Температура в конце сжатия для бензиновых двигателей находится в пределах: Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

Категория:

   Техническое обслуживание автомобилей

Публикация:

   Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

Читать далее:

Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рис. 1.3) рабочий цикл происходит следующим образом.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

Такт впуска. Поршень находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр.

От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125 °С.

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300— 450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750— 900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из-за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырехтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08—0,95 МПа, а температура 40—60 °С.

Такт сжатия. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550—700 °С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0—5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход. При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6—9 МПа, а температура 1800-2000 °С. Под действием давления газов поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура—до 700—900 °С.

Такт выпуска. Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11—0,12 МПа, а температура — до 500—700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на значение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в криво-шипно-шатунном и газораспределительном механизмах двигателя, а также на приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.

Таким образом, эффективная мощность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного действия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной.

Механический к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.

Мощностные показатели двигателя в значительной мере определяются количеством теплоты, превращенным в полезную работу. Степень использования теплоты, введенной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д., который представляет собой отношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную работу, к количеству теплоты Qt, выделившейся в результате сгорания

Рис. 3. Схемы компоновки цилиндров двигателей

—

Дизель. Рассмотрим процесс протекания каждого такта в цилиндре дизеля (рис. 7).

Первый такт — впуск. Цилиндр заполняется воздухом, кислород которого обеспечивает сгорание топлива. Чем больше воздуха поступает в цилиндр, тем большее количество топлива можно сжечь в нем и тем выше будет давление газов на поршень при рабочем ходе (увеличивается мощность).

Во время впуска поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Воздух, поступающий в цилиндр, нагревается при смешивании с горячими остаточными газами и от нагретых деталей работающего дизеля.

К концу первого такта температура воздуха достигает 40… 60 °С, и его плотность уменьшается. Кроме того, при движении он встречает сопротивление во впускных каналах дизеля. По этим причинам давление в цилиндре оказывается ниже атмосферного (0,08… 0,09 МПа).

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается вверх, оба клапана закрыты. Под действием поршня воздух сжимается в 15…17 раз (степень сжатия е=15… 17) и при этом нагревается. Давление в конце сжатия доходит до 3…4 МПа, а температура — до 550…600 °С, что значительно превышает температуру самовоспламенения топлива.

Рис. 4. Схема рабочего цикла одноцилиндрового четырехтактного дизеля: 1 — форсунка; 2 — топливный насос.

Третий такт — расширение. Перед самым окончанием такта сжатия, когда поршень почти дошел до в. м.т., в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Большая часть его сразу же воспламеняется и сгорает. Температура газов повышается до 2000…2100 °С, а давление — до 5,5…8,0 МПа. Под таким давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун проворачивает коленчатый вал. В процессе расширения сгорает остальная часть впрыснутого топлива. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура уменьшается. К концу третьего такта давление снижается до 0,2…0,3 МПа, а температура — до 600…650 °С.

Четвертый такт — выпуск. Впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Из цилиндра выталкиваются отработавшие газы. Давление оставшихся газов падает до 0,11…0,12 МПа. Температура отработавших газов в месте выхода из цилиндра составляет 400…500 °С.

Далее рабочий цикл повторяется.

Карбюраторный двигатель. Подобным образом рассмотрим рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Такт впуска. Выпускной клапан закрыт, а впускной открыт. При движении поршня от в. м. т. вниз цилиндр заполняется смесью топлива с воздухом. Такая смесь приготовляется в специальном приборе — карбюраторе и называется горючей смесью. Поступая в цилиндр, она перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.

Давление рабочей смеси в цилиндре при такте впуска из-за сопротивления в карбюраторе ниже, чем в цилиндре дизеля, и составляет 0,07…0,08 МПа. Температура рабочей смеси повышается 60…120 °С в основном за счет высокой температуры остаточных газов.

Такт сжатия. При этом такте, как и в дизеле, рабочая смесь, сжимаясь, нагревается. С увеличением степени сжатия растет давление и температура смеси, а также скорость ее сгорания. В результате повышается экономичность и мощность двигателя. Но при повышенной температуре возникает опасность преждевременного воспламенения (самовоспламенения) смеси. Чтобы избежать этого, рабочую смесь сжимают незначительно (е=4…8). Давление в цилиндре в конце такта сжатия — 0,9…1,2 МПа, а температура не превышает температуры самовоспламенения, доходя лишь до 330 °С.

Такт расширения. Перед окончанием такта сжатия между электродами искровой свечи зажигания проскакивает электрический заряд. Искра воспламеняет рабочую смесь. Температура горящих газов доходит до 2500 °С, а давление повышается до 3,0…4,5 МПа. Под действием силы давления газов поршень перемещается вниз. К концу . третьего такта давление снижается до 0,3…0,4 МПа, а температура — до 900…1200 °С.

Такт выпуска происходит так же, как в дизеле, но при несколько более высокой температуре газов.

Сравнительная оценка дизеля и карбюраторного двигателя.

По сравнению с карбюраторным (бензиновым) двигателем дизель имеет следующие преимущества:
— дизель экономичнее: на единицу выполненной работы вследствие высокой степени сжатия он расходует на 25% меньше топлива;
— топливо, на котором работает дизель, менее опасно в пожарном отношении и оказывает меньшее коррозионное действие на детали, чем бензин.

Недостатки дизеля:
— из-за высокого давления газов в цилиндрах, корпус и другие детали, работающие со значительными нагрузками, тяжелее и имеют большие размеры;
— для пуска дизеля требуется более мощный стартер или специальный карбюраторный пусковой двигатель;
— дизель работает со значительным избытком воздуха, поэтому размеры цилиндров и других деталей и сборочных единиц увеличены.

Рекламные предложения:

Читать далее: Блок и головка цилиндров

Категория: — Техническое обслуживание автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Правильная рабочая температура двигателя: Бензин- Дизель… Motoran.ru

Стабильность работы любого автомобиля зависит от условий эксплуатации и технических характеристик двигателя внутреннего сгорания. Такой показатель, как рабочая температура двигателя, зависит не только от условий окружающей среды, но и от многих эксплуатационных факторов. Если данный параметр соответствует расчетной величине, т. е. находится в допустимом диапазоне, силовой агрегат обеспечивает максимальную отдачу энергии в течение длительного времени. При оптимальных режимах двигателя внутреннего сгорания создаются лучшие условия для функционирования всех систем автомобиля.

Какая должна быть рабочая температура двигателя

При сгорании топливных смесей в цилиндрах мотора выделяется огромное количество тепла. В камерах сгорания температура достигает более 2000°С. В конструкцию силовых агрегатов включена система охлаждения, элементы которой отводят тепло от рабочих узлов. Благодаря эффективной работе элементов охлаждающей системы ДВС, тепловой режим поддерживается в оптимальных границах от +80 до 90°С. Существуют отдельные типы моторов, для которых нормы расширены до 110°С, чаще всего это механизмы с воздушным охлаждением.

При работе двигателя в оптимальном температурном режиме создаются наилучшие условия для:

1. Полноценного наполнения цилиндров топливовоздушными смесями.
2. Стабильности работы силового агрегата во время движения.
3. Надежной работы механизмов и систем транспортного средства.

Отклонения от нормы температурных режимов силовых агрегатов

Показания температуры внутри двигателя можно увидеть на приборе, расположенном в салоне любого современного автомобиля.

К чему приводит превышение нормы рабочей температуры в двигателе? При сверхвысоких температурах технологические тепловые зазоры металлических элементов нарушаются. Это вызывает следующие негативные изменения в работе силового агрегата:

• ускоренный износ рабочих узлов и деталей;
• деформации и поломки механизмов;
• уменьшение мощности двигателя;
• возникновение детонации;
• несанкционированное воспламенение горючего.

Что означает понятие – низкая температура двигателя? Если в процессе движения автомобиля стрелка прибора находится ниже рекомендуемого уровня температурного режима, имеются веские основания для тревоги. Непрогретая топливовоздушная смесь конденсируется и оседает на стенках цилиндров. При попадании конденсата в масляный поддон происходит разжижение моторного масла. Технических свойства и характеристики смазочного материала резко ухудшаются. При длительной работе в низком тепловом режиме узлы и детали силового агрегата быстро изнашиваются и приходят в негодность.

Если температура двигателя не поднимается до рабочей, во избежание преждевременного выхода из строя компонентов мотора, водителю необходимо отправить автомобиль на диагностику в ближайший сервисный центр.

Рабочая температура бензинового двигателя

Работа каждого двигателя внутреннего сгорания сопровождается выделением тепла. Рабочие элементы мотора функционируют в условиях высоких температурных режимов.

При опускании поршня в самую нижнюю точку затрачивается большое количество энергии, одновременно с этим выделяется тепло. Элементы силовых агрегатов изготовлены из металла. Как известно, при нагревании данный материал расширяется. При изготовлении узлов и деталей двигателей предусмотрены специальные тепловые зазоры, рассчитанные на нагрев изделий до оптимальных значений. Для предотвращения заклиниваний в конструкцию мотора включена система охлаждения двигателя.

Какая рабочая температура бензинового двигателя является оптимальной? Рабочая температура бензиновых силовых агрегатов как карбюраторного, так и инжекторного, не должна превышать +90°С. Задача охлаждающей жидкости – сохранять постоянную температуру двигателя на должном уровне.

Интересно: Существует понятие «опасная температура двигателя». Для ДВС бензинового типа она составляет 130°С. После достижения предельных значений может произойти заклинивание элементов силового агрегата.

Важно: После включения мотора при дальнейшем движении транспортного средства оператор, постоянно держит под контролем значения рабочей температуры ДВС. Отклонения свидетельствуют о проблемах, появившихся в охлаждающей системе:

1. Повышение температуры в бензиновом двигателе приводит к закипанию и быстрому испарению ОЖ.
2. При уменьшении ее количества температура мотора стремительно возрастет.
3. Под воздействием высоких температур металл начнет деформироваться и расширяться в объеме.
4. Размеры деталей будут сильно изменены.
5. В результате, произойдет заклинивание мотора.

Чтобы восстановить работоспособность такого двигателя потребуется дорогостоящий капитальный ремонт автомобиля.

К чему приводит переохлаждение мотора

Такое явление, как переохлаждение также негативно сказывается на качестве работы силового агрегата. Чаще всего это случается зимой или при эксплуатации транспортного средства в сложных климатических условиях крайнего севера.

Рабочая температура двигателя зимой может быть резко снижена в процессе движения авто. При этом потоки охлажденного воздуха обдувают радиатор и весь силовой агрегат. В результате, охлаждающая жидкость резко понижает температуру мотора, даже, если он работает на полных нагрузках.

Понижение рабочей температуры мотора опасно по следующим причинам:

1. При переохлаждении системы питания в карбюраторе обмерзает отверстие жиклера, через которое поступает воздух, в результате свечи зажигания заливаются бензином. Чтобы продолжить движение, водителю придется ждать высыхания свечей.
2. При минусовых температурах окружающей среды в автомобилях, работающих на воде, охлаждающая жидкость (ОЖ) замерзает в трубках радиатора. Прекращение циркуляции ОЖ приводит к перегреву мотора. Опытные автовладельцы устанавливают специальные тканевые перегородки или защитные жалюзи на решетку радиатора.
3. Ухудшение качества или отсутствие отопления салона автомобиля в зимний период может привести к нарушениям управления транспортным средством.

Рабочая температура дизельного двигателя

Поддержание рабочей температуры дизеля является необходимым условием для оптимального функционирования механизмов и систем транспортного средства. Принцип действия дизельного мотора принципиально отличается от бензинового. Здесь топливная смесь не готовится заранее. Первым в камеру попадает воздух. При сильном сжатии воздушная масса разогревается до +700°С. В момент топливного впрыска происходит взрыв с последующим равномерным сгоранием образовавшейся смеси. В результате чего, поршень перемещается в нижнюю мертвую точку.

Температура дизеля зависит от следующих факторов:

• тип мотора;
• период задержки воспламенения топливовоздушной смеси;
• качество, равномерность сгорания топлива.

Считается, что оптимальная рабочая температура двигателя должна находиться в пределах 70 – 90°С. Допустимый максимум для дизельных силовых агрегатов, работающих под усиленными нагрузками, равен +97°С, не более.

Совет: Если дизельный двигатель исправен, перед началом движения рекомендуется прогреть охлаждающую жидкость до температуры не менее +40°С. При сильных морозах за бортом автомобиля мотор может начинать прогреваться только при движении. На первых порах рекомендуется включить пониженную передачу. В дальнейшем, нагрузка на движок должна повышаться постепенно, только после поднятия температуры хотя бы до 80°С.

Краткое описание принципа действия системы охлаждения

В данную систему входят следующие рабочие элементы:

1. Расширительная емкость.
2. Радиатор охлаждения.
3. Патрубки верхний и нижний.
4. Рубашки охлаждения блока цилиндров.
5. Соединительные шланги.
6. Насос ОЖ.
7. Термостат.
8. Радиатор отопителя салона.
9. Охлаждающая жидкость.

Схема работы системы охлаждения силового агрегата:

Как видно из схемы, в охлаждающей системе происходят следующие процессы:

• Охлаждающая жидкость под воздействием насоса в принудительном порядке проходит по шлангам, трубкам и прочим магистралям.
• Она эффективно омывает каждый цилиндр ДВС.
• Цилиндры, в частности камеры сгорания, являются источниками основного тепла, выделяемого силовым агрегатом.
• Вокруг каждого цилиндра расположены специальные технологические полости под названием «рубашки охлаждения».
• Рубашки охлаждения сообщаются между собой посредством подготовленных каналов. Через данные полости охлаждающая жидкость циркулирует в постоянном режиме.
• Благодаря движению ОЖ, тепловая энергия отводится от двигателя внутреннего сгорания в радиатор через верхний патрубок.
• Проходя сквозь лабиринты тонких трубок радиатора, жидкость охлаждается при помощи естественного обдува или воздушных потоков, создаваемых вентилятором.
• Далее ОЖ продолжает круговое движение через нижний патрубок охлаждающего радиатора.

