Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Содержание

Схема работы двс 4 цилиндра

Рядный четырёхцилиндровый двигатель — конфигурация двигателя внутреннего сгорания с рядным расположением четырёх цилиндров, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто обозначается I4 («ай-фор») или L4 («Straight-4», «In-Line-Four»). Плоскость, в которой находятся цилиндры, может быть строго вертикальной или находиться под определённым углом к вертикали. Во втором случае двигатель иногда называют Slant-4 (/4) — например, двигатель автомобиля «Москвич-412».

Конфигурация I4 для четырехтактного двигателя является несбалансированной, но проста в производстве (для двухтактного двигателя с чередованием работы цилиндров через 90° в порядке 1-3-4-2 или 1-2-4-3 такая конструкция — сбалансированная). При этом 4-цилиндровый двигатель имеет примерно на треть меньше деталей, чем 6-цилиндровый того же объёма и мощности, и требует примерно на столько же меньше времени для многих операций по обслуживанию и ремонту. Поэтому она находит применение обычно в сравнительно бюджетных автомобилях с относительно небольшим рабочим объёмом двигателя, а также автомобилях, для которых простота в ремонте и обслуживании важнее уровня комфорта (такси, внедорожники и т. п.).

Современные рядные 4-цилиндровые двигатели имеют рабочий объём обычно от 0,7 до 2,3 литра. С ростом рабочего объёма уровень вибраций значительно возрастает, поэтому на современных двигателях этой конфигурации с рабочим объёмом более 2,0 л, как правило, используются дополнительные балансировочные (успокоительные) валы, позволяющие приблизить уровень вибраций к рядным шестицилиндровым двигателям аналогичного рабочего объёма.

В прошлом, однако, I4 бо́льших рабочих объёмов не были редкостью.

В начале XX века существовали гоночные автомобили с рядными четырёхцилиндровыми двигателями рабочим объёмом 10-17 литров — например, De Dietrich. Мощность этих двигателей, однако, была весьма невелика — обычно порядка 70-100 л. с., что объясняется тем, что их максимальные обороты составляли лишь около 1500 об/мин.

В довоенные годы четырёхцилиндровые автомобильные двигатели большого объёма не были редкостью, особенно на грузовиках. Сюда можно отнести, например, советские ГАЗ М-1, ГАЗ-АА и их производные (3285 см³).

International Harvester с 1915 по 1926 год использовал на своих грузовиках 3,3-литровую нижнеклапанную рядную четвёрку, а в 1961—1972 годах выпускал рядные 4-цилиндровые моторы семейства Comanche рабочим объёмом 2,5 и 3,2 л. Все легковые и грузовые автомобили Ford вплоть до появления в начале 1930-х годов Ford Flathead V8 имели нижнеклапанные рядные четырёхцилиндровые двигатели (фактически двух семейств — Ford T и Ford A). Chrysler c 1926 года и до полного перехода на рядные шестёрки в 1932 году использовал на бюджетных моделях своих марок (S-Series) нижнеклапанные рядные четырёхцилиндровые моторы рабочим объёмом 2,7…3,2 л. Двигатель Pontiac Tempest модели 1961-63 годов имел рабочий объём 3188 см³ и не имел балансировочных валов.

Из относительно недавних примеров, западногерманская фирма Porsche выпускала автомобили с 2990-кубовыми I4.

Советские и российские автомобили «Волга» и УАЗ в течение длительного периода времени (с 1957 по начало 2000-х) оснащались рядными четырёхцилиндровыми двигателями с алюминиевыми гильзованными блоками и клапанным механизмом OHV производства ЗМЗ и УМЗ, которые имели рабочий объём 2,445 литра (имелись версии объёмом 2,9 литра) и не имели балансировочных валов. В настоящее время автомобили УАЗ снабжаются рядными четырёхцилиндровыми моторами производства ЗМЗ семейства 409 (с чугунным блоком и клапанным механизмом DOHC, никак не связанного с ранее упомянутым), с рабочим объёмом 2,7 литра и балансировочными валами.

Все эти двигатели были достаточно малооборотными и относительно тяжёлыми, что, наряду с особыми мерами при конструировании и при правильной настройке, практически сводило на нет нежелательные вибрации по сравнению с I4 меньшего объёма. Хотя, скажем, двигатель «Понтиака» оказался очень чувствителен к настройке карбюратора.

В настоящее время одними из наибо́льших по рабочему объёму серийных рядных четырёхцилиндровых бензиновых двигателей являются японские моторы семейства Toyota 3RZ-FE с рабочим объёмом 2,7 л (Toyota Land Cruiser Prado и другие модели). Четырёхцилиндровые дизели такого и большего объёма не являются редкостью и часто используются на грузовиках и тракторах, для которых уровень вибраций не является определяющим фактором.

V-образный четырёхцилиндровый двигатель — весьма редкая конфигурация. Изредка применялся в начале XX-века на мотоциклах, гоночных автомобилях и самолетах. Массовыми реализациями такой конфигурации в отечественном автопроме были лишь двигатели Мелитопольского моторного завода МеМЗ-965, МеМЗ-966, МеМЗ-968, применявшиеся на автомобилях «Запорожец» и ЛуАЗ. Такая конфигурация была выбрана из соображений достижения компактности силового агрегата как в длину, так и в ширину и упрощения его системы воздушного охлаждения. Однако конфигурация V4 полностью несбалансированная и имеет неравномерное чередование вспышек в цилиндрах. По этой причине автомобили «Запорожец» издают при работе характерный неприятный тарахтящий звук (на самом деле в основном из-за системы воздушного охлаждения, для «водяных» V4 это вовсе нехарактерно, по звуку и характеру работы они несколько напоминают V6, с которыми обычно и унифицированы). В мировой практике V4 водяного охлаждения в своё время находили широчайшее применение в модельном ряду европейского филиала Ford Motor Company, в частности на моделях Ford Taunus и Ford Granada, а также (тот же двигатель) на автомобилях SAAB, на которые он ставился вместо двухтакного трёхцилиндрового, опять же, благодаря компактности.

Оппозитный четырехцилиндровый двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов. В автомобильной и мототехнике оппозитный двигатель применяется для снижения центра тяжести, вместо традиционного V-образного. Оппозитный двигатель, в отличие от других четырёхцилиндровых двигателей, самый сбалансированный. Коленчатый вал оппозитного двигателя испытывает меньшие нагрузки, что позволяет развивать большие обороты двигателя и снимать большую удельную мощность, не увеличивая массу.

По сравнению с рядным 4-цилиндровым двигателем имеет (как и V-образный двигатель) более сложную конструкцию.

Наиболее широкое распространение оппозитный двигатель получил в модели Volkswagen Käfer, выпущенной за годы производства.

Компания Porsche использует его в большинстве своих спортивных и гоночных моделей, таких как Porsche 997, Porsche 987 Boxster и другие.

Оппозитный двигатель является также отличительной чертой автомобилей марки Subaru, который устанавливается практически во все модели Subaru c 1963 года. Большинство двигателей этой фирмы имеют оппозитную компоновку, которая обеспечивает очень высокую прочность и жёсткость блока цилиндров.

Volkswagen Transporter T1 — T3 — бензиновые версии моторов также были оппозитными. Малая высота двигателя позволяла устанавливать его под полом салона.

Оппозитный 4-цилиндровый двигатель устанавливался на Т-26 и некоторые машины Pz I.

По большому счёту, нам, обычным автолюбителям, совершенно не обязательно знать порядок работы цилиндров двигателя. Ну, работает и работает. Да, с этим трудно не согласится. Не нужно до того момента, пока вы не пожелаете своими руками выставить зажигание или не займетесь регулировкой зазоров клапанов.

И совершенно не будет лишним знание о порядке работы цилиндров двигателя автомобиля, когда вам нужно будет подсоединить высоковольтные провода к свечам, либо трубопроводы высокого давления у дизеля. А если вы затеете ремонт головки блока цилиндров?

3D работа двигателя внутреннего сгорания, видео:

Ну согласитесь, смешно будет ехать на автосервис для того, чтобы правильно установить ВВ провода. Да и ехать-то как? Если двигатель троит.

Что значит порядок работы цилиндров двигателя?

Последовательность, с которой чередуются одноименные такты в разных цилиндрах и называется порядком работы цилиндров.

От чего зависит порядок работы цилиндров? Есть несколько факторов, а именно:

  • расположение цилиндров двигателя: однорядное или V-образное;
  • количество цилиндров;
  • конструкция распредвала;
  • тип и конструкция коленвала.

Рабочий цикл двигателя

Рабочий цикл двигателя состоит из газораспределительных фаз. Последовательность этих фаз должна равномерно распределяться по силе воздействия на коленчатый вал. Именно в этом случае происходит равномерная работа двигателя.

Обязательным условием является то, что цилиндры, работающие последовательно, не должны находиться рядом. Для этого и разрабатываются производителями двигателей, схемы порядка работы цилиндров двигателя. Но, во всех схемах порядок работы цилиндров начинает свой отсчет с главного цилиндра №1.

Порядок работы цилиндров у разных двигателей

У двигателей одного типа, но разных модификаций, работа цилиндров может отличаться. Например, двигатель ЗМЗ. Порядок работы цилиндров двигателя 402 – 1-2-4-3, в то время как порядок работы цилиндров двигателя 406 – 1-3-4-2.

Если углубится в теорию работы двигателя, но так, чтобы не запутаться, то мы увидим следующее. Полный рабочий цикл 4-х тактного двигателя проходит за два оборота коленвала. В градусах это равно 720. У 2-х тактного двигателя 360 0 .

Колена вала смещают на определенный угол для того, чтобы вал находился под постоянным усилием поршней. Этот угол напрямую зависит от количества цилиндров и тактности двигателя.

  • Порядок работы 4 цилиндрового двигателя, однорядного, чередование тактов происходит через 180 0 , ну а порядок работы цилиндров может быть 1-3-4-2 (ВАЗ) или 1-2-4-3 (ГАЗ).
  • Порядок работы 6 цилиндрового рядного двигателя 1-5-3-6-2-4 (интервал между воспламенением составляет 120 0 ).
  • Порядок работы 8 цилиндрового V-образного двигателя 1-5-4-8-6-3-7-2 (интервал между воспламенениями 90 0 ).
  • Существует, например, порядок работы 12 цилиндрового двигателя W-образного: 1-3-5-2-4-6 – это левые головки блока цилиндров, а правые: 7-9-11-8-10-12

Для того, чтобы вам был понятен весь этот порядок цифр, рассмотрим пример. У 8 цилиндрового двигателя ЗиЛ порядок работы цилиндров следующий: 1-5-4-2-6-3-7-8. Кривошипы расположены под углом 90 0 .

То есть если в 1 цилиндре происходит рабочий цикл, точерез 90 градусов поворота коленвала, рабочий цикл происходит в 5 цилиндре, и последовательно 4-2-6-3-7-8. В нашем случае один поворот коленвала равен 4 рабочим ходам. Естественным образом напрашивается вывод, что 8 цилиндровый двигатель работает плавне и равномернее, чем 6 цилиндровый.

Скорее всего, глубокое знание порядка работы цилиндров двигателя вашего автомобиля, вам не понадобится. Но общее представление об этом иметь необходимо. А если вы задумаете произвести ремонт, например головки блока цилиндров, то эти знания лишними не будут.

Успехов вам в изучении порядка работы цилиндров двигателя вашего автомобиля.

Особенности работы многоцилиндровых двигателей

Работа четырехцилиндрового однорядного двигателя

Многоцилиндровые двигатели, как уже отмечалось в предыдущей статье, представляют собой конструкцию, объединяющую в единое целое несколько одноцилиндровых двигателей с одним общим коленчатым валом. При этом количество рабочих ходов за два полных оборота коленчатого вала (720˚) в таком двигателе, при работе по четырехтактному циклу, будет равно количеству цилиндров.
В каждом цилиндре протекают одинаковые рабочие процессы, но не одновременно.
Для того, чтобы представить работу многоцилиндрового двигателя, необходимо знать порядок чередования одноименных тактов по цилиндрам и интервалы одноименных тактов в различных цилиндрах. Эти интервалы определяют в углах поворота коленчатого вала, принимая за начало отсчета нахождение поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).

Наиболее равномерная работа многоцилиндрового двигателя имеет место при чередовании тактов расширения в цилиндрах через равные промежутки времени, т. е. через равные углы поворота коленчатого вала. У четырехтактного однорядного двигателя рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (720˚), поэтому при однорядном расположении цилиндров угол поворота коленчатого вала между одноименными тактами в разных цилиндрах должен составлять 720˚/i , где i – число цилиндров двигателя.

Для уменьшения локальной нагрузки на коленчатый вал выбирают такой порядок работы цилиндров, чтобы такты расширения (рабочего хода) не протекали одновременно в смежных цилиндрах. Кроме того, при чередовании тактов рабочего хода в удаленных друг от друга цилиндрах способствует более эффективному и равномерному охлаждению двигателя.

Очевидно, что у четырехтактного четырехцилиндрового однорядного двигателя одноименные такты должны следовать через 180˚ угла поворота коленчатого вала. Следовательно, и шатунные шейки коленчатого вала должны быть расположены под углом 180˚, т. е. лежать в одной плоскости. При этом шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров – в противоположную сторону. Это обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах двигателя. Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах двигателя в течение его рабочего цикла называется порядком работы цилиндров двигателя.

Для четырехцилиндрового рядного двигателя возможны два варианта чередования тактов в цилиндрах: 1-2-4-3 и 1-3-4-2 (нумерация цилиндров ведется от передней части двигателя по ходу автомобиля или, в случае с поперечным расположением двигателя, со стороны, противоположной маховику).
С точки зрения описанных выше требований оба порядка работы цилиндров равноценны, поэтому применяются в разных двигателях, устанавливаемых на автомобилях.
Так, например, на автомобильных двигателях, используемых Горьковским автомобильным заводом (ГАЗ-3102, ГАЗ-2410 т. п.) обычно используют последовательность работы цилиндров 1-2-4-3, а на двигателях автомобилей ВАЗ и Москвич – 1-3-4-2.

Работа четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 подробно описана в Таблице 1.

Таблица 1. Работа однорядного четырехцилиндрового двигателя

Устройство двигателя. Принцип работы ДВС

Общее устройство ДВС:

Двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. б).

Схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания:

а — продольный вид, б — поперечный вид; 1 — головка цилиндра, 2 — кольцо,

3 — палец, 4 — поршень, 5 — цилиндр, 6 — картер, 7 — маховик, 8 — коленчатый вал,

9 — поддон, 10 — щека, 11 — шатунная шейка, 12 — коренной подшипник, 13 — коренная шейка,

14 — шатун, 15, 17- клапаны, 16 — форсунка

Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, следовательно, и с перемещением поршня.

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю: верхней мертвой точкой (ВМТ), соответствующей наибольшему удалению поршня от вала (рис. б), и нижней мертвой точкой (НМТ), соответствующей наименьшему удалению его от вала.

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска с массивным ободом.

Расстояние, проходимое поршнем, между мертвыми точками называется ходом поршня S, а расстояние между осями коренных и шатунных шеек — радиусом кривошипа R (рис. б). Ход поршня равен двум радиусам кривошипа: S = 2R. Объем, который описывает поршень за один ход, называется рабочим объемом цилиндра (Vh):

Vh = (πD²S) / 4

Объем над поршнем (Vc) в положении ВМТ (рис. а) и называется объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема цилиндра (Vh) и объема камеры сгорания (Vc) составляет полный объем цилиндра (Va):

Va = Vh + Vc

Отношение полного объема цилиндра (Va) к объему камеры сгорания (Vc) называется степенью сжатия (е):

е = Va / Vc

Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность.

 

Принцип работы ДВС:

Схема работы двигателя

Практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

  1. Такт впуска — впускается топливо-воздушная смесь
  2. Такт сжатия — смесь сжимается и поджигается
  3. Такт расширения — смесь сгорает и толкает поршень вниз
  4. Такт выпуска — продукты горения выпускаются

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла, такт впуска.

