ВМТ Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в окружаюшую среду, В конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105—0,12 МПа, а температура — 85O-120O К.
Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов (отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда). Для современных ДВС коэффициент остаточных газов составляет 0,08—0,2, он возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя заканчивается четвертым тактом — выпуском. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, т. с. совершает два оборота.
В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения (рабочего хода), когда поршень перемещается пол действием расширяющихся газов, поворачивая коленчатый вал на 180е Остальные три такта являются подготовительными и выполняются при поворачивании коленчатого вата на 540° за счет инерции маховика И работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателях).
Работа двигателя, рабочий цикл
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
При рассмотрении рабочего цикла двигателя условно принято, что каждый такт начинается и заканчивается при нахождении поршня в ВМТ или НМТ.
Первый такт — впуск.
Поршень перемещается с ВМТ в НМТ. Освобождающаяся над поршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения. Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.
Работа четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя
а — впуск в цилиндр горючей смеси; б — сжатие горючей смеси; в — расширение газов; г- выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — распределительный вал; 3-поршень; 4 — цилиндр; 5— впускной трубопровод; 6 — карбюратор; 7— впускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — выпускной трубопровод; 11-шатун; 12 — поршневой палец; 13 — поршневые кольца
Второй такт — сжатие.
Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура — 600—700 К.
Третий такт — расширение.
В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая ооспл а меняется от искровою разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление. Вследствие давления газон поршень перемешается от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и совершают полезную работу. В начале расширения давление газов составляет 4—6 МПа, температура — 2500—2800 К. В конце расширения давление н цилиндре составляет 0,3—0.5 МПа, температура — 1100-1800 К.
Четвертый такт выпуск.
Поршень перемешается oт НМТ к ВМТ Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в окружаюшую среду, В конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105—0,12 МПа, а температура — 85O-120O К.
Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов (отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда). Для современных ДВС коэффициент остаточных газов составляет 0,08—0,2, он возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя заканчивается четвертым тактом — выпуском. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, т. с. совершает два оборота.
В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения (рабочего хода), когда поршень перемещается пол действием расширяющихся газов, поворачивая коленчатый вал на 180е Остальные три такта являются подготовительными и выполняются при поворачивании коленчатого вата на 540° за счет инерции маховика И работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателях).
Работа двигателя, рабочий цикл
Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы
Категория:
Техническое обслуживание автомобилей
Публикация:
Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы
Читать далее:
Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы
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. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.
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 и выпуска.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 1.3) рабочий цикл происходит следующим образом.
Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя
Такт впуска. Поршень находится в в.
м.т. и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр.
От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125 °С.
Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.
Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются.
В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300— 450 °С.
Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С.
При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.
Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от н.
м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750— 900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.
Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12.
По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.
В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.
Такт впуска. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.
Такт сжатия. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух.
Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.
Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется 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 в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура—до 700—900 °С.
Такт выпуска. Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С.
После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.
Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля
Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на значение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в криво-шипно-шатунном и газораспределительном механизмах двигателя, а также на приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.
Таким образом, эффективная мощность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного действия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной.
Механический к.
п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.
Мощностные показатели двигателя в значительной мере определяются количеством теплоты, превращенным в полезную работу. Степень использования теплоты, введенной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д., который представляет собой отношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную работу, к количеству теплоты Qt, выделившейся в результате сгорания
Рис. 3. Схемы компоновки цилиндров двигателей
—
Дизель. Рассмотрим процесс протекания каждого такта в цилиндре дизеля (рис. 7).
Первый такт — впуск. Цилиндр заполняется воздухом, кислород которого обеспечивает сгорание топлива. Чем больше воздуха поступает в цилиндр, тем большее количество топлива можно сжечь в нем и тем выше будет давление газов на поршень при рабочем ходе (увеличивается мощность).
Во время впуска поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Воздух, поступающий в цилиндр, нагревается при смешивании с горячими остаточными газами и от нагретых деталей работающего дизеля.
К концу первого такта температура воздуха достигает 40… 60 °С, и его плотность уменьшается. Кроме того, при движении он встречает сопротивление во впускных каналах дизеля. По этим причинам давление в цилиндре оказывается ниже атмосферного (0,08… 0,09 МПа).
Второй такт — сжатие. Поршень перемещается вверх, оба клапана закрыты. Под действием поршня воздух сжимается в 15…17 раз (степень сжатия е=15… 17) и при этом нагревается. Давление в конце сжатия доходит до 3…4 МПа, а температура — до 550…600 °С, что значительно превышает температуру самовоспламенения топлива.
Рис. 4. Схема рабочего цикла одноцилиндрового четырехтактного дизеля: 1 — форсунка; 2 — топливный насос.
Третий такт — расширение. Перед самым окончанием такта сжатия, когда поршень почти дошел до в. м.т., в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Большая часть его сразу же воспламеняется и сгорает. Температура газов повышается до 2000…2100 °С, а давление — до 5,5…8,0 МПа.