Методы восстановления нормальной температуры ДВС

При обнаружении завышения данного параметра, прежде всего, нужно остановить автомобиль, заглушить мотор и начать обследование:

1. Убедиться в достаточном объеме антифриза в системе охлаждения.
2. При необходимости восполнить необходимое количество.
3. Жидкость заливается непосредственно в радиатор охлаждения (при этом необходимо соблюдать осторожность, чтобы не обжечься горячим составом).
4. Осмотреть систему, чтобы исключить возможные протечки.
5. Продиагностировать радиатор на предмет герметичности.

Если восполнение объема антифриза не дало ожидаемого результата, температура двигателя продолжает подниматься, это означает, что мотор нуждается в компьютерной диагностике в условиях специализированного сервисного центра.

Среди наиболее частых отказов в системе охлаждения ДВС можно выделить следующие пункты:

• сбои в работе клапана термостата;
• поломки электрического вентилятора;
• чрезмерное засорение трубок радиатора;
• поломка клапана крышки расширительного бачка;
• протечки в корпусе насоса;
• нарушение герметичности системы.

Тепловой режим двигателя считается оптимальным при его значениях, находящихся в пределах от +80 до +90 °С. При таких условиях мотор работает стабильно. При этом обеспечена существенная экономия горючего материала, детали и узлы силового агрегата получают минимальный износ, независимо от нагрузок на двигатель и особенностей работы транспортного средства.

Важно: Чтобы рабочая температура ДВС находилась в заданных пределах, необходимо проводить регулярную диагностику системы охлаждения силового агрегата.

Рабочие циклы четырехтактных двигателей | Двигатель автомобиля

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя

Рассмотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска

Поршень 4 движется от в.м.т. к н.м.т. Над ним в полости цилиндра 1 создается разрежение. Впускной клапан 6 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 7 и карбюратор 8 сообщается с атмосферой. Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух распыливает топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр. Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня в н.м.т. К этому времени впускной клапан закрывается.

Такт сжатия

При дальнейшем повороте коленчатого вала 10 поршень движется от н.м.т. к в.м.т. В это время впускной 6 и выпускной 3 клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. В конце такта сжатия между электродами свечи 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в) и при помощи шатуна 9 вращает коленчатый вал 10, совершая полезную работу.

Такт выпуска

Когда поршень подходит к н.м.т., открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 2. Далее поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и выталкивает из цилиндра отработавшие газы.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя:
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — цилиндр, 2 — выпускная труба; 3 — выпускной клапан; 4 — поршень; 5 — искровая зажигательная свеча; 6 — впускной клапан; 7 — впускная труба; 8 — карбюратор; 9 — шатун; 10 — коленчатый вал.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска

Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок а), впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух.

Такт сжатия

Оба клапана закрыты. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок б) и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия (порядка 14…18) температура воздуха становится выше температуры самовоспламенения топлива.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска

В конце такта сжатия при положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку начинает впрыскиваться жидкое топливо. Устройство форсунки обеспечивает тонкое распыливание топлива в сжатом воздухе.

Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и оставшимися газами, образуется рабочая смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в). В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива.

Такт выпуска

Выпускной клапан открывается. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу.

Далее рабочий цикл повторяется.

У описанных двигателей в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных тактов — выпуске, впуске и сжатии — нужно перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты являются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в такте расширения. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.

Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие основные преимущества:

• на единицу произведенной работы расходуется в среднем на 20…25 % (по массе) меньше топлива
• работа на более дешевом топливе, которое менее пожароопасно

Недостатки дизеля:

• более высокое давление газов в цилиндре требует повышенной прочности деталей, а это приводит к увеличению размеров и массы дизеля
• пуск его затруднен, особенно в зимнее время

Хорошие экономические показатели дизелей обусловили их широкое применение в качестве двигателей для тракторов, грузовых и легковых автомобилей.

Правильная рабочая температура двигателя: бензинового и дизельного

Для автомобиля рабочая температура двигателя, в зависимости от типа двигателя: бензинового или дизельного она может отличаться. Зная правильные показатели, можно сделать вывод исправно ли работает двигатель, понять не слишком низкая температура или высокая.

В бензиновых вариантах в камере сгорания рабочая температура двигателя может подниматься до 2000 градусов, это считается нормальным: только так топливная смесь будет сгорать оптимально, давая наибольшую мощность. Однако для нормализации температуры каждый автомобиль оснащен системой охлаждения, она нужна для поддержания 90 градусов, иначе все жидкости начнут закипать. Некоторые модели нормально работают при показателях 110 градусов. Обычно это старотипные конструкции, оснащенные только воздушным охлаждением.

Если режим температуры оптимален, цилиндры будут работать лучше, мотор прослужит дольше, при этом будет стабильно запускаться. При нагреве многие элементы могут расширяться, поэтому конструктивно для них предусмотрены специальные тепловые зазоры. При перегреве детали перекрывают допустимые зазоры, трение становится более сильным, некоторые элементы могут перестать двигаться, и тогда мотор заклинит. Менее опасными явлениями являются мелкие поломки, образование зазоров в цилиндрах, из-за чего их мощность падает, наполнение цилиндров происходит плохо. Топливо может начать детонировать в неподходящий момент самостоятельно, что приводит к разрушению конструкции.

Причины повышения показателя температуры

Существует несколько причин, из-за которых температура двигателя повышается:

• Наиболее распространенной причиной повышения температуры мотора является неисправность клапана термостата. Его может заклинить в закрытом состоянии.
• Сломан электрический вентилятор, предназначенный для искусственного охлаждения системы. Выйти из строя может сам моторчик, гидромуфта, нередко перегорает предохранитель. Стоит проверить проводку, возможно, где-то произошел обрыв, если все остальное исправно. Отказать может и датчик температуры, в этом случае его требуется заменить.
• Стоит проверить радиатор: он периодически забивается разнообразным мусором.
• В крышке расширительного бачка имеются клапана, они могут неправильно работать или забиться.
• Пробой прокладки блока цилиндра или трещина на его корпусе
• Кроме этого, помпа может начать протекать и вызывать повышение термальных условий.
• Дополнительные механизмы могут иметь собственные ремни, при ослаблении натяжки которых возникают разнообразные проблемы.
• Система охлаждения в исправном состоянии должна быть герметично, но при ее разгерметизации температура мотора может резко повышаться.

Многих интересует, какая рабочая температура двигателя должна быть минимально. В некоторых случаях мотор не перегревается, а, наоборот, не греется до рабочей температуры, это не так опасно, однако в этом случае не стоит ожидать от силового агрегата эффективной работы. Дело в том, что топливо не будет сгорать до конца, тяга станет слабой. Конденсат от топливной смеси попадет сначала на стенки цилиндров, затем в картер. Последнее приводит к разжижению масла и ухудшению его свойств. Из-за этого смазываться и очищаться детали изнутри будут хуже, что приведет к их повышенному износу. Больше всего страдает от этого ЦПГ, распредвал и вкладыши коленвала, могут выйти из строя и балансировочные валы.

Если игнорировать прогрев, в зимний период на внутренних поверхностях ЦПГ будет образовываться увеличенное количество конденсата, который будет попадать в масло. К тому же присадки, содержащиеся в смазочном материале, вступают в реакцию только при определенных температурах, поэтому при придвижении на небольшие расстояния на непрогретом автомобиле вы создаете для мотора повышенную нагрузку, так как автомасло почти не выполняет своих функций и не может эффективно смазывать детали.

Более густая смазка с трудом попадает в отдаленные места конструкции, для работы деталей мотора требуется прикладывать больше усилий, что приводит не только к повышенному износу частей, но и к повышению расхода топлива. Мощность тоже упадет, так как цилиндры не смогут нормально функционировать. Причины того, что двигатель не нагревается до рабочей температуры, могут быть следующими:

• Клапан термостата заклинило, и он остался в открытом положении.
• Частое совершение поездок на непрогретом моторе в холодное время.
• Неисправен датчик температуры или термостат.

Учитывая все факторы, можно сделать вывод, что оптимальная температура двигателя играет огромную роль, так как только в этом случае агрегат может функционировать оптимально, без вреда для каких-либо узлов и потери мощности.

Отличия по типу двигателя

Существуют разные модели, температурный режим которых будет отличаться. Например, встречаются обычные моторы и форсированные, второй тип более сильно греется. Процессы горения в них происходят иначе, поэтому клапан термостата срабатывает в разное время. Кроме этого, у разных моделей устанавливаются различные системы охлаждения, работающие с конкретной скоростью и интенсивностью.

От того, как настроен и когда срабатывает датчик температуры, зависит момент включения вентилятора с электроприводом. Обратите внимание на то, что модели авто с инжектором и карбюратором имеют разные настройки, и термостат даже для одной и той же машины, но с разной системой питания требуется свой. Этот прибор напрямую влияет на нагрев двигателя, поэтому выбору в случае замены требуется уделить особенное внимание.

Система охлаждения может быть открытой или закрытой в зависимости от конструкции силового агрегата. Открытый тип охлаждения сообщается с атмосферным воздухом, это означает, что он может и покидать ее, но уже в парообразном состоянии. Многие типы охлаждающей жидкости закипают при температуре 100 градусов. Если система закрытая, она оснащается специальными клапанами, которые связывают конструкцию с атмосферным воздухом. Они находятся в радиаторе и могут быть в крышке расширительного бачка. Если в системе резко повышается давление, она имеет возможность выпустить пар через эти клапана.

При закрытой системе антифриз может закипать не при 100 градусах, а при более высокой температуре – 110-120 градусов. Однако опасность такой системы заключается в том, что при ее разгерметизации мотор резко закипает. Это может произойти, например, при отказе клапанов. Все жидкости устремляются наружу, при этом давление в системе образуется высокое, что может вызвать ее серьезные повреждения.

Для современных моторов, которые в угоду экологии имеют несколько другую конструкцию, при которой тепловой режим двигателя становится больше, требуется применять специальные масла на синтетической основе. Они не только сами не закипают при всяких температурах и не оставляют нагар, но и способствуют лучшему охлаждению системы. При их использовании поддерживается стабильная рабочая температура бензинового двигателя.

Чтобы тепловой режим мотора для полного сгорания топлива выдерживался в требуемом качестве, нужны и другие масла, так как нередко использующаяся продукция просто не может обеспечивать полноценную защиту при высоких температурах. Это отрицательно сказывается на ресурсе силовых установок, не рассчитанных работать в подобных температурных режимах. Оптимальный тепловой режим в пределах 85-90 градусов обеспечивает экономию топлива и минимальный износ деталей в различных условиях и режимах работы. Для поддержания системы охлаждения всегда в рабочем состоянии рекомендуется периодически проходить диагностику для беспроблемной эксплуатации вашего автомобиля.

Рабочая температура дизельного двигателя

Дизельные агрегаты имеют другую конструкцию, поэтому температура в камере сгорания при их работе в несколько раз ниже. Температура работы зависит от того, какого типа сам двигатель. При работе температура сначала значительно повышается, потом снижается, так как горючая смесь начинает воспламеняться быстрее. Она сгорает раньше, процесс становится более плавным и полноценным, почти не остается невоспламенившейся жидкости. За счет этого рабочая температура становится стабильной, больше делается КПД двигателя, сами выхлопы становятся менее токсичными.

Специалисты считают, что для дизельных конструкций нормальной температурой можно считать 70-90 градусов в зависимости от модели самого мотора. Под нагрузкой температура работы мотора может подниматься до 97 градусов, но дальнейшее ее повышение может вызвать серьезный вред для системы. Существует и обратная перегреву проблема, когда агрегат не прогревается до нужной температуры. Как и у бензинового варианта, у него начинают возникать разнообразные проблемы.

Например, при прогреве, когда система работает на холостом ходу, нужно дать ей нагреться хотя бы до 40-50°С, прежде чем начать движение. Это позволит ей работать оптимально, снизить износ деталей. Кроме этого, требуется следить за оборотами: они должны достичь 2 000 или 2500 оборотов в минуту. После этого нужно подождать, пока система прогреется до 80°С, это будет значить, что силовой агрегат можно использовать в полную силу. Особенно эта рекомендация актуальна для холодного времени года, так как многие дизели испытывают зимой проблему с запуском, применяют специальный электроподогрев.

Если мотор не достигает рабочей температуры, его КПД сильно снижается. Это отражается на тяге автомобиля в целом, он начинает хуже разгоняться, медленно едет, расход топлива при этом значительно повышается. Это может происходить по следующим причинам:

• Термостат вышел из строя;
• Резко ухудшилась компрессия;

Если использовать такой автомобиль под нагрузкой, например, при езде по бездорожью или перевозке грузов, смесь будет сгорать не полностью, начнет появляться нагар на стенках камеры сгорания, топливные форсунки засорятся, сажевый фильтр быстро выйдет из строя, износ системы увеличится.

Например, при засорении форсунок солярка не будет сгорать полностью, ее расход увеличится чисто из-за того, что часть топлива будет выливаться через выхлопную трубу, так и не сгорев. Опасно данное явление тем, что догорает топливо, уже находясь на поверхности поршней, что вызывает их прогорание, засорение камер сгорания. Пострадать от этого может и впускной клапан, уменьшится компрессия, кроме этого, запустить такой двигатель на холодную будет проблематично.