Во время второго такта, такта сжатия, поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий такт, такт расширения — это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

Четвертый такт, такт выпуска, поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему. После этого цикл, начиная с первого такта, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания — элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600 градусов Цельсия. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Как работает двигатель внутреннего сгорания [простым языком]

Что такое цилиндры, турбонаддув, как расшифровывать характеристики двигателя без технической документации

Двигатель внутреннего сгорания работает за счет сжигания бензина и дизельного топлива. Независимо от вида топлива, на котором работает движок, принципы его работы, термины и названия запчастей одинаковы.

Как работает?

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания похож на принцип работы насоса: на одном конце в него втягивается воздух и воспламеняется (внутреннее сгорание), затем, через выхлопную трубу вытесняются отработанные (выхлопные) газы. Движок преобразует энергию сгорания в механическую энергию для движения машины.  Детальная работа «сердца машины» разобрана здесь, а в этой статье обсудим из чего состоит мотор машины и как устроен.

Для описания размера и мощности мотора автомобиля пользуются устоявшимися терминами и маркерами. Правда, не разобравшись в каждом, не сообразишь, что они означают.  Если не до конца понимаете, что собой представляет 1,8-литровый, 4-цилиндровый, V-образный двигатель на 20 клапанов и с турбонаддувом эта статья для вас.

Что означает «1,8-литровый»?

Значение «1,8-литровый», «2-х литровый», «3-х литровый» указывает на объем движка. Объем двигателя влияет на объем воздуха, который тот может переработать в течение одного цикла. Эта величина обычно отображается в литрах или в кубических сантиметрах, в зависимости от производителя, но измерение в сантиметрах встречается крайне редко.

Чем больший объем мотора, тем больше он производит энергии. Больше энергии — больше расход топлива. Правда, инженеры автоконцернов пытаются сломать этот стереотип. О том, как им это удается, читайте в статье журнала Zap-Online.ru: «Топ 10 улучшений в конструкции мотора автомобиля».

Характеристика «4-цилиндровый» означает количество цилиндров в движке

Цилиндром называют камеру двигателя цилиндрической формы, в которой смешиваются и сгорают воздух, и топливо. Каждая такая камера считается одним цилиндром. Чем больше цилиндров, тем больше мощность автомобиля и расход топлива. Для экономии топлива, некоторые современные 8-цилиндровые движки разработаны так, чтобы цилиндры оставались закрытыми, когда их работа не принципиально важна. Эта технология применена в последних моделях Mercedes. На светофоре движок будет работать на холостом ходу, отключив 6 цилиндров и оставив в работе 2, чтобы машина не заглохла. Движок будет смешивать топливо и воздух в двух цилиндрах вместо восьми, перекрыв подачу бензина или солярки в ненужные.

Также будет и на загородной трассе, где водитель, включив круиз-контроль, двигается с одной скоростью до 90 км/ч.

V-образный или рядный двигатель означает угол расположения цилиндров друг к другу — это называется конфигурация мотора

У автомобильных моторов бывают разные конфигурации: разные расположения цилиндров по отношению друг к другу. Размещение цилиндров в один ряд создает «линию» двигателя: 4-рядный– 4 цилиндра в линию, или 6-рядный — 6 цилиндров и т.д. —это общая и простая конфигурация классической силовой установки внутреннего сгорания.

Когда цилиндры расположены противоположно друг другу в угловых блоках, они имеют вид латинской буквы «V». Цифра, следующая за этим символом, опять-таки, обозначает количество цилиндров в одном ряду, например: V-4, V-6, V-8 и т.д.

Три блока цилиндров располагают в форме латинской буквы «W». По количеству цилиндров в одном ряду различают движки W-8, W-12 или W-16. От конфигурации цилиндров зависит физический размер движка и то, как ровно он работает. V – образная форма облегчает ход цилиндров, т.к. сила тяжести распределяется под наклоном, а не вертикально, как на обычных автомобильных моторах. Все эти разработки стали результатом тщательнейших испытаний, которые привели к совершенствованию внутреннего КПД (коэффициента полезного действия) мотора и к его экономичности.

Клапаны

Воздух входит в цилиндры и выходит из них через клапаны, работающие по принципу работы клапанов сердца. Раньше цилиндры имели только два клапана: один для воздуха, который поступает в цилиндр, второй — для выхода отработанных газов. Современные двигатели имеют по три, четыре и даже пять клапанов в каждом цилиндре, что более эффективно перемещает воздух по двигателю, увеличивает мощность автомобиля и сокращает расход топлива. Обычно автопроизводители сообщают общее число клапанов в движке. Разделите это число на количество цилиндров и узнаете, сколько клапанов в каждом из них.

Наддув и турбонаддув

Нагнетание воздуха в двигатель под давлением называется «принудительная индукция». Нагнетанием воздуха можно резко увеличить мощность автомобиля. Наддув работает на ременном приводе от мотора автомобиля и разработан, чтобы немедленно давать дополнительную мощность, когда отработанный газ выходит из движка. Турбонаддув приводится в действие выхлопными газами и требует меньших затрат мощности самого двигателя, что делает его более экономным, чем просто наддув. При этом у турбонаддува реакция на дроссель гораздо медленнее. Еще есть электрический турбонаддув, о нем подробно писали здесь, различия с классическим незначительные. Хотя при увеличении скорости наддувом и турбонаддувом сжигается больше топлива — они позволяют маленьким экономным моторам показывать те же результаты, что и их более большие собратья.  

Остались вопросы по терминологии принципам работы мотора автомобиля? Задавайте их в комментариях, будем рады ответить.

 

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Если полный рабочий цикл ДВС совершается за четыре такта (4 хода поршня), т. е. за два полных обо рота коленчатого вала, то такой двигатель называется четырехтактным; если же рабочий цикл состоит из двух тактов (2 хода поршня), то двигатель считается двухтактным. На рис. 6.1 видно, что полость цилиндра сообщается с внешней средой с помощью двух отверстий, закрываемых клапанами или другим образом. Одно из отверстий является впускным и предназначено для впуска горючей смеси или воздуха, другое — выпускным и служит для выпуска продуктов сгорания. Впускное и выпускное отверстия могут либо полностью перекрываться, либо закрываться попеременно.

Когда поршень занимает крайнее верхнее положение, над ним остается свободное пространство объемом Ус, которое является так называемой камерой сгорания. При перемещении поршня в НМТ в цилиндре освобождается объем Ур, называемый рабочим, который вместе с объемом камеры сгорания Vc образует полный объем цилиндра: V„= Ус+ Vp. Таким образом, поршень, перемещаясь в обратном направлении от НМТ до ВМТ, изменяет объем цилиндра с V„ до VQ, т. е. многократно сжимает газообразные вещества. Поэтому отношение полного объема цилиндра V„ к объему камеры сгорания VQ показывает так называемую степень сжатия в цилиндре е= Vn/Vc, т. е. величину сжатия горючей смеси в момент ее воспламенения. Эта величина зависит от конструкции ДВС. Так, у дизельных двигателей она достигает величины 14…22, а у карбюраторных 6… 10. Когда рабочий объем одного цилиндра Vp умножается на их число, получается рабочий объем двигателя Ул.

Рис. 6.1. Принципиальная схема ДВС

В зависимости от вида применяемого топлива ДВС могут быть дизельными (используется дизельное топливо) и карбюраторными (топливом являются бензин, газ). На автогрейдерах основными двигателями являются многоцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели, в качестве пусковых на них используются одноцилиндровые двухтактные бензиновые двигатели. В общем, принципы работы дизельных и карбюраторных двигателей подобны. Основное отличие состоит в том, что в карбюраторных двигателях для воспламенения рабочей смеси (смеси паров топлива, воздуха, остаточных газов) в цилиндрах используется специальная электрическая система зажигания, а на дизельных двигателях — воспламенение топлива, впрыскиваемого под высоким давлением в камеру сгорания, происходит от высокой температуры воздуха, превышающей температуру вспышки смеси топлива и воздуха, сжатого в камере сгорания поршнем. Кроме того, в дизельных двигателях вначале цилиндры наполняются воздухом, а не горючей смесью (смесь мелкораспыленного жидкого или газообразного топлива с воздухом), как у карбюраторных, и сжимается воздух, а не горючая смесь (поэтому-то степень сжатия, температура и давление в цилиндрах у дизельных двигателей выше, чем у карбюраторных). В связи с этим для дизельных двигателей требуется специальная система впрыска топлива под давлением, в то время как у карбюраторных двигателей горючая смесь поступает за счет разрежения, создаваемого поршнями.

Принцип работы четырехтактного дизельного двигателя. Первый такт — впуск воздуха (рис. 6.2, а) производится при движении поршня от ВМТ до НМТ за счет создаваемого в цилиндре разрежения через открытый впускной клапан, который открывается с опережением до прихода поршня в ВМТ и закрывается с запаздыванием после достижения поршнем НМТ.

Рис. 6.2. Принцип работы четырехтактного дизельного двигателя: а — первый такт — впуск воздуха; 6 — второй такт — сжатие воздуха; в — третий такт — рабочий ход; 4— четвертый такт — выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — впускной клапан; 5 — форсунка; 6 — выпускной клапан; 7 — цилиндр

Второй такт — сжатие воздуха (рис. 6.2,6) происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах. В конце сжатия давление воздуха достигает 3…4 МПа при температуре выше 500° С. В момент, когда поршень несколько не доходит до ВМТ, с помощью форсунки производится впрыск топлива под давлением 20…40 МПа. В нагретом воздухе распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает.

Третий такт — рабочий ход (рис. 6.2,в) происходит при заканчивающемся сгорании топлива и расширении продуктов сгорания, сопровождающемся перемещением поршня от ВМТ к НМТ. С целью лучшей последующей очистки полости цилиндра от отработавших газов выпускной клапан открывается до момента подхода поршня в НМТ.

Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 6.2, г) производится при движении поршня от НМТ к ВМТ, когда выпускной клапан открыт. После этого рабочий цикл двигателя повторяется.

Принцип работы двухтактного карбюраторного двигателя. В отличие от дизельного двигателя для образования горючей смеси в нем использован карбюратор, а система зажигания со свечой, вставленной в головку цилиндра, служит для зажигания горючей смеси (рис. 6.3). В отличие от четырехтактного карбюраторного двигателя в двухтактном двигателе с кривошип- но-камерной продувкой отсутствуют клапаны, а впускное и выпускное отверстия перекрываются самим поршнем. Кроме того, имеется продувочное отверстие и для подачи горючей смеси от карбюратора в цилиндр используется герметичный картер двигателя.

В одном такте двухтактного двигателя сосредоточены не один, а два описанных выше процесса.

Первый такт — рабочий ход поршня (рис. 6.3, а, б) начинается, когда поршень, перекрыв выпускное и продувочное отверстия и открыв впускное отверстие, подходит к ВМТ. Тогда срабатывает свеча, искра от которой воспламеняет сжатую рабочую смесь, в камере сгорания резко повышается температура и давление (до 2,5 МПа). Поршень, под давлением перемещаясь вниз, сначала закрывает впускное отверстие и начинает сжимать рабочую смесь в картере 8 двигателя, а затем открывает выпускное отверстие 2 и продувочное, через которые под давлением (0,1 МПа) рабочей смеси из картера производится удаление отработавших газов и продувка рабочей полости цилиндра. При этом отражатель, установленный на головке поршня, направляет рабочую смесь по всей полости цилиндра, способствуя его очистке от продуктов сгорания. Когда поршень достигает НМТ, начинается его движение вверх.

Рис. 6.3. Принцип работы двухтактного карбюраторного двигателя: а — начало рабочего хода поршня; б—конец рабочего хода поршня; 1 — впускное отверстие; 2 — выпускное отверстие; 3 — шатун; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 — свеча; 7 — продувочное отверстие; 8 — картер; 9—коленчатый вал; 10—карбюратор

Второй такт — сжатие рабочей смеси начинается с продолжающегося удаления отработавших газов и впуска в надпоршневое пространство рабочей смеси. По мере движения поршня вверх сначала перекрывается продувочное отверстие, а затем и выпускное, после чего рабочая смесь сжимается в течение всего движения поршня до ВМТ. В тот момент, когда нижний край поршня открывает впускное отверстие, начинается впуск горючей смеси в полость картера (в подпоршневое пространство). Затем рабочий цикл повторяется.

Принцип и особенности работы поршневых ДВС определили наличие у них следующих основных механизмов и систем: кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня под воздействием давления газов во вращательное движение коленчатого вала; механизм газораспределения, предназначенный для своевременного наполнения цилиндров горючей смесью или воздухом и выпуска отработавших газов в атмосферу; система смазки, предназначенная для очистки и подачи к трущимся сопряженным поверхностям двигателя необходимого для смазки и охлаждения этих поверхностей количества масла; система охлаждения, служащая для охлаждения всех нагреваемых деталей двигателя путем отвода от них тепла; система питания, предназначенная для подачи в цилиндры дозированного количества топлива или горючей смеси в распыленном состоянии; система зажигания (у карбюраторных двигателей), служащая для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах; система пуска, предназначенная для быстрого и уверенного запуска двигателя при любых температурных условиях.

Работу ДВС характеризует такой параметр, как эффективная мощность N3, являющаяся мощностью, снимаемой с коленчатого вала двигателя для производства полезной работы. Мощность указана в паспорте на двигатель. Кроме того, в паспорте дается и регуляторная характеристика двигателя, т. е. зависимости мощности и крутящего момента на валу двигателя от частоты его вращения.

Порядок зажигания в 4х цилиндровых двигателях

Обычно автовладельцы не задумываются о порядке активности цилиндров двигателя своего автомобиля, ограничиваясь знанием числа таковых. И в большинстве случаев просто нет необходимости углубляться в такие технические детали. Но информация о работе цилиндров оказывается полезной, когда нужно, например, выставить зажигания или отрегулировать клапана, в других ситуациях самостоятельной наладки и ремонта, когда нужно починить автомобиль без возможности добраться до СТО, или просто при желании сделать все самому. Далее мы узнаем, каков порядок работы 4-цилиндрового двигателя, и выясним последовательность для некоторых других компоновок.

Атмосферная бензиновая «четверка» – это автомобильная классика. На протяжении многих лет схема отработана почти до совершенства. Сегодня это самый распространенный вариант в массовом сегменте.

Учитывая небольшие размеры такие двигатели устанавливают как вдоль, так и поперек. Обычно их объем составляет от 1 литра до 3,5. Основные преимущества – малый вес и габариты, экономичность, долговечность, простота и дешевизна в обслуживании.

Минусов немного. Главный – относительно небольшие, по сравнению с 6-цилиндровым мотором, мощность и крутящий момент, и, как следствие, недостаточная динамика. Особенно это ощущается на крупных автомобилях от D-класса и выше и, конечно, на кроссоверах.

3 / 16

Теория работы ДВС

Общий принцип функционирования двигателей на бензине или дизтопливе известен, пожалуй, всем – топливо, сгорая в цилиндрах, создает давление газов, которые толкают поршни, и далее усилие преобразуется в крутящий момент, идущий на колеса.

Для того, чтобы двигатель работал равномерно, сгорание топлива происходит не во всех цилиндрах одновременно, а в определенном порядке. За его соблюдение отвечают:

  • конструкция газораспределительного механизма;
  • углы между кривошипами коленвала автомобиля;
  • расположение цилиндров – V-подобное или рядное;
  • устройство системы зажигания для бензиновых авто, и ТНВД – у дизельных.

Volkswagen 1.2 TDI PD и 1.4 TDI PD

Оба маленьких дизельных агрегата с насос-форсунками появились в 1999 году. Самый младший исчез из списка предложений уже через несколько лет, в то время как 1.4 производился вплоть до 2010 года. 1,4-литровый агрегат можно встретить в моделях VW Group: Audi A2, VW Lupo, Polo, Seat Ibiza/Cordoba и Skoda Fabia.

Вызывает сомнения и долговечность. Проблемы появляются после 150-180 тыс. км. Чаще всего выходят из строя турбокомпрессор и топливный насос высокого давления, а временами сбоит электроника. Но самый серьезный недостаток – критическое увеличение осевого зазора коленчатого вала. Демонтаж и шлифовка мало оправданы из-за нарушения балансировки.

Нумерация цилиндров в разных типах ДВС

Что касается стандартов нумерации камер сгорания, то их нет. На то, как они пронумерованы в ДВС, влияют такие факторы:

  • Тип привода;
  • Тип ДВС, компоновка блока;
  • Поперечное либо продольное расположение агрегата под капотом;
  • Сторона вращения.

На стандартных переднеприводных авто с поперечно установленным двигателем нумерация начинается со стороны ГРМ. Так, возле ремня ГРМ находится первый цилиндр и дальше все остальные. Последний находится около КПП.

Примеры

В многоцилиндровых V-образных двигателях первый цилиндр расположен в ряду с водительской стороны.

В двигателях американского производства камеры сгорания и их нумерация может отличаться и не поддаваться логике.

Так, для рядных четверок и шестерок первым может быть цилиндр около радиатора, в то время, как на всех прочих моделях нумерация начинается в сторону салона. Если нумерация обратная, то первым считается цилиндр ближайший к салону.

Французы очень оригинальны и применяют два способа нумерации камер сгорания ДВС.

  • На рядных четверках нумерация начинается от маховика.
  • Если это V-образная шестерка, тогда ближний к радиатору ряд – это первые три цилиндра, а ряд ближе к салону – последние три.

Рядный 4-цилиндровый

Существует две популярные компоновки таких ДВС:

Первое означает расположение цилиндров последовательно, в один ряд, а поршни мотора вращают общий коленвал. Двигатели нередко описывают сокращением I4 или L4, можно также встретить название Inline 4 и вариации. Инженеры располагают цилиндры и вертикально, и под некоторым углом – в зависимости от конструкции двигателя.

Пример блока цилиндров:

Эта цилиндровая компоновка получила широкое распространение в массовых моделях автомобилей, а также в тех транспортных средствах, где важна простота обслуживания и ремонта – внедорожниках, машинах, предназначенных для работы в такси, и т.д.

Кривошипы 1 и 4 цилиндров в конструкции коленвала рядного четырехцилиндрового двигателя расположены под углом 180 град., и под углом 90 – к кривошипам цилиндров 2 и 3. Чтобы создать оптимальное соотношение движущих сил, действующих на кривошипы, двигатели действуют в последовательностях:

  • система 1–2–4–3 – менее популярная;
  • основной вариант 1–3–4–2.

Из отечественных автомашин порядок работы четырехцилиндрового двигателя второго вида использован, к примеру, в продукции концерна ВАЗ, а первый актуален для некоторых двигателей ЗМЗ.

4-цилиндровая оппозитная компоновка

В таком моторе «горшки» размещены в два ряда под 180 градусов. Это позволяет сделать силовой агрегат сбалансированным и снизить центр тяжести, а коленвал получает меньшие нагрузки. Благодаря этому мотор подобной компоновки, при той же массе, выдает больше снимаемой мощности и оборотов.

Цилиндры в этих ДВС работают по отличной схеме: основная 1–3–2–4, и альтернативная 1–4–2–3.

Здесь поршни достигают т.н. «верхней мертвой точки», часто сокращаемой до ВМТ, одновременно с обеих сторон.

Интересно: встречаются машины с V-образными агрегатами на 4 цилиндра, но подобные образцы на рынке относительно редки, основную массу составляют рядные и оппозитные.

Устройство двигателя Ваз 2109

Двигатель Ваз 2109 вид сверху:

1 — колодки с проводами карбюратора, 2 — шланг обратного слива топлива ,3 — шланги отопителя, 4 — шланг вакуумного усилителя, 5 — шланг подачи топлива, 6 — наконечник троса привода сцепления, 7 — провод катушки зажигания, 8 — шланги радиатора, 9 — тяга дроссельной заслонки, 10 — тяга воздушной заслонки, 11 — провод датчика контрольной лампы аварийного давления масла

Двигатель Ваз 2109 вид снизу:

1 — генератор, 2 — правая передняя опора, 3 — двигатель, 4 — коробка передач, 5 — стартер, 6 — выключатель света фонарей заднего хода, 7 — растяжка, 8 — левая передняя опора, 9 — левый привод передних колес, 10 — пробка маслосливного отверстия коробки передач, 11 — задняя опора, 12 — тяга привода переключения передач, 13 — масляный картер, 14 — правый привод передних колес, 15 — пробка маслосливного отверстия двигателя

Как действуют ДВС V6

Для эффективности порядка работы сегодняшних шестицилиндровых двигателей таковой строится также по особой системе. Типичный порядок работы 6 цилиндрового двигателя рядного исполнения – метод 1–5–3–6–2–4. В рассматриваемом форм-факторе силовой агрегат получается достаточно длинным и требует большого подкапотного пространства.

Чтобы снизить габариты, иногда применяют «вэ-подобную» систему. Схема порядка работы «горшков» 6 цилиндровых современных двигателей, V образного форм-фактора – очередность активации 1-4-2-5-3-6.

Интересно: рассматриваемая шестицилиндровая конструкция считается одной из наименее сбалансированных.

Агрегат от Audi, для которого актуален указанный порядок работы V-образного шестицилиндрового автомобильного двигателя:

А как сейчас?

Вопреки расхожему мнению, двигатели с 8 цилиндрами ставят не только на люксовые иномарки, но и на обычные тракторы, грузовики и строительную технику. Как и с двигателями послабее, наиболее сбалансированным видом является рядный тип мотора. Иными словами, когда все цилиндры расположены в ряд. Именно ими долгое время комплектовали самые дорогие автомобили. Особенно ценима такая конструкция была в Америке. Впрочем, рекордсменами здесь являются немцы, высоко ценящие баланс и надежность рядного движка.

Но даже им, со временем, пришлось перейти на V-образные двигатели. Причина проста и банальна – восьмицилиндровый «питон» попросту не вмещался в стандартном моторном отсеке современных авто.

Четыре цилиндра — почему такие двигатели распространены

Наверное, каждый автолюбитель, который более-менее разбирается в моделях машин, замечал, что большинство машин имеют четырехцилиндровые моторы. Давайте разберемся, почем это именно так.

12-ти цилиндровый

На самых заряженных машинах ставили 12-ти цилиндровые двигатели, к примеру, Феррари, Ламборгини или более распространённые у нас Фольцвагеновские двигатели W12.

Последовательность работы следующая:

1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10 у Ferrari 456M GT V12 2001 года
1-7-4-10-2-8-6-12-3-9-5-11 у Lamborghini Diablo VT 1997 года
1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9 у Audi VW Bentley с двигателем W12.

Чтобы гарантировать законность услуги обмена авто с пробегом и ее объективную стоимость, процесс купли-продажи стоит проводить в проверенном автоцентре. Здесь клиенту предложат:

Таким образом при минимальном наличии документов возможно купить автомобиль улучшенной комплектации в течение от одного до трех дней. Услуга обмена авто с пробегом дает возможность регулярно менять автопарк владельца, приобретая его лучшие модели.

Четыре цилиндра за счет специальной балансировки можно сделать сбалансированными без дополнительных усилий. Если вы помните, обычно порядок работы цилиндров.

Это позволяет уменьшить вибрации, максимально эффективно использовать энергию. Стандартом считается, что два поршня будут внизу, а еще два вверху, обеспечивая равномерное, без рывков движение. Достигается это нахождением каждой пары цилиндров в противофазе.

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию и в механическую работу непосредственно в рабочем цилиндре. Преобразование тепловой энергии в механическую происходит путем расширения продуктов сгорания. Рассмотрим принцип работы ДВС на примере карбюраторного двигателя, схема которого нада на рис. 1.

Рис. 1 Схема работы 4-тактного карбюраторного двигателя

Радиус кривошипа здесь обозначен буквой R, ход поршня – S (S = 2R). Рабочий цикл двигателя осуществляется за 2 оборота коленчатого вала или на 4 полных хода поршня (4 такта). Поэтому двигатель – 4-тактный. Справа на рисунке приведена диаграмма работы двигателя в осях “давление p – ход поршня S” (или объем V, описываемый поршнем при движении). Рассмотрим последовательность тактов, начиная с точки «o» диаграммы цикла, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), всасывающий клапан открыт, давление в цилиндре равно давлению окружающей среды po:

Последовательность тактов

  • Впуск (линия oa) — поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), впускной клапан открыт, выпускной клапан — закрыт. В цилиндр поступает горючая смесь (воздух и пары бензина), получаемая в смесителе-карбюраторе, расположенном на всасывающем патрубке двигателя. В конце такта (в НМТ) впускной клапан закрывается.
  • Сжатие (линия ac) — поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, давление и температура рабочего тела в цилиндре по ходу поршня возрастает.
  • Рабочий ход (линия zb) — в конце хода сжатия у ВМТ горючая смесь воспламеняется с помощью электрической свечи, происходит процесс быстрого горения при постоянном объеме (линия cz и затем — расширение газов (zb) с совершением поршнем полезной работы при его перемещении от ВМТ к НМТ. Оба клапана закрыты.
  • Выпуск (линия bao) — в конце рабочего хода у НМТ открывается выпускной клапан. В этот момент давление газа в цилиндре больше давления окружающего воздуха po. Поэтому продукты сгорания выходят с большой скоростью в атмосферу, давление в цилиндре резко падает (линия ba). Оставшиеся в цилиндре продукты сгорания выталкиваются при движении поршня от НМТ к ВМТ через открытый выпускной клапан. У ВМТ выпускной клапан закрывается, открывается впускной клапан. Цикл повторяется сначала.

В 4-х тактном дизеле последовательность тактов — та же, что и в карбюраторном двигателе. Однако в период впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а свежий заряд воздуха. Топливо подается в цилиндр в мелкораспыленном виде в конце такта сжатия (у ВМТ вблизи точки c цикла), конец подачи – в районе точки z цикла. Топливный насос высокого давления подает топливо в цилиндр через распылитель форсунки в мелкораспыленном виде. Топливо самовоспламеняется в объеме камеры сжатия Vc. Часть топлива, поданного в цилиндр до самовоспламенения, горит при практически постоянном объеме (линия cz1). Поскольку топливо продолжает подаваться в цилиндр после начала воспламенения – оно сгорает при примерно постоянном давлении в начальный период рабочего хода (линия z1z). Теоретическая диаграмма работы такого 4-тактного дизеля дана на рис. 2.

Рис. 2 Диаграмма работы 4-тактного двигателя

В остальном цикл аналогичен циклу карбюраторного двигателя.

Рекомендуется к прочтению: Режимы обкатки судовых ДВС

В 2-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 1 оборот коленчатого вала (2 хода поршня). Рассмотрим принцип его действия на примере 2-тактного крейцкопфного дизеля с контурной продувкой цилиндра (рис. 3).

Рис. 3 Схема 2-тактного крейцкопфного дизеля

В нижней части втулки цилиндра имеются продувочные А и выпускные В окна. Примем, что выпускные окна несколько выше продувочных. Открытием и закрытием окон управляет поршень рабочего цилиндра. В конце рабочего хода поршень своей верхней кромкой открывает выпускные окна В, давление в цилиндре в этот момент выше атмосферного. Поэтому под действием разности давления продукты сгорания выбрасываются из цилиндра в атмосферу (линия ba на теоретической диаграмме работы 2-тактного дизеля, рис. 4). Эта фаза рабочего цикла называется “свободным выпуском“.

Рис. 4 Диаграмма работы 2-тактного дизеля

Продувочные окна А открываются при дальнейшем нисходящем ходе поршня к НМТ. В этот момент давление в цилиндре станет примерно равным давлению в продувочном ресивере. Предварительно сжатый воздух из продувочного ресивера через окна А поступает в цилиндр и выталкивает из него оставшиеся продукты сгорания через окна В. Эта фаза очистки называется “принужденным выпуском”.

Одновременно с выталкиванием продуктов сгорания свежий воздух заполняет объем цилиндра и частично выходит вместе с отработавшими газами в атмосферу. Эту фазу называют “продувкой” рабочего цилиндра. Принужденный выпуск и продувка протекают одновременно от момента открытия продувочных окон при движении поршня к НМТ до их полного закрытия при движении поршня от НМТ к ВМТ (линия аоа на диаграмме).

Читайте также: Испытания судовых ДВС

Процесс очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом носит название “газообмен”. Как видно, в 2-тактном дизеле газообмен осуществляется лишь на части хода поршня, при его нахождении в районе НМТ.

После закрытия продувочных и выпускных окон в 2-тактном двигателе начинается процесс сжатия и далее — как у 4-тактного двигателя.

Индикаторная работа Li – это полезная работа газов в цилиндре за цикл, определяемая в масштабе mF площадью Facz1zb диаграммы acz1zb на рисунках 2-4:

Li = mF Facz1zb.           Форм. 1

Рабочий объем цилиндра Vs – это объем, описываемый поршнем диаметром D при ходе S:

Vs = πD2/4·S.           Форм. 2

Среднее индикаторное давление pmi – это отношение индикаторной работы Li к рабочему объему цилиндра Vs:

pmi = Li/Vs.           Форм. 3

Иначе: среднее индикаторное давление – это условное давление, постоянное на всем ходе поршня которое совершает ту же работу, что и переменное давление газов в цилиндре.

Полный объем цилиндра Vn – объем цилиндра при положении поршня в НМТ:

Vn = Vc+Vs,          Форм. 4

где:

  • Vc – объем камеры сжатия.

Степень сжатия ε – отношение объемов в точках a и c цикла (рис. 2):

ε = Va/Vc.          Форм. 5

Степень предварительного расширения ρ – отношение объемов в точках z и c:

ρ = Vz/Vc.          Форм. 6

Степень последующего расширения δ – отношение объемов в точках b(a) и z:

δ = Va/Vz = ε/ρ.         Форм. 7

Степень повышения давления λ – отношение давлений в точках z и c:

λ = Pz/Pc.          Форм. 8

Эти понятия используются при анализе циклов как 2-тактных, так и 4-тактных ДВС.

Сноски

Sea-Man

Февраль, 13, 2015 3208 0

5 / 5 ( 7 голосов )

Общее устройство и работа двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип двигателя легкового автомобиля. Работа двигателя этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании. Источником теплоты в двигателе является смесь топлива с воздухом (горючая смесь).

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов: бензиновые и дизельные. В бензиновом двигателе горючая смесь (бензина с воздухом) воспламеняется внутри цилиндра от искры, образующейся на свече зажигания 3 (рис. 3). В дизельном двигателе горючая смесь (дизельного топлива с воздухом) воспламеняется от сжатия, а свечи зажигания не применяются. На обоих типах двигателей давление образующейся при сгорании горючей смеси газов повышается и передается на поршень 7. Поршень перемещается вниз и через шатун 8 действует на коленчатый вал 11, принуждая его вращаться. Для сглаживания рывков и более равномерного вращения коленчатого вала на его торце устанавливается массивный маховик 9.

Рис.3. Схема одноцилиндрового двигателя.

Рассмотрим основные понятия о ДВС и принцип его работы.

В каждом цилиндре 2 (рис. 4) установлен поршень 1. Крайнее верхнее его положение называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на половину оборота.

Рис.4. Схема цилиндра

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в ВМТ.

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

Рабочий объем двигател — это рабочий объем всех цилиндров двигателя. Его выражают в литрах, поэтому нередко называют литражом двигателя.

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

Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. Степень сжатия у бензинового двигателя равна 8…10, у изельного — 20… 30.