Под таким давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун проворачивает коленчатый вал. В процессе расширения сгорает остальная часть впрыснутого топлива. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура уменьшается. К концу третьего такта давление снижается до 0,2…0,3 МПа, а температура — до 600…650 °С.
Четвертый такт — выпуск. Впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Из цилиндра выталкиваются отработавшие газы. Давление оставшихся газов падает до 0,11…0,12 МПа. Температура отработавших газов в месте выхода из цилиндра составляет 400…500 °С.
Далее рабочий цикл повторяется.
Карбюраторный двигатель. Подобным образом рассмотрим рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.
Такт впуска. Выпускной клапан закрыт, а впускной открыт. При движении поршня от в. м. т. вниз цилиндр заполняется смесью топлива с воздухом. Такая смесь приготовляется в специальном приборе — карбюраторе и называется горючей смесью.
Поступая в цилиндр, она перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.
Давление рабочей смеси в цилиндре при такте впуска из-за сопротивления в карбюраторе ниже, чем в цилиндре дизеля, и составляет 0,07…0,08 МПа. Температура рабочей смеси повышается 60…120 °С в основном за счет высокой температуры остаточных газов.
Такт сжатия. При этом такте, как и в дизеле, рабочая смесь, сжимаясь, нагревается. С увеличением степени сжатия растет давление и температура смеси, а также скорость ее сгорания. В результате повышается экономичность и мощность двигателя. Но при повышенной температуре возникает опасность преждевременного воспламенения (самовоспламенения) смеси. Чтобы избежать этого, рабочую смесь сжимают незначительно (е=4…8). Давление в цилиндре в конце такта сжатия — 0,9…1,2 МПа, а температура не превышает температуры самовоспламенения, доходя лишь до 330 °С.
Такт расширения. Перед окончанием такта сжатия между электродами искровой свечи зажигания проскакивает электрический заряд.
Искра воспламеняет рабочую смесь. Температура горящих газов доходит до 2500 °С, а давление повышается до 3,0…4,5 МПа. Под действием силы давления газов поршень перемещается вниз. К концу . третьего такта давление снижается до 0,3…0,4 МПа, а температура — до 900…1200 °С.
Такт выпуска происходит так же, как в дизеле, но при несколько более высокой температуре газов.
Сравнительная оценка дизеля и карбюраторного двигателя.
По сравнению с карбюраторным (бензиновым) двигателем дизель имеет следующие преимущества:
— дизель экономичнее: на единицу выполненной работы вследствие высокой степени сжатия он расходует на 25% меньше топлива;
— топливо, на котором работает дизель, менее опасно в пожарном отношении и оказывает меньшее коррозионное действие на детали, чем бензин.
Недостатки дизеля:
— из-за высокого давления газов в цилиндрах, корпус и другие детали, работающие со значительными нагрузками, тяжелее и имеют большие размеры;
— для пуска дизеля требуется более мощный стартер или специальный карбюраторный пусковой двигатель;
— дизель работает со значительным избытком воздуха, поэтому размеры цилиндров и других деталей и сборочных единиц увеличены.
Рекламные предложения:
Читать далее: Блок и головка цилиндров
Категория: — Техническое обслуживание автомобилей
Главная → Справочник → Статьи → Форум
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизеля
Категория:
Сельскохозяйственная механизация
Публикация:
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизеля
Читать далее:
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового дизеля
Такт впуска. Поршень движется от ВМТ к НМТ создавая разрежение в цилиндре над поршнем. Благодаря этому через открытый впускной клапан в цилиндр поступает чистый воздух, предварительно очищенный в воздухоочистителе.
Такт сжатия. Оба клапана впускной и выпускной закрыты. Поршень движется к ВМТ и сжимает в цилиндре воздух. Вследствие высокой степени сжатия у дизелей (е=14—18) давление воздуха в конце такта сжатия достигает 35—40 кгс/см2, а температура воздуха повышается до 500—700 °С.
В конце такта сжатия, когда поршень подходит к ВМТ, в камеру сгорания через форсунку под высоким давлением (120—170 кгс/см2) впрыскивается топливо. Мелко распыленное топливо соприкасается с горячим воздухом и воспламеняется. Температура газов поднимается до 1600—2000 °С, а давление в цилиндре — до 55—90 кгс/см2.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Рис. 1. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля:
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска
Рис. 2. Схема устройства и работы двухтактного карбюраторного двигателя:
а — такт сжатия; б — рабочий ход; в — продувка; 1 — корпус двигателя; 2 — продувочный-канал; 3— продувочное окно; 4 — поршень; 5 — камера сгорания; 6 — электрическая свеча; 7 — выпускной канал; 8 — выпускная труба; 9 — впускной канал; 10 — карбюратор; 11 — кривошипная камера
Такт расширения. В начале этого такта происходит догорание топлива. Оба клапана закрыты.
Поршень под давлением газов движется к НМТ и при помощи шатуна вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу рабочего хода давление снижается до 3—4 кгс/см2, а температура газов — до 800—900°.
Такт выпуска. При такте выпуска открыт выпускной клапан и движущийся к ВМТ поршень выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Затем цикл повторяется.
Рекламные предложения:
Читать далее: Особенности рабочего цикла карбюраторного четырехтактного двигателя
Категория: — Сельскохозяйственная механизация
Главная → Справочник → Статьи → Форум
Понимание цикла — двухтактный цикл дизельного двигателя
Если вы прочитали «Как работают двухтактные двигатели», то узнали, что одно большое различие между двухтактными и четырехтактными двигателями — это количество мощности, которое двигатель может производить. Свеча зажигания срабатывает в два раза чаще в двухтактном двигателе — один раз на каждый оборот коленчатого вала, по сравнению с одним разом на каждые два оборота в четырехтактном двигателе.
Это означает, что двухтактный двигатель имеет потенциал для выработки в два раза большей мощности , чем четырехтактный двигатель того же размера.
В статье о двухтактном двигателе также объясняется, что цикл бензинового двигателя, в котором газ и воздух смешиваются и сжимаются вместе, на самом деле не идеально подходит для двухтактного подхода. Проблема в том, что часть несгоревшего топлива вытекает каждый раз, когда цилиндр заправляется топливовоздушной смесью. (Подробности см. В разделе «Как работают двухтактные двигатели».)
Объявление
Оказывается, дизельный подход, который сжимает только воздух, а затем впрыскивает топливо непосредственно в сжатый воздух, намного лучше подходит для двухтактного цикла.Поэтому многие производители больших дизельных двигателей используют этот подход для создания двигателей большой мощности.
На рисунке показана компоновка типичного двухтактного дизельного двигателя:
В верхней части цилиндра обычно находятся два или четыре выпускных клапана, которые открываются одновременно.
Также имеется инжектор дизельного топлива (показан желтым наверху). Поршень удлиненный, как в бензиновом двухтактном двигателе, поэтому он может действовать как впускной клапан. В нижней части хода поршня поршень открывает отверстия для забора воздуха.Всасываемый воздух сжимается турбонагнетателем или нагнетателем (голубой). Картер герметичен и содержит масло, как в четырехтактном двигателе.
Двухтактный дизельный цикл выглядит так:
- Когда поршень находится на пределе своего хода, в цилиндре находится заряд сильно сжатого воздуха. Дизельное топливо впрыскивается форсункой в цилиндр и немедленно воспламеняется из-за тепла и давления внутри цилиндра.Это тот же процесс, который описан в «Как работают дизельные двигатели».
- Давление, создаваемое сгоранием топлива, перемещает поршень вниз. Это с рабочим ходом .
- Когда поршень приближается к нижней части своего хода, все выпускные клапаны открываются. Выхлопные газы устремляются из цилиндра, сбрасывая давление.
- По мере того, как поршень выдвигается вниз, он открывает отверстия для впуска воздуха. Сжатый воздух заполняет цилиндр, вытесняя остатки выхлопных газов.
- Выпускные клапаны закрываются, и поршень начинает двигаться обратно вверх, снова закрывая впускные отверстия и сжимая свежий заряд воздуха. Это такт сжатия .
- Когда поршень приближается к верхней части цилиндра, цикл повторяется с шага 1.
Из этого описания вы можете увидеть большую разницу между дизельным двухтактным двигателем и бензиновым двухтактным двигателем: в дизельной версии цилиндр заполняет только воздух, а не смешанные вместе газ и воздух.Это означает, что двухтактный дизельный двигатель не страдает ни одной из экологических проблем, характерных для бензинового двухтактного двигателя. С другой стороны, двухтактный дизельный двигатель должен иметь турбонагнетатель или нагнетатель, а это значит, что на бензопиле вы никогда не встретите двухтактный дизель — это было бы слишком дорого.
Цикл четырехтактного двигателя производит водород из метана и улавливает CO2
На этой схеме показаны компоненты цилиндро-поршневого узла CHAMP, используемого для создания водорода из метана и пара посредством каталитической реакции переменного объема.В процессе также концентрируются выбросы углекислого газа. Предоставлено: Дэвид Андерсон, Технологический институт Джорджии.Когда двигатель внутреннего сгорания не является двигателем внутреннего сгорания? Когда он был преобразован в модульный реактор риформинга, который мог бы сделать водород доступным для питания топливных элементов везде, где есть доступ к природному газу.
Добавив катализатор, разделяющую водород мембрану и сорбент углекислого газа в цикл четырехтактного двигателя столетней давности, исследователи продемонстрировали лабораторную систему реформинга водорода, которая производит зеленое топливо при относительно низкой температуре в процессе, который может можно увеличивать или уменьшать масштаб для удовлетворения конкретных потребностей.
Этот процесс может обеспечить водородом в точке его использования для бытовых топливных элементов или соседних электростанций, для производства электроэнергии и энергии в транспортных средствах, работающих на природном газе, для заправки городских автобусов или других транспортных средств на водородной основе, а также в качестве дополнения к периодически возникающим возобновляемым источникам энергии, таким как фотоэлектрические. .
