Что такое цикл работы двигателя

Циклы работы двигателей SGE

Цикл Отто

Цикл Отто назван в честь немецкого инженера Николауса Отто, в 1877 запатентовавшего новый двигатель с четырехтактным циклом. Цикл Отто описывает процесс работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. На рисунке 1 представлена P-V диаграмма, демонстрирующая процессы, протекающие в двигателе. По оси абсцисс отложен объем V, занимаемый рабочим телом в цилиндре, по оси ординат — давление Р в цилиндре.

1-2 – процесс адиабатного сжатия рабочей смеси, впущенной в цилиндр, процесс проходит без теплообмена.

2-3 – процесс изохорного подвода тепла, процесс происходит при неизменном объеме. Сгорание происходит, когда поршень находится в ВМТ (верхняя мертвая точка – положение поршня в цилиндре, соответствующее максимальному расстоянию между поршнем и осью вращения коленчатого вала). НМТ, нижняя мертвая точка, – положение поршня в цилиндре, соответствующее минимальному расстоянию между поршнем и осью вращения коленчатого вала.

3-4 – процесс адиабатного расширения рабочего тела. Под воздействием расширения продуктов сгорания поршень движется к НМТ.

4-1 – процесс изохорного охлаждения рабочего тела. Под действием разности давлений в цилиндре и в атмосфере происходит выхлоп продуктов горения.

Также Цикл Отто можно представить на T-S диаграмме (рисунок 2), где T — температура, а S — энтропия. Энтропия – мера рассеяния энергии.

Этапы цикла на T-S диаграмме аналогичны P-V диаграмме:

1-2 – адиабатное сжатие;
2-3 – изохорный подвод тепла;
3-4 – адиабатное расширение;
4-1 – изохорное охлаждение.

Цикл Миллера

Такой подход позволяет увеличить геометрическую степень сжатия выше пределов, определенных детонационными свойствами топлива. Таким образом, повышается тепловая эффективность цикла Миллера относительно цикла Отто. Однако ухудшается наполняемость цилиндра, вследствие чего для цикла Миллера относительно цикла Отто пиковая выходная мощность снижаются для данного размера двигателя, что означает, что при сравнении выходной мощности двигателей Отто и Миллера одинаковых размеров выходная мощность двигателя Отто будет больше при прочих равных.

Siemeng Gas Engines

Рассмотрим и сравним конкретные двигатели Siemeng Gas Engines, работающие на природном газу. Серия Siemens Gas Engines SL работает по циклу Отто, серии HM и EM – по циклу Миллера. В таблицах 1-3, представленных ниже, показаны параметры двигателей серий SL, HM, SE объемом от 24 до 86 л: мощность механическая, КПД механический, объем двигателя и степень сжатия.

Таблица 1. Параметры двигателей SGE серии SL

Таблица 2. Параметры двигателей SGE серии HM

Таблица 3. Параметры двигателя SGE серии EM

На рисунке 4 представлена зависимость механической мощности от объема двигателя и цикла работы. Как видно из гистограммы механическая мощность возрастает с увеличением объема двигателя, также на гистограмме можно видеть, что у двигателей серии HM, механическая мощность выше, чем у двигателей серии SL аналогичного объема.

Увеличение механической мощности и эффективности двигателей серии HM достигается за счет конструктивных и технологических особенностей, а именно: усовершенствованной системы впуска, модифицированных турбокомпрессоров, применения форкамерных свечей и обновленной системы управления двигателем, позволяющей оптимизировать термодинамические потери, ­– а также работы по циклу Миллера.

На рисунке 5 представлена зависимость механического КПД от объема двигателя и цикла работы. Как видно из гистограммы механический КПД двигателей, работающих по циклу Миллера, больше, чему у двигателей, работающих по циклу Отто, при равном объеме.

Потребление топлива у машин, работающих по циклу Отто, несколько выше, чем у машин, работающих по циклу Миллера. Для примера рассмотрим потребляемый объем газа для машин 24SL и 24HM. Для выработки 1 кВт механической мощности машине 24SL требуется 0,27 м3 газа, а машине 24HM – 0,25 м3 газа.

Основывая на приведенных выше данных, можно сделать вывод, что двигатели SGE, работающие по циклу Миллера, за счет более высокого КПД, а, следовательно, меньшего потребления газа более выгодны в областях, где стоимость газа высока, например, в Европе, их запчасти несколько дороже за счет конструктивных особенностей, стоимость запчастей выражается в евро. Следовательно, машины, работающие по циклу Миллера, выгоднее эксплуатировать в Европе. А двигатели SGE, работающие по циклу Отто, за счет большего потребления газа и более низкой стоимости запасных частей выгоднее эксплуатировать в России, ввиду более лояльных, чем в Европе, ценам на газ и высокой стоимости евро.

Рабочий цикл двигателя

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одно проходу поршня.

Рабочий цикл дизеля может совершаться как за четыре такта (за два оборота коленчатого вала), так и за два такта (за один оборот коленчатого вала). В первом случае дизель называется четырехтактным, во втором — двухтактным.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же тактов, что и рабочий цикл карбюраторного двигателя. Однако происходящие во время этих тактов процессы внутри цилиндров у карбюраторного двигателя и дизеля не одинаковы.