От степени сжатия следует отличать компрессию.

Компрессия — это давление в цилиндре в конце такта сжатия характеризует техническое состояние (степень изношенности) двигателя. Если компрессия больше или численно равна степени сжатия, состояние двигателя можно считать нормальным.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу двигатель совершает в единицу времени. Мощность измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с), при этом одна лошадиная сила приблизительно равна 0,74 кВт.

Крутящий момент двигателя численно равен произведению силы, действующей на поршень во время расширения газов в цилиндре, на плечо ее действия (радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки коленчатого вала). Крутящий момент определяет силу тяги на колесах автомобиля: чем больше крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля.

Максимальные мощность и крутящий момент развиваются двигателем при определенных частотах вращения коленчатого вала (указаны в технической характеристике каждого автомобиля).

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

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Он протекает в одном цилиндре в такой последовательности (рис. 5):

Рис.5. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис.6. Схема работы четырехцилиндрового двигателя

1 -й такт — впуск. При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

2-й такт — сжатие. Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

3-й такт — рабочий ход, или расширение. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, которая воспламеняет рабочую смесь (в дизельном двигателе рабочая смесь самовоспламеняется). Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал;

4-й такт — выпуск. Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

При последующем ходе поршня вниз цилиндр вновь заполняется рабочей смесью, и цикл повторяется.

Как правило, двигатель имеет несколько цилиндров. На отечественных автомобилях обычно устанавливают четырехцилиндровые двигатели (на автомобилях «Ока» —двухцилиндровый). В многоцилиндровых двигателях такты работы цилиндров следуют друг за другом в определенной последовательности. Чередование рабочих ходов или одноименных тактов в цилиндрах многоцилиндровых двигателей в определенной последовательности называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров в четырехцилиндровом двигателе чаще всего принят I —3—4—2 или реже I —2—4—3, где цифры соответствуют номерам цилиндров, начиная с передней части двигателя. Схема на рис. 6 характеризует такты, происходящие в цилиндрах во время первого полуоборота коленчатого вала. Порядок работы двигателя необходимо знать для правильного присоединения проводов высокого напряжения к свечам при установке момента зажигания и для последовательности регулировки тепловых зазоров в клапанах.

В действительности любой реальный двигатель гораздо сложнее упрощенной схемы, представленной на рис. 3. Рассмотрим типовые элементы конструкции двигателя и принципы их работы.

Диаграмма давление-объем (pV) и то, как работа выполняется в ДВС — x-engineer.org

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель . Принцип его работы основан на изменении давления и объема внутри цилиндров двигателя. Все тепловые двигатели характеризуются диаграммой давление-объем , также известной как диаграмма pV , которая в основном показывает изменение давления в цилиндре в зависимости от его объема для полного цикла двигателя.

Кроме того, работа , производимая двигателем внутреннего сгорания, напрямую зависит от изменения давления и объема внутри цилиндра.

К концу этого руководства читатель должен уметь:

  • понять значение диаграммы pV
  • как нарисовать диаграмму pV для 4-тактного двигателя внутреннего сгорания
  • при впуске и выпуске клапаны приводятся в действие во время цикла двигателя
  • , когда зажигание / впрыск производится во время цикла двигателя
  • как работа создается двигателем внутреннего сгорания
  • какая разница между указанным и работа тормоза
  • каков механический КПД двигателя

Давайте начнем с рассмотрения pV-диаграммы четырехтактного атмосферного двигателя внутреннего сгорания.

Изображение: График давление-объем (pV) для типичного 4-тактного ДВС

, где:

S — ход поршня
V c — зазорный объем
V d — смещенный (рабочий) объем
p 0 — атмосферное давление
W — работа
ВМТ — верхняя мертвая точка
НМТ — нижняя мертвая точка
IV — впускной клапан
EV — выпускной клапан
IVO — открытие впускного клапана
IVC — закрытие впускного клапана
EVO — открытие выпускного клапана
EVC — закрытие выпускного клапана
IGN (INJ) — зажигание (впрыск)

Диаграмма давление-объем (pV) построена путем измерения давления внутри цилиндра и нанесения его значения в зависимости от угла поворота коленчатого вала на протяжении всего цикл двигателя (720 °).

Давайте посмотрим, что происходит в цилиндре во время каждого хода поршня, как изменяются давление и объем внутри цилиндра.

Обратите внимание, что синхронизация впускных и выпускных клапанов имеет опережение и задержку относительно положения поршня. Например, впускной клапан открывается во время такта выпуска поршня и закрывается во время такта сжатия. В то же время, когда начинается такт впуска, выпускной клапан еще некоторое время открыт.Открытие выпускного клапана происходит до завершения рабочего хода.

ВПУСК (a-b)

Цикл двигателя начинается в точке a . Впускной клапан уже открыт, и поршень движется от ВМТ к НМТ. Объем постоянно увеличивается по мере того, как поршень перемещается по длине хода. Максимальный объем достигается, когда поршень находится в НМТ. Давление ниже атмосферного на протяжении всего хода, потому что движение поршня создает объем, а воздух втягивается внутрь цилиндра из-за эффекта вакуума.

СЖАТИЕ (b-c)

После того, как поршень прошел НМТ, начинается такт сжатия. В этой фазе объем начинает уменьшаться, а давление увеличиваться. Требуется некоторое время, пока давление в цилиндре не превысит атмосферное, чтобы впускной клапан оставался открытым даже после прохождения поршнем НМТ. По мере того, как поршень приближается к ВМТ, давление постепенно увеличивается. Примерно за 25 ° до ВМТ срабатывает зажигание, и давление быстро повышается до максимального.

МОЩНОСТЬ (c-e)

После события зажигания / впрыска давление в цилиндре резко повышается, пока не достигнет максимальных значений p max . Значение максимального давления зависит от типа двигателя, на каком топливе он используется. Для типичного двигателя легкового автомобиля максимальное давление в цилиндре может составлять около 120 бар (бензин) или 180 бар (дизель). Рабочий ход начинается, когда поршень движется от ВМТ к НМТ. Высокое давление в цилиндре толкает поршень, поэтому объем увеличивается, а давление начинает постепенно падать.

ВЫХЛОП (e-a)

После рабочего хода поршень снова находится в НМТ. Объем цилиндра снова равен максимальному значению, а давление — примерно минимальному (атмосферное давление). Поршень начинает двигаться в сторону ВМТ и выталкивает сгоревшие газы из цилиндра.

Как видите, давление и объем внутри цилиндров двигателя постоянно меняются. Мы увидим, что работа, производимая ДВС, зависит от изменений давления и объема.

Работа Вт [Дж] — это произведение между силой F [Н] , которая толкает поршень, и смещением, которое в нашем случае составляет ход S [м] .

\ [W = F \ cdot S \ tag {1} \]

Мы знаем, что давление — это сила, разделенная на площадь, поэтому:

\ [F = p \ cdot A_p \ tag {2} \]

где p [ Па] — давление внутри цилиндра, а A p 2 ] — площадь поршня.

Замена (2) в (1) дает:

\ [W = p \ cdot A_p \ cdot S \ tag {3} \]

Мы знаем, что умножая расстояние на площадь, мы получаем объем, следовательно:

\ [W = p \ cdot V \ tag {4} \]

Это мгновенная работа , произведенная в цилиндре для определенного давления и объема.Чтобы определить работу для полного цикла двигателя, нам нужно интегрировать мгновенную работу:

\ [W = \ int F \ cdot dx = \ int p \ cdot A_p \ cdot dx \ tag {5} \]

, где x ход поршня.

Произведение между ходом поршня и площадью поршня дает дифференциальный объем dV , смещенный поршнем:

\ [dV = A_p \ cdot dx \ tag {6} \]

Замена (6) в (5 ) дает работу , произведенную в цилиндре за полный цикл :

\ [\ bbox [# FFFF9D] {W = \ int p \ cdot dV} \ tag {7} \]

Поскольку подавляющее большинство Если двигатель внутреннего сгорания имеет несколько цилиндров, мы собираемся ввести более подходящий параметр для количественной оценки работы, которым является удельная работа Вт [Дж / кг] .

\ [w = \ frac {W} {m} \ tag {8} \]

где м [кг] — масса топливовоздушной смеси внутри цилиндров за полный цикл.

Мы можем также определить удельный объем v [m 3 / кг] как:

\ [v = \ frac {V} {m} \ tag {9} \]

Производная от удельного объем будет:

\ [dv = \ frac {1} {m} \ cdot dV \ tag {10} \]

, откуда мы можем записать:

\ [dV = m \ cdot dv \ tag {11} \]

Замена (7) в (8) дает:

\ [w = \ frac {1} {m} \ int p \ cdot dV \ tag {12} \]

Из (11) и (12) мы получаем математическое выражение удельной работы для полного цикла двигателя:

\ [\ bbox [# FFFF9D] {w = \ int p \ cdot dv} \]

Работа, производимая внутри цилиндров двигателя, называется , указывается удельная работа , w i [Дж / кг] .Что мы получаем на коленчатом валу, так это удельная работа тормоза w b [Дж / кг] . Это называется «тормозом», потому что при испытании двигателей на испытательном стенде они подключаются к тормозному устройству (гидравлическому или электрическому), которое имитирует нагрузку.

Чтобы получить работу тормоза, мы должны вычесть из указанной работы все потери двигателя. Потери связаны с внутренним трением и вспомогательными устройствами, которые требуют энергии от двигателя (масляный насос, водяной насос, нагнетатель, компрессор кондиционера, генератор переменного тока и т. Д.). Эти потери имеют эквивалент удельной работы на трение w f [Дж / кг] .

\ [w_b = w_i — w_f \]

Посмотрев на указанную выше диаграмму давление-объем (pV), мы можем увидеть, что есть две отдельные области:

  • верхняя область, образованная во время сжатия и силовых ударов ( + W)
  • нижняя область, образующаяся во время тактов выпуска и впуска (-W), также называемая насосная работа

В зависимости от значения давления всасывания рабочая область нагнетания может быть отрицательной или положительной.Для атмосферных двигателей насосная работа отрицательна, потому что она использует энергию двигателя для выталкивания выхлопных газов из цилиндров и всасывания свежего воздуха во время впуска.

Для бензиновых атмосферных двигателей из-за дросселирования всасываемого воздуха насосные потери выше и максимальны на холостом ходу. Дизельные двигатели более эффективны, чем бензиновые, потому что на впуске нет дроссельной заслонки, а нагрузка регулируется за счет впрыска топлива.

Если разделить удельный крутящий момент тормоза на указанный удельный крутящий момент, мы получим механический КПД двигателя η м [-] :

\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta_m = \ frac {w_b} {w_i}} \]

Для большинства двигателей механический КПД составляет около 80-85% при полной нагрузке (полностью открытая дроссельная заслонка) и падает до нуля на холостом ходу, когда весь крутящий момент двигателя используется для поддержания холостого хода. скорость, а не движущая сила.

По любым вопросам, наблюдениям и запросам относительно этой статьи используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели с циклом Отто (обновлено 22 апреля 2012 г.)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

d) Цикл Отто стандарта воздуха (искровое зажигание) Двигатель

The Air Стандартный цикл Отто — идеальный цикл для Искрового зажигания (SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные Николаус Отто более 130 лет назад, и который в настоящее время используется чаще всего автомобили.Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство представляет описание четырехтактный Операция цикла Отто , включая короткую история Николауса Отто. И снова у нас отличная анимация производство Matt Keveney представляет как четырехтактный и двухтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием операция

Анализ цикла Отто очень похож на тот из дизельного цикла, который мы анализировали в предыдущем Раздел .Мы воспользуемся идеалом «стандартное» допущение в нашем анализе. Таким образом, рабочий жидкость — это фиксированная масса воздуха, совершающего полный цикл, который относился во всем как к идеальному газу. Все процессы идеальны, сгорание заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп — заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в начальное состояние.

Самое существенное отличие идеального Цикл Отто и идеальный дизельный цикл — это метод зажигания топливно-воздушная смесь.Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температура воспламенения топлива. Затем впрыскивается топливо так, чтобы процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеале Отто цикл: топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжат до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1) и является затем воспламеняется от искры. Возгорание приводит к внезапному скачку давление, в то время как объем остается практически постоянным.В продолжение цикла, включая расширение и выхлоп процессы практически идентичны идеальным дизельным двигателям. цикл. Считаем удобным разработать аналитический подход идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:

Решенная задача 3.7 An идеальный двигатель с воздушным стандартным циклом Отто имеет степень сжатия 8. При начало процесса сжатия рабочая жидкость на 100 кПа, 27 ° C (300 K) и 800 кДж / кг тепла во время процесс добавления тепла с постоянным объемом.Аккуратно нарисуйте давление-объем [ P-v ] диаграмму для этого цикла, и используя значения удельной теплоемкости для воздуха при типичная средняя температура цикла 900K определить:

  • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса

  • б) сеть производительность / цикл [кДж / кг], и

  • c) тепловой КПД [η th ] этого цикла двигателя.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы P-v полный цикл, включая всю актуальную информацию.Мы замечаем что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будет в конкретных количествах.

Считаем, что топливно-воздушная смесь представлена чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и адиабатический процесс для воздуха:

Напомним из предыдущего раздела, что номинальная Значения удельной теплоемкости, используемые для воздуха при 300K, составляют C v = 0,717 кДж / кг.K ,, и k = 1,4. Однако все они функции температуры, а также с чрезвычайно высокой температурой диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить существенные ошибки.В этой задаче мы используем типичный средний цикл температура 900К взята из таблицы . Теплоемкость воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определить температуру и давление в конце каждого процесса, как а также о проделанной работе и тепле, передаваемом во время каждого процесса.

Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2 выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.Мы делаем это ниже в качестве проверки действительности, однако мы находим это больше По возможности удобно использовать уравнение состояния идеального газа. Любой метод удовлетворителен.