В заключении

Важно обращать внимание на то, какая должна быть рабочая температура двигателя. Как перегрев, так и понижение показателей могут существенно навредить системе, поэтому важно вовремя обращать на это внимание и принимать меры по восстановлению, пока поломка не превратилась в серьезную проблему, исправление которой обойдется в круглую сумму.

Процесс сгорания топлива в двигателе

При сгорании рабочей смеси в поршневых двигателях увеличивается температура и повышается давление в цилиндрах. Для повышения эффективности работы двигателя желательно, чтобы сгорание происходило вблизи в.м.т. поршня, когда рабочая смесь занимает минимальный объем, имеет наименьшую поверхность соприкосновения со стенками цилиндра. Чем меньше поверхность теплоотвода, тем меньше тепла уходит в окружающую среду и тем большая доля его превращается в полезную работу.

Смесь сгорает не мгновенно, а в течение некоторого времени. Продолжительность и характер протекания процесса сгорания зависят от типа смесеобразования. Рассмотрим процесс сгорания рабочей смеси для двигателей с искровым зажиганием и для дизелей.

Сгорание рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием

О протекании процесса сгорания можно судить по индикаторным диаграммам, показывающим графически изменение давления Р в цилиндре в зависимости от угла ф поворота коленчатого вала. Площадь индикаторной диаграммы пропорциональна работе, совершенной при сгорании рабочей смеси внутри цилиндра за один цикл. Если зажигание выключено, то давление в цилиндре при вращении коленчатого вала изменяется почти симметрично относительно в.м.т. (нижняя кривая). Для нормальной работы двигателя зажигание должно включаться тогда, когда должна возникнуть искра между электродами свечи. Момент искрообразования соответствует положению точки 1 на диаграмме, а давление в камере сжатия — ординате P1.

Рис. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: ф3 — угол опережения зажигания; Q1 — начальная фаза сгорания; Q2 — основная фаза сгорания; Q3 — завершающая фаза сгорания; 1 — начало образования искры; 2 — начало отрыва линии сгорания от линии сжатия; 3 — момент достижения максимального давления в цилиндре.

Процесс сгорания условно делят на три фазы.

Начальная фаза — Q1 начинается в момент образования искры. Возле электродов свечи зажигания воспламеняется небольшой объем рабочей смеси. Она горит сравнительно медленно. Давление в цилиндре на протяжении этого периода остается практически таким же, как и при выключенном зажигании.

Заканчивается первая фаза тогда, когда сгорает 6…8% общего объема смеси, находящейся в камере сгорания. Температура повышается настолько, что начиная от точки 2 давление резко возрастает, наступает основная фаза быстрого сгорания (участок 2… 3). Скорость распространения пламени в средней части камеры сгорания достигает 60…80 м/с. Вдоль стенок камеры скорость сгорания ниже, а сгорание — неполное. Продолжительность второй фазы для быстроходных двигателей составляет 25…30° угла поворота коленчатого вала. В этой фазе выделяется основная часть тепла.

Третья фаза Q3 — фаза сгорания смеси на периферийных участках камеры в такте расширения. За начало этой фазы принимают точку 3. Давление в цилиндре в этот момент будет максимальным.

От интенсивности тепловыделения в основной фазе зависит скорость нарастания давления по углу поворота коленчатого вала, или, иначе, жесткость работы двигателя. В современных автомобильных двигателях скорость повышения давления колеблется в пределах 0,12…0,25 МПа на 1° угла поворота вала. Чем круче нарастает давление на участке 2..3, тем жестче работает двигатель и тем больше износ кривошипно-шатунного механизма.

Продолжительность первой фазы зависит от ряда факторов.

Чем ближе величина коэффициента избытка воздуха а к оптимальному значению, тем лучше состав смеси и тем короче продолжительность первой фазы. При значительном обеднении смеси воспламенение ее ухудшается и экономичность работы двигателя снижается. Чем мощнее искровой разряд, тем интенсивнее распространение пламени и тем короче первая фаза.

На продолжительность второй фазы сгорания оказывают влияние те же факторы, что и на продолжительность первой фазы. Кроме того, вторая фаза зависит от величины угла опережения зажигания и частоты вращения коленчатого вала.

Влияние степени сжатия

При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.

Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.

Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.

Влияние угла опережения зажигания

Рис. Влияние угла фз, опережения зажигания на форму индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя: 1 — ф1 = 0°; 2 — ф2 = 7°; 3 — ф3 = 22°; 4 — ф4 = 27°.

Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя.

При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания.

Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный.

Влияние состава рабочей смеси

Состав рабочей смеси оценивается коэффициентом избытка воздуха а. Состав влияет на скорость сгорания, количество выделяемого тепла, вследствие чего изменяются давление и температура газов в цилиндре. Минимальное значение угла опережения зажигания, периода задержки воспламенения и максимальное давление в цилиндре достигаются при а =0,85…0,9. При этом значении коэффициента избытка воздуха двигатель развивает максимальную мощность. По мере обеднения состава смеси (а>0,9) изменяется величина оптимального значения Фз, уменьшается величина максимального давления сгорания.

Для каждого двигателя принят свой оптимальный состав рабочей смеси, при котором на данном режиме достигается минимальный удельный расход топлива. Для двигателей со степенью сжатия около 8 при почти полном открытии дроссельной заслонки экономичный состав смеси получается при и =1,15…1,2. Для каждого скоростного и нагрузочного режима работы двигателя с искровым зажиганием существует также свое оптимальное значение угла опережения зажигания. Поэтому в конструкции таких двигателей предусмотрено устройство, обеспечивающее автоматически в зависимости от режима работы двигателя оптимальное значение ф3.

Влияние частоты вращения коленчатого вала

Рис. Влияние частоты вращения n и угла фз, опережения зажигания на характер индикторных диаграмм карбюраторного двигателя: а — угол фз — неизменный на всех скоростных режимах; б — углы ф2 и ф3 — подобраны для каждого скоростного режима: 1 — n = 1000 об/мин; 2 — n = 2000 об/мин; 3 — n = 3000 об/мин.

При увеличении частоты вращения n коленчатого вала увеличивается скорость движения топливовоздушной смеси во впускном трубопроводе и усиливаются вихревые движения смеси в камере сжатия. Опыты показывают, что с увеличением n длительность первой фазы Q1 сгорания, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала Ф, возрастает, процесс сгорания развивается с запаздыванием. Максимальное давление Р цикла снижается и все больше смещается на такт расширения. Экономичность двигателя ухудшается. Если же при увеличении n увеличить на определенную величину фз, то основная фаза сгорания приблизится к в.м.т., давление Р цикла увеличится, и несмотря на то, что третья фаза сгорания (догорание) заканчивается позже, чем при меньших значениях n, экономичность цикла улучшается (кривые 3 к 1, рис. б). Следовательно, для получения максимальной мощности и эффективности двигателя необходимо автоматически обеспечивать оптимальное значение угла опережения зажигания для каждого скоростного режима.

Детонация

В двигателях с искровым зажиганием при определенных условиях работы двигателя возникает быстрый, приближающийся к взрыву процесс сгорания рабочей смеси. Называется он детонацией. Признаки, указывающие на детонацию при работе двигателя: звонкие металлические стуки в цилиндрах, перегрев двигателя, снижение мощности, появление черного дыма (сажи) в отработавших газах.

Основные причины появления детонации:

• применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного для данного двигателя;
• повышение степени сжатия, вызванное низким качеством ремонта или обслуживания;
• увеличение угла опережения зажигания; качество рабочей смеси не соответствует требованиям, которые предъявляются к топливу для данного двигателя. Наиболее склонна к детонации рабочая смесь при а = 0,9.

На появление детонации также влияет материал головки цилиндров и поршней. Двигатели, у которых эти детали изготовлены из алюминиевых сплавов, меньше склонны к детонации, чем двигатели, у которых эти детали изготовлены из чугуна. Так как чугун обладает худшей теплоотдачей, то в жаркую погоду детали перегреваются, и это приводит к детонации.

Детонация повышает давление и температуру в цилиндрах, вызывает вибрацию двигателя. Вследствие этого ухудшается смазка трущихся поверхностей, обгорают клапаны, поршни, разрушаются подшипники коленчатого вала.

Преждевременное воспламенение рабочей смеси

В процессе работы двигателя иногда возникают такие условия, при которых отдельные детали внутри камеры сгорания (электроды свечи зажигания, клапаны) нагреваются выше 700…800°С. Соприкасаясь с нагретыми деталями, рабочая смесь воспламеняется раньше, чем возникает искра зажигания. Сгорание начинается до прихода поршня в в.м.т. Происходит так называемое калильное зажигание. Детали при калильном зажигании нагреваются еще больше. Воспламенение смеси при последующих циклах начинается еще раньше. В результате детали настолько перегреваются, что начинают оплавляться, увеличивается сопротивление их движению, и двигатель теряет мощность. Одной из причин возникновения калильного зажигания является применение свечей зажигания, не соответствующих конструкции двигателя.

Воспламенение от сжатия при выключенном зажигании

При работе двигателей наблюдаются случаи, когда после того, как выключено зажигание, двигатель продолжает некоторое время работать. Объясняется это тем, что при прикрытой дроссельной заслонке температура рабочей смеси в конце такта сжатия повышается и смесь самовоспламеняется, если частота вращения коленчатого вала прогретого двигателя составляет 300…400 об/мин. Чтобы предотвратить это явление, в конструкцию карбюратора вводят устройство, которое автоматически прекращает подачу топлива при выключении зажигания.

Сгорание рабочей смеси в дизелях

Рис. Индикаторная диаграмма дизеля: Q1 , Q2 и Q3 — фазы сгорания топлива; Фвц — угол опережении впрыска топлива.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания дизеля за несколько градусов угла фвп поворота коленчатого вала до прихода поршня в в.м.т. К этому времени воздух в камере сжимается до 3…4 МПа и нагревается в результате этого до 450…550°С. Заканчивается подача топлива после в.м.т. На участке 1…2 давление в камере изменяется за счет сжатия воздуха поршнем — горение топлива еще не началось. Температура в камере немного понижается вследствие ввода в камеру холодного топлива. Затем топливо самовоспламеняется, пламя начинает распространяться по камере, и давление, начиная от точки 2, повышается за счет горения топлива. Угол фвп между началом впрыска (точка 1) и в.м.т. называется углом опережения впрыска. Угол Qi между началом впрыска и моментом начала подъема давления (точка 2) называется периодом задержки воспламенения. В этот период топливо под действием температуры и вихревых движений в камере переходит из жидкого состояния в газообразное, появляются отдельные очаги самовоспламенения.

Период сгорания топлива в цилиндре дизеля условно делят на три фазы:

• первая фаза Q1 — фаза быстрого сгорания. Начинается в момент начала повышения давления (точка 2) и кончается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В этот период выделяется около 30% общего тепла, заключенного во впрыскиваемом в цилиндр дизеля топливе;
• вторая фаза Q2 — фаза замедленного горения (участок 3…4). Она заканчивается в момент достижения максимальной температуры в цилиндре (точка 4). К этому периоду выделяется 70…80% тепла;
• третья фаза Q3 — фаза догорания. Условно она заканчивается в пределах 70° угла поворота коленчатого вала после в.м.т. К этому периоду выделяется около 97% тепла. Процесс является наиболее экономичным, если давление цикла в дизеле достигает своего максимума при повороте коленчатого вала на 6…10° после в.м.т.

Величина максимального давления Pz и момент достижения его зависят от того, как протекает сгорание в первой и во второй фазах.

Экономичность цикла зависит от характера и продолжительности протекания процесса подготовки топлива к самовоспламенению (период Qi — задержки самовоспламенения) и характера сгорания (первая Q1, вторая Q2 и третья Q3 фазы сгорания).

Период задержки воспламенения

За этот период в камеру сгорания поступает незначительная часть впрыскиваемого за цикл топлива. На индикаторной диаграмме в течение этого периода не наблюдается заметных изменений в протекании линии сжатия: давление в цилиндре продолжает увеличиваться так, как будто топливо не поступает в него. При увеличении Qi в камере сгорания к моменту воспламенения накапливается много топлива. Это повышает жесткость работы дизеля. Продолжительность периода задержки воспламенения зависит от следующих основных факторов: качества топлива, угла опережения впрыска топлива, давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска топлива, давления начала впрыска, нагрузки на дизель и частоты вращения коленчатого вала.

Рассмотрим влияние каждого фактора на величину Qi.

Химический состав дизельного топлива сильно влияет на продолжительность Qi. Лучшими дизельными топливами являются топлива парафинового ряда, обладающие более высоким цетановым числом и обеспечивающие наименьшую продолжительность Qi и мягкую работу дизеля.

Для каждой конструкции дизеля принят свой угол опережения впрыска топлива фвп. Оптимальное его значение зависит от нагрузки, теплового режима, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха. При увеличении фвп топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, попадает в холодную среду с низким давлением, т. е. меньшей объемной концентрацией кислорода. Воспламенение топлива вследствие этого задерживается. В цилиндре накапливается топливо, которое сгорает до прихода поршня в в.м.т. Это вызывает повышение жесткости работы дизеля и давления Pz. При малой величине фвп топливо сгорает не полностью, ббльшая его часть сгорает в процессе расширения (в третьей фазе), увеличивается теплоотдача в стенки цилиндров, мощность дизеля снижается.

Увеличение давления и температуры сжатого воздуха в момент начала впрыска способствуют более раннему самовоспламенению топлива, сокращению периода задержки воспламенения, более мягкой работе двигателя.

Увеличение давления начала впрыска приводит к дополнительному запаздыванию начала впрыска, сокращается продолжительность впрыска. При уменьшении давления начала впрыска ухудшается качество распыливания топлива и смесеобразования, что приводит к ухудшению рабочего процесса.

Увеличение нагрузки сопровождается большей подачей топлива за цикл, улучшаются условия подготовки рабочей смеси к сгоранию. Следовательно, продолжительность Qi с увеличением нагрузки сокращается.

Частота вращения коленчатого вала n влияет следующим образом на величину Qi. При изменении n изменяются фвп, давление и продолжительность впрыска топлива, качество его распыливания. Давление и температура воздуха в камере сжатия к моменту начала впрыска также изменяются. На быстроходных дизелях, предназначенных для работы с часто меняющимися скоростными режимами, устанавливают устройства, обеспечивающие автоматическое изменение величины фвп при изменении n.

Из сказанного видно, что момент начала впрыска и период задержки воспламенения оказывают большое влияние на процесс сгорания, на мощность и экономичность дизелей. Поэтому при их эксплуатации эти показатели надо поддерживать в заданных пределах.

Средняя скорость нарастания давления на участке 2…3 определяет жесткость работы дизеля. Ее считают нежесткой, если средняя скорость нарастания давления дельта_Р/дельта_ф не превышает 0,5 МПа на 1° угла поворота коленчатого вала.

Чем больше поступает топлива в цилиндр в течение периода Qi задержки воспламенения, тем жестче работа двигателя и тем большей величины достигает максимальное давление сгорания Рz.

Характер поступления топлива определяется профилем кулачка, диаметром и величиной хода плунжера топливного насоса, конструкцией дизеля и качеством топлива. Так, например, применение бензина вместо дизельного топлива вызывает появление ударных волн и вибрацию давления в цилиндре дизеля.

Что такое такое степень сжатия двигателя и на что она влияет

Автор Павел Александрович Белоусов На чтение 7 мин. Просмотров 56

От величины сжатия зависит термический КПД двигателя. Но с ростом степени повышается и риск детонации, поэтому при форсировке и капитальном ремонте следует уделить время расчетам. Давайте рассмотрим, как увеличить степень сжатия двигателя, взаимосвязь компрессии и степени, и чем примечателен двигатель цикла Миллера-Аткинсона.

Как связаны степень сжатия и компрессия двигателя?

Степень сжатия в цилиндрах мотора – величина абсолютная и рассчитывается математически. На практике это соотношение отображает коэффициент сжатия поступившей в цилиндр топливной смеси на такте впуска. Понятие компрессии означает пиковое давление в камере сгорания в конце такта сжатия и может быть измерено практически. Компрессия хоть и является производной от степени сжатия, но зависит от многих факторов:

• герметичность цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) и клапанного механизма;
• мощность стартера, состояние АКБ и качество контактов, влияющее на количество оборотов стартера.

Форсирование двигателя путем увеличения степени сжатия

Чем выше степень, тем горячее воздух в конце такта сжатия и тем выше КПД двигателя. Но повышение одного параметра не гарантирует линейное возрастание второго. Наибольший прирост мощности ощущается при повышении степени до 10-11 единиц.

К примеру, увеличив степень сжатия стандартного ВАЗовского мотора с 9.8 до 11, мы в теории получаем прирост термического КПД на 4%. Тест на стенде при этом покажет куда более скромное значение – 2,5%. Повысив степень сжатия того же мотора еще на единицу, мы получим фактическую прибавку в 4.5%. Моментная характеристика возрастет главным образом на низких и средних оборотах. Дальнейшее увеличение степени сжатия без перехода на высокооктановое спортивное топливо и вовсе не даст результат.

Причина такого явления —  в детонации, которая возникает в случае слишком высокого пикового давления в камере сгорания. При контакте с разогретым воздухом в таком случае смесь самовоспламеняется еще до момента подачи искры. При этом фронт пламени распространяется со скоростью более 2000 м/с, тогда как значение при нормальном сгорании не превышает 250-300 м/с.

Ударная волна такой силы оказывает разрушительное давление на цилиндры, стенки камеры сгорания, поршни. Также значительно повышается температура выхлопных газов, что приводит к прогоранию днища поршня, клапанов.

Поэтому тюнинг со сжатием следует проводить после точного математического расчета и с прицелом на октановое число бензина.

Основные методы увеличения

1. Уменьшение толщины ГБЦ, БЦ. С привалочной плоскости головки и блока методом фрезеровки либо шлифовки снимается слой металла и уменьшается объем камеры сгорания.
2. Установка поршней с выпуклостями. Цель, как и в предыдущем методе – уменьшение объема камеры сгорания.
3. Увеличение хода поршня за счет установки другого коленчатого вала, шатунов.

Как работает двигатель с изменяемой степенью сжатия?

До недавнего времени показатель степени закладывался инженерами на этапе разработки и был фиксированным вне зависимости от режима работы двигателя. Нормальное значение для современных бензиновых моторов варьируется от 8 до 14 единиц, традиционно высокая степень сжатия у дизельных моторов – 18-23.

Ужесточение экологических норм заставляет гениев инженерной мысли искать новые пути увеличения термического КПД. Одно из таких решений – двигатель с изменяемой степенью сжатия. Было разработано несколько вариантов динамического изменения степени:

• дополнительная секция в полости ГБЦ. Открытие секции позволяет увеличить объем камеры сгорания, уменьшая тем самым степень. Система не получила распространения из-за избыточного усложнения конструкции ГБЦ;
• поршни с изменяемой высотой. Конструкция получилась слишком громоздкой, появились проблемы с перекосом поршней и уплотнением ЦПГ;
• регулировка высоты подъема коленчатого вала. Изменение степени сжатия осуществляется за счет специальных эксцентриковых муфт, которые регулируют высоту опорных подшипников коленвала. Технология долгое время тестировалась концерном VAG, но так и не вошла в серию;
• регулировка высоты поднятия ГБЦ. Специальный механизм с электроприводом и шарнирное соединение частей блока двигателя позволяли регулировать степень от 8 до 14 единиц. Разрабатывалась технология инженерами SAAB, но из-за ненадежности резинового кожуха, герметизирующего подвижные части блока, и излишней сложности конструкции также не пошла в серию;

• шатун с изменяемой длиной. Высота шатуна регулировалась специальным реечным механизмом с помощью давления масла. Как и в предыдущих случаях, разработка французских инженерах не была внедрена в массовое производство;

• траверсный механизм сочленения шатуна с коленчатым валом. За счет изменения угла поворота траверсы уменьшается либо увеличивается ход поршня. Разработка инженеров Infiniti используется на двухлитровом моторе VC-T, который сейчас устанавливается на кроссовер QX50. Двигатель развивает максимальную мощность в 268 л.с. и пиковый крутящий момент 380 Нм.

Цикл Миллера-Аткинсона

Большую известность цикл Миллера-Аткинсона получил благодаря рекламным брошюрам компании Mazda. Маркетологи гордо заявляют, что инженерам удалось поднять степень сжатия двигателей модели Skyactive до 14 единиц. На самом деле речь идет о геометрической степени сжатия, а не о фактической.

Трюк заключается в том, что во время поднятия поршня на такте сжатия выпускные клапаны еще долгое время открытые, из-за чего часть свежего воздушного заряда выталкивается в выхлопной тракт. Поэтому фактическая степень близка к стандартным для бензиновых моторов 12 единицам. Увеличение термического КПД при этом достигается за счет более эффективного использования энергии расширяющихся газов на такте рабочего хода. За счет большего хода (увеличен диаметр кривошипа) газы дольше давят на поршень. Поэтому при сгорании одной и той же доли топлива, в сравнении с обычным циклом Отто, на коленчатый вал передается больший крутящий момент. Технология позволяет в режимах малых и средних нагрузок значительно уменьшить расход топлива и количество вредных выбросов.

Математический расчет

Степень сжатия двигателя внутреннего сгорания равняется объему камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и рассчитывается по формуле (V + C)/C = CR, где

• V — объем цилиндра, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ). Для расчета необходимо сумму объемов всех цилиндров (указывается в технической характеристике ДВС) разделить на количество котлов;
• С — объем камеры сгорания, когда поршень в верхней мертвой точке (ВМТ). Включает в себя объем полости ГБЦ, прокладки ГБЦ и выемок в цилиндре. Если поршень имеет выпуклость, ее объем отнимается от общего объема камеры сгорания.

Вычислить степень сжатия математически довольно непросто из-за сложной геометрической формы камеры сгорания. Поэтому на практике применяются 2 основные методы вычисления.

Видео:Как измерить степень сжатия правильно.

Практический расчет методом проливки

Суть измерения заключается в поочередном заполнении жидкостью площади над поршнем, когда тот находится в верхней мертвой точке, и стенок камеры сгорания ГБЦ. Для измерения нам необходим кусок оргстекла, в котором будут пропилены отверстия для вкручивания болтов ГБЦ и отверстие для заливки жидкости. Между оргстеклом и блоком необходимо установить уже использованную (обжатую) прокладку. Стенки цилиндров для увеличения гидроплотности необходимо смазать густой консистентной смазкой (литиевой либо обычным солидолом).

Притянув оргстекло болтами, заполните образовавшейся объем жидкостью. Объем поместившейся воды будет соответствовать объему надпоршневого пространства. Аналогичный тест проводится и с головкой блока. При этом клапана должны быть притерты, между седлами и тарелками нанесена консистентная смазка. Сумма объема залитых жидкостей и будет объемом камеры сгорания.

Чтобы рассчитать степень сжатия на онлайн-калькуляторе, также будет необходимо измерить величину хода поршня и диаметр цилиндра. Все эти значения помогут вычислить объем двигателя, который изменяется при каждой фрезеровке плоскостей БЦ, ГБЦ, установке поршней иной геометрической формы, расточки цилиндров либо установке других шатунов, коленчатого вала.

Можно ли рассчитать степень, измерив компрессию?

Компрессия напрямую зависит не только от понятия степени сжатия двигателя, но и от природы сжимаемого газа и условий в камере сгорания. На практике зависимость этих параметров выливается в формулу Р = Ро*Ɛƴ, где

• Ро – начальное давление в цилиндре, принимаемое за 1;
• Ƴ – адиабатический показатель для воздуха. В двигателе внутреннего сгорания при сжатии часть тепла отдается стенкам цилиндра, камеры сгорания; происходит утечка части газа через неплотности, а воздух перемешан с частичками топлива, поэтому процесс считается недиабетическим. Показатель политропы при этом равняется не эталонным 1.4, а приближенным к фактическим 1.2.

Все это значит, что, измерив компрессию, мы можем вычислить показатель степени сжатия двигателя. К примеру, при компрессии 15,8 степень сжатия будет близка к 10 единицам. Чтобы уменьшить погрешность, нужно соблюсти все правила измерения компрессии:

1. Свечи должны быть выкручены.
2. Дроссель открыт на 100%.
3. Отключена подача топлива.
4. АКБ должна быть полностью заряжена. При этом емкости должно хватать на измерения компрессии во всех котлах.
5. Стартер должен быть исправен, а на проводах его питания отсутствует значительное падение напряжение из-за окислов.

Вот что на самом деле означает ‘степень сжатия’, и почему это имеет значение

Почему для двигателей так важна степень сжатия, и на что она влияет.

 

Вы наверняка слышали термин «степень сжатия» в двигателях внутреннего сгорания. Но вы когда-нибудь задумывались, что он означает? Итак, пришло время точно объяснить, что же такое коэффициент сжатия (степень) в двигателях автомобиля и почему сегодня все автопроизводители одержимы этим показателем, как будто этот параметр представляет собой Святой Грааль для будущих продаж автоновинок. 

 

Сразу хотим отметить, что разобраться в том, что такое степень сжатия двигателя, не так просто, как кажется на первый взгляд. Вы наверняка заметили в различных рекламных проспектах и каталогах, а также в описании на сайтах автопроизводителей, что автобренды пытаются привлечь наше внимание такой характеристикой, как степень сжатия двигателей. Особенно стараются нам рассказать о степени сжатия менеджеры автосалонов. Мы обычно делаем вид, что понимаем, о чем идет речь, пропуская мимо ушей эту информацию. И причина такого поведения в том, что многие автолюбители просто не представляют, что такое степень сжатия двигателей, равно как и на что она влияет. Но тем не менее мы считаем, что все автолюбители должны знать, что же это за показатель двигателей внутреннего сгорания, о котором недавно вспомнили многие автопроизводители. 

 

Мы знаем, что высокое сжатие двигателя – это хорошо, а низкое – плохо. Мы также знаем, что новый мотор Mazda Skyactiv-X имеет высокую степень сжатия. Не отстает от Mazda и Toyota со своими моторами «Dynamic Force», которые имеют высокую степень сжатия. Эти компании рекламируют новые двигатели с большим коэффициентом сжатия, заявляя, что они не только стали мощнее, но и получили большую экономичность. Но при чем здесь высокая степень сжатия и увеличение мощности с уменьшением расхода топлива? Сейчас объясним.

 

Двигатель Toyota «Dynamic Force»

 

Мы живем в эпоху, когда инженеры не могут просто дать двигателю больше энергии за счет укрупнения, как, например, это было раньше, когда автопроизводители на многие свои автоновинки устанавливали моторы с увеличенным объемом. К тому же это приводило к неминуемому увеличению расхода топлива и росту уровня вредных выбросов в выхлопе автомобиля. Сегодня в связи с дороговизной топлива по всему миру и сложной экологической обстановкой подобный способ увеличения мощности мотора не подходит. Особенно если учитывать жесткие экологические нормы, предъявляемые автопроизводителям рядом развитых западных стран. 

В итоге автопроизводители стали улучшать эффективность нынешних моторов за счет применения турбин и увеличения степени сжатия современных двигателей. 

 

Как определяется степень сжатия, и что это такое?

Степень сжатия – это показатель, при котором устанавливается, какой максимальный объем цилиндра двигателя может быть сжат в минимальный объем цилиндра. Этот показатель степени сжатия определяется как соотношение. 

Например, обычно степень сжатия записывают вот таким образом: 9:1 (коэффициент сжатия двигателя «девять к одному»).  

 

Теперь представьте цилиндр двигателя. Внутри цилиндра двигателя, как вы знаете, перемещается поршень: вверх и вниз. Когда поршень находится в самой нижней точке цилиндра двигателя, это называется «нижней мертвой точкой». Именно в этом положении поршня сверху него находится наибольший объем цилиндра. Когда поршень находится в самой высокой точке внутри цилиндра двигателя, это положение поршня называется «верхней мертвой точкой». В этом положении объем цилиндра находится в наименьшем значении. Вот сравнение этих двух объемов цилиндров над поршнями двигателя и образует соотношение степени сжатия. Обратите внимание, что когда поршень находится в верхней мертвой точке, все-таки над ним есть объемное пространство, где и происходит сжатие топливно-воздушной смеси.

 

Для тех, кто любит больше смотреть, чем читать, внизу мы публикуем GIF-картинку, на которой демонстрируется, как работает четырехтактный двигатель. Обратите внимание, как поршень движется вверх во время такта сжатия топливной смести (топливо + кислород), которая подается клапанами головки блока двигателя. Напомним, что воздух и топливо, поступаемые в цилиндр двигателя, сжимаются поршнем, чтобы затем воспламенить эту смесь с помощью свечи зажигания (в бензиновых моторах) или за счет сильного сжатия (в дизельных моторах). 

Если двигатель имеет высокую степень сжатия, это означает, что заданный объем воздуха и топлива в цилиндре сжимается в гораздо меньшем пространстве, чем в двигателях с небольшой степенью сжатия. 

 

 

А теперь математический пример соотношения степени сжатия в ДВС. 

Предположим, что у нас есть двигатель, объем цилиндра и камер сгорания которого в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке составляет 10 куб. см. После того как впускной клапан головки блока двигателя закрывается и поршень поднимается вверх, начав такт сжатия, он сжимает воздух и топливную смесь в пространство 1 куб. см. Этот двигатель имеет коэффициент сжатия (степень) 10:1. 

 

Также часто производители любят вычислять итоговую степень сжатия, деля большее значение объема цилиндра над поршнем на меньший объем цилиндра. В итоге во многих технических характеристиках автомобилей вместо соотношения производители указывают результат деления этих значений. 

Таким образом вычисляется, во сколько раз сжимается топливно-воздушная смесь при движении из нижней мертвой точки поршня в верхнюю мертвую точку. Разделив большее значение на меньшее, мы и получим итоговое значение степени сжатия без соотношения большего объема к меньшему.

 

Почему производители стараются увеличить степень сжатия?

Но не все так просто со степенью сжатия. Одно дело – понимать, что такое степень сжатия. И это не менее важно по сравнению с пониманием, почему так важна высокая степень сжатия для современных двигателей. К сожалению, объяснить простыми словами, почему высокая степень сжатия в двигателях современных автомобилей – это отличное решение на ближайшие годы, не получится. Тем не менее мы попытаемся.

 

Вы знаете, что мощность двигателя появляется в тот момент, когда сгорание топливной смеси оказывает силу на поршень внутри цилиндра двигателя. Эта сила толкает поршень вниз по цилиндру. И чем выше поршень находится в цилиндре в момент сжигания топливно-воздушной смеси, тем больше сил будет приложено на поршень. 

Как мы уже сказали, чем больше степень сжатия, тем выше находится поршень в верхней мертвой точке. В итоге это позволяет вырабатывать больше мощности в момент сгорания топлива. Также помимо увеличения мощности для вырабатывания силы, толкающей поршень вниз по цилиндру двигателя, необходимо меньше топлива, что в конечном итоге влияет на топливную эффективность мотора. Это простое объяснение. Но оно неполное, поскольку при увеличении степени сжатия двигателей возникает ряд проблем, для решения которых необходимо в идеале знать термодинамику.

 

Итак, мы знаем, что высокая степень сжатия означает, что двигатель получает больше силы и мощности из того же количества топлива по сравнению с мотором с меньшим коэффициентом сжатия. Как мы выяснили, это хорошо для динамики автомобиля, а также для достижения хороших показателей его экономичности.

 

 

Чтобы объяснить вам точнее, почему более высокая степень сжатия дает больше экономии топлива, мы не будем погружаться слишком глубоко в науку о термодинамике. Тем не менее без нее нам также не объяснить вам в деталях, почему моторы с большой степенью сжатия более экономичные. Да, это нелегко понять. Но все же этот раздел термодинамики очень и очень интересен.

 

Более высокое сжатие в двигателе означает больше мощности, но больше давления

 

На приведенном выше рисунке показана диаграмма PV давления – объема для идеального типичного бензинового двигателя. Этот график наглядно демонстрирует, что происходит в двигателе, когда он сжигает воздушно-топливную смесь (в нашем примере бензин + кислород). 

На приведенном выше графике кривая 1-2 показывает ход сжатия. 

Линия 2-3 показывает сгорание топлива. 

Верхняя кривая 3-4 показывает ход расширения.

И линия 4-1 показывает отвод тепла, когда открывается выпускной клапан в головке блока цилиндров двигателя. 

 

Если описать все более техническим языком, то эту диаграмму следует понимать так:

 

На диаграмме кривая 1-2 показывает ход сжатия, при котором давление (ось Y) возрастает, а объем (ось Х) падает, когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра, приближаясь к верхней мертвой точке. 

Линия 2-3 показывает тепло, выделяемое во время горения топливной смеси. Эта линия показывает, как быстро увеличивается давление и температура сгораемого топлива. 

Кривая 3-4 показывает увеличение объема цилиндра двигателя и падение давления, когда газ, полученный в процессе сгорания топливной смеси, оказывает силу на поршень, который начинает свое движение вниз по цилиндру двигателя (такт расширения). 

 

Линия 4-1 показывает отвод тепла от газов, образованных в процессе сгорания топлива. Когда давление внутри цилиндра возвращается к давлению окружающей среды, открывается выпускной клапан. 

Наконец, линия 1-5 демонстрирует нам ход выхлопа (выхлопной цикл мотора), в процессе которого поршень снова движется внутри цилиндра вверх (к верхней мертвой точке), чтобы снова сжать топливно-воздушную смесь для повторения цикла. 

 

Область в пределах линий 1-2-3-4 показывает нам, сколько работы было проделано двигателем в рамках одного лишь только цикла. Более высокая степень сжатия двигателя означает, что две вертикальные линии на графике выше будут двигаться влево и вверх, оставляя больший диапазон хода поршня, что влияет на получение большей мощности по сравнению с двигателем, имеющим низкий коэффициент сжатия. То есть двигатель с высокой степенью сжатия сделает больше работы за один цикл, чем мотор с небольшой степенью сжатия. 

И все дело в том, что в двигателях с высокой степенью сжатия в процессе сгорания топлива образуется больше давления, которое с большей силой двигает поршень вниз по цилиндру. Правда, в этом случае внутри двигателя выделяется больше тепла. 

 

Более высокое сжатие в двигателе также означает более высокую тепловую эффективность

 

Важно отметить, что образование тепла и потеря тепла в течение цикла работы двигателя напрямую связаны с его эффективностью (речь идет о коэффициенте полезного действия – КПД). Причем на КПД главное влияние оказывает степень сжатия двигателя. Все дело в двух идеях. Во-первых, любая тепловая энергия, поступающая в систему, должна быть преобразована в механическую или отработанную. Во-вторых, тепловая эффективность – это просто результат работы двигателя (мощность и сила), разделенный на теплопередачу.

Таким образом, с помощью уравнения можно вычислять взаимосвязь между тепловым КПД и степенью сжатия. 

Вот как выглядит уравнение этой взаимосвязи (n – тепловой КПД, r – степень сжатия, а γ (гамма) – свойство жидкости):

 

 

Теперь вернемся к нашей диаграмме выше. Когда вы обеспечиваете больший ход поршня между верхней и нижней мертвой точкой, вы увеличиваете степень сжатия. За счет этого вы смещаете на диаграмме PV вверх и влево и увеличиваете температуру (Qh на графике выше). Причем увеличение температуры будет больше, чем потери тепла (Ql). 

Иными словами, вы добываете в процессе сгорания топливной смеси больше энергии за один цикл работы двигателя. Кстати, вот один интересный ролик видеоблогера Джейсона Фенске, который рассказывает более простыми словами о взаимосвязи между степенью сжатия, теплопередачей и эффективностью (экономичностью двигателя):

 

 Для тех, кто не знает английский, включите субтитры и их машинный перевод на русский язык.

 

Так что, как вы, наверное, уже поняли, тепловая эффективность двигателя возрастает по мере увеличения степени сжатия двигателя. Таковы законы физики, а именно законы термодинамики. Особенно это становится ясно из уравнения, приведенного выше. 

Соответственно, чем выше степень сжатия мотора, тем больше он выдает лошадиных сил и меньше потребляет топлива. Для нас это означает более тяжелый кошелек за счет сэкономленных денег на заправке и больше адреналина при разгоне.

 

Чтобы это понять, вам нужно взять на прокат какой-нибудь старый американский неэффективный автомобиль с бензиновым V8 атмосферным двигателем, который имеет низкую степень сжатия. Поездив на таком автомобиле несколько дней, вы поймете, что автомобиль «жрет», как слон, но взамен не выдает хорошую мощность, которую сегодня показывают современные четырехцилиндровые и даже трехцилиндровые моторы. 

 

Например, знаменитый двигатель Skyactiv-G от Mazda является очень эффективным в плане не только мощности, но и хорошей экономичности. Во многом это благодаря большой степени сжатия. Также ряд и других производителей стали выпускать современные моторы с высоким коэффициентом сжатия. Так, сегодня компании Mazda, Nissan / Infiniti и Toyota и другие начали выпускать двигатели с очень высокой степенью сжатия – 14:1. 

Вы не поверите, но двигатели с такой степенью сжатия еще недавно казались фантастикой. Кстати, благодаря такой степени сжатия автопроизводителям нет необходимости оснащать двигатели турбинами, для того чтобы добиться соответствия современным стандартам экономичности, экологическим нормам, а также требованиям к мощности. 

 

Почему более высокая степень сжатия означает, что автомобиль должен заправляться топливом с высоким октановым числом

 

Но почему большинство автопроизводителей сегодня не перешли на выпуск двигателей с высокой степенью сжатия, если такие силовые агрегаты позволяют без турбокомпрессоров добиваться таких выдающихся результатов эффективности силовых агрегатов? Все дело в законах физики.

Многие двигатели с высоким коэффициентом сжатия нуждаются в премиальном топливе или в высокооктановом бензине. 

Тем, кто не знает или не помнит, что такое октан бензина и как он помогает избежать детонации в двигателе, советуем почитать наши следующие материалы:

 

Какой бензин лучше?

 

Почему премиум бензин является пустой тратой денег для большинства автомобилей

 

Сколько энергии в различных видах топлива

 

Топливо с низким октановым числом по сравнению с топливом с высоким октаном, скорее всего, будет самопроизвольно воспламеняться из-за более высоких температур и давления воздуха в двигателях с высокой степенью сжатия. Мы знаем, что воспламенение топливно-воздушной смеси должно происходить, когда это действительно нужно, а не наоборот. Такое неконтролируемое воспламенение топлива называется детонацией. Это очень вредно для любых двигателей внутреннего сгорания. Дело в том, что излишняя детонация уменьшает крутящий момент и может нанести непоправимый урон двигателю автомобиля. 

 

Высокая степень сжатия увеличивает риск сильной детонации двигателя. Вот почему моторы с большим коэффициентом сжатия, как правило, работают на высококачественном или высокооктановом бензине. 

Главная причина риска самовоспламенения топливно-воздушной смеси в двигателях с высокой степенью сжатия – это превышение допустимого давления, которое приводит к резкому нагреву топливной смеси. В итоге это вызывает преждевременное сжигание топлива еще до того, как свеча зажигания с помощью искры зажжет его. Повторяем, преждевременное воспламенение топлива – это очень плохо для любого двигателя. 

 

Для того чтобы снизить риск преждевременного воспламенения топлива, компания Mazda много работала над поршневыми и выпускными конструкциями бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия (соотношение степени сжатия в цилиндрах двигателя 14:1). Например, мотор Skyactiv-X оснастили специальными поршнями, имеющими полость посередине, которая позволила предотвращать всплеск богатого кислородом топлива вокруг области воспламенения топливной смеси от свечи зажигания.

 

 

Именно проблема самовоспламенения топлива в двигателях с высокой степенью сжатия и препятствует сегодня массовому распространению данного типа моторов во всей автопромышленности. Подробнее об двигателе Mazda можно почитать здесь

 

Существуют ли ограничения по увеличению степени сжатия в двигателях

 

Интересно, почему автопроизводители не стараются сделать степень сжатия своих двигателей еще больше? Почему сегодня коэффициент сжатия 14:1 уже считается много? Неужели нельзя сделать двигатель с еще большим коэффициентом сжатия? Ведь в таком случае автомобили получили бы еще больше мощности и одновременно стали бы еще экономичней.