Известный как реактор с активным мембранным поршнем CO2 / ч3 (CHAMP), устройство работает при температурах, намного более низких, чем обычные процессы парового риформинга, потребляет значительно меньше воды и может также работать на других видах топлива, таких как метанол или сырье биологического происхождения.Он также улавливает и концентрирует выбросы углекислого газа, побочного продукта, который сейчас не имеет вторичного использования, хотя это может измениться в будущем.
В отличие от обычных двигателей, которые работают с тысячами оборотов в минуту, реактор работает только с несколькими циклами в минуту — или медленнее — в зависимости от масштаба реактора и требуемой скорости производства водорода.
И свечей зажигания нет, потому что не сгорает топливо.
«У нас уже есть общенациональная инфраструктура распределения природного газа, поэтому гораздо лучше производить водород на месте его использования, а не пытаться его распределить», — сказал Андрей Федоров, профессор Технологического института Джорджии, который работает над CHAMP с 2008 года.«Наша технология может производить это предпочтительное топливо везде, где есть природный газ, что может решить одну из основных проблем водородной экономики».
Профессор Технологического института Джорджии Андрей Федоров (слева) и младший научный сотрудник Юйчжэ Пэн демонстрируют лабораторную систему водородного риформинга, которая производит зеленое топливо при относительно низкой температуре в процессе, который можно увеличивать или уменьшать для удовлетворения конкретных потребностей. Предоставлено: Кэндлер Хоббс, Технологический институт Джорджии. В статье, опубликованной 9 февраля в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research , описана операционная модель процесса CHAMP, включая критический этап внутренней адсорбции двуокиси углерода, побочного продукта процесса реформинга метана, чтобы его можно было сконцентрировать и удалить.
из реактора для улавливания, хранения или утилизации.О других реализациях системы сообщили три доктора технических наук Джорджии в качестве дипломных работ. с момента начала проекта в 2008 году. Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Министерством обороны через стипендии NDSEG и Фондом гражданских исследований и развития США (CRDF Global).
Ключом к процессу реакции является переменный объем, обеспечиваемый подъемом и опусканием поршня в цилиндре.Как и в обычном двигателе, клапан регулирует поток газов в реактор и из него, когда поршень движется вверх и вниз. Четырехтактная система работает так:
- Природный газ (метан) и пар втягиваются в реакционный цилиндр через клапан при опускании поршня внутри. Клапан закрывается, когда поршень достигает дна цилиндра.
- Поршень поднимается в цилиндр, сжимая пар и метан по мере нагрева реактора. Когда температура достигает примерно 400 градусов по Цельсию, внутри реактора происходят каталитические реакции с образованием водорода и диоксида углерода.Водород выходит через селективную мембрану, а диоксид углерода под давлением адсорбируется сорбирующим материалом, который смешивается с катализатором.
- После того, как водород выходит из реактора и диоксид углерода связывается сорбентом, поршень опускается, уменьшая объем (и давление) в цилиндре. Диоксид углерода выделяется из сорбента в цилиндр.
- Поршень снова перемещается в камеру, и клапан открывается, вытесняя концентрированный диоксид углерода и очищая реактор для начала нового цикла.
.jpg)
Когда температура достигает примерно 400 градусов по Цельсию, внутри реактора происходят каталитические реакции с образованием водорода и диоксида углерода.Водород выходит через селективную мембрану, а диоксид углерода под давлением адсорбируется сорбирующим материалом, который смешивается с катализатором.«Все части головоломки соединились», — сказал Федоров, профессор Машиностроительной школы Джорджа Вудраффа в Технологическом институте Джорджии. «Предстоящие задачи в первую очередь носят экономический характер. Нашим следующим шагом будет строительство экспериментального реактора CHAMP».
Исследователи Технологического института Джорджии продемонстрировали реактор CHAMP, который использует цикл четырехтактного двигателя для создания водорода, одновременно улавливая выбросы углекислого газа.
Предоставлено: Кэндлер Хоббс, Технологический институт Джорджии.Проект был начат для решения некоторых проблем, связанных с использованием водорода в топливных элементах. Большая часть водорода, используемого сегодня, производится в процессе высокотемпературного риформинга, в котором метан соединяется с паром при температуре около 900 градусов по Цельсию. Процесс в промышленном масштабе требует до трех молекул воды на каждую молекулу водорода, и полученный газ с низкой плотностью должен транспортироваться туда, где он будет использоваться.
Лаборатория Федорова впервые провела термодинамические расчеты, предполагающие, что четырехтактный процесс можно модифицировать для производства водорода в относительно небольших количествах там, где он будет использоваться.Цели исследования заключались в создании модульного процесса реформинга, который мог бы работать при температуре от 400 до 500 градусов Цельсия, использовать всего две молекулы воды на каждую молекулу метана для производства четырех молекул водорода, иметь возможность масштабирования для удовлетворения конкретных потребностей.
, и улавливать полученный диоксид углерода для потенциального использования или связывания.
«Мы хотели полностью переосмыслить то, как мы проектировали реакторные системы», — сказал Федоров. «Чтобы получить необходимую эффективность, мы поняли, что нам нужно динамически изменять объем корпуса реактора.Мы изучили существующие механические системы, которые могли бы это сделать, и поняли, что эту возможность можно найти в системе, усовершенствованной более века назад: в двигателе внутреннего сгорания ».
Система CHAMP может быть увеличена или уменьшена для производства сотен килограммов водорода в день, необходимых для типичной автомобильной заправочной станции, или нескольких килограммов для отдельного транспортного средства или жилого топливного элемента, сказал Федоров. Объем и скорость поршня в реакторе CHAMP могут быть отрегулированы для удовлетворения потребностей в водороде, в то же время согласовывая требования к регенерации сорбента диоксида углерода и эффективности разделения водородной мембраны.
При практическом использовании несколько реакторов, вероятно, будут работать вместе для получения непрерывного потока водорода на желаемом уровне производства.
«Мы взяли обычную химическую перерабатывающую установку и создали аналог, используя великолепное оборудование двигателя внутреннего сгорания», — сказал Федоров. «Реактор масштабируемый и модульный, поэтому у вас может быть один модуль или сотня модулей в зависимости от того, сколько водорода вам нужно. Процессы риформинга топлива, очистки водорода и улавливания выбросов диоксида углерода объединены в одну компактную систему.»
Новый материал, технология позволяет эффективно производить водород, сырье для синтетического газа.
Дополнительная информация: Дэвид М. Андерсон и др., Комплексный анализ парового риформинга метана с усиленной сорбцией в мембранном реакторе переменного объема, Industrial & Engineering Chemistry Research (2017).
DOI: 10.1021 / acs.iecr.6b04392 Предоставлено
Технологический институт ДжорджииСсылка : Цикл четырехтактного двигателя производит водород из метана и улавливает CO2 (2017, 16 февраля) получено 18 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2017-02-четырехтактный-водород-метан-улавливает-co2.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения.
Контент предоставляется только в информационных целях.
четырехтактный двигатель — определение
Примеры предложений с «четырехтактным двигателем», память переводов
WikiMatrix В 1876 году они приобрели права на более эффективный четырехтактный двигатель Отто.Patents-wipoЧетырехтактный двигатель с прямым впрыском топлива, степень расширения которого превышает степень сжатияWikiMatrixЧетырехтактный двигатель срабатывает каждый цилиндр каждые 720 градусов — коленчатый вал совершает два полных оборота.patents-wipoЧетырехтактный двигатель внутреннего сгорания и метод идентификации Цилиндр четырехтактного двигателя внутреннего сгорания WikiMatrix Недостатком четырехтактного двигателя с циклом Аткинсона по сравнению с более распространенным двигателем с циклом Отто является пониженная удельная мощность.Патенты-wipoDisclosed представляет собой четырехтактный двигатель с прямым впрыском топлива, в котором ход взрыва может быть установлен больше, чем такт сжатия, без необходимости значительного изменения конструкции или управления с помощью техники, отличной от открытия выпускного отверстия в боковой стенке цилиндра или обеспечение дополнительного регулирующего выпускного клапана.
патенты-wipoЭто изобретение может применяться к бензиновым или дизельным циклам, а также к четырехтактным и двухтактным циклам двигателя. WikiMatrixТок всасывания является первой фазой в цикле четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.Патенты-wipoЧетырехтактный двигатель с раздельным цикломWikiMatrix Вот почему четырехтактный принцип сегодня широко известен как цикл Отто, а четырехтактные двигатели со свечами зажигания часто называют двигателями Отто. за цикл WikiMatrix Остающийся цикл двигателя соответствует стандартному четырехтактному двигателю. EURLex-2 (5) — `Частные автомобили вместимостью менее девяти человек, оснащенные четырехтактным двигателем внутреннего сгорания и трансмиссией, входящей в одну из типы, описанные в приложении ».WikiMatrix Кроме того, четырехтактные четырехтактные двигатели имеют общую проблему для всех четырехцилиндровых двигателей: рабочие ходы не перекрываются. Патент-wipoЧетырехтактный двигатель внутреннего сгорания с системой пропуска циклапатенты-wipoЦикл двигателя внутреннего сгорания, подходящий для работы в качестве цикл двухтактного двигателя, цикл четырехтактного двигателя или цикл двигателя с большим числом ходов, применительно к планетарным механизмам с возвратно-поступательным движением поршневых машин с одним или несколькими вращающимися цилиндрами для обеспечения возвратно-поступательного движения поршня, оси цилиндров которых расположены по существу по касательной к окружности с центром на оси главного вала, в результате чего сгорание рабочей жидкости в цилиндре (рабочая жидкость — воздух, топливо или воздушно-топливная смесь), инициируемое сжатием или искровым зажиганием, происходит во время такта сжатия цилиндра.
