Схема работы двухтактного двигателя: Принцип Работы, Описание Рабочего Цикла, Пропорции Смеси Масла и Бензина Для Смазки Бензинового Или Дизельного ДВС

    Стоит упомянуть о принципе зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому-что поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ.   Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты. На некоторых же скутерах, например Honda Dio ZX AF35, установлен электронный коммутатор с динамическим опережением. С ним двигатель развивает больше мощности.

    Наглядно просмотреть работу двухтактного ДВС можно на этом ролике:

Принцип работы двухтактного двигателя. | Автомания

Двигатель внутреннего сгорания его особенности

Первый двигатель работающий на топливе появился в 19 веке. Для того, чтобы двигатель работал без отказа, изобретатель перестраивал свое изобретение не один раз. Выход из ситуации нашли с помощью добавления системы жидкостного охлаждения и смазки.

В настоящее время среди мотоциклистов двухтактный двигатель набрал популярности.

Чтобы подробно разобраться в работе двухтактного двигателя, для начала нужно изучить его строение, как он собран и какие детали важны при работе. На самом деле его устройство не такое сложное, как все думают.

Сам двигатель имеет форму картера. Внутри находится коленчатый вал и подшипники, а также цилиндр. Свеча зажигания вырабатывает искру, а поршень своими вращениями подает топливо до свечи.

Для нормальной работы двигателя, важную роль играют зазоры между деталей и смазка внутри. Для этого бензин размешивают маслом хорошего качества в нужных пропорциях. При сгорании остается минимальный осадок.

Строение корпуса и цилиндра собраны качественно. Водного охлаждения не имеют, при этом обладают самым лучшим воздушным охлаждением. Подобное устройство способно обеспечить самую лучшую производительность в рабочем состоянии.

Как работает двухтактный двигатель

Чтобы разобраться в рабочей системе мотора, необязательно быть автомехаником. Работа устройства создана на уровне физического закона.

Движение двухтактного агрегата осуществляется двумя тактами. Первый такт-это сжатие. В этот период поршень находясь в нижней точке ожидает поступление топлива.

При поступлении топлива в камеру сгорания, поршень сразу поднимается и доводит топливо в верхнюю мертвую точку. При движении поршня образуются выхлопные газы, которые исчезают через специальное окно.

На втором этапе поршень подгоняет топливо в верхнюю точку, и осуществляется воспламенение. Таким образом запускается двигатель и начинает свою работу. Такой этап называется расширение.

Особенности двигателя

Коленвал проходит один круг, таким образом происходит полный круг работы двигателя. Эта особенность позволяет достигать мощности в 1,5 раза больше, чем у подобных моторов с таким же объемом. Соответственно КПД двигатель имеет ниже чем четырех тактные модели.

Эта особенность применяется для создания двигателей с низкими оборотами для судов. Здесь используется прямое соединение с гребным валом. Устанавливают двигатель быстрого сгорания на мотоцикл.

При двухтактной работе двигатель имеет свойство нагреваться. Происходит выделение тепловой энергии. Чтобы агрегат был все время рабочий, иногда применяется дополнительное охлаждение. При работе в два такта двигатель совершает минимальное количество движений. Из-за минимального трения износ рабочих деталей сокращается.

Еще одной проблемой в работе двигателя, является выброс выхлопных газов. В отличие от четырех тактного двигателя, в двух тактном происходит выброс при свободном цилиндре. При захватывании полного объема качество обдува теряется.

Несмотря на не большие особенности двигатель внутреннего сгорания используется на разном оборудовании, и на мотоциклах. А также создают еще больше устройств с применением двухтактного двигателя.

После подробного изучения двигателя и принципа его работы, становится понятно, чем удобен этот агрегат и какие у него особенности. Мотоцикл с двухтактным двигателем поможет набрать опыта и навыков.

Двухтактный дизельный двигатель: устройство и принцип работы

Двухтактный дизельный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Топливо-воздушная смесь сгорает за 2 движения поршня. Цикл завершается всего за 1 оборот коленвала. Такие показатели кажутся впечатляющими, однако существует несколько особенностей работы агрегата, о которых стоит узнать подробнее.

Главным достоинством такого мотора можно считать меньший расход топлива в сравнении с бензиновыми агрегатами. Это происходит за счет одной из особенностей дизельного топлива. Оно плотнее бензина, поэтому при сгорании дает на 15% энергии больше. Это обеспечивается более длинной цепочкой углеродов. Кроме того, технические характеристики таких двигателей стоят наравне с показателями аналогичных двигателей.

Строение

В состав двухтактного дизеля входит картер, совмещенный с коленчатым валом поршень, форсунки, впускные и выпускные окна цилиндра, топливный и водяной насосы. Последний снабжается плунжерным переключателем и датчиком температуры, а также емкостями, которые наполняются водой. Агрегат обеспечивает повышение КПД и за счет улучшенного сгорания топливо-воздушной смеси. Токсичность отходов при этом снижается.

В двухтактном моторе расположена газовая турбина и нагнетатель. Последний отвечает за повышение давления в цилиндрах — это обеспечивает экономию топлива и повышение мощности. Газовая турбина запускает преобразователь энергии тепла в энергию движения.

Продувочный воздух поступает в двухтактный дизельный двигатель несколькими способами — с помощью:

• насосов;
• продувочных камер;
• компрессоров.

Продувка может осуществляться по одной из схем — контурной или клапанно-щелевой.

Стоит отметить, что использование контурной схемы снижает как экономические, так и технические показатели агрегата. Это объясняется тем, что в цилиндрах имеются не продуваемые области.

Цилиндры монтированы вдоль. Каждый из них оснащается выпускными и вентиляционными отверстиями. Газ поступает к турбине через коллектор. Когда поршни двигаются, рабочая камера периодически открывается и закрывается. Коленчатые валы взаимодействуют друг с другом. Это обеспечивается механизмом основной передачи.Топливо при этом сгорает при достаточно высокой температуре.

Для смазки трущихся деталей и подшипников применяется смесь масла и топлива. Она подается в цилиндр и кривошипную камеру. Смазки эти узлы не имеют, поскольку она смылась бы топливом. Именно поэтому к горючему его доливают в определенном соотношении.

При этом для двухтактного дизельного двигателя используется определенное масло. Оно выдерживает продолжительное воздействие высоких температур, способно практически не оставлять после сгорания зольных отложений.

Как работает?

Принцип работы двухтактного дизеля основан на выполнении 2 тактов: сжатие и рабочий ход. Конструкция агрегата позволяет выполнять весь цикл вдвое быстрее, чем в четырехтактных моторах.

Для двухтактных дизельных двигателей принцип работы следующий:

1. Поршень из НМТ начинает двигаться вверх. В цилиндре имеется воздух. Приходе поршня вверх он сжимается, а когда поршень подходит к ВМТ, впрыскивается порция свежего топлива. При этом горючее самовоспламеняется и осуществляется рабочий ход.
2. Продукты сгорания толкают поршень, вследствие чего тот движется вниз. Когда поршень доходит до НМТ, осуществляется продувка —воздух замещает продукты сгорания. Это является завершением цикла.

Внизу цилиндра имеются продувочные окна. Они необходимы для процесса продувки. Когда поршень снизу, они открыты. Во время подъема поршня они закрываются. Значительное увеличение показателя мощности двухтактных моторов происходит за счет повышения числа рабочих ходов. Двухтактный дизельный двигатель, принцип работы которого достаточно прост, обладает массой преимуществ.

Мифы о двухтактных дизельных моторах

Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:

1. Слишком медленная работа. В действительности современные моторы с турбонаддувом гораздо эффективнее предыдущих моделей.
2. Такие моторы слишком громкие. Чтобы этого избежать, необходима правильная настройка двигателя. При правильном выполнении всех настроек работа мотора происходит немногим громче бензинового аналога. Высокий уровень шума свидетельствует о неправильной настройке мотора или его неисправности. Для старых моделей высокий уровень шума — характерная черта, создание появление аккумуляторных систем с высоким давлением существенно снизило уровень шума.
3. Покупать дизель выгоднее бензина. Это так, но лишь отчасти. Несколько лет назад дизельное топливо стоило намного дешевле бензина, однако сегодня разница составляет всего 10-20%. Основная экономичность заключается в способности теплотворной способности горючего.
4. Такие моторы плохо заводятся зимой. Раньше проблемы с ними действительно возникали. Однако современные автомобили с дизельными двигателями оснащены быстрым запуском, что снижает время на ежедневные подготовки к поездкам.

Срок службы дизеля превышает бензиновые агрегаты. Он может достигать 400-600 тыс. км.