Мы продолжаем последний процесс определения отклонено тепло:

Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к все четыре процесса позволяют нам два альтернативных способа оценки «чистая производительность за цикл» и термический КПД, следующим образом:

Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости более цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из отношение удельных теплоемкостей k по формуле:


где r — степень сжатия

Quick Quiz: Использование тепла и уравнения энергии работы, полученные выше, выводят это соотношение

Задача 3.8 Это является расширением Решенной задачи 3.7, в котором мы хотим использовать во всех четырех процессах номинальная стандартная удельная теплоемкость значения емкости для воздуха при 300К. Используя значения C v = 0,717 кДж / кг · К и k = 1,4, определите:

  • а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса [P 2 = 1838 кПа, Т 2 = 689К, Т 3 = 1805K, P 3 = 4815 кПа, P 4 = 262 кПа, Т 4 = 786 КБ]

  • б) сеть выход / цикл [451.5 кДж / кг], и

  • c) тепловой КПД этого цикла двигателя. [η th = 56%]

______________________________________________________________________________________


Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

% PDF-1.4 % 2394 0 объект > эндобдж xref 2394 285 0000000016 00000 н. 0000010652 00000 п. 0000010818 00000 п. 0000011227 00000 п. 0000011626 00000 п. 0000012409 00000 п. 0000012461 00000 п. 0000013135 00000 п. 0000013250 00000 п. 0000013501 00000 п. 0000013759 00000 п. 0000014169 00000 п. 0000020889 00000 н. 0000021077 00000 п. 0000023885 00000 п. 0000026780 00000 п. 0000029537 00000 п. 0000031954 00000 п. 0000034729 00000 п. 0000037585 00000 п. 0000037710 00000 п. 0000037811 00000 п. 0000040553 00000 п. 0000043038 00000 п. 0000046010 00000 п. 0000046148 00000 п. 0000046301 00000 п. 0000046453 00000 п. 0000046605 00000 п. 0000046758 00000 н. 0000046911 00000 п. 0000047064 00000 п. 0000047217 00000 п. 0000047370 00000 п. 0000047521 00000 п. 0000047672 00000 п. 0000047825 00000 п. 0000047978 00000 п. 0000048130 00000 н. 0000048281 00000 п. 0000048433 00000 п. 0000048586 00000 п. 0000048739 00000 п. 0000048892 00000 п. 0000049045 00000 п. 0000049198 00000 п. 0000049351 00000 п. 0000049504 00000 п. 0000049657 00000 п. 0000049810 00000 п. 0000049963 00000 н. 0000050116 00000 п. 0000050267 00000 п. 0000050418 00000 п. 0000050571 00000 п. 0000050724 00000 п. 0000050877 00000 п. 0000051030 00000 п. 0000051183 00000 п. 0000051336 00000 п. 0000051489 00000 п. 0000051642 00000 п. 0000051795 00000 п. 0000051948 00000 п. 0000052101 00000 п. 0000052254 00000 п. 0000052407 00000 п. 0000052560 00000 п. 0000052713 00000 п. 0000052866 00000 п. 0000053019 00000 п. 0000053168 00000 п. 0000053317 00000 п. 0000053468 00000 п. 0000053619 00000 п. 0000053770 00000 п. 0000053921 00000 п. 0000054072 00000 п. 0000054223 00000 п. 0000054374 00000 п. 0000054525 00000 п. 0000054678 00000 п. 0000054831 00000 п. 0000054984 00000 п. 0000055135 00000 п. 0000055286 00000 п. 0000055439 00000 п. 0000055592 00000 п. 0000055745 00000 п. 0000055898 00000 п. 0000056051 00000 п. 0000056204 00000 п. 0000056355 00000 п. 0000056506 00000 п. 0000056658 00000 п. 0000056810 00000 п. 0000056963 00000 п. 0000057116 00000 п. 0000057269 00000 п. 0000057422 00000 п. 0000057574 00000 п. 0000057726 00000 п. 0000057879 00000 п. 0000058032 00000 п. 0000058185 00000 п. 0000058338 00000 п. 0000058489 00000 п. 0000058640 00000 п. 0000058793 00000 п. 0000058946 00000 п. 0000059099 00000 н. 0000059252 00000 п. 0000059405 00000 п. 0000059558 00000 п. 0000059705 00000 п. 0000059850 00000 п. 0000060001 00000 п. 0000060154 00000 п. 0000060307 00000 п. 0000060460 00000 п. 0000060613 00000 п. 0000060766 00000 п. 0000060919 00000 п. 0000061072 00000 п. 0000061225 00000 п. 0000061378 00000 п. 0000061531 00000 п. 0000061684 00000 п. 0000061834 00000 п. 0000061984 00000 п. 0000062137 00000 п. 0000062290 00000 п. 0000062441 00000 п. 0000062592 00000 п. 0000062743 00000 п. 0000062892 00000 п. 0000063043 00000 п. 0000063196 00000 п. 0000063349 00000 п. 0000063502 00000 п. 0000063655 00000 п. 0000063808 00000 п. 0000063961 00000 п. 0000064114 00000 п. 0000064267 00000 п. 0000064419 00000 п. 0000064571 00000 п. 0000064724 00000 н. 0000064877 00000 п. 0000065029 00000 п. 0000065181 00000 п. 0000065334 00000 п. 0000065487 00000 п. 0000065640 00000 п. 0000065793 00000 п. 0000065944 00000 п. 0000066095 00000 п. 0000066248 00000 п. 0000066401 00000 п. 0000066553 00000 п. 0000066705 00000 п. 0000066856 00000 п. 0000067007 00000 п. 0000067160 00000 п. 0000067311 00000 п. 0000067462 00000 п. 0000067615 00000 п. 0000067768 00000 п. 0000067921 00000 п. 0000068074 00000 п. 0000068227 00000 п. 0000068380 00000 п. 0000068532 00000 п. 0000068684 00000 п. 0000068837 00000 п. 0000068990 00000 п. 0000069143 00000 п. 0000069296 00000 п. 0000069449 00000 п. 0000069601 00000 п. 0000069753 00000 п. 0000069906 00000 н. 0000070059 00000 п. 0000070212 00000 п. 0000070365 00000 п. 0000070518 00000 п. 0000070671 00000 п. 0000070822 00000 п. 0000070973 00000 п. 0000071125 00000 п. 0000071277 00000 п. 0000071430 00000 п. 0000071582 00000 п. 0000071734 00000 п. 0000071887 00000 п. 0000072038 00000 п. 0000072187 00000 п. 0000072338 00000 п. 0000072491 00000 п. 0000072644 00000 п. 0000072797 00000 п. 0000072950 00000 п. 0000073103 00000 п. 0000073254 00000 п. 0000073405 00000 п. 0000073552 00000 п. 0000073699 00000 п. 0000073852 00000 п. 0000074005 00000 п. 0000074157 00000 п. 0000074309 00000 п. 0000074462 00000 п. 0000074615 00000 п. 0000074767 00000 п. 0000074919 00000 п. 0000075072 00000 п. 0000075550 00000 п. 0000075703 00000 п. 0000075856 00000 п. 0000076009 00000 п. 0000076162 00000 п. 0000076315 00000 п. 0000076468 00000 п. 0000076621 00000 п. 0000076774 00000 п. 0000076927 00000 п. 0000077080 00000 п. 0000077233 00000 п. 0000077384 00000 п. 0000077533 00000 п. 0000077684 00000 п. 0000077837 00000 п. 0000077990 00000 п. 0000078143 00000 п. 0000078296 00000 п. 0000078449 00000 п. 0000078602 00000 п. 0000078755 00000 п. 0000078908 00000 п. 0000079061 00000 п. 0000079213 00000 п. 0000079365 00000 п. 0000079518 00000 п. 0000079671 00000 п. 0000079824 00000 п. 0000079977 00000 н. 0000080130 00000 п. 0000080281 00000 п. 0000080432 00000 п. 0000080585 00000 п. 0000080737 00000 п. 0000080889 00000 п. 0000081040 00000 п. 0000081191 00000 п. 0000081344 00000 п. 0000081496 00000 п. 0000081648 00000 н. 0000081799 00000 п. 0000081950 00000 п. 0000082103 00000 п. 0000082256 00000 п. 0000082409 00000 п. 0000082562 00000 н. 0000082713 00000 н. 0000082864 00000 п. 0000083017 00000 п. 0000083170 00000 п. 0000083323 00000 п. 0000083476 00000 п. 0000083627 00000 п. 0000083778 00000 п. 0000083931 00000 н. 0000084084 00000 п. 0000084239 00000 п. 0000084396 00000 п. 0000084553 00000 п. 0000084709 00000 п. 0000084865 00000 п. 0000085022 00000 п. 0000085162 00000 п. 0000102910 00000 н. 0000141178 00000 н. 0000141331 00000 н. 0000010428 00000 п. 0000006123 00000 н. трейлер ] / Назад 2066931 / XRefStm 10428 >> startxref 0 %% EOF 2678 0 объект > поток h [P -%! U! @ Xe5 @.* «»: ˪: ࠣ3> | TUb [tsOws

1. Введение

Устойчивость Устойчивость Устойчивость Устойчивость2071-1050MDPI10.3390 / su

07sustainability-09-00007Статья Формулировка схемы контроля для производства водорода по запросу для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания Garcorlesarlesía1 * Гомес-Агилар, Хосе Франсиско3, Гарсия-Бельтран, Карлос Даниэль2, Оливарес-Перегрино, Виктор Хьюго, 2 Розен, Марк А. Академический редактор1, Государственный центр исследований и исследований, Национальный исследовательский центр, Сьерра-Леоне, провинция Северная Пальмира, провинция Пальмира.P.62490, Mexico2Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Interior Internado Palmira S / N, Palmira, Cuernavaca CP62490, Mexico3Conacyt-Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, Mexico S / Cuernológico, Interior 24 Palmira Переписка: [email protected]; Тел .: + 52-777-362-7795221220160120179171511201614122016 © 2016 Авторы; лицензиат MDPI, Базель, Швейцария, 2016

Эта статья представляет собой статью в открытом доступе, распространяемую в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution (CC-BY) (http: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0 /).

В этой работе представлена ​​стратегия управления производством водорода по запросу для питания двигателя внутреннего сгорания (ВС). С этой целью разработано моделирование двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине, смешанном с 10% об. Безводного этанола (E10) и водородом в качестве присадки. Считается, что газообразный водород производится в соответствии с потребностями двигателя внутреннего сгорания, а газообразный водород получают с помощью щелочного электролизера. Смесь бензина и этанола, добавляемая в камеру сгорания, определяется в соответствии со стехиометрическим соотношением, а производство газообразного водорода регулируется пропорционально-интегральным контроллером (стр.Я.). Задание контроллера изменяется в зависимости от массового расхода воздуха, подаваемого в цилиндр, для обеспечения адекватного производства газообразного водорода для любых рабочих условий двигателя внутреннего сгорания. Основным вкладом в эту работу является схема управления, разработанная путем моделирования для производства водорода по запросу для любой рабочей точки двигателя внутреннего сгорания, работающего на смеси E10. Результаты моделирования показали, что использование газообразного водорода в качестве добавки к смеси E10 снижает расход топлива E10 в среднем на 23%, а тепловой КПД увеличивается примерно на 2.13%, без потери мощности торможения в двигателе внутреннего сгорания.

Модель двигателя внутреннего сгорания схема управления смесью E10, обогащенная водородом Введение

Для оптимизации КПД двигателя внутреннего сгорания разные авторы предлагают комбинацию добавления бензина и этанола в двигатель внутреннего сгорания. Согласно работам, представленным в [1,2,3,4], при использовании смесей бензин-этанол важно оценить концентрацию содержания этанола в смеси, чтобы поддерживать соотношение воздух-топливо (AFR). и повысить эффективность сгорания двигателей внутреннего сгорания (ВС).Авторы [5] отмечают, что увеличение концентрации бензин-этанольной смеси приводит к увеличению октанового числа топлива. Это позволяет увеличить степень сжатия в двигателе внутреннего сгорания таким образом, чтобы можно было достичь более высокой энергоэффективности двигателя.

Авторы [6] использовали добавку водорода, поскольку скорость сгорания бензина, обогащенного этим газом, выше, чем у чистого бензина. Следовательно, эффективность сгорания значительно увеличивается, поэтому достигается более высокая термодинамическая эффективность.В этой работе авторы показали значительное снижение bsfc (удельного расхода топлива на тормоз) примерно на 10–20% за счет использования бензина, обогащенного водородом, при соотношении массы водорода к массе топлива от 2% до 6%. По мнению авторов [6,7], добавление водорода в двигатель внутреннего сгорания возможно из-за высокой ламинарной скорости пламени и характеристик высокого энергосодержания водорода. Эти характеристики улучшают тепловой КПД и характеристики двигателя, а также значительно снижают выбросы таких газов, как CO, CO2, HC и NOx.

В отношении производства водорода разные авторы [6,7,8,9,10] показали, что можно производить водород, используя различные методы из углеводородов, например: паровой риформинг, частичное окисление и риформинг топлива выхлопных газов на- доска. Однако вышеупомянутые методы производят высокие уровни CO и CO2.

Другие исследовательские работы сосредоточены на производстве газообразного водорода на борту судна с использованием возобновляемой энергии посредством электролиза воды [11,12].Характерной чертой этих работ является то, что все они сообщают о постоянном количестве произведенного водорода, добавляемого в двигатель. Представленные результаты показали повышение эффективности двигателя, уменьшение количества загрязняющих газов и снижение расхода бензина.

Использование водорода в двигателях внутреннего сгорания имеет экологические и экономические преимущества, как показано в работах, представленных разными авторами [13,14,15,16,17]. С одной стороны, разные авторы [16,17] сообщают, что при использовании водорода СО и СО2 в выхлопных газах уменьшаются.Что касается выбросов NOx выхлопных газов, есть некоторые экспериментальные результаты в [14,15], где авторы провели испытания с использованием смеси бензина и водорода. Они сообщили об увеличении NOx в выхлопных газах. В [18] авторы использовали смесь этанола и водорода, и представленные результаты показали увеличение NOx в выхлопных газах. Кроме того, они сообщили, что NOx увеличивается с увеличением процента добавления водорода.

В этой работе разработана схема управления топливом, чтобы регулировать производство водорода по запросу и контролировать соотношение воздух-топливо (водород-обогащенный-E10).

2. Методология разработки схемы управления

Для реализации схемы управления топливом в двигателе внутреннего сгорания были разработаны динамические и термодинамические модели двигателя. В первом анализе в качестве впрыскиваемого топлива рассматривается чистый бензин. Затем были параметризованы уравнения модели с использованием экспериментальных данных и реальных размеров оборудования. Второй анализ был проведен с использованием смеси бензина и этанола (E10) в качестве впрыскиваемого топлива и водорода в качестве добавки.

Впоследствии модель производства водорода была интегрирована с использованием теории, предложенной в [19], где производство водорода описано в результате электролиза щелочной воды в электролитическом реакторе.Процесс электролиза воды был выбран потому, что для его реализации требуется небольшое оборудование, высокая устойчивость к коррозии и длительный срок службы. Кроме того, полученный водород имеет чистоту более 98%. По сравнению с процессом риформинга, электролиз воды не требует высоких температур (60–80 C). Процесс риформинга требует высоких температур от 800 ∘C до 1000 ∘C и гораздо большего количества приборов.

Наконец, были созданы основные контуры регулирования: регулирование стехиометрического соотношения воздух-топливо, обогащенное водородом, E10 и регулирование производства водорода по запросу.В таблице 1 показаны параметры двигателя внутреннего сгорания, полученные от двигателя NISSAN IC (Куэрнавака, Мор., Мексика).

После того, как предложенная методология будет завершена, схема управления будет протестирована с помощью моделирования, чтобы доказать, что с добавлением водорода в смесь E10 можно снизить потребление бензина без потери мощности двигателя внутреннего сгорания.

3. Двигатель внутреннего сгорания, модель

В последние несколько десятилетий динамическое моделирование двигателя внутреннего сгорания стало предметом широких исследований с целью улучшения характеристик двигателя и достижения максимальной топливной эффективности.В этом исследовании была использована теория, предложенная разными авторами [20,21,22] о моделировании двигателя внутреннего сгорания, с целью разработки схемы управления смесью бензин-этанол.

Для проведения моделирования двигателя внутреннего сгорания были сделаны следующие допущения: (1)

Состав топливного газа в цилиндре известен в тот момент, когда клапаны закрываются перед началом процесса сжатия. Топливно-воздушная смесь и количество выхлопных газов в цилиндре известны.

(2)

Газ, поступающий в баллон до сжатия и после сгорания, считается идеальным газом.

(3)

Процесс сжатия считается изоэнтропическим (адиабатическим и обратимым).

(4)

Поскольку цилиндр представляет собой замкнутую систему, масса считается постоянной.

(5)

Форма фронта пламени предполагается сферической.

(6)

Угол зажигания считается оптимальным.

3.1. Fuel Injection

Согласно авторам в [23,24], впрыскиваемое топливо (m˙fi) состоит из двух компонентов: потока топливной пленки, вводимого в цилиндр в виде жидкости 1τflmfl, и потока пара m˙fv. Таким образом, общий поток, поступающий в камеру сгорания, определяется уравнением (3), которое не измеряется. Динамика впрыска топлива описывается следующими уравнениями: (1) dmfldt = Xm˙fi − 1τflmfl, (2) m˙fv = (1 − X) m˙fi, (3) m˙f = m˙fv + 1τflmfl, где член Xm˙fi — это массовый расход топлива, оседающего на впуске в виде топливной пленки, а τfl — постоянная времени кипения.

3.2. Дроссельный клапан с динамическим потоком воздуха

Задача моделирования динамики воздушного потока решается с учетом потока воздуха как жидкости, проходящей через отверстие, имеющее сужение (уменьшение из-за дроссельной заслонки) [21], поэтому выражение, представляющее воздух расход, проходящий через дроссельную заслонку, составляет: (4) m˙at (α, ϕ) = APmRTmCdf (ϕ), (5) ϕ = PaPm, fϕPm≥Pc, PmPa1k2kk − 11 − PmPak − 1kPc = 2k + 1kk − 1Pa. в противном случае 12.

Уравнение (6) представляет массовый расход воздуха в цилиндре [25,26] 🙁 6) m˙acyl = 30VRTmnPmηvol, где V — рабочий объем цилиндра (м3), а ηvol — объемный КПД цилиндра Уравнение (7).

В [26] автор рассматривает включение Pm2 в уравнение (7), поскольку линейной зависимости недостаточно для аппроксимации объемного КПД цилиндра: (7) ηvol (n, Pm) = ηvol0 + (ηvol1n) + (ηvol2n2) + (ηvol3Pm) + (ηvol4Pm2).

3.3. Давление и температура во впускном коллекторе

Уравнения (8) и (9) представляют давление во впускном коллекторе и температуру во впускном коллекторе соответственно [22,23,25] 🙁 8) dPmdt = RTmVmm˙at − m˙acyl, (9) dTmdt = RVmTmPmm˙atkTa − Tm − m˙acyl (k − 1) Ta, где Pm, Tm и Vm представляют собой давление, температуру и объем во впускном коллекторе.Массовый расход воздуха через дроссельную заслонку во впускной коллектор обозначается m˙at, а массовый расход воздуха на входе в цилиндры из впускного коллектора обозначается m˙acyl.

3.4. Силы, действующие на привод коленчатого вала

Указанная работа за цикл двигателя представляет собой сумму всех сил, действующих на привод коленчатого вала поршнями [22] 🙁 10) Wnet = mtotalηtηcQLHVAFRe + 11 − mrmtotal, (11) Pmei = WnetV, (12) Powi = nWnet120, (13) Powb = Powiηm, (14) Parb = Powb30πn, (15) Парфрикция = n (k1 + k2n + k3n2) + n (−k4 + nk5) Pm, (16) Parpump = kbn3, (17) dNdt = Parb-Parfriction-ParpumpI, (18) dndt = N.

Чтобы определить сеть с добавлением нескольких видов топлива, математическая модель двигателя должна учитывать влияние процентного содержания этанола и водорода в смеси. Согласно авторам в [27,28], когда используется смесь этанола и бензина, нижняя теплотворная способность (LHV) имеет тенденцию к снижению по мере увеличения содержания этанола в смеси.

Тепловой КПД — это доля энергии бензина, используемой для производства механической работы.Согласно [20], невозможно найти модель, определяющую значение ηt, но его значение можно аппроксимировать из-за его зависимости от (n, Pm, λ), считая угол зажигания оптимальным: (19) ηt = ηtoη (Pm) η (λ) η (n), (20) ηt (Pm) = ηtp0 + ηtp1Pm + ηtp2Pm2, (21) ηt (λ, n) = ηtλ0 + ηtλ1λ + ηtλ2λ2 + ηtλ3n, (22) ηt (n) = ηtn0 + ηtn1expnηtn2.

3.5. Соотношение воздух-топливо

Если водород добавлен к смеси E10 (смесь бензина и этанола), то AFR необходимо изменить. Следовательно, предлагается использовать уравнение (23) для определения воздушно-топливного отношения при использовании топливной смеси (бензин-этанол-водород): (23) AFR = 9Em + 14.6 [1− (Em + Hm)] + 34,33Hm, где Hm — расчетная доля водорода, подаваемого в смесь, Em — доля этанола, содержащаяся в смеси бензин-этанол. Таким образом, лямбда-фактор является важным фактором, который указывает, было ли выполнено полное сжигание, как показано в уравнении (24), которое определяет обедненность или насыщенность смеси: (24) λ = м˙ацил (AFReE10m˙E10) + (AFReh3m˙h3), где AFReE10 = 14,04 для смеси E10 и AFReh3 = 34,3 для водорода.

3.6. Электролитическая ячейка модели

Электролиз воды представляет собой реакцию окислительного восстановления, вызванную приложением электрического тока, которая вызывает разложение воды на молекулы h3 и O2. Электролиз воды — один из самых чистых способов получения водорода.

Общая реакция разложения воды: (25) h3O (л) + Электроэнергия → h3 (г) + 12O2 (г).

Для реакции диссоциации воды принимаются следующие допущения: *

Водород и кислород — идеальные газы.

*

Вода — несжимаемая жидкость.

*

Жидкая и твердая фазы разделены.

В стандартных условиях диссоциация воды не является спонтанной реакцией, и стандартная свободная энергия Гиббса составляет ΔG = 237 кДж / моль.

Чтобы вызвать реакцию, требуется минимальное напряжение, также называемое обратимым напряжением, которое в стандартных условиях соответствует 1,23 В на элемент. Для этой работы электролизер был спроектирован так, чтобы иметь 15 ячеек, соединенных последовательно, поэтому соответствующее минимальное теоретическое напряжение составляет 18.45.

На практике необходимое напряжение для ячейки выше обратимого напряжения из-за перенапряжения. Таким образом, необходимое напряжение для ячейки можно определить как: (26) Voltcell = Вольтрев + Вольтиррев.

Обратимое напряжение обозначается Voltrev, а необратимое перенапряжение обозначается Voltirrev, где необратимое напряжение формируется перенапряжением активации и омическим перенапряжением. Активационное перенапряжение возникает из-за электрохимической кинетики, которая в основном зависит от температуры, электродных свойств и состава раствора.Омическое перенапряжение вызывается, среди прочего, электрическим сопротивлением соединений раствора, сопротивлением электролита и сопротивлением пузырьков.

С целью моделирования зависимости перенапряжения от температуры уравнение (26) было изменено следующим образом [19] 🙁 27) Voltcell = Voltrev + (r1 + r2Tcell) j + slogq1 + q2Tcell + q3Tcell2j + 1.

На рисунке 1 показано уравнение напряжения элемента (27) в зависимости от плотности тока при различных рабочих температурах.Как видно, при более высоких температурах необходимое напряжение ячейки для расщепления воды ниже. В основном это связано с зависимостью перенапряжения от температуры. Поэтому удобно работать при более высоких температурах, не ухудшая проводимость электролита. В данной работе предполагается работа электролизера при температуре 80 ∘С.

Согласно закону Фарадея скорость производства водорода в элементе прямо пропорциональна подаваемому электрическому току.Эффективность Фарадея, также известная как эффективность преобразования электролизера, определяется как отношение между фактическим количеством водорода, произведенным в электролизере, и теоретическим максимальным количеством водорода, произведенным в электролизере [29]. Для целей моделирования использованный теоретический поток был уникальным. Следовательно, общая скорость производства водорода в электролизере зависит от количества последовательно соединенных ячеек, которое можно рассчитать по формуле: (28) m˙h3 = ηFncJzF, где ηF = m˙h3produced / m˙h3theoretical.

4. Стратегия контроля

Согласно [28], смесь E10 имеет более низкую теплотворную способность от 39,71 до 41 МДж / кг. Чтобы компенсировать более низкую теплотворную способность двигателя внутреннего сгорания, работающего на смеси E10, можно использовать водород в количестве 7% по массе в качестве добавки.

При сгорании обогащенной водородом смеси E10 в двигателе внутреннего сгорания 16% массового потока всасываемого воздуха вступает в реакцию с водородом, а остальные 84% массового потока реагируют со смесью E10. Чтобы контролировать производство водорода по запросу в этой работе, предлагается схема управления (Рисунок 2).

На рис. 2 показана схема управления для обогащенной водородом смеси E10. Для управления производством водорода обратная связь П.И. был введен элемент управления (синяя пунктирная линия), который отвечает за генерацию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с целью управления током, подаваемым в электролизер. Опорным сигналом для этого контроллера является масса водорода, рассчитанная с помощью стехиометрического баланса, учитывая, что 16% массовой доли потока всасываемого воздуха вступает в реакцию с водородом.Для управления впрыском смеси E10 использовались контроллер прямой связи и контроллер обратной связи. С одной стороны, цель регулятора с прогнозированием (в левой части рисунка 2) состоит в оценке времени открытия впрыска на основе массового расхода только для 84% воздуха, так что стехиометрическое соотношение для E10 blend (m˙fE10) должно выполняться (AFRE10 = 14,04). С другой стороны, цель контроллера обратной связи (в правой части рисунка 2) — регулировать поток топлива смеси E10.Следовательно, датчик кислорода (UEGO) обеспечивает общее соотношение воздух-топливо (AFRoverall) трех компонентов смеси (бензин-этанол-водород), и необходимо вычесть долю кислорода, соответствующую AFR водорода (19,7Hm). для получения AFRE10, соответствующего смеси E10, чтобы можно было вычислить коэффициент лямбда (λE10).

Преимущество предложенной схемы управления топливом смеси бензин-этанол с водородом в качестве добавки в двигателе внутреннего сгорания заключается в том, что для его реализации двигатель внутреннего сгорания не требует модификаций.Необходимо только установить электролизер в транспортном средстве и изменить закон управления компьютером, чтобы установить правильную дозировку смеси бензина и этанола. Воздействие водорода и этанола, используемых в двигателе внутреннего сгорания, несущественно, поскольку их концентрация невелика, поэтому дополнительное обслуживание не требуется. Целью разработки схемы управления смесью E10, обогащенной водородом (показанной на рисунке 2), является разработка имитационного анализа для будущей реализации этой схемы в экспериментальном двигателе внутреннего сгорания.

5. Результаты

Для целей моделирования рассматривается двигатель внутреннего сгорания 1,6 л и 78 кВт. Параметры двигателя внутреннего сгорания были показаны ранее в таблице 1. Параметры электролизера следующие: сухая ячейка с электродами из нержавеющей стали 316 L, имеющая общую площадь 0,032 см2 на электрод, состоящий из 15 ячеек с циркулирующей водой между электролитом (КОН). при 30% мас. Для этой работы предполагается, что дополнительная батарея подает ток на электролизер, максимальный ток, подаваемый на электролизер, составлял 50 А, а температура электролизера поддерживалась на уровне 80 ∘C.

На рисунке 3 показана частота вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, при которой была протестирована предложенная схема управления. Испытание проводилось в течение 300 с с изменением частоты вращения коленчатого вала от 870 до 3000 об / мин, чтобы показать характеристики регулирования в различных рабочих точках.

На рисунке 4 показано открытие дроссельной заслонки для каждого разного времени. Эти результаты показали, что если двигатель внутреннего сгорания работает только на чистом бензине, потребности в воздухе выше, чем при работе со смесью E10 или смесью E10 с водородом.Это связано с тем, что этанол содержит кислород в своей молекулярной структуре, поэтому AFR имеет тенденцию к снижению, так что использование смеси E10-Hydrogen требует меньшего массового расхода воздуха для достижения той же скорости. Кроме того, LHV (более низкая теплотворная способность) водорода выше, чем у смеси E10.

На рис. 5 показан AFR для каждого вида топлива. При использовании чистого бензина значение AFR было отрегулировано на уровне 14,6. Для смеси E10 он был установлен на уровне 14.04. Наконец, для смеси бензин-этанол-водород он был установлен на уровне 15.51, всегда поддерживая стехиометрическое соотношение.

На рис. 6 показан анализ ошибки смешения E10, где ошибка определяется как разница между заданным значением AFR смешения E10, которое составляет 14,04, и оцененным AFR смешения E10. Как можно видеть, расчетная AFR смеси E10 стремится к нулю после каждого изменения рабочей точки, а выбросы происходят из-за управляющих эффектов.

На рисунке 7 показан анализ ошибки AFR (общей AFR) смеси E10, обогащенной водородом, где ошибка определяется как разница между общим заданным значением AFR, равным 15.51, и предполагаемый общий AFR. Как можно видеть, расчетная общая AFR стремится к нулю после каждого изменения рабочей точки, а выбросы происходят из-за управляющих эффектов.

На рисунке 8 массовый расход воздуха, добавляемый к двигателю внутреннего сгорания, показан в соответствии с изменениями частоты вращения коленчатого вала.

На рис. 9 показана полученная тормозная мощность для топлива. Как видно, все они очень похожи. Это было достигнуто благодаря стратегии контроля топлива, поэтому предполагается, что можно поддерживать тот же Powb за счет сокращения ископаемого топлива.

На рисунке 10 показан расход бензина в сравнении с расходом водорода E10 и E10. Когда используется смесь E10, расход топлива немного превышает расход бензина и E10-водорода. Это связано с LHV смеси E10, так как этанол имеет более низкое значение LHV. Когда используется смесь E10, обогащенная водородом, использование бензина дает среднее снижение выбросов 23%. Это связано с тем, что 10% бензина заменяется этанолом, а еще 13% сокращения бензина связано с использованием энергии, обеспечиваемой добавлением водорода, поскольку 7% массы водорода направляется в цилиндры.Другими словами, сокращение использования бензина связано с увеличением LHV при использовании этанола и водорода.

На рис. 11 представлено среднее значение расхода топлива, использованного двигателем внутреннего сгорания в течение 300 с, с учетом изменений частоты вращения коленчатого вала, показанных на рис. 3. Первая полоса представляет собой среднее значение расхода бензина, использованного двигателем внутреннего сгорания (когда двигатель внутреннего сгорания работает на топливе. только с бензином). Вторая полоса представляет собой среднее значение расхода смеси бензина и этанола в двигателе внутреннего сгорания (когда двигатель внутреннего сгорания работает только на смеси E10).Наконец, третья полоса представляет собой средний расход смеси E10 с использованием водорода в качестве добавки в двигателе внутреннего сгорания (когда двигатель внутреннего сгорания работает на смеси E10 с водородом в качестве добавки).

На рисунке 12 показано потребление тока электролизером. Изменения тока связаны с потребностью в водороде, вызванной изменениями частоты вращения коленчатого вала IC. Вариации от 13,5 до 39,6 А.

На рисунке 13 показан водород, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания, значение которого изменяется от 9.От 76 × 10-6 кг / с до 2,88 × 10-5 кг / с, что покрывает потребность двигателя внутреннего сгорания на различных рабочих скоростях. Источник энергии для электролизера не зависит от электрической системы двигателя.

На рисунке 14 показан анализ ошибок производства водорода, где ошибка определяется как разница между заданным значением производства водорода и производством водорода в текущий момент времени. Как видно, ошибка стремится к нулю после каждого изменения уставки. Превышения при производстве водорода связаны с изменением уставки.

6. Выводы

. Согласно представленным результатам моделирования, сделан вывод, что, контролируя добавление водорода и поддерживая контроль AFR в двигателе внутреннего сгорания, можно оказать благоприятное влияние на потребление энергии за счет сокращения примерно на 23% ископаемого топлива. расход топлива, что означает значительную экономию без модификации двигателя внутреннего сгорания. Единственное требование — установить электролизер для производства водорода и контролировать массовую долю водорода примерно на 7%.Необходимо, чтобы массовая доля водорода не превышала 7% смеси в цилиндре, потому что, если она превышает это значение, объемный КПД цилиндра будет снижен из-за того, что водород быстрее поступает в камеру сгорания, предотвращая попадание воздуха. Как следствие, мощность двигателя внутреннего сгорания будет уменьшена. Еще один аспект, на который следует обратить внимание, — это угол зажигания при использовании смеси E10, обогащенной водородом, поскольку он должен быть оптимальным. В этом смысле, следовательно, угол воспламенения должен увеличиваться и регулироваться до достижения оптимального угла из-за увеличения скорости горения в результате добавления водорода.В будущих работах будут показаны экспериментальные результаты по предложенной схеме управления.

Выражение признательности

Ярниэль Гарсиа Моралес и Марисоль Сервантес Бобадилья хотели бы поблагодарить CONACYT (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México) за поддержку, оказанную во время разработки их докторской диссертации. Авторы хотели бы поблагодарить PRODEP, Tecnológico Nacional de México и CENIDET за поддержку в разработке этой работы. Хосе Франсиско Гомес Агилар благодарит КОНАСИТ за поддержку: Cátedras CONACYT para Jovenes Investigadores 2014.

Вклад авторов

Аналитические результаты подготовили Ярниэль Гарсия Моралес, Марисоль Сервантес Бобадилья, Рикардо Фабрицио Эскобар Хименес, Хосе Франсиско Гомес Агилар, Карлос Даниэль Гарсия-Бельтран и Виктор Уго Оливарес Перегрино. Рикардо Фабрицио Эскобар Хименес, Хосе Франсиско Гомес Агилар, Карлос Даниэль Гарсия-Бельтран и Виктор Уго Оливарес Перегрино шлифовали язык и отвечали за технические проверки. Все авторы читали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сокращения Список литературы 1. АнК.СтефанопулуА.Янкович М. Оценка содержания этанола в транспортных средствах с гибким топливом с использованием кислородного датчика выхлопных газов: Модель, настройка и чувствительность Труды конференции по динамическим системам и управлению, Энн Арбор, Мичиган, США, 20–22 октября 2008 г. 9479542.Оливерио Н.СтефанопулуА.ЦзянЛ.ЙилдизЙ. Обнаружение этанола в двигателях с прямым впрыском гибкого топлива с использованием измерений давления в цилиндрахSAE Int. J. Fuels Lubr.2009222924110.4271 / 2009-01-06573. ZopeR.FranchekM.GrigoriadisK.SurnillaG.SmithS.Оценка содержания этанола в транспортных средствах с гибким топливом на основе моделей Труды Американской конференции по контролю (ACC), Сан-Франциско, Калифорния, США, 29 июня – 1 июля 2011 г. 4144194. АнК.Оценка содержания этанола и контроль соотношения воздух-топливо в транспортных средствах с гибким топливомДокторская диссертация: Университет Мичигана, Мичиган, США, 2011 5. Тернер, Дж. Пирсон, Р. Холланд, Б. Пек, Топливо на спиртовой основе в высокопроизводительных двигателях, Технический документ SAE, С. Э. Эррендейл, Пенсильвания, США, 2006. HacohenY.SherE. Расход топлива и выбросы двигателя SI, работающего на бензине, обогащенном h3, Труды 24-й Межобщественной конференции по инженерии преобразования энергии, Вашингтон, округ Колумбия, США, 6–11 августа 1989 г. 248524907. Зарий, Дж. Юсофф, Абдулла, Махмуд, Ф., Сравнение влияния добавления водорода на производительность и выброс выхлопных газов при искровом зажигании, работающем на бензине и КПГ.Мех. Mater.201216512012410.4028 / www.scientific.net / AMM.165.1208. MinutilloM. Моделирование бортового топливного процессора для бензинового двигателя, обогащенного водородом J. Hydrogen Energy 2005301483149010.1016 / j.ijhydene.2004.12.0069. JamalY.WyszynzkiM.L. Генерация газообразного топлива с высоким содержанием водорода — обзорInt. J. Hydrogen Energy 19941955757210.1016 / 0360-3199 (94)

-510. АшидаК.МаедаХ.АракиТ.Хошино М.ХираяК.ИзумиТ.Ясуока М. Исследование бортового преобразователя топлива и сжигания системы рециркуляции выхлопных газов с добавлением водорода в бензиновом двигателеSAE Int.J. Fuels Lubr.2015835836610.4271 / 2015-01-0

. Аль-Русан А. Снижение расхода топлива в бензиновых двигателях за счет подачи газа HHO во впускной коллекторInt. J. Hydrogen Energy 201035129301293510.1016 / j.ijhydene.2010.08.14412. KaragözY.OrakE.YücsekL.SandalsiT. Влияние добавления водорода на выбросы выхлопных газов и производительность двигателя с искровым зажиганием Англ. Manag. J.20151466567213. Партасарати М. ЛалваниДжинеш Б. Аннамалай К. Влияние водорода на смесь этанола и биодизеля на рабочие характеристики и характеристики выбросов дизельного двигателя с прямым впрыском топлива Экотоксикол.Environ. Saf.201613443343910.1016 / j.ecoenv.2015.11.0052668745614. Мартинес-Богжио, С.Д. Курто-Риссо, П.Л. Медина, А.Хернандес, А.С. Квази-мерное моделирование циклической изменчивости в бензиноводородных искровых двигателях. J. Thermodyn.2016199210010.5541 / ijot.500015547615. Мартинес-Богжио С.Д. Курто-Риссо П.Л. Медина А.Хернандес А.С. Моделирование межцикловых изменений в двигателях с искровым зажиганием, работающих на смесях бензин-водород J. Hydrogen Energy 201641

фигура 2 Рисунок 3 Рисунок 4 Рисунок 5. Рисунок 6 Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9 Рисунок 10. Рисунок 11. Рисунок 12. Рисунок 13 Диаграмма 14 устойчивость-09-00007-t001_Таблица 1Таблица 1
A Площадь проходного сечения дроссельной заслонки, м2
КД Коэффициент нагнетания дроссельной заслонки
f (ϕ) Степень сжатия
h3 (г) Газообразный водород
h3O (л) Жидкая вода
Дж ток, А
j Плотность тока, Ам2
м · ж Расход топлива по отверстию цилиндра, кг / с
MR Остаточная масса, кг
итого Общая масса за цикл, (mtotal = mf + macyl + mr, кг)
n Частота вращения коленчатого вала, об / мин
NC количество ячеек в стопке
N Ускорение коленчатого вала, рад / с
ηc Эффективность сгорания
ηf Эффективность Фарадея
Обозначения м Механический КПД
ηt Тепловой КПД
O2 Кислород
ПК Давление критическое, кПа
Па Давление атмосферное, кПа
Pmei Среднее эффективное давление указанное, кПа
Parb Тормозной момент, Нм
Parfriction Момент трения, Нм
Parpump Крутящий момент нагнетания, Нм
Powb Тормозная мощность, Вт
Powi Мощность номинальная, Вт
QLHV Нижняя теплота сгорания, кДж / кг
Ta Температура атмосферы, К
Tcell Температура ячейки, К
Вольтметр Напряжение элемента, В
Wnet Чистая работа, Дж
I Полный момент инерции, (0.00025 (602 / 2π) кгм2)
Ф Константа Фарадея, 96 487 Смоль − 1 или Асмоль − 1
к Коэффициент теплоемкости, k = 1,4
Константы Па Атмосферное давление, 101,315 кПа
R Постоянный воздух, 0,287 кДж / кг
τfl Постоянная времени испарения топлива (0.25 с)
X Доля m · fi, которая откладывается на коллекторе в виде топливной пленки (0,2)
z 2 число электронов
09910.1016 / j.ijhydene.2016.03.12016.ZhangB.JiC.WangS. Рабочие характеристики двигателя на обогащенном водородом этаноле в условиях отсутствия дросселирования и обедненной смеси. Manag.2016114687410.1016 / j.enconman.2016.01.07317. De AlmeidaL.Q.SalesL.C.M.SodréJ.R. Расход топлива и выбросы от транспортного средства, работающего на этаноле, бензине и водороде, производимом на борту Int. J. Hydrogen Energy 2015406988699410.1016 / j.ijhydene.2015.03.16718. Аль-Багдади М.А.С. Смесь водорода и этанола как альтернативное топливо для двигателей с искровым зажиганиемЭнергия2003281471147810.1016 / S0960-1481 (02) 00188-X19. Уллеберг О. Моделирование современных щелочных электролизеров: подход к системному моделированию Дж. Водородная энергия 200328213310.1016 / S0360-3199 (02) 00033-220. Хендрикс, Соренсон, Моделирование среднего значения двигателей с искровым зажиганием, Технический документ SAE, С. Э. Варрендейл, Пенсильвания, США, 1990 21. Guzzella L.OnderC. Введение в моделирование и управление системой двигателя внутреннего сгорания Спрингер Берлин, Германия 2010 22. Машади Б. Кролла Д. Системы трансмиссии транспортных средств Джон Уайли и сыновья Сан-Франциско, Калифорния, США 2012 23.YanR.LiH.YangZ.TangH. Подходы к нелинейному управлению для модели двигателя SI с неопределенностями Труды 48-й конференции IEEE по вопросам принятия решений и управления и 28-й китайской конференции по управлению, Шанхай, Китай, 16–18 декабря 2009 г. 5440544524. ArsieI.PianeseC.RizzoG.CioffiV.Адаптивная оценка динамики топливной пленки во впускном канале двигателя с искровым зажиганиемControl Eng. Практик.20031130330910.1016 / S0967-0661 (02) 00040-025. Моделирование двигателя с искровым зажиганием и силового агрегата на основе ZhihuW.RunP.Torque Труды 7-го Всемирного конгресса по интеллектуальному управлению и автоматизации, Чунцин, Китай, 25–27 июня 2008 г. 4767477226.NevotC.J.Diseño de un cOntrolador Avanzado Basado en Redes Neuronales Para la Gestión de la Mezcla Aire-Gasolina en un Motor AlternativoPh.D. Диссертация: Политехнический университет Каталонии, Барселона, Испания, 1997 г. 27. MantillaJ.M.Modelado de la Combustión de Mezclas Gasolina-Etanol en Motores de Combustión InternaPh.D. Диссертация: Национальный университет Колумбии, Богота, Колумбия, 2010 28. МасумБ.М.МасюкиХ.Х.Калам М.А.Ризванул С.М. Палаш С.М. Абедин М.Дж. Влияние смеси этанол-бензин на выбросы NOx в двигателе SI Обновить.Поддерживать. Energy Rev.20132420922210.1016 / j.rser.2013.03.04629. Хан М. Икбал М. Эксплуатационные характеристики двигателя на обогащенном водородом этаноле в условиях отсутствия дроссельной заслонки и обедненной смеси Энергия 20053042143910.1016 / j.renene.2004.05.013 Рисунки и таблица Рисунок 1

Напряжение электролизера при разных температурах.

Схема управления смесью E10, обогащенной водородом.

Частота вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.

Изменения угла дроссельной заслонки, имитирующие различные рабочие точки.

Поведение топливовоздушного отношения в зависимости от используемого топлива.

E10: поведение смеси воздух-топливо в зависимости от используемого топлива.

Общее соотношение воздух-топливо в зависимости от используемого топлива.

Массовый расход всасываемого воздуха в зависимости от используемого топлива.

Оценка тормозной мощности в различных рабочих точках.

Сравнение расхода бензина в разных рабочих точках.

Средний расход бензина рассчитан за 300 с.

Потребление тока в электролитическом реакторе.

Водород, генерируемый по запросу для двигателя внутреннего сгорания.

Анализ ошибок производства водорода.

Общие характеристики двигателя.

Характеристики двигателя внутреннего сгорания Значение
Количество цилиндров 4
Цилиндр рабочий объемный 1.595 м3
Максимальная мощность 78 кВт / 6000 об / мин
Максимальный крутящий момент 138 Нм / 4000 об / мин
Степень сжатия 9,5: 1
Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня 0,863
Клапаны 4 клапана / цилиндр
Минимальный режим 625 об / мин
Максимальный режим 6000 об / мин
Дроссельная заслонка 50 мм
Объем коллектора 0.00148 м3
Стехиометрическое соотношение воздух-топливо (бензин) 14,6

Двигатель внутреннего сгорания отказывается умирать — Проблема 7: Отходы

Двигатель внутреннего сгорания — это пережиток прошлого. Это пережиток пара. Его детали были усовершенствованы, его материалы улучшены, а его мощность увеличена, но основной механизм — поршень, перемещающийся вверх и вниз в отверстии цилиндра — был изобретен до фонографа или лампочки.

Продукт эпохи дешевой энергии в изобилии, двигатель внутреннего сгорания также является откровенно расточительным. В четырехтактном бензиновом двигателе — двигателе, который, скорее всего, установлен в вашей машине, моторной лодке, может быть, даже в вашем генераторе — поршень сначала приводится в движение вниз, всасывая воздух в цилиндр. Затем поршень совершает движение вверх, сжимая воздух; затем искра воспламеняет топливно-воздушную смесь, которая взрывается, толкая поршень вниз. Последний ход вверх выталкивает отработанную смесь.В этом цикле, состоящем из четырех тактов поршня, современный бензиновый двигатель обычно преобразует от 14 до 30 процентов энергии, запасенной в топливе, в полезную работу. Остальное теряется в виде тепла и трения.

Установка этого двигателя на автомобиль приводит к образованию отходов. Такие аксессуары, как водяные насосы и компрессоры кондиционеров, потребляют энергию, не способствуя поступательному движению. Сопротивление качению шин приводит к потере топлива, как и трение в подшипниках и шестернях трансмиссии. Аэродинамическое сопротивление заставляет двигатель усердно работать только для поддержания постоянной скорости на шоссе.В общем, автомобиль, который вы водите, потребляет около 20 процентов энергии топлива при движении по дороге. Ясно, что эту машину с выбросами парниковых газов из нефти уже давно пора сломать. Неудивительно, что каждый новый электромобиль, прорыв в химии аккумуляторов или обещание серийного производства автомобилей на топливных элементах звучит как объявление о смерти двигателя внутреннего сгорания.

Электромобили, похоже, вот-вот забьют последние гвозди в гроб. Благодаря небольшому количеству движущихся частей, создающих трение, электродвигатели намного более эффективны, превращая до 96 процентов потребляемой энергии в полезную работу.Они выделяют очень мало отработанного тепла и, если питаются от альтернативной энергии, могут производить электроэнергию без выбросов. К тому же автомобиль с электродвигателем имеет явные конструктивные преимущества. Его почти пологая кривая крутящего момента (фунт-фут в зависимости от скорости вращения двигателя) означает, что ему не нужна сложная трансмиссия, что снижает стоимость и в то же время повышает эффективность. Двигатели внутреннего сгорания обычно должны вращаться со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (об / мин) для получения максимального крутящего момента, но электрические двигатели развивают максимальный крутящий момент в момент вращения вала.Вот что дает электромобили и гибриды таким приятным ощущением от остановки.

По всем этим причинам аргументы против поршневого двигателя очевидны. Кажется, его дни сочтены. Но реальность такова, что внутреннее сгорание никуда не денется. Не говорите Илону Маску, но тепловой двигатель, если использовать удобное прозвище, вероятно, будет править дорогами, по крайней мере, до 2050 года. Масло.Он выдерживает — и доминирует — потому что так легко приспосабливается. Миниатюрные версии приводных триммеров и бензопил. Огромные высокоэффективные модели приводят в движение бульдозеры и грузовые суда. В автомобиле этот двигатель может быть сконфигурирован как газовый сиппер с умеренными манерами или как гоночный двигатель с высокими оборотами.

Он прекрасно подходит для транспортировки, потому что в нем используется топливо, которое в высшей степени портативно и энергоемко. «Жидкие углеводороды — это жидкое золото», — говорит Джон Б. Хейвуд, инженер-механик, почетный профессор Сун Джэ в M.ЭТО. Бензиновый двигатель заправляется за несколько минут, после чего он может проехать от 400 до 500 миль. И топливо тоже можно приспосабливать: в прошлом веке, когда дороги улучшились и автомобили стали ездить быстрее, бензин был переработан, чтобы помочь двигателям извлекать его энергию.

Короче говоря, долгая и насыщенная жизнь бензинового двигателя — результат того, что палеоантрополог Рик Поттс называет отбором по изменчивости: идея о том, что в быстро меняющейся среде выживают только универсальные. Поттс, специалист по происхождению человека из Смитсоновского института, считает, что первые гоминиды преобладали благодаря своей гибкости.Климат, с которым наши предки столкнулись в раннем плейстоцене, сильно колебался, с частыми изменениями температуры, водоснабжения, источников пищи, растительности и конкуренции. «Они пережили это время беспорядков, потому что они были универсалом», — говорит Поттс. Обладая длинными руками и длинными ногами, они могли лазить по деревьям в лесу или преодолевать километры по саванне. Обладая большим мозгом, они могли понять, как адаптироваться к меняющимся обстоятельствам, и изобрести социальные системы и технологии, которые помогут им справиться с этим.Они не были быстрее, сильнее или эффективнее других существ — они были более адаптивными.

Поршневой двигатель выглядит как еще один пример выживания благодаря приспособляемости. Он дешев в строительстве, соответствует требованиям различных видов топлива и физических схем и идет в ногу с достижениями в области металлургии и борьбы с загрязнением. Постоянные усовершенствования означают, что сегодняшний двигатель внутреннего сгорания выбрасывает на 99 процентов меньше загрязнения, чем его предшественники в 1960-х годах.Автопроизводители напоминают нам, что в регионах с плохим качеством воздуха современные двигатели фактически выталкивают более чистый воздух через выхлопную трубу, чем поглощают. Сегодня, столкнувшись с задачей сокращения выбросов углекислого газа и ограничения использования энергии, инженеры, отраслевые эксперты и инвесторы, которые лучше всего разбираются в двигателях, далеки от того, чтобы отказаться от внутреннего сгорания. Фактически, они увеличивают свои вложения. У этой старой технологии еще много миль.

Немногие машины сегодня развились так же сильно, как двигатель внутреннего сгорания.Самые ранние версии были примитивными, медленными и ненадежными. Улучшения произошли с развитием металлургии и более глубоким пониманием процесса горения. Стартеры прошли путь от ручных рукояток до кнопочных электрических устройств; электрические свечи зажигания гарантируют более стабильную и плавную работу. Изобретение жидкостного охлаждения позволило конструкторам перейти от примитивных одноцилиндровых двигателей к шести- и восьмицилиндровым двигателям, которые доминировали в автомобильной промышленности в середине 20-го века.Совсем недавно компьютеризированные инновации, такие как точное управление распределением топлива в двигателе и улучшенная синхронизация открытия и закрытия клапана, позволили объединить высокую выходную мощность с плавной, равномерной работой на низких скоростях.

Новые требования к двигателям внутреннего сгорания сосредоточены на выбросах, и профессор Джон М. ДеЧикко из Института энергетики Мичиганского университета считает, что бензиновый двигатель им также удовлетворит. «Существует множество возможностей для повышения эффективности, которые всегда будут подрывать альтернативы, насколько хватит глаз», — говорит ДеЧикко.«Горизонт эффективности простирается очень далеко в будущее». Чтобы справиться с этой новой задачей, производители доводят до совершенства все, от конструкции камеры сгорания до параметров трансмиссии и способа подачи топлива и воздуха в сердце двигателя.

На рынке уже распространены турбокомпрессоры, система отключения цилиндров, прямой впрыск топлива и бесступенчатые коробки передач. По словам Майка Андерсона, главного инженера по бензиновым четырехцилиндровым двигателям General Motors, уменьшение соотношения площади поверхности к объему в цилиндре за счет использования меньшего диаметра и более длинных ходов коленчатого вала уже увеличило количество миль на галлон.Так же улучшается конструкция камеры сгорания с помощью компьютерного моделирования.

Андерсон также объясняет, что способ работы двигателя имеет решающее значение, поскольку каждый двигатель внутреннего сгорания имеет свою максимальную эффективность. «Мы хотим сделать этот островок эффективности как можно большим», — говорит он. Простое снижение трения также может принести большую выгоду: снижение его всего на 8 процентов сокращает расход топлива на 1 процент. Последняя версия 2-литрового двигателя GM с турбонаддувом снизила трение на 16 процентов по сравнению с его предшественником.

Грядут изменения и в доставке топлива. Томас Апостолос, президент Ricardo, Inc., американского подразделения глобальной инженерной консалтинговой компании с почти 100-летним опытом разработки двигателей, ожидает включения прямого впрыска топлива с распылителем и обедненной стратифицированной заправки, в которой соотношение Из топлива в воздух уменьшается, но топливо концентрируется именно там, где оно больше всего необходимо.

Бензиновый двигатель также может быть на грани объединения со своим целующимся кузеном, дизельным двигателем.В научных кругах этот брак был постоянной темой для обсуждения. Дизели выигрывают от отсутствия дросселирования: они контролируют скорость двигателя, изменяя подачу топлива, а не ограничивают поступление воздуха с помощью механического дросселя, который создает сопротивление и трение. Поскольку дизели инициируют сгорание за счет внутреннего тепла, а не искры, они обычно имеют очень высокую степень сжатия — сильное «сжатие» воздуха внутри цилиндра. Эти высокие давления позволяют извлекать больше работы из химической энергии, хранящейся в топливе.Пока инженеры экспериментируют с понижением степени сжатия в дизельных двигателях для контроля выбросов и повышением их в бензиновых двигателях, эти две технологии уже сближаются, говорит Билл Вёбкенберг, старший инженер, отвечающий за топливо, технические и нормативные вопросы Mercedes-Benz. США.

Один многообещающий пример: двигатель с воспламенением от сжатия с однородным зарядом (HCCI). В этом гибриде, что стало возможным благодаря улучшениям в компьютерном моделировании и управлении двигателем, внутреннее тепло двигателя воспламеняет равномерно распределенную смесь воздуха и топлива внутри цилиндра.Результатом является чистый двигатель, который, по словам исследователей General Motors, может быть на 80 процентов эффективнее дизельного двигателя при примерно 50 процентах стоимости. У двигателей

HCCI возникли проблемы с поддержанием бесперебойной работы, поэтому в настоящее время планируется создать один двигатель с двумя режимами работы. Обычное сгорание будет использоваться для резкого ускорения, а режим HCCI будет использоваться для легких нагрузок, таких как круиз по шоссе. По словам Вобкенберга, Mercedes уже добился успеха с этой моделью в европейских приложениях.

Назревают еще более радикальные идеи. Новые способы организации механической компоновки двигателей внутреннего сгорания могут обещать значительное повышение эффективности. EcoMotors International в Мичигане, например, разрабатывает двигатель с оппозитным поршнем и оппозитным цилиндром, который может производить одну лошадиную силу на фунт веса двигателя. Другие компании разрабатывают двигатели с двойным сжатием и двойным расширением, которые распределяют работу по дополнительным цилиндрам, разделяя циклы сжатия и мощности.

Бензиновый двигатель — быстро движущаяся цель.На самом деле, ирония заключается в том, что он развивается быстрее, чем некоторые из технологий, которые угрожают ему на смену. По словам ДеЧикко, выбросы углерода от автомобилей в США будут сокращаться на 2,1 процента в год, в то время как выбросы от электростанций будут сокращаться с прогнозируемой скоростью менее 1 процента в год. Именно на этих заводах, две трети которых используют ископаемое топливо, используются электромобили. Фактически, Союз обеспокоенных ученых заявил в своем отчете, что автомобили с батарейным питанием не обладают явным преимуществом в парниковых условиях по сравнению с лучшими бензиновыми или гибридными моделями в США.С. утверждает, что в значительной степени полагается на электроэнергию, вырабатываемую углем.

Даже средний бензиновый двигатель может скоро приблизиться к своему электрическому сопернику по количеству граммов углекислого газа, выделяемого на милю. «Ничего не позаимствовав из« Звездного пути », мы разработали программу Ford Focus с выбросом углекислого газа 97 граммов на километр», — говорит Апостолос о Рикардо. «К 2040 году мы получим 30 граммов, что сделает двигатели внутреннего сгорания конкурентоспособными с электромобилями». И, конечно же, есть стоимость: батареи должны стать в 10 раз дешевле и в 100 раз повысить их удельную энергию, чтобы соответствовать бензиновым.Подключаемый гибрид Chevrolet Volt, например, оснащен батареей на 16 киловатт-часов, что составляет около 8000 долларов стоимости автомобиля. В нем хранится энергетический эквивалент одного галлона бензина. «До масштабируемого бизнес-кейса еще далеко, — говорит ДеЧикко.

Это не означает, что программы развития электричества и водорода бесполезны — они явно таковы. Но в борьбе с бензиновым двигателем им придется иметь дело не только с выдающимся исполнителем: им придется победить настоящего инженерного хамелеона.

Норман Майерсон — редактор раздела «Автомобили» в The New York Times. Его автопарк включает гибрид Prius (седьмой Prius в семье), Camaro SS350 1967 года, хорошо подержанный универсал Volvo и два мотоцикла. Бывший дрэг-рейсер и органический фермер, он всегда увлекался изучением того, как все работает.

Nissan работает над двигателем с 50-процентным тепловым КПД

По большому счету, газовые двигатели внутреннего сгорания не так уж и эффективны, поскольку большая часть того, что они производят, — это отработанное тепло.Считается, что Toyota предлагает самый термически эффективный автомобильный двигатель внутреннего сгорания из производимых на сегодняшний день — 2,0-литровый четырехцилиндровый атмосферный двигатель, обеспечивающий 41-процентный тепловой КПД. Другими словами, 41 процент работы этого двигателя используется для питания автомобиля, а 59 процентов — это просто бесполезное тепло.

Nissan заявляет, что добился прорыва в области теплового КПД внутреннего сгорания, разработав двигатель с 50-процентным тепловым КПД. Но есть большая разница между этим новым двигателем Nissan и четырехцилиндровым двигателем Toyota — первый предназначен только для работы в очень узком диапазоне.Nissan разрабатывает этот двигатель в качестве генератора для серийных гибридных автомобилей, в которых только электродвигатель приводит в движение колеса. Двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора, который питает двигатель. Между двигателем и колесами нет механической связи.

Этот двигатель будет использоваться в системе Nissan e-POWER будущего поколения, которая в настоящее время используется на японском рынке Note. Nissan смог достичь 50-процентного теплового КПД в ходе испытаний, существенно настроив двигатель для работы в очень определенном диапазоне скорости и нагрузки.Поскольку двигатель не ведет колеса, ему не обязательно работать с такими широкими параметрами.

«В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси для реагирования на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными рабочими условиями, такими как расход газа в цилиндрах, метод зажигания и сжатие. соотношение, которое может принести в жертву эффективность ради выходной мощности », — говорится в сообщении Nissan. «Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.«

Nissan

Двигатель настроен на работу с очень разбавленной топливовоздушной смесью и работает с высокой степенью сжатия. Nissan особо не рассказывал о самом двигателе, отказавшись указывать размер, количество цилиндров и степень сжатия. На фотографиях, опубликованных Nissan, показан одноцилиндровый макет двигателя на испытательном стенде, поэтому кажется, что компания еще не определилась с точной формой этого двигателя.

Nissan стремится к 100-процентной углеродной нейтральности к 2050 году, и для достижения этой цели он вкладывает большие средства в электромобили с аккумулятором и автомобили, использующие его систему e-POWER.Эта система кажется отличной альтернативой электромобилю, особенно в местах, где отсутствует инфраструктура для зарядки.

На данный момент единственный известный нам двигатель внутреннего сгорания с тепловым КПД более 50% — это 1,6-литровый двигатель Mercedes-AMG Formula 1 V-6. Но в этом двигателе используются технологии, слишком дорогие и сложные для массовых дорожных автомобилей. Неясно, когда мы увидим этот новый двигатель от Nissan, но такие разработки показывают, что жизнь во внутреннем сгорании еще может существовать.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

(PDF) Пятитактный двигатель внутреннего сгорания

Международная автомобильная конференция (KONMOT2018)

IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия421 (2018) 042058 IOP Publishing

doi: 10.1088 / 1757-899X / 421/4/042058

11

Прямой впрыск, применяемый в двигателе. С другой стороны, объемная степень сжатия

не была изменена (увеличена) в цилиндрах НД, и следует помнить, что весь объем камеры

над поршнем цилиндра НД, установленным в ВМТ в таком двигателе, должен быть трактуется как

паразитный том. Использование поршней цилиндров LP с наполнителями особой формы в головках, безусловно, улучшило бы коэффициент рекуперации энергии в дополнительных цилиндрах расширения.Модификация бывших камер сгорания

в головке блока цилиндров для этих цилиндров была бы намного сложнее.

Еще одним отличием от двигателей, разработанных при участии Г. Шмитца, является использование двух распределительных валов

с приводом от зубчатого ремня с передаточным числом 2: 1. В двигателях Schmitz распределительный вал

, управляющий выпускными клапанами цилиндра LP, имеет передаточное отношение 1: 1 с коленчатым валом. В двигателе, разработанном

в CUT, это решение невозможно, потому что один распределительный вал отвечает за управление впускными клапанами

для обоих цилиндров высокого давления (4-тактный режим) и за управление выпуском всех цилиндров LP (2-тактный режим).

клапаны.Для обеспечения правильной работы двигателя часть распредвала выпускных клапанов

дополнительных расширительных цилиндров имеет сдвоенные кулачки. Это означает, что все 4 выпускных клапана цилиндра низкого давления

открываются одновременно при каждом обороте коленчатого вала двигателя.

В ходе проведенных работ двигатель был испытан в версии без наддува, затем с турбокомпрессором

, управляемым перепускным клапаном, а в последнее время — с турбокомпрессором с турбиной с регулируемым соплом

(VNT).Последняя модификация

за счет увеличения результирующего давления наддува привела к значительному улучшению характеристик двигателя при более низких оборотах двигателя, но, с другой стороны,

не удалось достичь такого низкого удельного расхода топлива при торможении, как раньше. Результатом этого является увеличение гидравлического сопротивления турбины на

по сравнению с классическим турбокомпрессором с перепускным клапаном, что ухудшает рекуперацию энергии

в цилиндрах дополнительного расширения.Как видно из таблицы, применение турбонаддува

позволило существенно снизить значение минимального удельного расхода топлива на тормоз

. Использование наддува снизило потери на трение в общем энергетическом балансе двигателя

и интенсифицировало процесс рекуперации энергии в цилиндрах дополнительного расширения. В

, помимо научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводились также теоретические рассмотрения термодинамического цикла

двигателя с дополнительным расширением выхлопных газов [34] [35].

В последние месяцы автор статьи исследовал различные каталитические реакторы для описываемого пятитактного двигателя

. Его характерной особенностью является относительно низкая температура выхлопных газов

, выходящих из турбины [35], что может препятствовать эффективной работе реактора, особенно при низкой нагрузке двигателя

.

7. Резюме и выводы

Первоначальный интерес к двигателю внутреннего сгорания, в котором было применено дополнительное расширение в отдельном цилиндре низкого давления

, возник в результате более раннего успешного применения аналогичного решения

в используемых паровых двигателях. в частности, для движения больших судов.Использование двухступенчатого расширения

в двигателе внутреннего сгорания было мотивировано желанием повысить эффективность двигателя по сравнению с

классическим решением с однократным расширением. К сожалению, различные характеристики рабочей среды

(по сравнению с паром) привели к тому, что использование дополнительного расширения заряда во внутреннем двигателе внутреннего сгорания

вызвало больше проблем, чем преимуществ в двигателях конца девятнадцатого.Наиболее болезненным оказался Rudolf

Diesel, конструкция которого показывала значительно больший расход топлива, чем его классические двигатели

. Проблемы были в основном вызваны высокой температурой выхлопных газов, из-за чего

создавал очень большую тепловую нагрузку на клапаны между цилиндрами срабатывания и дополнительным цилиндром расширения.

Это вызвало необходимость в эффективном охлаждении этих частей двигателя, что привело к значительным потерям тепла

, что значительно снизило эффективность процесса рекуперации энергии выхлопных газов в цилиндре дополнительного расширения

.

Интерес к двигателям с дополнительным расширением выхлопных газов вернулся в конце 20 века.

век. Уже были доступны материалы для клапанов, которые позволяют им работать при значительно более высоких температурах

. Кроме того, в таком двигателе можно было применить систему турбонаддува, что существенно способствует повышению его эффективного КПД.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *