Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) показан на рисунке, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к1, и выпускной к2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

Рис. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС и его принципиальная схема

При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впускной клапан к1 засасывается горючая смесь (кривая О—1′). Прямая a—а’ соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1’—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры p, v и Т при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.

На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т.е. без теплообмена.

Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0)у меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.

Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно. Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответствует работе за один цикл.

На рисунке показана индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.

ДВС, как это видно из рисунка, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамически ми процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;
циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;
смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.

Читать еще: Что такое график всх двигателя

Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:

по условию и характеру работы двигатели строится индикаторная диаграмма цикла;
определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;
определяются теплота и работа цикла;
определяется термический КПД цикла по формуле:

График работы двигателя внутреннего сгорания

«Компания «Ай Пи Ар Медиа» является владельцем Хранилища цифровых научных данных и диапазона индексов DOI для регистрации размещаемых в Хранилище объектов и обеспечивает регистрацию DOI по запросу правообладателя на безвозмездной основе.

Регистрация DOI позволяет обеспечить возможность обращаться к объектам, размещенным в Хранилищах, по их постоянному имени. Цифровой объект включается в мировые научные коммуникации и становится видимым для всего мирового сообщества, повышая потенциал цитирования и использования объекта.

Для присвоения Вашим объектам DOI, обратитесь к нам [email protected]

С этой книгой также читают

Издательство: Вузовское образование

Автор: Горбунова Т.Н., Журавлева Т.Ю.

Год издания: 2014

ISBN:

Издательство: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, ЭБС АСВ

Автор: Радоуцкий В.Ю., Егоров Д.Е.

Год издания: 2013

ISBN:

Издательство: Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта

Автор: Шалагинова И.Г., Клейменов В.Н.

График работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый режим работы двигателя характеризуется совокупностью многих параметров, отражающих те или иные его свойства. К числу таких параметров можно отнести: N _е — эффективную мощность; M — крутящий момент; ? — угловую скорость коленчатого вала; р _к —давление наддува; g _e — эффективный удельный расход топлива; Т — температуру охлаждающей воды; ? — коэффициент избытка воздуха; ? _e — эффективный КПД; h — положение рейки топливного насоса (органа управления); ?— положение рычага управления автоматическим регулятором и др.

Режим работы двигателя называется установившимся, если числовые значения всех названных (и многих других) параметров двигателя сохраняются постоянными во времени. При этом необходимо учитывать, что двигатель является машиной циклического действия, в связи с чем даже у многоцилиндровых двигателей с большой частотой вращения коленчатого вала не удается обеспечить точного поддержания значения того или иного параметра на выбранном установившемся режиме. Например, колебания угловой скорости на установившихся режимах работы двигателя определяются степенью нестабильности [10], т. е. параметром, характеризующим размах амплитуды колебаний относительной мгновенной угловой скорости. Для различных двигателей степень нестабильности имеет значение от 1 до 4%. В этом случае при заданном установившемся режиме выбирают среднее значение угловой скорости за определенный интервал времени (например, за один или несколько оборотов коленчатого вала).

Двигатель работает на установившемся режиме при выполнении таких условий статического равновесия, как равенство выработанного двигателем и израсходованного потребителем количества энергии, выделенной и отведенной теплоты, подведенного и отведенного воздуха или газа, и т. п. Эти условия могут быть выражены уравнениями статического равновесия:

и других элементов двигателя.

В приведенных уравнениях: M — крутящий момент двигателя; M _с — момент сопротивления (момент потребителя); Q _n — количество теплоты, поступившей от двигателя в систему охлаждения в единицу времени; Q _p — количество теплоты, отданной системой охлаждения через радиатор в ту же единицу времени; G _K — количество воздуха, поданного компрессором во впускной коллектор в единицу времени; G _д — количество воздуха, поступившего в цилиндры двигателя в ту же единицу времени; G _г — количество отработавших газов, поступающих в единицу времени из цилиндров двигателя в выпускной коллектор; G _т —количество отработавших газов, поступивших на лопатки турбины из выпускного коллектора в ту же единицу времени; М _т — крутящий момент турбины и М _к — момент сопротивления компрессора.

Уравнения статического равновесия (1) —(5) и другие обусловливают также и часто используемое название установившихся режимов — равновесные режимы, при которых обеспечивается равновесие в общем случае прихода и расхода энергии или массы.

Диапазон изменений каждого параметра обусловливается назначением двигателя и ограничивается его прочностными, тепловыми и газодинамическими возможностями. Например, угловая скорость коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания может изменяться в ограниченных пределах. Ряд факторов не позволяет превышать заданной максимальной угловой скорости вала ? _ma _х , так как это влечет за собой превышение допустимых значений сил инерции в деталях двигателя с точки зрения их прочности, приводит к ухудшению качества протекания рабочих процессов в цилиндре двигателя, увеличивает термическое перенапряжение деталей двигателей и т. п.

В некоторых случаях двигателю приходится работать при самой малой частоте вращения вала (например, при стоянке тепловоза перед семафором). При этом скоростной режим должен быть таким, чтобы двигатель работал устойчиво. Если снизить угловую скорость вала ниже допустимого минимального предела ? _min , то появятся перебои в работе, в результате чего двигатель может самопроизвольно остановиться.

Следовательно, скоростные режимы двигателя ограничены как верхним ? _m _ах /? _ном , так и нижним ? _min /? _ном пределами (рис. 21).

На каждом скоростном режиме мощность двигателя может изменяться от нулевой (холостой ход) до максимальной, которую способен развить данный двигатель при заданном скоростном режиме. Максимальная мощность обусловливается максимальной нагрузкой при которой еще не нарушаются нормальные условия протекания процессов в цилиндре двигателя.

Из сказанного следует, что возможные установившиеся режимы работы двигателя охватывают некоторую область, которую можно изобразить графически в виде заштрихованной площади (рис. 21), ограниченной по оси ординат максимально возможной мощностью N _e /N _e _ном при выбранном скоростном режиме, а по оси абсцисс — минимальным ? _min /? _ном и максимальным ? _m _ах /? _ном скоростными режимами. Точка А с координатами (1; 1) соответствует номинальному режиму работы. Обычно технические условия предусматривают возможность кратковременной перегрузки двигателя на 10—15%. На рис. 21 этот режим отмечен точкой В. Точка С соответствует режиму работы холостого хода при номинальной угловой скорости, точки D и E соответствуют минимально возможному скоростному режиму.

Между параметрами, характеризующими работу двигателя на каждом установившемся режиме, существуют определенные функциональные зависимости, определяемые теорией рабочих процессов двигателя.

Так, эффективный КПД двигателя

связан со средним индикаторным давлением механическим КПД ? _м , давлением наддувочного воздуха р _к и его температурой Т _к , коэффициентом наполнения ? _m ; М ₁ — действительное количество воздуха в цилиндре двигателя после дозарядки при давлении р _к и температуре Т _к ; Н _и — теплота сгорания топлива.

Среднее эффективное давление

где ? — коэффициент избытка воздуха; р _к — плотность воздуха; ? _i и ? _m — соответственно индикаторный и механический КПД; ? _? — коэффициент наполнения.

В обобщенной форме этой зависимости можно придать вид

Каждый установившийся режим двигателя всегда определяется постоянством во времени всех параметров, входящих (и не входящих) в зависимость (6). Эту зависимость можно представить в виде некоторой многомерной поверхности, каждая точка которой определяется совокупностью конкретных числовых значений всех параметров, входящих в функциональную зависимость (6) и соответствующих определенному установившемуся режиму.

Однако во многих случаях нет необходимости учитывать все возможные параметры, характеризующие работу двигателя на установившемся режиме. В этих случаях выбирают один, два, три или несколько параметров, представляющих наибольший интерес; например, к числу таких параметров можно отнести М — крутящий момент двигателя; ? — угловую скорость коленчатого вала; h — положение рейки топливного насоса или g _ц — цикловую подачу топлива. Если за положительное направление перемещения рейки принять ее перемещение в сторону уменьшения цикловой подачи топлива, то эти три параметра в совокупности дадут некоторую поверхность А (рис. 22). Каждая точка поверхности А соответствует одному установившемуся (равновесному) режиму.