цикл, что позволяет передавать мощность как на такте сжатия, так и на такте расширения.Giga-fren39 / 00 Другое неэлектрическое управление [4] 39/02. для четырехтактных двигателей 39/04. для двигателей с другими циклами, кроме четырехтактных, например двухтактный 39/06. для двигателей, существенно добавляющих топливо в конце такта сжатия 39/08. для двигателей, добавляющих топливо существенно перед тактом сжатия 39/10. для свободно-поршневых двигателей; для двигателей без вращающегося главного вала. В некоторых вариантах осуществления каждая герметичная камера подвергается циклам впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного двигателя.Код производителя двигателя EurLex-2, нанесенный на двигатели: 3.4.1.3. Цикл: четырехтактный / двухтактный (1) 3.4.1.4. Показаны страницы 1. Найдено 97 предложения с фразой четырехтактный двигатель.Найдено за 14 мс.Накопители переводов создаются человеком, но выравниваются с помощью компьютера, что может вызвать ошибки. Найдено за 0 мс.Накопители переводов создаются человеком, но выравниваются с помощью компьютера, что может вызвать ошибки.
Они поступают из многих источников и не проверяются. Имейте в виду.
Оптимизация двухтактного термодинамического цикла генератора с одноцилиндровым свободнопоршневым двигателем
Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) — это новый тип преобразователя энергии, в котором не используется коленчатый вал и шатунный механизм.Для достижения эффективного преобразования энергии в данной статье исследуется оптимизация термодинамических характеристик двухтактного генератора с одноцилиндровым двигателем со свободным поршнем. Во-первых, подробно представлены компоненты, четырехтактный термодинамический цикл, двухтактный термодинамический цикл и прототип системы FPEG. Имитационная модель одномерного потока FPEG создается на основе уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи, а затем модель подтверждается данными, протестированными с помощью прототипа системы.По результатам экспериментов с четырехтактным двигателем FPEG была получена эффективная мощность 4,75 кВт и пиковое давление 21,02 бар.
Затем двухтактный термодинамический цикл моделируется и сравнивается при различных управляющих параметрах давления всасываемого воздуха, времени впрыска, момента зажигания и фаз газораспределения посредством имитационной модели. Оптимизированные результаты показывают, что указанный тепловой КПД 27,6%, указанная мощность 6,7 кВт и максимальная рабочая частота 25 Гц могут быть достигнуты с помощью системы-прототипа при использовании двухтактного термодинамического цикла.
1. Введение
Заботы об энергосбережении и сокращении выбросов привели к изменениям в конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Один из способов решения этой проблемы — использование двигателя со свободным поршнем [1–3]. Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) — это новый тип силовой установки, который привлек внимание исследователей во всем мире благодаря своим особым преимуществам с точки зрения высокой эффективности и низкого уровня выбросов.
По сравнению с традиционной системой генератора, это новое устройство преобразования энергии демонстрирует такие преимущества, как структурная простота, низкая стоимость производства и высокая мощность.
Самым большим различием в конструкции является отсутствие коленчатого вала и маховика двигателя, при этом поршень и движитель линейного генератора соединены напрямую. Таким образом, свободный поршень может колебаться между двумя своими конечными точками и подвергаться влиянию всех сил, действующих на него. Без ограничения механизма соединительной тяги трение движения поршня значительно снизилось, и конструкция FPEG стала более компактной [4, 5]. Генератор со свободнопоршневым двигателем может работать с несколькими видами топлива за счет легкого регулирования степени сжатия, а указанная мощность и эффективность системы могут быть улучшены за счет оптимизации термодинамического цикла.
Исследования показали, что большинство двухтактных свободнопоршневых двигателей имеют схожий принцип работы. На основании теоретического анализа двухтактный двигатель достиг высокой удельной мощности и теплового КПД. В последние десятилетия Кларк и другие исследователи из Университета Западной Вирджинии провели большую исследовательскую работу по генератору двигателя со свободным поршнем.
В 1998 году они разработали первый прототип системы генератора со свободнопоршневым двигателем, который представляет собой двухпоршневую конструкцию с искровым зажиганием и диаметром цилиндра 36.5 мм и максимальный ход поршня 50 мм [6, 7]. Сообщается, что прототип работал на частоте 23,1 Гц, максимальная выходная электрическая мощность составляет 316 Вт, а эффективность преобразования энергии составляет 11%. Тем не менее, выходная мощность и эффективность преобразования энергии значительно ниже результатов моделирования 50%.
Суат Саридемир и Фуат Кара из Университета Дюздже разработали модель искусственной нейронной сети (ИНС) для прогнозирования крутящего момента и мощности бета-версии. типа двигатель Стирлинга.После сравнения предсказанных клапанов модели с экспериментальными результатами, валидность созданной модели ИНС проверяется. Они также использовали метод множественной регрессии для оценки предсказательной способности модели, и результаты показали, что ИНС является надежной моделью для предсказания крутящего момента и мощности двигателя Стирлинга бета-типа [8, 9].
Исследователи из Toyota Central R&D Labs Inc также разработали линейный генератор с однопоршневым двигателем со свободным поршнем (FPEG), который состоял из интегрированной камеры сгорания, камеры с газовой пружиной и линейного генератора.FPEG принял двухтактный рабочий режим, и он мог работать непрерывно в течение многих часов. После проведения эксперимента по выработке электроэнергии на прототипе системы FPEG, результаты показали, что она может обеспечивать надежную и стабильную работу во всех режимах пуска, движения и стрельбы [10].