Каждый двухтактный дизельный двигатель имеет одну отличительную особенность — через окна цилиндров впускается воздух и устраняются отработавшие газы. Когда они выходят через клапан в цилиндре, а воздух поступает через окна, система такой очистки называется клапанно-щелевой.

Подобные системы очистки имеют одну особенность — в цилиндре остается только часть воздуха. Поднимаясь вверх, он частично выходит за пределы мотора. Такую очистку еще называют прямоточной. Она обеспечивает максимальную эффективность очистки двигателя от продуктов сгорания.

Помимо прямоточной продувки существует и петлевая, однако она отличается меньшим качеством очистки. Именно поэтому для современных автомобилей она используется нечасто. Рабочие ходы такого агрегата выполняются в два раза чаще, однако на мощности это сказывается незначительно (она увеличивается в 1,5-1,7 раза). Это объясняется наличием продувки, а также тем, что внутри цилиндра происходит более короткий ход.

Преимущества

Двухтактные дизельные двигатели стали производиться относительно недавно. Такие моторы на сегодняшний день имеют множество модификаций. К примеру, зажигание бывает 2 типов: контактным и бесконтактным. Также отличаются и схемы таких моторов. Применяется двухтактная система на танках, в самолетах, в тяжелой промышленной технике.

Другие достоинства:

1. Небольшой размер. Для установки агрегата требуется совсем немного места. Такие моторы легко умещаются под капотом транспортных средств.
2. Небольшая масса. Стандартный турбодизель весит почти в 2 раза больше, чем двухтактный дизельный двигатель.
3. Значительная экономия топлива. Расход горючего снижен практически в 2 раза по сравнению с обычным дизельным агрегатом.
4. Простая конструкция. При обслуживании таких двигателей нет необходимости применять специальные технологии.

Такие преимущества выгодно выделяют двухтактные дизельные двигатели на фоне бензиновых собратьев. Имеются у таких моторов и серьезные недостатки.

Недостатки

Небольшое распространение агрегатов объясняется рядом причин. К примеру, детали на такие моторы найти получится с трудом. Именно поэтому выполнить ремонт двухтактного дизельного двигателя становится проблематично. Кроме того, специалистов по обслуживанию таких агрегатов достаточно мало.

Другие недостатки:

• высокая цена дизельных двигателей и малый выбор моделей;
• увеличенный расход масла;
• необходимость установки воздушных фильтров.

Явным недостатком дизелей является использование мощного стартера. На морозе дизельное топливо мутнеет и застывает. Ремонт топливной аппаратуры затрудняется тем, что насосы высокого давления изготавливаются с высокой точностью.

Существенным минусом двухтактных дизелей является невозможность их применения в высокотемпературных режимах. Масло при таких условиях закоксовывается, возникает залегание поршневых колец. Кроме того, из-за недостаточной продувки топливо сгорает не полностью, что сказывается на значении КПД и уровне токсичности.

Итоги

Дизельные двигатели, имеющие два такта, изобретались с одной целью — снизить токсичность отработавших газов, а также увеличить экономичность двигателя, повысить КПД.

Стоит упомянуть о зажигании. Чтобы топливо воспламенилось, необходимо время, поэтому разряд на свече возникает заранее, перед тем, как поршень достигнет ВМТ. Чем быстрее происходит движение поршня, тем раньше должна зажигаться свеча. Существуют специальные устройства, позволяющие менять угол зажигания в зависимости от частоты вращения коленвала.

Строение двигателей / Хабр

А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Под четырьма тактами подразумеваются: впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск. Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.

Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.

В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.

• Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
• низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
• главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
• Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
• меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
• меньшее на 35-40 % число деталей

• Недостатки:
• Быстрый износ
• Склонности к перегреву
• Сложность в производстве
• Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.

На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Источники:
www.animatedengines.com

• Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
• Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
• The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
• Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
• Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
• Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co. , 1999
• Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
• Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
• Toyota Web site Prius specifications
• Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
• Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
• Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
• An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
• An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Двухтактный двигатель — Energy Education

Как следует из названия, двухтактный двигатель требует только двух движений поршня (одного цикла) для выработки мощности. ^[2] Двигатель может вырабатывать мощность после одного цикла, потому что выхлоп и всасывание газа происходят одновременно, ^[3] , как показано на рисунке 1. Существует клапан для такта впуска, который открывается и закрывается из-за к изменению давления.Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход.

В целом двухтактный двигатель состоит из двух процессов:

1. Ход сжатия: Впускной канал открывается, топливовоздушная смесь поступает в камеру, и поршень перемещается вверх, сжимая эту смесь. Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
2. Рабочий ход: Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отработанное тепло отводится.

Тепловой КПД этих бензиновых двигателей зависит от модели и конструкции автомобиля. Однако в целом бензиновые двигатели преобразуют 20% топливной (химической) энергии в механическую, в которой только 15% будет использоваться для движения колес (остальное теряется на трение и другие механические элементы). ^[4]

По сравнению с четырехтактными двигателями двухтактные двигатели легче, эффективнее, позволяют использовать топливо более низкого качества и более экономичны. ^[2] Таким образом, более легкие двигатели обеспечивают более высокую удельную мощность (больше мощности при меньшем весе). Однако им не хватает маневренности, характерной для четырехтактных двигателей, и им требуется больше смазки. Это делает двухтактные двигатели идеальными для кораблей (для перевозки большого количества грузов) ^[2] , мотоциклов и газонокосилок, тогда как четырехтактные двигатели идеально подходят для таких автомобилей, как легковые и грузовые автомобили.

Цикл Отто

Диаграмма «давление-объем» (PV-диаграмма), которая моделирует изменения давления и объема топливно-воздушной смеси в любом бензиновом двигателе, называется циклом Отто. Изменения в них будут создавать тепло и использовать это тепло для движения транспортного средства или машины (поэтому это тип теплового двигателя). Цикл Отто можно увидеть на Рисунке 2 (реальный цикл Отто) и Рисунке 3 (идеальный цикл Отто). Компонент в любом двигателе, который использует этот цикл, будет иметь поршень для изменения объема и давления топливно-воздушной смеси (как показано на рисунке 1).Поршень получает движение от сгорания топлива (где это происходит, объясняется ниже) и электрического наддува при запуске двигателя.

Далее описывается, что происходит на каждом этапе фотоэлектрической диаграммы, когда сгорание рабочего тела — бензина и воздуха (кислорода), а иногда и электричества, изменяет движение поршня:

Идеальный цикл — зеленая линия: Называется фазой впуска , двухтактный двигатель не проходит через эту фазу. Это потому, что четырехтактные двигатели начинаются с поднятого поршня, поэтому его нужно опускать, чтобы всасывать топливно-воздушную смесь. Однако двухтактный двигатель может сразу приступить к впуску топливно-воздушной смеси, как показано в процессах 1-2.

Процесс с 1 по 2: Во время этой фазы впускное отверстие открывается, и поршень поднимается, чтобы сжимать топливно-воздушную смесь, попавшую в камеру. Сжатие вызывает небольшое повышение давления и температуры смеси, однако теплообмен не происходит.С точки зрения термодинамики это называется адиабатическим процессом. Когда цикл достигает точки 2, это происходит, когда свеча зажигания встречает топливо, которое должно воспламениться.

Процессы 2–3: Здесь происходит горение из-за воспламенения топлива свечой зажигания. Сгорание газа завершается в точке 3, что приводит к образованию камеры с высоким давлением, которая имеет много тепла (тепловой энергии). С точки зрения термодинамики это называется изохорическим процессом.

Процессы с 3 по 4: Тепловая энергия в камере в результате сгорания используется для работы с поршнем, которая толкает поршень вниз, увеличивая объем камеры. Это также известно как силовой сток , потому что это когда тепловая энергия превращается в движение, чтобы привести машину или транспортное средство в действие.

Фиолетовая линия (процесс с 4 по 1): Из процесса с 4 по 1 все отходящее тепло отводится из камеры двигателя. Когда тепло покидает газ, молекулы теряют кинетическую энергию, вызывая снижение давления. ^[7] Однако в двухтактном двигателе фаза выхлопа отсутствует, поэтому цикл начинается (с 1 по 2) снова, давая возможность новой смеси топлива и воздуха сжиматься.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ «Файл: Two-Stroke Engine.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif. [Доступно: 17 мая 2018 г. ].
2. ↑ ^{2,0 2,1 2.2} Э. Алтурки, «Сравнение и применение четырехтактных и двухтактных судовых двигателей», Международный журнал инженерных исследований и приложений, вып. 07, нет. 04, с. 49-56, 2017.
3. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
4. ↑ Р. Вольфсон, Энергия, окружающая среда и климат. Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 2012, стр. 106.
5. ↑ http://www.citethisforme.com
6. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https: // en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
7. ↑ И. Динчер и К. Замфиреску, Современные системы производства электроэнергии. Лондон, Великобритания: Academic Press — это издание Elsevier, 2014, стр. 266.

Бензиновый двигатель | Британника

Бензиновый двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, которые вырабатывают энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением, инициируемым электрической искрой. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого возможного применения в силовых установках, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, малые грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и малые внутренние морские агрегаты, стационарные насосные установки среднего размера, осветительные установки и т. 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 портативных инструментах для озеленения, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

V-образный двигатель

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 поршнево-цилиндрового 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 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. Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишись сейчас

Недостатком четырехтактного цикла является то, что завершается только половина тактов мощности по сравнению с двухтактным циклом ( 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 повторную загрузку цилиндров, уменьшая потерю свежего заряда в выхлопе.

Двухтактный двигатель — обзор

Первое летящее в океане дизельное судно, 370-футовое судно Selandia, было доставлено Восточно-Азиатской компании в 1912 году верфью Burmeister & Wain (B&W), Копенгаген, Дания. За 20 лет, прошедших с момента испытания первого серийного дизельного двигателя в результате сотрудничества Рудольфа Дизеля и Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg (MAN), двигатель нового типа стал предметом интенсивных разработок и спекуляций.Он обещал промышленности революционно новый источник энергии и тем самым угрожал мировым производителям угля. Так что плавание Селандии было одной из главных новостей того времени. Уинстон Черчилль, первый лорд британского Адмиралтейства, посетил судно и назвал его достижением мирового масштаба.

Selandia оснащалась двухцилиндровыми восьмицилиндровыми четырехтактными дизелями B&W, каждый из которых развивал 1250 л.с. В течение года такие конкуренты, как MAN, Sulzer, Vickers и Krupp, работали над разработкой двухтактных двигателей мощностью около 2 000 л.с. на цилиндр, начав соревнование по мощности, которое с тех пор не прекращалось.Наблюдая за этими ранними попытками, Рудольф Дизель прокомментировал: «Если, что кажется вероятным, эти испытания дадут удовлетворительные результаты, наступила эра очень больших дизельных двигателей».

Главный двигатель для крупнейших торговых судов — танкеров, балкеров и контейнеровозов — это большой тихоходный двухтактный дизельный двигатель. Он стал рыночной силой в конце 1920-х годов, когда растущие требования к размерам судов и мощности стали выходить за рамки возможностей четырехтактных двигателей. Благодаря тому, что фазы впуска и выпуска занимают долю хода вместо полного хода каждая, двухтактный двигатель дает несколько преимуществ.Он удвоил выходную мощность на единицу размера по сравнению с четырехтактным двигателем и сделал более высокую выходную мощность доступной за счет больших размеров поршней и более длинных ходов. Кроме того, двухтактный двигатель с низкой скоростью позволял прямое соединение с гребным винтом. Со временем производители двухтактных двигателей также будут заявлять — как и сегодня — о более высокой эффективности и большей общей надежности этих двигателей.

50-летняя битва двухтактных дизельных двигателей с паром за господство на море была решена на фоне стремительного роста цен на топливо 1970-х годов. Например, в 1975 году из 614 двигателей, поставленных для крупнейших торговых судов, 78 процентов (482) составляли тихоходные дизели, а оставшиеся 123 — паровые турбины. В 2000 году из 1059 главных двигателей, поставленных судам дедвейтом более 2000 тонн, 60 процентов были тихоходными двухтактными. Большая часть оставшейся части была четырехтактной средней скоростью.

Четырехтактные судовые дизели используются повсюду, от гоночных катеров и моторных яхт до круизных судов, {грузовых и пассажирских} судов и танкеров-челноков (и на большом количестве стационарных электростанций).Их более высокая скорость требует некоторого промежуточного звена между двигателем и гребным винтом (редуктор или дизель-электрический привод), установка, обеспечивающая преимущества более тихой работы, более низкой вибрации и очень гибкой компоновки и расположения машинного отделения. Конкуренция в этой сфере бизнеса делится между большим количеством производителей, во главе с Wärtsilä (51% рынка в 2000 году) и MAN B&W Diesel.

В своем соревновании за более высокую производительность [и экономию топлива] конструкторы дизельных двигателей сосредоточили большую часть своих усилий на повышении мощности при одновременном контроле веса двигателя.Чтобы оценить их успех, рассмотрите только увеличение мощности между двумя 12-цилиндровыми двухтактными двигателями диаметром 420 мм, разделенными промежутком в 30 лет. В 1968 году B&W 1242-VTBF-90 выдал общую мощность 6 600 л.с. при ходу 900 мм и скорости 220 об / мин. В 2001 году двигатель MAN B&W 12S42-MC выдал 17 640 л.с. при ходу 1764 мм и частоте вращения 136 об / мин — увеличение мощности примерно в 2,5 раза при почти том же двигателе. Такое увеличение мощности было реализовано по всему спектру дизельных двигателей. Мощность двигателя Top подскочила за это время с 40 000 до 100 000 л.с.Средняя скорость поршня увеличилась с примерно 6,6 м / с до примерно 8,5 м / с.

Огромное увеличение внутренних сил и давлений, сопровождавшее это увеличение мощности, было устранено не за счет удвоения физических размеров двигателя, а за счет использования современных материалов, ковки и конструкционных технологий. Также был достигнут значительный выигрыш в тепловом КПД, показателе способности двигателя выполнять механическую работу за счет энергетического потенциала топлива. Эффективность выросла примерно с 40 процентов в 1975 году до 50 процентов сегодня, а гибридные системы — до 55 процентов.В упорядоченных высокотехнологичных мастерских современных дизельных конструкторов массивные компоненты даже самых больших двигателей — например, головки поршней диаметром почти метр и топливные форсунки длиной 600 мм — обрабатываются вручную с точностью часового механизма, чтобы уговорить каждую деталь мощности от процесса сгорания. Новые методы обработки топлива, компьютеризированные системы впрыска и управления цилиндрами, а также новые технологии обработки выхлопных газов оптимизируют мощность, снижая при этом содержание вредных веществ в выбросах двигателя. И теперь последний бастион паровых двигателей, танкер для перевозки СПГ, подвергается атаке компактных дизелей по привлекательной цене, которые сжигают смесь нефти и природного газа.

— Джо Евангелиста, в обзоре Surveyor Американского бюро судоходства (весна 2002 г.), стр. 14–20.

Четырехтактный двигатель — обзор

Альтернативные тепловые двигатели

Был исследован ряд альтернативных типов двигателей для используются в легковых автомобилях, но пока не добились успеха на рынке. Далее приводится краткое обсуждение пригодности четырех двигателей для автомобильных силовых установок.

Двигатель Ванкеля является наиболее успешным из четырех двигателей, поскольку он серийно производится в ограниченном количестве с 1970-х годов.Термодинамический цикл идентичен таковому у четырехтактного двигателя, но в двигателе не используется возвратно-поступательный поршень в цилиндре. Треугольный ротор эксцентрично вращается внутри восьмерки. Объем, заключенный между двумя краями ротора и корпусом, изменяется в зависимости от положения ротора, так что такт впуска, сжатия, расширения и выпуска происходит, когда ротор совершает один оборот. Двигатель очень компактен по сравнению с поршневым s.i. Двигатель равной мощности, а отсутствие возвратно-поступательных деталей обеспечивает бесперебойную работу.Однако трение, связанное с уплотнениями ротора, велико, и двигатель также страдает от более высоких тепловых потерь, чем с.и. двигатель. По этим причинам эффективность двигателя Ванкеля всегда была ниже, чем у современного двигателя s.i. поршневой двигатель.

Двухтактный двигатель широко используется в небольших мотоциклах, но считался слишком неэффективным и загрязняющим окружающую среду для использования в легковых автомобилях. Одним из нововведений является использование сгорания с прямым впрыском послойного заряда (DISC) с этим типом двигателя.Одна из основных проблем двухтактного двигателя заключается в том, что такт впуска перекрывается тактом выпуска, что приводит к тому, что часть всасываемой смеси без сгорания попадает в выхлоп. Использование ДИСКОВОЙ конструкции позволяет избежать этой проблемы, поскольку во время всасывания всасывается только воздух. Усовершенствованные системы впрыска топлива были разработаны для создания мелкодисперсного тумана топлива непосредственно перед зажиганием искры и для поддержания горения при малых нагрузках. Двухтактные двигатели этого типа термодинамически менее эффективны, чем четырехтактные двигатели DISC, но потери на внутреннее трение и вес двухтактного двигателя намного ниже, чем у четырехтактного двигателя равной мощности.В результате двигатель может обеспечивать экономию топлива, равную или превосходящую экономию топлива ДИСК (четырехтактного) двигателя при установке в транспортном средстве. Экспериментальные прототипы достигли хороших результатов, но долговечность и показатели выбросов усовершенствованных двухтактных двигателей до сих пор не установлены.

Газотурбинные двигатели широко используются в двигателях самолетов, и были проведены значительные исследования для оценки их использования в автомобилях. В таких двигателях используется непрерывное сгорание топлива, что обеспечивает низкий уровень выбросов и возможность использования нескольких видов топлива. Эффективность двигателя прямо пропорциональна температуре сгорания топлива, которая была ограничена до 1200 ° C металлами, используемыми для изготовления лопаток турбины. Ожидалось, что использование высокотемпературных керамических материалов для турбинных лопаток в сочетании с регенеративной рекуперацией отработанного тепла выхлопных газов повысит эффективность газотурбинных двигателей до уровней, значительно превышающих эффективность s.i. двигатели.

На самом деле, эти цели еще не достигнуты отчасти потому, что компоненты газовой турбины становятся менее аэродинамически эффективными при небольших размерах двигателей, подходящих для использования в легковых автомобилях.Эффективность при частичной нагрузке является серьезной проблемой для газовых турбин из-за нелинейных изменений КПД в зависимости от скорости воздушного потока в турбомашинном оборудовании. Кроме того, инерция газовой турбины делает ее плохо подходящей для транспортных средств, где колебания скорости и нагрузки являются резкими при движении по городу. В результате мало оптимизма в отношении того, что газотурбинный двигатель станет реальностью в обозримом будущем.

Двигатели Стирлинга вызвали особый интерес у исследователей, поскольку цикл очень близок к идеальному циклу Карно, который извлекает из источника тепла максимально возможный теоретически возможный объем работы.Этот двигатель также является двигателем непрерывного внутреннего сгорания, как и газотурбинный двигатель. В то время как в двигателе для преобразования тепловой энергии в работу используется поршень, рабочая жидкость закрыта, и тепло передается в рабочую жидкость и из нее через теплообменники. Чтобы максимизировать эффективность, рабочая жидкость представляет собой газ с низкой молекулярной массой, например водород или гелий. Конструкции прототипов двигателя Стирлинга еще не достигли целей эффективности и имели другие проблемы, такие как удержание рабочей жидкости.Двигатель Стирлинга, как и газовая турбина, не очень хорошо подходит для приложений, где нагрузка и скорость меняются быстро, и интерес к этому двигателю по большей части угас.

Анимация и схемы двухтактного двигателя

Диаграммы и анимация двухтактного двигателя

Анимация двухтактного двигателя

Эта статья и изображения любезно предоставлены www.southernskies.net

Как показано на анимации 2-тактного двигателя ниже, двухтактный двигатель в чистом виде чрезвычайно прост в конструкции и эксплуатации. поскольку он имеет только три основных движущихся части (поршень, шатун и коленчатый вал).Однако для некоторых может быть сложно сначала представить себе двухтактный цикл. потому что определенные фазы цикла происходят одновременно, что затрудняет его чтобы сказать, когда заканчивается одна часть цикла и начинается другая.

Было изготовлено несколько различных разновидностей двухтактных двигателей. разрабатывались годами, и каждый вид имеет свой набор преимуществ и недостатки. Тема анимации двухтактного двигателя (и этой диссертации) известна как кожух-язычковый тип, потому что индукция регулируется пластинчатым клапаном установлен в боковой части картера.

Самый простой способ визуализировать двухтактный режим — это следите за потоком газов через двигатель, начиная с воздухозаборника. Как и в анимации и диаграмме для двухтактного двигателя , в этом В этом случае цикл начнется примерно в середине хода, когда поршень поднялся, и закрыл проемы передаточного порта:

По мере того, как поршень движется вверх, под поршень в закрытом объеме картера. Воздух проходит через язычковый клапан и карбюратор для заполнения вакуума, создаваемого в картере.Для целей обсуждение, фаза всасывания завершается, когда поршень достигает верхней части ход (в действительности, как показано на анимации двухтактного двигателя, смесь продолжает поступать в картер, даже когда поршень возвращается вниз из-за инерции топливной смеси, особенно на высоких оборотах):

Во время хода вниз опускающийся поршень создает положительное давление в картере, которое вызывает закрытие пластинчатого клапана. В смесь в картере сжимается до тех пор, пока поршень не откроет передачу отверстия портов, через которые смесь перетекает в цилиндр. Двигатель изображенный в анимации и диаграммах двухтактного двигателя, известен как двухтактный двигатель с циклической очисткой, потому что входящий смесь описывает круговой путь, как показано на рисунке ниже. Что не является на картинке хорошо видно, что основная часть смеси направлен к стенке цилиндра напротив выпускного отверстия (это уменьшает количество смеси, которая выходит из открытого выхлопного отверстия, также известное как короткое замыкание):

Перекачка смеси продолжается, пока поршень снова не поднимется достаточно высокий, чтобы отключить порты передачи (именно с этого мы начали обсуждение).Давайте перемотаем вперед примерно на 25 градусов поворота кривошипа к точке где выхлопное отверстие закрыто поршнем. Захваченная смесь теперь сжатый движущимся вверх поршнем (в то же время, когда новый заряд втягивается в картер внизу), как показано на анимации двухтактного двигателя и на схеме здесь:

Незадолго до того, как поршень достигнет верхней точки хода (примерно на 30 градусов вращения кривошипа до верхней мертвой точки), свеча зажигания воспламеняет смесь. Если вы посмотрите анимацию двухтактного двигателя, вы увидите, что это событие рассчитано так, что горящая смесь достигает пикового давления немного после верхней мертвой точки . Расширяющийся смесь опускает поршень вниз, пока он не начнет открывать выпускное отверстие. Большая часть давления в цилиндре сбрасывается в пределах нескольких градусов от вращение кривошипа после начала открытия порта:

Остаточные выхлопные газы выталкиваются через выхлопное отверстие новая смесь, поступающая в цилиндр из передаточных отверстий.В анимации двухтактного двигателя вы можете увидеть, как газы выходят из выхлопной трубы, в то время как новая смесь поступает в цилиндр.

Это завершает цепочку событий для базового двухтактного двигателя. цикл. Обсуждение не завершено. Демонстрация анимации двухтактного двигателя имеет дополнительное устройство, обычно известная как расширительная камера, прикрепленная к выпускному отверстию. Расширение камера (неправильно названное устройство) использует звуковую энергию, содержащуюся в начальный резкий импульс выхлопных газов, выходящих из цилиндра, чтобы нагнетать баллон со свежей смесью. Это устройство также известно как настроенный выхлоп.

Начало обсуждения в точке, показанной выхлопом на изображении продувки выше, импульс выхлопных газов с чрезвычайно высокой энергией входит в коллектор, когда поршень начинает открывать выпускной канал, вы можете увидеть эти импульсы на анимации двухтактного двигателя:

Звуковая волна сжатия в результате этого резкого сброс давления в цилиндре проходит по выхлопной трубе, пока не достигнет начало расходящегося конуса или диффузора расширительной камеры.От перспективы звуковых волн, достигающих этого соединения, появляется диффузор почти как трубка с открытым концом в том, что часть энергии импульса отражается обратно в трубу, за исключением перевернутого знака; (разрежение или импульс вакуума возвращается). Внимательно посмотрите анимацию двухтактного двигателя, чтобы увидеть волны, отражающиеся от трубы. Угол наклона стенок конуса определяет величину возвращаемого отрицательного давления, а длина конуса определяет длительность возвращающихся волн:

Отрицательное давление способствует прохождению смеси через порты передачи, и фактически втягивает часть смеси в выхлоп заголовок. Между тем, исходный импульс давления все еще движется вниз. камеры расширения, хотя значительная часть ее энергии была отдана в создание волн отрицательного давления. Сходящаяся часть камеры выглядит как трубка с закрытым концом для импульса давления и, как таковая, вызывает другой серии волн, которые должны быть отражены вверх по трубе, за исключением того, что эти волны являются тот же знак, что и оригинал (возвращается волна сжатия или давления). Уведомление что этот конус имеет более острый угол, чем диффузор, так что больший часть энергии извлекается из и без того слабого импульса давления.Посмотрите, как свежая зеленая смесь в анимации двухтактного двигателя втягивается в расширительную камеру, прежде чем возвращающиеся волны «втиснут» ее обратно в камеру сгорания:

Этот импульс рассчитан на достижение выпускного отверстия после Передаточные отверстия закрываются, но до закрытия выпускного отверстия. Возвращение волна сжатия толкает смесь, втянутую в коллектор отрицательным волна давления обратно в цилиндр, таким образом нагнетая (больший заряд чем в норме) двигатель. Прямой участок трубы между двумя конусами существует, чтобы гарантировать, что положительные волны достигают выпускного отверстия в правильном время. Как показано на анимации двухтактного двигателя, для двухтактного двигателя чрезвычайно важны характеристики конструкции труб:

Так как это устройство использует звуковую энергию для достижения наддува, оно регулируется по скорости звука в горячих выхлопных газах размеры различных секции выхлопной системы, и продолжительность порта двигателя.Потому что из этого он эффективен только для очень узкого диапазона оборотов. Это объясняет, почему двухтактные мотоциклы, оснащенные расширительными камерами, имеют такие порочные диапазоны мощности (особенно в былые времена, когда еще не существовало регулируемого времени выпускного отверстия). С проиллюстрированный здесь дизайн (т.е. одна дивергентная ступень и одна сходящаяся стадия), диапазон мощности двигателя будет похож на «выключатель света» — один раз камера расширения переходит в резонанс, будет ОГРОМНЫЙ, почти мгновенный увеличение мощности. Как показывает анимация двухтактного двигателя, синхронизация волн давления идеальна при определенных оборотах, что приводит к тому, что двухтактный двигатель «выходит из строя». Диапазон мощности можно несколько смягчить, уменьшив углы на шишках, но это просто из-за меньшей степени наддува. В чтобы получить лучшее из обоих миров (большое увеличение мощности и широкий диапазон мощности), конусы должны состоять из нескольких секций, с разным углом для каждой раздел. Правильный дизайн даже простой расширительной камеры несколько черный искусства, даже несмотря на то, что существуют формулы, которые приведут вас в примерную (есть это немного больше, чем просто выбор подходящих углов и длины на основе скорости звука — в игру вступает все, что касается трубы, включая диаметр и длина головной трубы, а также диаметр выхлопной трубы («стингера») и длина).Создание многоступенчатой ​​расширительной камеры становится невероятно сложным — в конечном итоге все сводится к старому подходу «попробуй и попробуй». Этот конечно, даже не учитывая, действительно ли выпускной и передаточный порт тайминги и зоны выпуска оптимизированы для использования расширительной камеры.

Анимация двухтактного двигателя — это инструмент, который поможет вам понять важность синхронизации портов и волн выхлопа в двухтактном двигателе.

Оптимизация двухтактного термодинамического цикла одноцилиндрового генератора с свободнопоршневым двигателем

Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) — это новый тип преобразователя энергии, в котором не используются коленчатый вал и шатунный механизм.Для достижения эффективного преобразования энергии в данной статье исследуется оптимизация термодинамических характеристик двухтактного генератора с одноцилиндровым двигателем со свободным поршнем. Во-первых, подробно представлены компоненты, четырехтактный термодинамический цикл, двухтактный термодинамический цикл и прототип системы FPEG. Имитационная модель одномерного потока FPEG создается на основе уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи, а затем модель подтверждается данными, протестированными с помощью прототипа системы. Согласно результатам экспериментов с четырехтактным двигателем FPEG, эффективная мощность 4,75 кВт и пиковое давление 21,02 бар. Затем двухтактный термодинамический цикл моделируется и сравнивается при различных управляющих параметрах давления всасываемого воздуха, времени впрыска, момента зажигания и времени клапана с помощью имитационной модели. Оптимизированные результаты показывают, что указанный тепловой КПД 27,6%, указанная мощность 6,7 кВт и максимальная рабочая частота 25 Гц могут быть достигнуты с помощью системы-прототипа при использовании двухтактного термодинамического цикла.

1. Введение

Забота об энергосбережении и сокращении выбросов привела к изменениям в конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС), одним из способов решения этой проблемы является использование двигателя со свободным поршнем [1–3]. Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) — это силовая установка нового типа, которая привлекла исследовательский интерес ученых всего мира благодаря своим особым преимуществам с точки зрения высокой эффективности и низкого уровня выбросов.

По сравнению с традиционной системой генератора это новое устройство преобразования энергии демонстрирует такие преимущества, как простота конструкции, низкая стоимость производства и высокая мощность.Самым большим различием в конструкции является отсутствие коленчатого вала и маховика двигателя, при этом поршень и движитель линейного генератора соединены напрямую. Таким образом, свободный поршень может колебаться между двумя своими конечными точками и подвергаться влиянию всех сил, действующих на него. Без ограничения механизма шатуна трение движения поршня значительно снизилось, и конструкция FPEG стала более компактной [4, 5]. Генератор со свободнопоршневым двигателем может работать с несколькими видами топлива за счет легкого регулирования степени сжатия, а указанная мощность и эффективность системы могут быть улучшены за счет оптимизации термодинамического цикла.

Исследования показали, что большинство двухтактных свободнопоршневых двигателей имеют аналогичный принцип работы. На основании теоретического анализа двухтактный двигатель достиг высокой удельной мощности и теплового КПД. В последние десятилетия Кларк и другие исследователи из Университета Западной Вирджинии провели большую исследовательскую работу по созданию генератора с двигателем со свободным поршнем. Они разработали первый прототип системы генератора со свободнопоршневым двигателем в 1998 году, который представляет собой двухпоршневую конструкцию с искровым зажиганием и диаметром цилиндра 36.5 мм и максимальный ход поршня 50 мм [6, 7]. Сообщается, что прототип работал на частоте 23,1 Гц, максимальная выходная электрическая мощность составляет 316 Вт, а эффективность преобразования энергии составляет 11%. Однако выходная мощность и эффективность преобразования энергии значительно ниже, чем результаты моделирования 50%.

Суат Саридемир и Фуат Кара из Университета Дюздже разработали модель искусственной нейронной сети (ИНС) для прогнозирования крутящего момента и мощности бета-версии. типа двигатель Стирлинга. После сравнения предсказанных клапанов модели с экспериментальными результатами, валидность созданной модели ИНС проверяется. Они также использовали метод множественной регрессии для оценки предсказательной способности модели, и результаты показали, что ИНС является надежной моделью для предсказания крутящего момента и мощности двигателя Стирлинга бета-типа [8, 9].

Исследователи из Toyota Central R&D Labs Inc также разработали линейный генератор с однопоршневым двигателем со свободным поршнем (FPEG), который состоял из интегрированной камеры сгорания, камеры с газовой пружиной и линейного генератора.FPEG принял двухтактный рабочий режим, и он мог работать непрерывно в течение многих часов. После проведения эксперимента по выработке электроэнергии на прототипе системы FPEG результаты показали, что она может обеспечивать надежную и стабильную работу во всех режимах пуска, движения и зажигания [10].

В [11, 12], Xu et al. в Нанкинском университете науки и технологий в 2010 году разработали новый одноцилиндровый четырехтактный прототип FPEG. В качестве линейного генератора внутреннего сгорания прототип системы обеспечивает непрерывную и стабильную работу четырехтактного рабочего цикла.Он оснащен электромагнитным клапаном для завершения процесса продувки. Кроме того, был получен максимальный крутящий момент 58 Нм при максимальной выходной мощности 10 кВт. На этом основании Сюй предложил улучшенный метод, который оптимизировал двухтактный термодинамический цикл FPEG для достижения термодинамических характеристик высокой эффективности и экономии энергии.

В этой статье для достижения характеристики более высокой мощности и оптимизации термодинамических характеристик двухтактного двигателя создана экспериментальная система FPEG и внесены соответствующие изменения.В следующих разделах представлены компоненты и принцип работы FPEG с возвратной средней пружиной. В разделе 3 построена одномерная модель потока FPEG, которая проверена с помощью четырехтактного эксперимента. Затем моделируется двухтактный термодинамический цикл FPEG при различных влияющих факторах, а результаты моделирования сравниваются и подробно анализируются. Оптимизированные результаты помогут нам понять, как двухтактный термодинамический цикл FPEG влияет на указанную мощность и эффективность системы.

2. Структура и принцип работы FPEG

2.1. Базовая структура FPEG

Элементарная структура генератора со свободнопоршневым двигателем показана на рисунке 1. Основными частями FPEG являются бензиновый двигатель, обратная пружина и линейный электрический генератор. Система имеет только одну камеру сгорания, отбойное устройство и возвратно-поступательный движущийся компонент. Камера сгорания представляет собой одноцилиндровый свободнопоршневой двигатель, оборудованный электромагнитными клапанами, инжектором и свечой зажигания.Между камерой сгорания и линейным электрогенератором установлена ​​обратная пружина. Одиночный поршень и подвижная катушка линейного генератора соединены в один компактный компонент, как единый движитель FPEG. Свободный поршень будет свободно перемещаться между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), а его возвратно-поступательное движение определяется дисбалансом всех сил, действующих на движитель [11, 13].

Двигатель со свободным поршнем будет работать с захваченной топливной смесью и зажиганием свечи зажигания.Поскольку эффективность генерации линейного электрического генератора значительно снижается в условиях низкой скорости, задняя пружина толкает поршень вверх для обеспечения непрерывной работы. Суперконденсатор используется для выработки электроэнергии, производимой генератором. Преобразователь мощности используется для согласования линейного генератора и накопления электроэнергии [14, 15]. Электронный блок управления (ЭБУ) может управлять системой для регулировки характеристик двигателя после получения сигналов давления в цилиндре, смещения поршня, тока якоря и других.Кроме того, продувка осуществляется электромагнитными клапанами, которые закреплены на головке блока цилиндров. В полном рабочем цикле линейный генератор работает в моторном режиме только на такте впуска, тогда как остальные такты работают в генераторном режиме.

В системе FPEG существует большая свобода в определении движения поршня. Рабочий цикл FPEG можно переключать, изменяя закон движения поршня. Таким образом, четырехтактный термодинамический цикл и двухтактный термодинамический цикл можно использовать для разных рабочих циклов ГПЭГ.

2.2. Термодинамический цикл FPEG

Четырехтактные двигатели со свободным поршнем имеют относительно большую экономию энергии и более высокий КПД, чем двухтактные двигатели со свободным поршнем, но двухтактные имеют преимущества в удельной мощности. При той же рабочей частоте число двухтактных рабочих циклов в два раза больше, чем у четырехтактных, а время газообмена короче, чем у четырехтактных [16]. Четырехтактные и двухтактные термодинамические циклы FPEG представлены для оптимизации термодинамических характеристик.

Как видно из рисунка 2, замечательными характеристиками четырехтактного термодинамического цикла являются короткие такты впуска и сжатия, которые дополняются сжатым всасываемым воздухом [17]. Во время такта впуска линейный генератор работает как электрическая машина, заставляя поршневой узел двигаться вниз от точки к точке для поглощения топливной смеси. Он может регулировать давление на входе или температуру воздуха, чтобы увеличить поток смеси и улучшить процесс сгорания.Когда поршень движется в ВМТ и приближается к этой точке, топливная смесь сжимается в такте сжатия. Во время такта расширения зажигание свечи зажигания является начальной точкой процесса сгорания и в этой точке заканчивается. После этого поршень движется снизу вверх и достигает точки, в которой вытесняется сгоревший газ. Таким образом, такты расширения и выпуска длиннее, чем такты впуска и сжатия, и можно достичь полного сгорания для увеличения удельной мощности.

Как показано на рисунке 3, двухтактный термодинамический цикл характеризуется коротким ходом сжатия и расширения, который дополняется регулировкой угла опережения искры для достижения более полного сгорания. Более длинное перекрытие клапанов может увеличить продолжительность открытия клапана на тактах впуска и выпуска. Прежде чем поршень достигнет точки, свеча зажигания воспламеняет топливную смесь, и поршень движется вверх, чтобы совершить такт сжатия. Во время такта выпуска поршень перемещается от точки к точке.Затем поршень перемещается от точки к точке на такте впуска. Когда поршень перемещается от точки к точке, перекрытие клапанов обеспечивает одновременное открытие впускного и выпускного клапанов для поглощения топливной смеси и удаления остаточного газа. Это может увеличить объемный КПД и улучшить процесс газообмена. Кроме того, опережающее зажигание может обеспечить достаточное сгорание для высвобождения большего количества энергии.

2.3. Система прототипа и эксперимента

Структура прототипа FPEG описана на рисунке 4.Прототип представляет собой однопоршневой четырехтактный бензиновый двигатель, оборудованный четырьмя электромагнитными клапанами. Он использует метод охлаждения с водяным охлаждением, управление впрыском топлива с обратной связью и систему искрового зажигания с электронным управлением. По сравнению с требованиями к конструкции FPEG, характеристики прототипа очень согласованы и облегчают переоборудование. В таблице 1 перечислены основные параметры конструкции прототипа.

электромагнитная структура клапана в целом показано на рисунке 4. Трубчатая конструкция состоит из железного сердечника, каркаса катушки, катушки, слоя постоянного магнита и внешней стенки привода. В системе электромагнитных клапанов катушка и клапан жестко соединены, а задняя пружина собрана между каркасом катушки и головкой блока цилиндров.Электромагнитный клапан используется для подачи продувочного воздуха и обеспечения эффективного управления процессом газообмена. Под управлением электронного блока управления (ЭБУ) он может изменять высоту подъема клапана, время открытия клапана и продолжительность открытия клапана, чтобы обеспечить гибкое управление механизмом клапана.

На рис. 5 показаны трехмерные структуры линейного генератора с трубчатой ​​подвижной катушкой (MCLG). MCLG — это однофазный генератор постоянного магнита с подвижной катушкой, также называемый двигателем звуковой катушки (VCM).Линейный генератор состоит из постоянного магнита (ПМ), сердечника, подвижной катушки и торцевой крышки. Воздушный зазор между внешним и внутренним сердечниками. Для получения высокой плотности потока в воздушном зазоре PM принимает радиальное намагничивание, а направление намагничивания PM-A и PM-B противоположно. Каркас немагнитной катушки намотан двумя катушками, что и составляет весь двигатель MCLG. Кроме того, ток катушки — это не коммутируемый ток, который может повысить эффективность системы MCLG. Конструкция имеет преимущества меньшей подвижной массы, быстрого отклика и низкой индуктивности катушки [18, 19].

На основе компонентов прототипа, электромагнитного клапана, линейного генератора с подвижной катушкой и датчиков, создана экспериментальная система FPEG. Как показано на рисунке 6, экспериментальная система используется для тестирования и подтверждения термодинамических характеристик FPEG. Система также включает в себя контроллер двигателя и преобразователь мощности, который оборудован датчиком давления в цилиндре, датчиком перемещения и датчиком тока. Датчики могут собирать информацию о системе в рабочем состоянии и передавать информацию контроллеру, который рассчитывает результаты тестирования.

3. Моделирование FPEG

Термодинамический цикл FPEG зависит от различных факторов, таких как газовая динамика, процесс тепловыделения и потери тепла. В этом разделе имитационная модель FPEG создается на основе одномерного уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи.

3.1. Одномерная газовая динамика

Для описания одномерной газовой динамики в трубе свободнопоршневого двигателя принимаются следующие положения: (1) состояние рабочего тела в камере сгорания — идеальный однородный газ.(2) Температура, давление и объем соответствуют уравнению состояния идеального газа. (3) Масса газа в баллоне постоянна, и утечка потока в процессе газообмена не учитывается. Таким образом, одномерная модель динамики в трубе описывается тремя уравнениями.

Уравнение энергии:

Уравнение сохранения количества движения:

Уравнение неразрывности рабочего тела: где представляет собой содержание энергии идеального газа, представляет скорость потока, представляет статическое давление, представляет собой крест площадь сечения трубы, представляет тепловой поток стенки, представляет единицу объема, представляет плотность рабочей среды, представляет удельную теплоемкость в объеме содержимого и представляет силу трения между жидкостью и стенкой трубы.

3.2. Давление газа в цилиндре

В соответствии с вышеизложенными предположениями мы также предположили, что давление газа в цилиндре равно давлению на впуске, а также такту выпуска. Когда объем камеры сгорания равен нулю, положение поршня устанавливается как начало смещения. Используя первый закон термодинамики и уравнение состояния идеального газа, давление газа в цилиндре можно записать в виде следующего уравнения: где представляет давление газа в цилиндре, представляет объем цилиндра, представляет отношение удельной теплоемкости рабочее тело, и представляет собой скорость тепловыделения топлива.

3.3. Горение в цилиндре

Экзотермическая характеристика свободнопоршневого двигателя определяется скоростью распространения пламени и формой камеры сгорания. В этой статье имитационная модель использует модель сгорания в одной зоне с нулевой размерностью, которая определяет всю камеру сгорания как замкнутое пространство и игнорирует утечку потока. Функцию Вебера можно использовать для представления фактического процесса горения и выражения тепловыделения. Тепло, выделяемое в процессе сгорания, выглядит следующим образом: где Q представляет скорость тепловыделения топлива, представляет более низкую теплотворную способность топлива, представляет массу впрыснутого топлива за цикл, представляет эффективность сгорания, представляет качество сгорания. index, представляет продолжительность горения и представляет переменную времени, представляет время начала горения.

3.4. Передача тепла от цилиндра

При расчете потерь тепла необратимость теплопередачи при возвратно-поступательном тепловом цикле не пренебрежимо мала. Предполагается, что потери произошли только в тактах сгорания и расширения, а передача тепла из камеры сгорания наружу незначительна. От газов в цилиндре до стенок цилиндра расчетное уравнение теплопередачи: где представляет скорость тепловыделения топлива, представляет коэффициент теплопередачи, представляет диаметр цилиндра, представляет положение поршня, представляет температуру стенок цилиндра, и представляет собой температуру газа в цилиндрах.

В данном случае расчетное уравнение принимает функцию теплопередачи Woschni 1978. Функция подходит для цикла высокого давления, а коэффициент теплопередачи — это где — диаметр цилиндра, давление газа в цилиндре, давление на входе. температура газа в цилиндре, представляет собой круговую скорость и представляет собой среднюю скорость поршня.

3.5. Имитационная модель

В процессе создания модели FPEG одномерная имитационная модель в основном делится на две части.В первую часть входили размерные параметры двигателя, такие как диаметр цилиндра, длина впускного и выпускного патрубков. Другая часть содержала термодинамическую модель, модель горения и модель теплопередачи.

Шаги моделирования FPEG следующие области [20]: (1) изучение основных параметров измерения двигателя и сбор данных и информации о конструкции. (2) Разделить фактический двигатель со свободным поршнем на несколько простых в эксплуатации подсистем и использовать субмодули AVL BOOST для создания соответствующих физических субмоделей. (3) В соответствии с теоретическими знаниями динамики, теплопередачи, термодинамики, горения была построена простая физическая модель, которая содержит собранные данные и входную информацию для субмодуля двигателя. (4) Используйте установленную модель, чтобы выполнить простейшее моделирование и найти физические параметры имитационной модели, чтобы изменить ошибку.

На основе теоретического анализа и математической модели, приведенной выше, в программном обеспечении AVL BOOST создается одномерная имитационная модель FPEG для моделирования четырехтактного термодинамического цикла и двухтактного термодинамического цикла.Как мы все знаем, полная имитационная модель системы FPEG должна включать систему впуска, систему сгорания и систему выпуска. В соответствии с параметрами конструкции, указанными выше, и системой экспериментов в предыдущем разделе, имитационная модель одномерного потока создается, как показано на рисунке 7.

3.6. Параметры моделирования

Перед запуском модели моделирования ключевым шагом является выбор параметров управления. Начальное значение граничных условий включает давление, температуру и соотношение воздух-топливо.При этом параметры цилиндра содержат диаметр цилиндра, ход поршня, длину шатуна и степень сжатия. Также необходимо определить параметры управления теплопередачей и спецификацию клапана. В таблице 2 перечислены конкретные параметры каждого компонента.

Параметры Ед. Объем см³ 695 Диаметр седла клапана мм 36 Минимальная верхняя мертвая точка мм 18 мм максимальная мм Максимальный рабочий объем двигателя куб.см / об 182 Степень сжатия — 9.3 КПД генерации MCLG % 95,2 Максимальная сила тяги генератора N 3200

Компоненты Параметры Значение Воздухоочиститель Общий объем 3.1 л Дроссельная заслонка Угол дроссельной заслонки 18,5 ° Цилиндр Диаметр цилиндра 102 мм Ход поршня 126 мм Степень сжатия 9,3 Впускной клапан Открытие клапана 48,5 мс Закрытие клапана 50,2 мс Выпускной клапан Открытие клапана. 1 мс Клапан закрыт 23,4 мс Катализатор Объем монолита 0,3 л Граница системы 1 Давление 1,1 бар 9027 ° C Температура газа Граница системы 2 Давление 1,0 бар Температура газа 126,85 ° C

4.Проверка модели

Моделируется траектория свободного поршня FPEG во время четырехтактного рабочего цикла. Как показано на рисунке 8, рабочий период четырехтактного двигателя со свободным поршнем составляет около 100 мс. Понятно, что смещение поршня асимметрично, такты впуска и сжатия короче тактов расширения и выпуска. Степень расширения больше, чем степень сжатия, и более длительное расширение и выхлоп полезны для достижения полного расширения и уменьшения остаточного газа.Следовательно, характеристики FPEG отличаются от характеристик обычного двигателя, и он имеет большое преимущество с точки зрения топливной экономичности и образования выбросов.

В системе FPEG завершен четырехтактный эксперимент для проверки имитационной модели. Как видно из рисунка 9, он сравнивает давление в цилиндре по данным испытаний с результатами моделирования во время четырехтактного рабочего цикла, которые получают датчиком давления в цилиндре. По сравнению с экспериментальными результатами, кривые давления в цилиндре испытания и моделирования совпадают; максимальное отклонение изменения давления в цилиндре — 5.2%, а среднее отклонение — 1,5%. В таблице 3 приведены результаты сравнения производительности FPEG. Таким образом, результаты моделирования соответствуют требованиям к точности, и мы считаем, что имитационная модель является точной моделью FPEG. Более того, в системе FPEG время начала сгорания составляет -3,1 мс, а продолжительность сгорания составляет 6,4 мс, что определяется результатами экспериментов с четырехтактным двигателем.

9027 9027 Имя Агрегат Тест Моделирование кВт. 75 4,82 Пиковое давление бар 21,02 21,40 Содержание остаточного газа — 0,0809 0,0769 −3,1 Продолжительность горения мс 6,4 6,4

5.Оптимизация двухтактного термодинамического цикла

Смоделированная кривая движения свободного поршня во время двухтактного рабочего цикла показана на рисунке 10. Как видно, рабочий период двухтактного двигателя со свободным поршнем составляет около 43 мс. . На основе перекрытия клапанов и опережающего зажигания получается длинный такт впуска и выпуска при коротком такте сжатия и расширения. Эта характеристика показывает, что двухтактный термодинамический цикл ГПЭГ можно оптимизировать, изменяя параметры управления газообменом и горением.

В этом разделе проверенный режим используется для моделирования двухтактного термодинамического цикла FPEG. При неизменных других параметрах управления модель моделируется при различном давлении всасываемого воздуха, времени впрыска, времени зажигания, времени впускного клапана и времени выпускного клапана. Затем анализируется влияние термодинамического цикла, и термодинамические характеристики FPEG оптимизируются.

5.1. Влияние повышения давления на впуске

Исследования показывают, что улучшение давления всасываемого воздуха может обеспечить хорошее состояние сгорания.Модель FPEG моделируется при различном давлении всасываемого воздуха, а кривые изменения выглядят следующим образом. Указанная мощность, коэффициент остаточного газа, указанный удельный расход топлива (ISFC) и расход на всасывании являются основными оценочными показателями, и их можно найти в результатах моделирования. В соответствии с диапазоном давления фактического турбонагнетателя диапазон давления на впуске составляет от 1,0 до 1,4 бара.

На рис. 11 показано, что указанная мощность и расход на всасывании постепенно увеличиваются, коэффициент остаточного газа постепенно снижается в диапазоне давления на впуске, а четыре оценочных индекса изменяются более явно в диапазоне 1. 0 бар ~ 1,1 бар. Результаты показывают, что двухтактный двигатель со свободным поршнем не может обеспечить достаточный поток всасываемого воздуха для завершения рабочего цикла при нормальном давлении всасываемого воздуха. Это связано с тем, что при повышении давления всасываемого воздуха в цилиндр может поступать больше топливной смеси. Кроме того, более высокое давление всасываемого воздуха обеспечивало большое давление сжатия. Следовательно, увеличение давления всасываемого воздуха приводит к улучшению указанной мощности и экономии топлива.

5.2. Влияние времени впрыска

В системе сгорания одномерной имитационной модели параметры времени впрыска могут быть изменены, чтобы имитировать его влияние на производительность FPEG.Как можно видеть, на рисунке 12 показано влияние разного времени впрыска. Среднее эффективное давление (MEP) — это эффективная мощность, создаваемая рабочим объемом на единицу цилиндра, и это важный показатель для оценки энергетических характеристик.

Диапазон времени впрыска разделен на три части: 0 мс ~ 7,2 мс, 7,2 мс ~ 14,4 мс и 14,4 ~ 21,6 мс. Во-первых, указанная мощность и MEP поддерживаются на низком уровне колебаний, а коэффициент остаточного газа остается неизменным на более высоком уровне.Поскольку процесс впрыска топлива завершился до открытия впускного клапана, большая часть топливной смеси не попала в камеру сгорания. Во-вторых, время впрыска и процесс всасывания согласованы, а термодинамические характеристики FPEG значительно улучшились, что позволило улучшить указанную мощность и эффективность вентиляции. Наконец, по сравнению с первой частью все значения производительности аналогичны в диапазоне от 14,4 мс до 21,6 мс. Это связано с тем, что время впрыска опережает процесс впуска, и часть топливной смеси не может использоваться в процессе сгорания.Как видно, оптимальные характеристики двигателя достигаются в момент 14,4 мс.

5.3. Влияние момента зажигания

Эффект опережающего зажигания заключается в том, чтобы начать горение перед тем, как поршень переместится в ВМТ. Когда поршень движется в ВМТ и входит в такт расширения, смесь рабочего тела полностью сгорает и выделяет больше энергии. Следовательно, диапазон времени зажигания составляет от -5,4 мс до 0 мс, а результаты моделирования показаны на рисунке 13.

В диапазоне от -3 мс до -5.4 мс, указанная мощность и MEP постепенно уменьшаются, а ISCF постепенно увеличивается. Это происходит из-за преждевременного воспламенения смеси и расширения горящего газа. Часть энергии мешает поршню двигаться вверх до ВМТ. Затем указанная мощность и MEP постепенно уменьшались с разным временем зажигания, а ISFC постепенно увеличивалась в диапазоне от -3 мс до 0 мс. Из-за задержки времени воспламенения поршень движется вниз до того, как смесь начнет гореть. Это приводит к увеличению объема цилиндра и снижению давления сгорания, а термодинамические характеристики FPEG находятся в состоянии высокого расхода топлива и низкой выходной мощности.Кроме того, оптимальные характеристики двигателя были достигнуты при −3 мс.

5.4. Влияние времени впускного клапана

При условии сохранения неизменными подъема клапана и продолжительности открытия клапана, модель FPEG моделируется при разном времени открытия впускного клапана. Как показано на рисунке 14, при времени открытия впуска от 4,8 мс до 16,8 мс указанная мощность и расход на всасывании показывают общую тенденцию сначала к увеличению, затем к падению и получают максимальное значение на уровне 10,8 мс. Между тем характеристики коэффициента остаточного газа и ISFC противоречат закону изменения всасываемого потока.

Когда время открытия впуска находится в диапазоне от 4,8 до 10,8 мс, впускной и выпускной клапаны открываются одновременно. Он создает продувочный поток в цилиндре, что делает процесс газообмена более полным и снижает количество остаточного газа. После этого время открытия впускного клапана опаздывает, и часть топливной смеси не попадает в цилиндр, поэтому процесс сгорания оказывается недостаточным и термодинамические характеристики значительно ухудшаются. Из-за фиксированного времени работы клапана оптимальный период открытия впускного клапана от 10.От 8 мс до 24,5 мс.

5.5. Влияние времени работы выпускного клапана

Как показано на Рисунке 15, при изменении времени открытия выпускного клапана с 1,2 мс до 10,8 мс, указанная мощность и расход выхлопных газов показывают общую тенденцию сначала к увеличению, а затем к снижению. Поток выхлопных газов увеличивался в диапазоне от 1,2 мс до 3,6 мс, а затем постепенно уменьшался, достигая максимального значения на 3,6 мс. Указанная мощность, коэффициент остаточного газа и ISCF улучшились с увеличением потока выхлопных газов.

Результаты показывают, что преждевременное открытие выпускного клапана приводит к недостаточному процессу сгорания и снижению мощности и экономии топлива FPEG.При задержке открытия выпускного клапана остаточный газ в цилиндре не может быть удален полностью, и это повлияет на следующий цикл сгорания. Следовательно, правильное время открытия выпускного клапана значительно улучшает рабочие характеристики FPEG, а оптимальный период открытия выпускного клапана составляет от 3,6 мс до 23,1 мс.

5.6. Оптимизированная производительность FPEG

В соответствии с приведенными выше результатами моделирования мы внесли корректировки в управляющие параметры модели FPEG.Настраиваемые параметры включают время зажигания, время впрыска и время открытия клапана. Уточненная модель моделировалась на рабочей частоте 25 Гц, а именно, 25 возвратно-поступательных циклов в секунду. Оптимизированные результаты показывают, что указанный тепловой КПД составляет около 27,6%, указанная мощность составляет 6,7 кВт, а ISFC составляет 481,6 г / кВтч. Конкретные результаты термодинамических характеристик FPEG для двухтактного термодинамического цикла показаны в Таблице 4.

Элементы Единица Значение Указанная мощность кВт 6.7 Расчетный тепловой КПД % 27,6 Указанный удельный расход топлива (ISCF) г / кВтч 481,6 Остаточное содержание газа Среднее эффективное давление бар 2,6 Масса на всасывании за цикл г 0,671

6.

Выводы

В работе представлена ​​оптимизация термодинамических характеристик двухтактного одноцилиндрового FPEG. Создана комплексная одномерная модель потока для FPEG, и точность модели подтверждена экспериментальными результатами, протестированными на прототипе FPEG. Результаты экспериментов с четырехтактным двигателем показали эффективную мощность 4,75 кВт и максимальное давление 21,02 бар. На этой основе был смоделирован и оптимизирован двухтактный термодинамический цикл.Результаты моделирования показывают, что указанный тепловой КПД ППЭГ составляет около 27,6%, а указанная мощность 6,7 кВт может быть достигнута на рабочей частоте 25 Гц. Из этих результатов мы заключаем, что термодинамические характеристики высокой эффективности и энергосбережения для системы FPEG могут быть значительно улучшены за счет оптимизации двухтактного термодинамического цикла.

В будущем будет проведено экспериментальное испытание для проверки результатов моделирования двухтактной термодинамической оптимизации цикла в этой статье. Кроме того, двухтактный генератор с свободнопоршневым двигателем будет исследован с помощью многоцелевой интеллектуальной оптимизации для получения более высокой выходной мощности и эффективного КПД.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Авторы выражают признательность Национальному фонду естественных наук Китая (грант №51875290).

Очистка в двухтактных двигателях

Очистка в двухтактных двигателях

Hannu Jääskeläinen, Magdi K. Khair

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Реферат : Процесс одновременной продувки выхлопных газов и заполнения цилиндра свежим зарядом для нового цикла называется продувкой. Основными методами очистки являются перекрестная очистка, очистка петлей и очистка непотоком. Процесс газообмена в двухтактных двигателях можно охарактеризовать с помощью ряда параметров, включая степень подачи, степень продувки, эффективность продувки, чистоту заряда и эффективность улавливания.

Методы очистки

Поскольку один цикл двигателя в двухтактном двигателе завершается за один оборот коленчатого вала, газообмен должен происходить, когда поршень находится около НМТ. Это имеет два важных последствия:

1. Поскольку газообмен начинается до и заканчивается после НМТ, часть такта расширения и сжатия непригодна.
2. Скорость поршня мала в течение всей фазы газообмена и не может оказать значительного перекачивающего воздействия на заряд цилиндра. Следовательно, газообмен может происходить только тогда, когда давление на впуске достаточно выше, чем давление на выпуске, чтобы позволить поступающей свежей зарядке вытеснить сгоревший газ за отведенное время. Этот процесс одновременной продувки выхлопных газов из предыдущего цикла и заполнения цилиндра свежим зарядом для нового цикла называется продувкой.Для обеспечения надлежащей продувки двухтактные двигатели должны быть оборудованы системой сжатия всасываемого воздуха, а впускные и выпускные отверстия и / или клапаны должны быть открыты одновременно в течение достаточного периода времени.

Оба клапана в головке блока цилиндров и отверстия в гильзе цилиндра используются как элементы управления газообменом. В случае портов поршень также выполняет функцию управляющего салазок.

В двухтактных двигателях продувка производится в основном одним из трех способов:

• Перекрестная продувка
• Удаление петель
• Непоточная продувка

Другие подходы, такие как продувка клапана с использованием компоновок впускных и выпускных клапанов, подобных тем, которые используются в 4-тактных двигателях, также были рассмотрены [3991] [3992] [3993] .

No related posts.