Иногда для характеристики установившегося режима работы двигателя из всего многообразия параметров (6) выбирают постоянство какого-то одного параметра и по его значениям характеризуют тот или иной установившийся режим работы двигателя. Например, постоянное числовое значение крутящего момента двигателя свидетельствует об соответствующем установившемся нагрузочном режиме (М = const при h = var; ? = var), постоянное значение угловой скорости вала ? — об определенном установившемся скоростном режиме (? — const при М = var; h = var), называемом стационарным. Постоянное значение температуры охлаждающей воды Т свидетельствует об соответствующем тепловом режиме двигателя и т. д. В некоторых случаях на всех возможных установившихся режимах между отдельными параметрами выдерживается определенная связь. Так, между моментом сопротивления М _с гребного винта и его угловой скоростью имеется зависимость М _с = Ф _с ? 2 , поэтому на параболе ЕА (см. рис. 21) укладываются все статические установившиеся режимы судового двигателя, а сама парабола ЕА соответствует судовым условиям работы двигателей.

В транспортных условиях двигатель может иметь любые режимы: как скоростные, так и нагрузочные. Заштрихованная площадь на рис. 21 характеризует, таким образом, область возможных режимов работы двигателя в транспортных условиях.

Если в процессе эксплуатации двигатель работает на ряде установившихся скоростных и нагрузочных режимов, то часто говорят, что такой двигатель работает на переменных режимах. Например, можно сказать, что транспортный двигатель может работать на переменных скоростных и нагрузочных режимах, в то время как стационарный дизель-генератор должен иметь один установившийся скоростной режим при переменных нагрузочных режимах.

График работы двигателя внутреннего сгорания

Ссылка для цитирования этой статьи:

Дискин М.Е. Высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания на режимах частичных нагрузок // Вестник Евразийской науки, 2018 №2, https://esj.today/PDF/79SAVN218.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

Высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания на режимах частичных нагрузок

Дискин Марк Евгеньевич
Кандидат технических наук
E-mail: [email protected]

Аннотация. В системе охлаждения двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет температура охлаждающей жидкости. Она влияет на количество теплоты, передаваемой от стенки к охлаждающей жидкости. Чем выше температура охлаждающей жидкости, тем меньше теплоты передается стенке и больше теплоты передается рабочему телу. Следовательно, высокотемпературное охлаждение двигателей внутреннего сгорания является эффективным средством улучшения параметров их работы.

По данным литературных источников рассмотрены плюсы и минусы перевода двигателей внутреннего сгорания на высокотемпературное охлаждение. Накопленный опыт эксплуатации дизелей с системами высокотемпературного охлаждения показывает, что их применение способствует повышению эффективного КПД ηе и снижению нагрузок наиболее теплонапряженных деталей за счет уменьшения колебаний их температур.

Но применение высокотемпературного охлаждения двигателей внутреннего сгорания на режиме номинальной мощности ограничено температурным уровнем деталей, обеспечивающих их работоспособность.

Предварительные расчеты на основе опубликованных экспериментальных данных показывают, что применение ВТО, обеспечивающей поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на уровне температуры на режиме номинальной мощности, приводит к повышению эффективного КПД на режимах частичных нагрузок и значительному повышению требуемого давления в системе охлаждения.

Предложено, что система ВТО должна обеспечивать поддержание на всех режимах работы ДВС температуры наиболее нагретых деталей, ограждающих камеру сгорания на оптимальном уровне, обеспечивающем повышение эффективного КПД при допустимом уровне повышения давления в системе охлаждения, за счет ограничения допустимой температуры охлаждающей жидкости на режимах малых нагрузок.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; высокотемпературное охлаждение; режим номинальной мощности; режим частичной нагрузки; эффективный КПД; давление в системе охлаждения

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

ISSN 2588-0101 (Online)
Уважаемые читатели! Комментарии к статьям принимаются на русском и английском языках.
Комментарии проходят премодерацию, и появляются на сайте после проверки редактором.
Комментарии, не имеющие отношения к тематике статьи, не публикуются.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)