В [11, 12], Xu et al. в Нанкинском университете науки и технологий в 2010 году разработали новый одноцилиндровый четырехтактный прототип FPEG. В качестве линейного генератора внутреннего сгорания прототип системы обеспечивает непрерывную и стабильную работу четырехтактного рабочего цикла.Он оснащен электромагнитным клапаном для завершения процесса продувки. Кроме того, был получен максимальный крутящий момент 58 Нм при максимальной выходной мощности 10 кВт.
На этом основании Сюй предложил улучшенный метод, который оптимизировал двухтактный термодинамический цикл FPEG для достижения термодинамических характеристик высокой эффективности и экономии энергии.
В этой статье для достижения характеристики более высокой мощности и оптимизации термодинамических характеристик двухтактного двигателя создана экспериментальная система FPEG и внесены соответствующие изменения.В следующих разделах представлены компоненты и принцип работы FPEG с возвратной средней пружиной. В разделе 3 построена одномерная модель потока FPEG, которая проверена с помощью четырехтактного эксперимента. Затем моделируется двухтактный термодинамический цикл FPEG при различных влияющих факторах, а результаты моделирования сравниваются и подробно анализируются. Оптимизированные результаты помогут нам понять, как двухтактный термодинамический цикл FPEG влияет на указанную мощность и эффективность системы.
2. Структура и принцип работы FPEG
2.1. Базовая структура FPEG
Элементарная структура генератора со свободнопоршневым двигателем показана на рисунке 1.
Основными частями FPEG являются бензиновый двигатель, обратная пружина и линейный электрический генератор. Система имеет только одну камеру сгорания, отбойное устройство и возвратно-поступательный движущийся компонент. Камера сгорания представляет собой одноцилиндровый свободнопоршневой двигатель, оборудованный электромагнитными клапанами, инжектором и свечой зажигания.Между камерой сгорания и линейным электрогенератором установлена обратная пружина. Одиночный поршень и подвижная катушка линейного генератора соединены в один компактный компонент, как единый движитель FPEG. Свободный поршень будет свободно перемещаться между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), а его возвратно-поступательное движение определяется дисбалансом всех сил, действующих на движитель [11, 13].
Двигатель со свободным поршнем будет работать с захваченной топливной смесью и зажиганием свечи зажигания.Поскольку эффективность генерации линейного электрического генератора значительно снижается в условиях низкой скорости, задняя пружина толкает поршень вверх для обеспечения непрерывной работы.
Суперконденсатор используется для включения выработки электроэнергии генератором. Преобразователь мощности используется для согласования линейного генератора и накопления электроэнергии [14, 15]. Электронный блок управления (ЭБУ) может управлять системой для регулировки характеристик двигателя после получения сигналов давления в цилиндре, смещения поршня, тока якоря и других.Кроме того, продувка осуществляется электромагнитными клапанами, которые закреплены на головке блока цилиндров. В полном рабочем цикле линейный генератор работает в моторном режиме только на такте впуска, тогда как остальные такты работают в генераторном режиме.
В системе FPEG существует большая свобода в определении движения поршня. Рабочий цикл FPEG можно переключать, изменяя закон движения поршня. Таким образом, четырехтактный термодинамический цикл и двухтактный термодинамический цикл можно использовать для разных рабочих циклов ГПЭГ.
2.2. Термодинамический цикл FPEG
Четырехтактные двигатели со свободным поршнем имеют относительно большую экономию энергии и более высокий КПД, чем двухтактные двигатели со свободным поршнем, но двухтактные имеют преимущества удельной мощности.
При той же рабочей частоте число двухтактных рабочих циклов в два раза больше, чем у четырехтактных, а время газообмена короче, чем у четырехтактных [16]. Четырехтактные и двухтактные термодинамические циклы FPEG представлены для оптимизации термодинамических характеристик.
Как видно из рисунка 2, замечательными характеристиками четырехтактного термодинамического цикла являются короткие такты впуска и сжатия, которые дополняются сжатым всасываемым воздухом [17]. Во время такта впуска линейный генератор работает как электрическая машина, заставляя поршневой узел двигаться вниз от точки к точке для поглощения топливной смеси. Он может регулировать давление на входе или температуру воздуха, чтобы увеличить поток смеси и улучшить процесс сгорания.Когда поршень движется в ВМТ и приближается к этой точке, топливная смесь сжимается в такте сжатия. Во время такта расширения зажигание свечи зажигания является начальной точкой процесса сгорания, и в этой точке он заканчивается. После этого поршень движется снизу вверх и достигает точки, в которой вытесняется сгоревший газ.
Таким образом, такты расширения и выпуска длиннее, чем такты впуска и сжатия, и можно достичь полного сгорания для увеличения удельной мощности.
Как показано на рисунке 3, двухтактный термодинамический цикл характеризуется коротким ходом сжатия и расширения, который дополняется регулировкой угла опережения искры для реализации более полного сгорания. Более длинное перекрытие клапанов может увеличить продолжительность открытия клапана на тактах впуска и выпуска. Прежде чем поршень достигнет точки, свеча зажигания воспламеняет топливную смесь, и поршень движется вверх, чтобы совершить такт сжатия. Во время такта выпуска поршень перемещается от точки к точке.Затем поршень перемещается от точки к точке на такте впуска. Когда поршень перемещается от точки к точке, перекрытие клапанов обеспечивает одновременное открытие впускного и выпускного клапанов для поглощения топливной смеси и удаления остаточного газа. Это может увеличить объемный КПД и улучшить процесс газообмена.
Кроме того, опережающее зажигание может обеспечить достаточное сгорание для высвобождения большего количества энергии.
2.3. Система прототипа и эксперимента
Структура прототипа FPEG описана на рисунке 4.Прототип представляет собой однопоршневой четырехтактный бензиновый двигатель, оснащенный четырьмя электромагнитными клапанами. В нем используется метод охлаждения с водяным охлаждением, управление впрыском топлива с обратной связью и система искрового зажигания с электронным управлением. По сравнению с требованиями к конструкции FPEG, характеристики прототипа очень согласованы и облегчают переоборудование. В таблице 1 перечислены основные параметры конструкции прототипа.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
см / об
На рис. 5 показаны трехмерные структуры линейного генератора с подвижной трубчатой катушкой (MCLG). MCLG — это однофазный генератор постоянного магнита с подвижной катушкой, также называемый двигателем звуковой катушки (VCM).Линейный генератор состоит из постоянного магнита (ПМ), сердечника, подвижной катушки и торцевой крышки. Воздушный зазор между внешним и внутренним сердечниками. Для получения высокой плотности потока в воздушном зазоре PM принимает радиальное намагничивание, а направление намагничивания PM-A и PM-B противоположно. Каркас немагнитной катушки намотан двумя катушками, что и составляет весь двигатель MCLG. Кроме того, ток катушки — это не коммутируемый ток, который может повысить эффективность системы MCLG. Конструкция имеет преимущества меньшей подвижной массы, быстрого отклика и низкой индуктивности катушки [18, 19].
На основе компонентов прототипа, электромагнитного клапана, линейного генератора с подвижной катушкой и датчиков, создана экспериментальная система FPEG.
Как показано на рис. 6, экспериментальная система используется для тестирования и подтверждения термодинамических характеристик FPEG. В систему также входят контроллер двигателя и преобразователь мощности, который оснащен датчиком давления в цилиндре, датчиком перемещения и датчиком тока. Датчики могут собирать информацию о системе в рабочем состоянии и передавать информацию контроллеру, который рассчитывает результаты тестирования.
3. Моделирование FPEG
На термодинамический цикл FPEG влияют различные факторы, такие как газовая динамика, процесс тепловыделения и потери тепла. В этом разделе имитационная модель FPEG создается на основе одномерного уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи.
3.1. Одномерная газовая динамика
Для описания одномерной газовой динамики в трубе свободнопоршневого двигателя принимаются следующие положения: (1) состояние рабочего тела в камере сгорания — идеальный однородный газ.
(2) Температура, давление и объем соответствуют уравнению состояния идеального газа. (3) Масса газа в баллоне постоянна, и утечка потока в процессе газообмена не учитывается. Таким образом, одномерная модель динамики в трубе описывается тремя уравнениями.
Уравнение энергии:
Уравнение сохранения количества движения:
Уравнение неразрывности рабочего тела: где представляет собой содержание энергии идеального газа, представляет скорость потока, представляет статическое давление, представляет собой крест площадь сечения трубы, представляет собой тепловой поток стенки, представляет единицу объема, представляет плотность рабочей среды, представляет удельную теплоемкость в объеме содержимого и представляет силу трения между жидкостью и стенкой трубы.
3.2. Давление газа в цилиндре
В соответствии с вышеизложенными предположениями, мы также предположили, что давление газа в цилиндре равно давлению на впуске, равно как и такт выпуска. Когда объем камеры сгорания равен нулю, положение поршня устанавливается как начало смещения.
Используя первый закон термодинамики и уравнение состояния идеального газа, давление газа в цилиндре можно записать в виде следующего уравнения: где представляет давление газа в цилиндре, представляет объем цилиндра, представляет отношение удельной теплоемкости рабочее тело, и представляет собой скорость тепловыделения топлива.
3.3. Горение в цилиндре
Экзотермическая характеристика свободнопоршневого двигателя определяется скоростью распространения пламени и формой камеры сгорания. В этой статье имитационная модель использует модель сгорания в одной зоне с нулевой размерностью, которая определяет всю камеру сгорания как замкнутое пространство и игнорирует утечку потока. Функцию Вебера можно использовать для представления фактического процесса горения и выражения тепловыделения. Тепло, выделяемое в процессе сгорания, выглядит следующим образом: где Q представляет скорость тепловыделения топлива, представляет более низкую теплотворную способность топлива, представляет массу впрыснутого топлива за цикл, представляет эффективность сгорания, представляет качество сгорания.