 

Например, почему бы не сделать двигатель со степенью сжатия 60:1? Но на самом деле это невозможно в сегодняшнем мире. 

Такую степень сжатия не выдержит ни один металл внутри двигателя. Да дело даже не в металле. Даже если бы у нас был такой крепкий дешевый металл, способный выдержать степень сжатия 60:1, все равно бы мы не смогли построить подобный рабочий мотор. Просто такая степень сжатия привела бы к чрезмерно высокой температуре внутри двигателя. В итоге мотор стал бы настолько горячим, что это вызвало бы его самоуничтожение (двигатель взорвался бы от высоких температур). 

 

Также, в принципе, нас не должна так сильно заботить высокая степень сжатия в современных автомобилях, если речь идет, конечно, не о спортивных мощных автомобилях, где каждая лишняя лошадиная сила на вес золота. Сегодня в рамках массового рынка нас больше волнует не мощность, а экономичность обычных повседневных автомобилей. Особенно во времена немалой стоимости топлива, где вопрос экономии топлива напрямую влияет на наши кошельки. Также сегодня более остро стоит вопрос экологии. А мы знаем, что чем менее экономичен автомобиль, тем меньше он загрязняет окружающую среду выхлопными газами. Так что, в принципе, увеличение степени сжатия в современных двигателях необходимо в первую очередь для улучшения экологической обстановки на всей планете. Но для того чтобы этого добиться, нет смысла существенно увеличивать в современных моторах степень сжатия. 

 

Вот мы и подошли к концу темы о степени сжатия двигателей внутреннего сгорания. Надеемся, что теперь вы не просто знаете, что такое степень сжатия силовых агрегатов, но и понимаете, какую важную роль она играет в современных двигателях. 

Глава 3c — Первый Закон — Закрытые системы

Глава 3c — Первый закон — Замкнутые системы — Дизельные двигатели (обновлено 19 марта 2013 г.)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

c) Дизельный цикл воздушного стандарта (Компрессионное зажигание) Двигатель

The Air Стандартный дизельный цикл — идеальный цикл для Компрессионное зажигание (CI) поршневые двигатели, впервые предложенные Рудольфом Дизель более 100 лет назад.Следующая ссылка от Kruse Технологическое партнерство описывает четырехтактный дизельный цикл работа в т.ч. история Рудольфа Дизеля. Четырехтактный дизельный двигатель обычно используется в автомобильных системах, тогда как более крупные морские системы обычно используйте двухтактный дизельный цикл . Еще раз у нас есть отличная анимация от Matt Кевени , представляя работу четырехтактный дизельный цикл .

Фактический цикл CI чрезвычайно сложен, поэтому в при первоначальном анализе мы используем идеальное «стандартное» допущение, в котором рабочее тело представляет собой фиксированную массу воздуха, испытывающего полный цикл, который рассматривается как идеальный газ.Все процессы идеальны, горение заменяется добавлением тепла к воздух, а выхлоп заменяется процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в исходное состояние.

Идеальный дизельный двигатель воздушного стандарта отдельные процессы, каждый из которых может быть проанализирован отдельно, как показан в P-V диаграммы ниже. Два из четырех процессов цикла адиабатические процессы (адиабатический = отсутствие передачи тепла), поэтому до мы можем продолжить, нам нужно разработать уравнения для идеального газа адиабатический процесс следующим образом:

Адиабатический процесс идеального газа (Q = 0)

Результатом анализа являются следующие три основных форм, представляющих адиабатический процесс:

где k — коэффициент теплоемкостей и имеет номинальное значение 1.4 в 300К по воздуху.

Процесс 1-2 — это процесс адиабатического сжатия. Таким образом, температура воздуха увеличивается во время сжатия. процесс, а при большой степени сжатия (обычно> 16: 1) он достигнет температуры воспламенения впрыскиваемого топлива. Таким образом данный условия в состоянии 1 и степень сжатия двигателя, в для определения давления и температуры в состоянии 2 (при конец процесса адиабатического сжатия) имеем:

Работа W _1-2 , необходимая для сжатия газа показана как область под кривой P-V и оценивается как следующим образом.

Альтернативный подход с использованием уравнения энергии использует адиабатический процесс (Q _1-2 = 0) приводит к гораздо более простому процессу:

(спасибо студентке Николь Блэкмор за то, что она рассказала мне об этой альтернативе подход)

Во время процесса 2-3 топливо впрыскивается и сгорает и это представлено процессом расширения при постоянном давлении. В состояние 3 («прекращение подачи топлива») процесс расширения продолжается адиабатически с понижением температуры до тех пор, пока не произойдет расширение полный.

Процесс 3-4, таким образом, представляет собой процесс адиабатического расширения. Общий объем работ по расширению W _exp = (Ш _2-3 + Ш _3-4 ) и отображается как область под P-V диаграмму и анализируется следующим образом:

Наконец, процесс 4-1 представляет постоянный объем процесс отвода тепла. В реальном дизельном двигателе газ просто выходит из цилиндра и вводится свежий заряд воздуха.

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, составляет определяется по формуле: W _net = (W _exp + W _1-2 ), где, как и раньше, работа сжатия W _1-2 отрицательна (работа проделана по системе ).

В дизельном двигателе Air-Standard происходит ввод Q _в за счет сжигания топлива, которое впрыскивается контролируемым образом, в идеале приводящий к процессу расширения при постоянном давлении 2-3 как показано ниже. При максимальном объеме (нижняя мертвая точка) сгоревшие газы просто истощаются и заменяются свежим зарядом воздуха. Это представлен эквивалентным процессом отвода тепла с постоянным объемом Q _из = -Q _4-1 . Оба процесса анализируются следующим образом:

На этом этапе мы можем удобно определить КПД двигателя по тепловому потоку:

__________________________________________________________________________

В этом разделе резюмируются следующие проблемы:

Задача 3.4 — А поршневой цилиндр без трения содержит 0,2 кг воздуха при 100 кПа. и 27 ° С. Теперь воздух медленно сжимается в соответствии с соотношением P V ^к = константа, где k = 1,4, до достижения конечного температура 77 ° C.

• a) Набросок P-V диаграмма процесса относительно соответствующей постоянной температурные линии и указывают на этой диаграмме проделанные работы.

• б) Использование основного определение границ выполненных работ определить границы работ выполнено в процессе [-7.18 кДж].

• c) Используя уравнение энергии, определите тепла. передано в процессе [0 кДж] и убедитесь, что процесс находится в факт адиабатический.

Вывести все уравнения использовались начиная с с основным уравнением энергии для непроточной системы уравнение для изменения внутренней энергии идеального газа (Δu) основное уравнение для выполненной граничной работы и уравнения состояния идеального газа [ P.V = m.R.T ]. использование значения удельной теплоемкости определены при 300К для всего обработать.

Проблема 3.5 — Учитывать ход расширения только одного стандартный дизельный двигатель Air Standard с компрессией коэффициент 20 и коэффициент отсечки 2. В начале процесса (впрыск топлива) начальная температура 627 ° C, воздух расширяется при постоянном давлении 6,2 МПа до отсечки (объемное соотношение 2: 1). Впоследствии воздух адиабатически расширяется (без теплопередачи). пока не достигнет максимальной громкости.

• a) Нарисуйте это процесс на P-v диаграмма, четко показывающая все три состояния.Укажите на схеме общая работа, проделанная в течение всего процесса расширения.

• б) Определите температуры, достигнутые в конце постоянного давления (топливо впрыск) процесс [1800K], а также в конце процесса расширения [830K], и нарисуйте три соответствующие линии постоянной температуры на P-v диаграмма.

• c) Определите общая работа, выполненная во время хода расширения [1087 кДж / кг].

• г) Определите общее количество тепла, подаваемого в воздух. во время такта расширения [1028 кДж / кг].

Вывести все использованные уравнения исходя из уравнения состояния идеального газа и адиабатического процесса соотношения, основное уравнение энергии для замкнутой системы, внутренняя энергия и энтальпия изменяют соотношения для идеального газа, и базовое определение граничной работы, выполняемой системой (если требуется). Используйте значения удельной теплоемкости, определенные при 1000K для всего процесс расширения, полученный из таблицы Specific Теплоемкость воздуха .

Решенная проблема 3.6 — Идеальный двигатель с дизельным степень сжатия 18 и степень отсечки 2. В начале процесса сжатия рабочая жидкость находится при 100 кПа, 27 ° C (300 К). Определите температуру и давление воздуха в конце каждого процесса, чистый объем работы за цикл [кДж / кг] и тепловая эффективность.

Обратите внимание, что номинальные значения удельной теплоемкости для воздуха при 300K используются C _P = 1,00 кДж / кг.K, C _v = 0.717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они являются функциями температура, и с чрезвычайно высоким температурным диапазоном при работе с дизельными двигателями можно получить значительные ошибки. Один подход (который мы примем в этом примере) заключается в использовании типичного средняя температура на протяжении всего цикла.

Подход к решению:

Первым шагом является построение диаграммы, представляющей проблема, включая всю необходимую информацию. Мы замечаем, что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будут быть в конкретных количествах.Самая полезная диаграмма для тепловой двигатель — P-v диаграмма полного цикла:

Следующим шагом является определение рабочей жидкости и определитесь с основными уравнениями или таблицами для использования. В этом случае рабочая жидкость — воздух, и мы решили использовать среднюю температура 900K на протяжении всего цикла для определения удельной теплоемкости значения емкости представлены в таблице Удельные теплоемкости воздуха .

Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определять температуру и давление в конце каждого процесса.

Обратите внимание, что альтернативный метод оценки давление P ₂ — это просто использовать уравнение состояния идеального газа, как показано ниже:

Любой из подходов удовлетворителен — выберите тот, который вам удобнее. Теперь продолжим с топливом процесс постоянного давления впрыска:

Обратите внимание, что даже если проблема запрашивает «net производительность за цикл »мы рассчитали только тепло в и разогреть.В случае с дизельным двигателем намного проще оценить значения тепла, и мы можем легко получить чистую работу из энергетический баланс за полный цикл выглядит следующим образом:

Вы можете удивиться нереально высокой температуре полученная эффективность. В этом идеализированном анализе мы проигнорировали многие эффекты потерь, существующие в практических тепловых двигателях. Мы начнем понять некоторые из этих механизмов потерь, когда мы изучаем Второй закон in Глава 5 .

______________________________________________________________________________

В части d) Закона Первый закон — Цикловые двигатели Отто

______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 США Лицензия

,

Бензиновый двигатель | Британника

Бензиновый двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, вырабатывающих энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением от электрической искры. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого возможного применения в силовых установках, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, небольшие грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и малые внутренние морские агрегаты, стационарные насосные агрегаты среднего размера, осветительные установки и т. Д. станки и электроинструменты.Четырехтактные бензиновые двигатели используются в подавляющем большинстве автомобилей, легких грузовиков, средних и больших мотоциклов и газонокосилок. Двухтактные бензиновые двигатели встречаются реже, но они используются для небольших подвесных судовых двигателей и во многих ручных инструментах для озеленения, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

Поперечный разрез V-образного двигателя. Encyclopædia Britannica, Inc.

Типы двигателей

Бензиновые двигатели можно сгруппировать в несколько типов в зависимости от нескольких критериев, включая их применение, метод управления подачей топлива, зажигание, расположение поршня и цилиндра или ротора, количество ходов за цикл, систему охлаждения, а также тип и расположение клапана.В этом разделе они описаны в контексте двух основных типов двигателей: поршневых двигателей и роторных двигателей. В поршневом двигателе давление, создаваемое при сгорании бензина, создает силу на головке поршня, которая перемещает цилиндр по длине возвратно-поступательным или возвратно-поступательным движением. Эта сила отталкивает поршень от головки цилиндра и выполняет работу. Роторный двигатель, также называемый двигателем Ванкеля, не имеет обычных цилиндров, оснащенных возвратно-поступательными поршнями.Вместо этого давление газа действует на поверхности ротора, заставляя ротор вращаться и таким образом выполнять работу.

бензиновые двигатели Типы бензиновых двигателей включают (A) двигатели с оппозитными поршнями, (B) роторные двигатели Ванкеля, (C) рядные двигатели и (D) двигатели V-8. Encyclopædia Britannica, Inc.

Большинство бензиновых двигателей относятся к поршнево-поршневому типу. Основные компоненты поршневого двигателя показаны на рисунке. Почти все двигатели этого типа используют четырехтактный или двухтактный цикл.

Типовая схема поршневой цилиндр бензинового двигателя. Encyclopædia Britannica, Inc.

Четырехтактный цикл

Из различных методов восстановления мощности процесса сгорания наиболее важным до сих пор был четырехтактный цикл, концепция, впервые разработанная в конце 19 века. Четырехтактный цикл показан на рисунке. При открытом впускном клапане поршень сначала опускается на такте впуска. Воспламеняющаяся смесь паров бензина и воздуха втягивается в цилиндр за счет создаваемого таким образом частичного вакуума.Смесь сжимается, когда поршень поднимается на такте сжатия при закрытых обоих клапанах. По мере приближения к концу хода заряд воспламеняется электрической искрой. Затем следует рабочий ход, когда оба клапана все еще закрыты, а давление газа обусловлено расширением сгоревшего газа, давящим на головку или головку поршня. Во время такта выпуска восходящий поршень выталкивает отработавшие продукты сгорания через открытый выпускной клапан. Затем цикл повторяется. Таким образом, каждый цикл требует четырех тактов поршня — впуска, сжатия, мощности и выпуска — и двух оборотов коленчатого вала.

Двигатель внутреннего сгорания: четырехтактный цикл Двигатель внутреннего сгорания имеет четыре такта: впуск, сжатие, сгорание (мощность) и выпуск. Когда поршень перемещается во время каждого хода, он поворачивает коленчатый вал. Encyclopædia Britannica, Inc. Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Недостатком четырехтактного цикла является то, что завершается только половина тактов мощности, чем в двухтактном цикле ( см. Ниже ), и только половину такой мощности можно ожидать от двигателя данного размера при заданная рабочая скорость.Однако четырехтактный цикл обеспечивает более эффективную очистку выхлопных газов (продувку) и перезагрузку цилиндров, уменьшая потерю свежего заряда в выхлопе.

,

4 бензиновых двигателя с искровым зажиганием | Оценка технологий экономии топлива для легковых автомобилей

Хитоми, М., Дж. Сасаки, К. Хатамура и Ю. Яно. 1995. Механизм повышения эффективности использования топлива по циклу Миллера и его перспективы на будущее. Документ SAE 950974. SAE International, Warrendale, PA

Hofmann, R., J. Liebl, M. Kluting, and R. Flierl. 2000. Новый 4-цилиндровый бензиновый двигатель BMW — Бескомпромиссное снижение расхода топлива. Документ SAE 2001-08-0043.SAE International, Warrendale, Pa.

Ивамото, Ю., К. Нома, О. Накаяма, Т. Ямаути. 1997 г. Разработка бензинового двигателя с непосредственным впрыском. Технический документ JSAE № 9732009.

Кодзима, С. 2008. Разработка высокоэффективного бензинового двигателя с низким уровнем выбросов. Документ SAE 2008-01-0608. SAE International, Warrendale, Pa.

Колвич, г. 2009. Пилотное исследование анализа затрат на технологии малой мощности. Отчет FEV 07-069-103F. Подготовлено для Агентства по охране окружающей среды США, Анн-Арбор, штат Мичиган.3 сентября. FEV, Inc., Оберн-Хиллз, Мичиган,

.

Колвич, Г. 2010. Анализ затрат на технологии малой мощности — отчет о дополнительных тематических исследованиях. Подготовлено для Агентства по охране окружающей среды США. FEV, Inc., Оберн-Хиллз, штат Мичиган,

Кувахара К., Т. Ватанабе, Х. Танда, К. Уэда и Х. Андо. 2000. Конструкция впускного канала для двигателя Mitsubishi GDI-Engine для реализации отличительного потока в цилиндре и высокого коэффициента заряда. Документ SAE 2000-01-2801. SAE International, Warrendale, Pa.

Леоне Т.Г. и М. Позар. 2001. Преимущество экономии топлива за счет чувствительности деактивации цилиндров к применению автомобиля и эксплуатационным ограничениям. Документ SAE 2001-01-3591. SAE International, Warrendale, Pa.

Линдгрен Р., М. Скогсберг, Х. Сандквист и И. Денбратт. 2003. Влияние отложений в форсунках на смесеобразование в двигателе DISC SI. Технический документ JSAE № 20030110.

Martec Group, Inc. 2008. Переменная стоимость технологий экономии топлива. Подготовлено к альянсу автопроизводителей.1 июня; с изменениями, внесенными 26 сентября и 10 декабря.

Мисовек, К., Б. Джонсон, Дж. Мансури, О. Стурман и С. Мэсси. 1999. Технология цифрового клапана применяется для управления приводом гидравлического клапана. SAE Paper 1999-01-0825. SAE International, Warrendale, Pa.

Накада, М. 1994. Тенденции в технологии двигателей и трибологии. Triblogy International 27 (1), февраль.

NESCCAF (Центр Северо-восточных штатов за будущее чистого воздуха). 2004. Снижение выбросов парниковых газов от легковых автомобилей.Марш.

NRC (Национальный исследовательский совет). 2002. Эффективность и влияние корпоративных стандартов средней экономии топлива (CAFE). National Academy Press, Вашингтон, округ Колумбия

Петижан, Д., Л. Бернардини, К. Мидлмасс, С.М. Shahad. 2004. Усовершенствованная технология турбонаддува бензиновых двигателей для повышения экономии топлива. Документ SAE 2004-01-0988. SAE International, Warrendale, Pa.

Пишингер, С., К. Япичи, М. Швандерлапп и К. Хаберманн. 2001. Переменная компрессия в двигателях SI.Документ SAE 2001-24-0050. SAE International, Warrendale, Pa.

Прист, М., и К.М. Тейлор. 2000. Трибология автомобильных двигателей — Приближаясь к поверхности. Носите 241: 193-203. SAE International, Warrendale, Pa.

Ребберт М., Г. Кройзен и С. Лауэр. 2008. Отключение нового цилиндра от FEV и Mahle. Документ SAE 2008-01-1354. SAE International, Warrendale, Pa.

Ricardo, Inc. 2008. Исследование потенциальной эффективности транспортных средств, снижающих углекислый газ.Подготовлено для Агентства по охране окружающей среды США. EPA420-Р-08-004. Договор № ЭП-С-06-003. Рабочее задание №1-14. Анн-Арбор, штат Мичиган,

Rosenberg, R.C. 1982. Общие соображения о трении при конструкции двигателя. Документ SAE 821576. SAE International, Warrendale, PA

Schwarz, C., E. Schünemann, B. Durst, J. Fischer, and A. Witt. 2006. Возможности распыляемой системы сгорания BMW DI. Документ SAE 2006-01-1265. SAE International, Warrendale, Pa.

Зеллнау, М., Т. Кунц, Дж. Синнамон и Дж. Буркхард. 2006. Двухступенчатый регулируемый клапан: оптимизация и интеграция системы в двигатель SI. Документ SAE 2006-01-0040. SAE International, Warrendale, Pa.

Shahed, S.M., and Karl-Heinz Bauer. 2009. Параметрические исследования влияния турбонаддува на уменьшение габаритов бензиновых двигателей. Документ SAE 2009-01-1472. SAE International, Warrendale, Pa.

Шин С., А. Кузенца и Ф. Ши. 2004. Влияние смещения коленчатого вала на характеристики сгорания и трения двигателя SI.Документ SAE 2004-01-0606. SAE International, Warrendale, Pa.

Sierra Research. 2008. Базовый анализ стоимости и долгосрочного воздействия стандартов экономии топлива Закона об энергетической независимости и безопасности. Сакраменто, Калифорния, 24 апреля

Симко А., Чома М. и Репко Л. 1972. Контроль выбросов выхлопных газов с помощью процесса сгорания, запрограммированного Фордом — P ROCO. Документ SAE 720052. SAE International, Warrendale, PA

Сораб Дж., С. Корчек, К. Брауэр и У. Хаммер. 1996.Снижение трения моторных масел с низкой вязкостью в подшипниках. Документ SAE 962033. SAE International, Warrendale, PA

Штейн, Р.А., К.Дж. Хаус, Т.Г. Леон. 2009. Оптимальное использование E85 в двигателе с прямым впрыском с турбонаддувом. Документ SAE 2009-01-1490. SAE International, Warrendale, Pa.

Sycomoreen. BMW Valvetronic. См. Http://sycomoreen.free.fr/imgs/IMAGES/autoconcept/BMW_valvetronic.jpg.

Такемура, С., С. Аояма, Т. Сугияма, Т. Нохара, К. Мотеки, М.Накамура и С. Хара. 2001. Исследование системы непрерывного переменного события и подъема клапана (VEL). Документ SAE 2001-01-0243. SAE International, Warrendale, Pa.

Х. Танака, Т. Нагашима, Т. Сато и С. Каваути. 1999 г. Влияние маловязкого моторного масла 0W-20 на экономию топлива. Документ SAE 1999-01-3468. SAE International, Warrendale, Pa.

Танака Ю., Р. Хиёси, С. Такемура, Ю. Икеда и М. Сугавара. 2007. Исследование механизма управления степенью сжатия для многорычажного двигателя с переменной степенью сжатия.Документ SAE 2007-01-3547. SAE International, Warrendale, Pa.

Тейлор, К. 1998. Трибология автомобильного двигателя — Конструктивные соображения по эффективности и долговечности. Носите 221: 1-8.

Тейлор Р.И. и К.Р. Кой. 1999. Повышение топливной эффективности за счет конструкции смазочного материала: обзор. Труды Института инженеров-механиков 214, часть J.

Toyota Motor Company. 2007. Toyota разрабатывает клапанный механизм двигателя нового поколения. 12 июня, доступно на http://www2.toyota.co.jp/en/news/07/0612.html.

Таттл, Дж. 1980. Регулирование нагрузки двигателя с помощью позднего закрытия впускного клапана. Документ SAE 800794. SAE International, Warrendale, PA

Verhelst, S., J. De Landtsheere, F. De Smet, C. Billiouw, A. Trenson и R. Sierens. 2008. Влияние наддува, EGR и изменения фаз газораспределения на мощность и выбросы водородных двигателей внутреннего сгорания. Документ SAE 2008-01-1033. SAE International, Warrendale, Pa.

Вирбелейт, Ф., К.Биндера и Д. Гвиннера. 1990 г. Разработка поршней с регулируемой высотой сжатия для повышения КПД и удельной мощности двигателей внутреннего сгорания. Документ SAE

9. SAE International, Warrendale, PA

Вурмс Р., М. Григо и В. Хац. 2002. Технология Audi FSI — улучшение характеристик и снижение расхода топлива. Документ SAE 2002-33-0002. SAE International, Warrendale, Pa.

,

Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) смесей бензин-CNG

В этом разделе подробно рассматриваются характеристики и сгорание смесей бензин-CNG в системе сгорания RCCI для обоих методов. В нем объяснены параметры, влияющие на горение низкоактивных видов топлива, и метод управления процессом горения.

3.1. Характеристики сгорания бензина и КПГ в двигателе внутреннего сгорания RCCI

Было обнаружено, что степень расслоения КПГ в общей смеси оказывает значительное влияние на максимальную нагрузку с точки зрения достижимого IMEP и φTotal.Степень расслоения определяется временем нагнетания, при этом 300 ° BTDC представляют гомогенную смесь, а 120 ° BTDC представляют собой расслоенную смесь. У 300 ° BTDC очень ранний момент впрыска, и топливо впрыскивается, когда впускной клапан открыт. Следовательно, именно топливо имеет достаточно времени, чтобы полностью смешаться с воздухом и образовать однородную смесь. С другой стороны, при 120 ° до ВМТ топливо впрыскивается после закрытия впускного клапана, а время смешивания топлива и воздуха очень короткое и не позволяет полностью перемешаться.

На рис. 11 показано, что при закачке до КМТ 300 и 240 ° могут использоваться более высокие коэффициенты полной эквивалентности. Но при 180 ° и 120 ° до ВМТ максимальный рабочий φTotal был ограничен уменьшенным IMEP при заданном φTotal по сравнению со случаями 300 и 240 ° BTDC.

Рисунок 11.

Влияние степени расслоения КПГ на IMEP. (K — ограничено детонацией; mf — ограничено пропуском зажигания).

Результаты IMEP показывают согласие с исследованиями Genchi G и Pipitone E [22], где повышенный состав КПГ дает более высокий IMEP.При наивысшей степени стратификации, хотя максимальная нагрузка была ограничена, не было значительного падения IMEP, и тенденция была аналогичной для условий 300 и 240 ° BTDC. Соответствующие значения указанного теплового КПД показаны на Рисунке 12. Наблюдалось, что максимальная нагрузка ограничивается детонацией при закачке СПГ при 300 ° ВМТ, а в других случаях увеличение скорости закачки СПГ приводило к нестабильной работе или пропускам зажигания.

Рис. 12.

Влияние степени стратификации КПГ на указанный тепловой КПД.

Из рисунка 13 видно, что момент зажигания можно изменить, изменив время впрыска СПГ при заданной нагрузке. Момент воспламенения был определен путем определения начальной скорости выделенного тепла и массовой доли сожженного топлива, полученных из данных давления, где 0% точек до непрерывного распространения сожженной массовой доли определяется как начало воспламенения проанализированных циклов сгорания.

Рис. 13.

Влияние степени расслоения КПГ на угол опережения зажигания.

Когда скорость впрыска CNG была увеличена, момент зажигания был отложен из-за более высокого октанового числа CNG. Кроме того, более высокая степень расслоения приводила к более высоким приращениям задержки момента зажигания по мере увеличения скорости впрыска КПГ. Наклон кривых был более крутым при задержке времени впрыска. При заданном увеличении скорости впрыска КПГ увеличение задержки момента зажигания было выше при увеличении степени расслоения. То есть как скорость впрыска, так и степень расслоения СПГ оказали значительное влияние на момент зажигания при работе с φg = 0.20. Однако максимальный общий коэффициент эквивалентности был меньше, чем полученный с впрыском КПГ при 300 и 240 ° до ВМТ.

Было обнаружено, что продолжительность горения сокращалась при увеличении скорости впрыска КПГ на 300, 240 и 80 ° до ВМТ. Когда СПГ закачивался при 180 и 120 ° до ВМТ, продолжительность горения была незначительно затронута, и сначала она уменьшалась до определенных значений скорости закачки СПГ, а затем снова увеличивалась.

На рисунках 15–18 показана скорость тепловыделения и повышения давления при различных временах впрыска.Увеличение скорости закачки СПГ при 300 ° до ВМТ ограничивалось детонацией, как показано на Рисунке 14. Но с более поздним временем закачки, с φg = 0,20, любое увеличение скорости закачки СПГ приводило к отсроченному самовоспламенению и снижению пикового давления. Следовательно, увеличение скорости впрыска СПГ сверх определенных уровней приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, тем самым определяя максимальный предел нагрузки.

Рисунок 14.

Влияние степени расслоения КПГ КПГ на продолжительность горения.

Как показано на Рисунке 15, увеличение скорости впрыска КПГ привело к задержке момента зажигания.До φTotal = 0,33 результирующее пиковое давление увеличивалось, а при дальнейшем увеличении скорости закачки КПГ оно снижалось. Кроме того, выше φ Total = 0,33 задержка момента зажигания была более значительной и приводила к снижению пикового давления. Как будет обсуждаться позже в этом разделе, эффективность сгорания обоих видов топлива увеличилась, а выбросы Ch5 снизились с увеличением φTotal выше 0,33, как показано на рисунках 23 и 29.

Рисунок 15.

История давления и скорость тепловыделения с СПГ закачка при 240 ° до ВМТ.

Таким образом, можно сделать вывод, что выше φTotal = 0,33 пиковое давление снижалось из-за задержки воспламенения, и сгорание было более полным с увеличением скорости впрыска при 240 ° ВМТ. Таким образом, увеличение φg выше 0,33 привело к снижению пикового давления без снижения теплового КПД, как показано на рисунке 12. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска СПГ до φTotal = 0,40, выше которой она снова снижалась. Выше φTotal = 0,42 увеличение скорости впрыска КПГ приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, а сгорание бензина и КПГ прекращалось.

При впрыске CNG при 180 ° до ВМТ увеличение скорости впрыска CNG привело к более значительной задержке момента зажигания. Было незначительное увеличение пикового давления, когда φTotal было увеличено до 0,26, после чего оно снова снизилось. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились, в первую очередь, за счет значительного увеличения полноты сгорания СПГ, о чем свидетельствуют выбросы Ch5, как показано на Рисунке 29. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска СПГ, как показано на Рисунке 17.Однако увеличение скорости впрыска СПГ выше φTotal = 0,26 привело к снижению общей эффективности сгорания и высоким выбросам Ch5, как показано на рисунках 23 и 29. Это говорит о том, что степень расслоения, создаваемая при впрыске 180 ° BTDC, приводит к ухудшению сгорания и приводит к снижению по тепловому КПД, как показано на Рисунке 12. Аналогичные тенденции наблюдались при закачке СПГ при 120 ° до ВМТ, когда φTotal был увеличен выше 0,24, как показано на Рисунке 16.

Рисунок 16.

История давления и скорости тепловыделения при закачке СПГ 120 ° до ВМТ.

Рис. 17.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 18.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рис. 19.

Массовые доли сожженных при впрыске КПГ при 240 ° ВМТ.

Рис. 20.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 21.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 120 ° до ВМТ.

Рисунок 22.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рисунок 23.

Влияние степени расслоения на полноту сгорания.

Рис. 24.

Влияние впрыска КПГ на температуру выхлопных газов.

Рисунок 25.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы NOx.

Рисунок 26.

Влияние степени стратификации КПГ на образование NO2.

Рисунок 27.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы CO.

Рисунок 28.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы УВ.

Рисунок 29.

Влияние времени впрыска на выбросы Ch5 с φg = 0,20.

Рис. 30.

Влияние зазоров впрыска на характеристики горения смеси ГНКГ для 50 и 90% состава при лямбда 1.

Рис. 31.

Влияние зазора впрыска на полноту сгорания для различных составов смеси при лямбда 1

Рисунок 32.

Распределение смеси для 30 и 90% состава смеси при зазоре впрыска 0 и 20 мс.

Рисунок 33.

Задержка горения относительно КНИ.

Рисунок 34.

Последовательность горения для ГПГ при составе смеси 60/40 и лямбда 1.

Рисунок 35.

Влияние зазора впрыска для состава бензин / КПГ 60/40 при лямбда 1.

При впрыске КПГ задержка до 80 ° до ВМТ, увеличение скорости впрыска привело к значительной задержке зажигания; однако влияние на пиковое давление до φTotal = 0 было менее заметным.28. Увеличение φTotal выше привело к более значительной задержке воспламенения и пикового давления, а также к увеличению скорости тепловыделения. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились в первую очередь за счет значительного увеличения полноты сгорания СПГ, как это предполагают выбросы Ch5, как показано на Рисунке 29.

Как показано на Рисунке 19, увеличение скорости впрыска СПГ при 240 ° до ВМТ привело к задержке воспламенения. При φTotal = 0,28 и 0,33 наблюдалось небольшое увеличение скорости горения на последней стадии горения по сравнению со сжиганием на чистом бензине.При 180 и 120 ° до ВМТ не наблюдалось значительного влияния на скорость горения топлива из-за увеличения скорости впрыска СПГ, но это вызывало значительную задержку воспламенения, как показано на рисунках 20 и 21. Аналогичные результаты были получены с впрыском СПГ. при 80 ° до ВМТ; однако при φTotal = 0,28 и 0,33 сгорание было медленнее на начальных этапах и быстрее на последних этапах, как показано на рисунке 22.

Как показано на рисунке 23, с увеличением φTotal путем впрыска СПГ на 300, 240, и 80 ° до ВМТ, эффективность сгорания увеличена.Наибольший прирост был получен при закачке сжатого природного газа при температуре 80 ° до ВМТ для данного увеличения φTotal из-за расслоения смеси. Однако при впрыске КПГ при 180 и 120 ° до ВМТ КПД сгорания первоначально увеличивался, но снова снизился и был ниже 80% для всех φTotal.

Температура выхлопных газов увеличивалась по мере увеличения скорости впрыска КПГ, как показано на рисунке 24. Повышение температуры выхлопных газов с увеличением скоростей впрыска СПГ при 180 и 120 ° ВМТ было меньше, чем наблюдаемое при увеличении скорости впрыска СПГ. при 300, 240 и 80 ° до ВМТ.Когда топливо смешивалось однородно, это приводило к более высокой температуре выхлопных газов из-за быстрого горения. Аналогичным образом, когда СПГ был сильно расслоен, это также приводило к более высоким температурам выхлопных газов.

На рисунке 25 показаны указанные конкретные выбросы NO _x (ISNO _x ). Выбросы NO _x были незначительно затронуты и были примерно одинаковыми для всех условий испытаний. Однако при разном времени закачки и скорости закачки КПГ наблюдались разные тенденции.

Увеличение скорости нагнетания СПГ привело к резкому увеличению отношения NO ₂ / NO _x до определенной точки, а затем оно уменьшилось. Как показано на Фигуре 26, соотношение NO ₂ / NO _x почти удвоилось, когда скорость впрыска СПГ была увеличена примерно до φTotal = 0,33 перед тем, как снова снизиться. То есть до определенного значения скорости впрыска СПГ СПГ снижал температуру сгорания и приводил к образованию более высоких количеств NO ₂ .

Указанные удельные выбросы CO (ISCO) были значительно снижены, поскольку смесь была обогащена сжатым природным газом путем прямого впрыска при всех временах впрыска, как показано на рисунке 27. Однако полученное снижение было самым высоким, когда сжатый природный газ вводился при температуре 300 и 240 °. ВМТ. Любое увеличение скорости впрыска КПГ в более поздние сроки закачки приводило к меньшему сокращению выбросов CO. Наименьшее снижение было получено при времени впрыска 80 ° до ВМТ, поскольку высокая степень расслоения СПГ ограничивала доступность и распределение кислорода и разницу температур в СПГ и частицах воздуха.

Было обнаружено, что на выбросы УВ существенно влияет степень расслоения СПГ, как показано на Рисунке 28. Наибольшее сокращение выбросов УВ было получено при закачке КПГ при температуре 80 ° до ВМТ. Более высокая степень расслоения СПГ приводит к более полному сгоранию.

На рис. 29 показано массовое соотношение расхода Ch5 в выхлопных газах и массового расхода сжатого природного газа, впрыскиваемого в цилиндр. При заданном постоянном коэффициенте эквивалентности бензина φg = 0,20 непосредственный впрыск КПГ при 80 ° ВМТ приводил к наименьшему выбросу Ch5.Следовательно, сгорание СПГ было более полным, когда он был расслоен. Закачка СПГ при 300 и 240 ° до ВМТ привела к умеренным уровням выбросов Ch5, а самые высокие значения были получены при закачке КПГ при 180 ° до ВМТ. Это происходило из-за создаваемой турбулентности и условий перемешивания в цилиндре, когда поршень менял свое направление при 180 ° до ВМТ.

3.2. Характеристики сгорания бензина и КПГ в камере сгорания постоянного объема

Влияние зазора впрыска на сгорание смеси бензин-сжатый природный газ (GCNG) обсуждается ниже.Изменение зазора впрыска оказало непосредственное влияние на распределение смеси внутри камеры сгорания. Было проверено пять интервалов впрыска, 0, 5, 10, 15 и 20 мс. Ожидается, что эти зазоры для впрыска будут иметь возможность напрямую управлять распределением смеси внутри камеры.

Влияние зазоров впрыска показано на Рисунке 30. На нем показаны два состава смеси: 50 и 90% GCNG. Зазор для впрыска дает различный эффект между двумя композициями. В 50% -ном газовом газе более длинный зазор впрыска обеспечивает более высокую эффективность сгорания, максимальное давление, общее выделенное тепло (THR) и более короткую задержку.Кроме того, он также показывает большую продолжительность для всех стадий сгорания. Напротив, более длинный зазор впрыска снижает эффективность сгорания, максимальное давление, THR и более длительную задержку сгорания для 90% GCNG. Однако тенденции в отношении продолжительности горения аналогичны: большая продолжительность для большего промежутка впрыска. Рисунок 31 подтвердил изменение эффекта зазора впрыска на процесс сгорания смеси ГПГ. Точка поворота указана между 70 и 80% состава смеси GCNG. Для всей смеси более 80% показывает уменьшение полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска, в отличие от смесей ниже 70%, которые показывают прирост полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска.Эти различия могут быть вызваны распределением смеси внутри камеры.

Распределение смеси внутри камеры для смеси GCNG 30 и 90% с зазором впрыска 0 и 20 мс показано на рисунке 32. На рисунке смесь с сильным расслоением для смеси 30% GCNG с зазором впрыска 0 мс. Расслоение отмечено более темным цветом на дне камеры, что указывает на жидкость высокой плотности (бензин). Изображение показывает, что большая часть бензина была собрана в нижней части камеры из-за импульса впрыска CNG, который не позволяет бензину достичь верхней части камеры.С другой стороны, зазор впрыска в 20 мс показывает лучшее смешивание топлива, о чем свидетельствует примерно одинаковая интенсивность изображения по всей камере.

Зазоры для впрыска 30% смеси GCNG улучшают скорость смешивания, тем самым увеличивая характеристики сгорания. Кроме того, бензиновое топливо в основном скапливается в нижней части, которая также имеет среднюю низкую температуру по сравнению с верхней. В результате скорость испарения бензина занимает больше времени, что также увеличивает задержку сгорания, как показано на Рисунке 33.

С другой стороны, зазоры впрыска при 90% -ной смеси GCNG имеют такое же распределение жидкого топлива, как на Рисунке 32, где оба зазора впрыска показывают концентрированное распределение топлива в верхней части камеры. Несмотря на сходство, зазор впрыска 0 мс показывает более высокую интенсивность жидкого топлива (более темная область) на верхней стороне камеры по сравнению с зазором впрыска 20 мс. Он показывает, что зазор впрыска 0 мс имеет большее количество бензина по сравнению с зазором впрыска 20 мс, следовательно, больше времени требуется для процесса испарения.Это основная причина более низкой мощности сгорания, а также большей задержки сгорания на 0 мс по сравнению с зазором впрыска 20 мс.

Последовательность горения для GCNG при зазоре впрыска 0 и 20 мс изображена на рисунке 34. Скорость пламени зазора впрыска 20 мс выше, чем зазора впрыска 0 мс, с 37,02 м / с в первые 0,5 мс и 15,9 в первые. 1 мс после начала горения (SOC), а промежуток впрыска 0 мс с 30,56 м / с и 16,9 м / с при 0,5 мс и 1 мс, соответственно. Рисунок 34 также показывает разницу в цвете пламени для двух зазоров впрыска.Интервал впрыска 20 мс имеет голубой цвет, но с меньшей интенсивностью по сравнению со 100% бензином, а интервал впрыска 0 мс показывает желтый цвет. Можно предположить, что синий цвет является продуктом той же реакции, которая генерирует пероксид гидроксила и увеличивает мощность сгорания смеси.

При 100% -ном сгорании бензина голубое пламя возникает из-за гомогенной смеси, которая создает многоточечное горение за фронтом пламени, что значительно увеличивает мощность сгорания.Аналогичный процесс происходит в интервалах впрыска 20 мс, с этой смесью достигается однородность смеси, поскольку эффект впрыска КПГ проявляется в более длительной задержке горения относительно начала впрыска, как показано на Рисунке 35.

Зазоры впрыска оказались прямым влиять на распределение топлива внутри камеры, тем самым влияя на характеристики горения смеси. На процесс горения в ВАХ в основном влияют характеристики распределения топлива внутри камеры в момент горения.В этом случае зазоры для впрыска сильно влияют на распределение смеси внутри камеры, где более длинный зазор способствует смешиванию и создает более однородную смесь.

.