Во время такта впуска в цилиндр дизеля всасывается не горючая смесь, а воздух. Во время такта сжатия поступивший в цилиндр воздух сильно сжимается и вследствие этого нагревается до 500—700° С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается под большим давлением в мелкораспыленном состоянии топливо, которое, соприкасаясь с раскаленным воздухом, воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество газов и выделяя тепло.

Во время такта расширения под давлением газов поршень перемещается. Процессы при этом такте, а также при такте выпуска аналогичны процессам, происходящим в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Таким образом, в любом четырехтактном двигателе только один такт рабочий, а остальные три — вспомогательные.

Рабочий цикл двухтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла четырехтактного: он совершается не за два, за один оборот коленчатого вала и состоит только из двух тактов.

Рис. Основные процессы, происходящие в цилиндрах двухтактного дизеля: а — продувка; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1 — поршень; 2 — нагнетатель; 3 — выпускной клапан; 4 — продувочные окна; 5 — ресивер блока; 6 — коленчатый вал; 7 — насос-форсунка

Первый такт (рис. а и б) происходит при перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней. Когда поршень 1 находится в нижней мертвой точке, свежий воздух под небольшим давлением поступает из нагнетателя 2 через ресивер 5 блока и продувочные окна 4 в цилиндр, вытесняя при этом остатки отработавших газов через открытый выпускной клапан 3. Когда поршень, перемещаясь вверх, перекрывает продувочные окна, а выпускной клапан закрывается, продувка цилиндра заканчивается. При дальнейшем перемещении поршня воздух в цилиндре сильно сжимается и нагревается. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, в цилиндр через насос-форсунку 7 впрыскивается под большим давлением топливо.

Второй такт (рис. в и г). Мелкораспыленное топливо, соприкасаясь с раскаленным воздухом, сгорает; при этом выделяется большое количество тепла, температура и давление газов резко возрастают. Под действием давления газов поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней, вращая коленчатый вал.

Когда поршень приближается к продувочным окнам, открывается выпускной клапан и значительная часть отработавших газов вследствие большого избыточного давления выходит из цилиндра. При дальнейшем движении поршня открываются продувочные окна, в цилиндр начинает поступать из ресивера блока чистый воздух, вытесняя через открытый выпускной клапан остатки отработавших газов.

Рабочий цикл на этом завершается.

Таким образом, в двухтактном двигателе, и это является его особенностью, рабочий ход поршня совершается при. каждом обороте коленчатого вала.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Рабочий цикл осуществляется за два хода поршня – за один оборот коленчатого вала и состоит из таких же процессов, что и рабочий цикл четырехтактного двигателя. Однако наполнение и выпуск являются не самостоятельными тактами, требующими двух ходов поршня, а совмещены – наполнение с тактом сжатия, а выпуск с тактом расширения. При этом выпуск газов из цилиндра осуществляется не выталкиванием их поршнем, а путем продувки цилиндра воздухом, подаваемым в него под давлением, создаваемым продувочным насосом или турбокомпрессором.

Первый такт (рис 1.2а) – вторая часть газообмена, сжатие воздуха, подача и воспламенение топлива. Поршень движется от НМТ к ВМТ, воздух, предварительно сжатый до давлений 0,14 – 0,18 МПа (при наличии продувочного насоса) и до 0,20-0,30 МПа(при наличии ГТК), из ресивера 4 через продувочные окна (щели) 1 поступает в цилиндр. Этот воздух вытесняет продукты сгорания, оставшиеся в цилиндре от предыдущего цикла, через выпускные окна или выпускные клапаны 2 в коллектор выпускных газов 3.

В момент закрытия продувочных и выпускных окон или клапанов (линия а’ сГ а) процесс газообмена заканчивается и начинается процесс сжатия (линия ас), который продолжается до прихода поршня в ВМТ. Параметры воздуха в конце сжатия (в точке С): P_с = 4 – 10 МПа и Т_с= 480- 900° С. В конце сжатия в цилиндр с опережением до прихода поршня в ВМТ (точка С) впрыскивается топливо, которое в районе ВМТ самовоспламеняется и далее сгорает.

Второй такт (рис 1.2 Ь) – сгорание топлива, расширение продуктов сгорания и первая часть газообмена. Под действием давления газов поршень движется вниз, совершая рабочий ход. В момент открытия выпускных окон или выпускного клапана 2 (в точке Ь) при угле Ф _вып = 88 – 94° п.к.в. до НМТ (для выпускных окон Ф _вып = 60 – 70° п.к.в. до НМТ) процесс расширения (линия zb) заканчивается и благодаря наличию положительной разницы давления между цилиндром и выпускным коллектором начинается процесс выпуска газов в коллектор. Из коллектора газы поступают в выпускную систему или при наличии ГТК – на привод газовой турбины. Параметры в конце расширения (в точке Ь): P_ь= 0,35 – 0,9 МПа; Т_Ь = 530 – 900° С; параметры в точке z: P_z= 9 -16 МПа и Tz = 900 – 2000° С.

После снижения давления в цилиндре до давления продувочного воздуха ps поршнем открываются продувочные окна (в точке d), начинается продувка цилиндра и наполнение его свежим воздухом (фаза Ф_о,пр). Продувка продолжается до прихода поршня в НМТ
(линия da’) и заканчивается при ходе поршня вверх (фаза Ф_з,пр) после закрытия продувочных окон (в точке d’) .

Из сравнения рабочих циклов 4-х и 2-х тактных дизелей следует, что при прочих равных условиях – размеры и число цилиндров, частота вращения, мощность двухтактного двигателя теоретически должна быть в 2 раза больше мощности четырехтактного двигателя. В действительности она больше в 1,6 – 1.8 раза, так как величина рабочего хода 2-х тактного двигателя меньше, т. к. его часть затрачивается на процессы газообмена. Более того, газообмен менее совершенен, так как его продолжительность составляет 120
– 140°п.к.в., в то время как в четырехтактном двигателе он занимает 2 хода поршня и составляет ориентировочно 480° п.к.в. Графическое изображение рабочего цикла, представляющее собой диаграмму изменения давления р в цилиндре в функции объема
или хода поршня называется нормальной индикаторной диаграммой (см. рис 1.1 г и рис 1.2 б). Такую диаграмму снимают на работающем дизеле с помощью специального прибора (механического или электронного), называемого индикатором. Для удобства
анализа нормальную диаграмму разворачивают по углу поворота вала и получают развернутую индикаторную диаграмму.

Что такое Цикл Миллера и как он работает?

Mark Icons

DD — Dрифтер в DУше

Новый рабочий цикл двигателей VAG с высокой степенью сжатия и ЭБУ Bosch MG1

На момент написания этого материала новый рабочий цикл двигателей, работающих по принципу цикла Миллера, применяется на двигателях 1.5 TSI (DACA) семейства EA211 EVO и на двигателях 2.0 TSI BZ семейства EA888 gen3B. Отличительно особенностью этих двигателей, в момент знакомства с их ТТХ, является очень высокая для бензиновых турбированных двигателей степень сжатия: 12,5:1 на 1.5 TSI и 11,65:1 на 2.0 TSI BZ.

Особенность цикла Миллера заключается в смещении момента открытия/закрытия клапанов: таким образом впускные клапаны (в зависимости от запрограммированных параметров) закрываются ещё задолго до достижения поршнем нижней мёртвой точки (НМТ), это позволяет создать процесс расширения топливо-воздушной смеси, и к тому моменту, как поршень достигает нижней мёртвой точки, закрытая смесь уже достаточно расширяется и от этого остывает. В свою очередь подобный процесс приводит к снижению конечной температуры цикла сжатия, таким образом степень сжатия самого двигателя можно повышать и не бояться самопроизвольного воспламенения смеси (детонации). Поэтому двигатели, работающие по принципу цикла Миллера, имеют столь высокую степень сжатия.

Так же на впускном валу расположен фазовращатель, который может изменять момент закрытия впускных клапанов и тем самым менять степень расширения смеси на этапе впуска. Подробнее это отображено на схеме ниже:

Таким образом можно отметить следующие преимущества цикла Миллера в сравнении с обычными рабочими циклами:

• За счёт более холодной смеси снижается конечная температура цикла сжатия, а с ней и склонность к детонации. Степень сжатия можно повысить до 12,5:1, что приводит к увеличению термического КПД и более эффективному сгоранию топлива;
• Времени на впуск в цилиндр необходимой массы воздуха стало меньше, поэтому в режиме частичной нагрузки дроссельная заслонка открывается шире, улучшая газообмен в цилиндрах;
• Увеличение рабочего объёма уменьшает работу сжатия;
• Благодаря более холодной смеси сокращается детонационное сгорание в режиме полной нагрузки, что позволяет двигателю работать со значением лямбда 1 в широком диапазоне крутящего момента / нагрузки.

Для сравнения цикла Миллера с обычным циклом работы двигателя стоит обратиться к таблице данные впускных и выпускных клапанов двигателей 1.5 TSI семейства EA211 EVO, где двигатель DACA (130 л.с.) работает по принципу цикла Миллера, а двигатель DADA (150 л.с.) работает по обычному рабочему циклу:

Правда при всех плюсах нового цикла возникают и дополнительные требования к навесному оборудованию двигателя. Так, например, из-за раннего закрытия клапанов, короткой фазы их открытия и меньшего хода впускных клапанов (7,2 мм против 9,0 мм), у двигателя остаётся совсем мало времени на наполнение цилиндров достаточным зарядом воздуха. Чтобы компенсировать эту недостачу, нужно поднимать давление наддува и улучшать эффективность охлаждения наддувочного воздуха. Для этого на новых двигателях применяются турбонагнетатели с повышенным избыточным давлением и более производительные интеркулеры (а на двигателе 1.5 TSI (DACA) и вовсе установлен турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG).