Pravilno zaporedje procesov cikla motorja z notranjim zgorevanjem. Cikli motorja z notranjim zgorevanjem. Izračun in konstrukcija zunanjih značilnosti motorja z notranjim zgorevanjem

V avtomobilih se uporabljajo motorji z notranjim zgorevanjem (ICE), imenovani tako, ker zgorevanje goriva poteka neposredno v cilindru. Glavni deli motorja z notranjim zgorevanjem so poleg cilindra bat, ojnica in ročična gred. Na ročici ročične gredi je gibljivo pritrjena ojnica. Na zgornjo glavo ojnice je s prstom vrtljivo pritrjen bat. Cilinder je od zgoraj zaprt s pokrovom, ki se imenuje glava valja. Glava ima vdolbino, imenovano zgorevalna komora. Glava ima tudi dovod in izstop, ki sta zaprta z ventili. Na ročično gred je pritrjen vztrajnik - masivni okrogel disk.

Če pa se energija, ustvarjena v turbini, pretvori v električno energijo in se uporabi za pogon električnega motorja, to vodi do praktične rešitve za hibridna vozila. Vmesna rešitev je Wankel rotacijski ekspander. Poskusili so pravilno posnemati delovanje Wankelovega motorja, vendar trenutna aplikacija uporablja paro kot delovno tekočino brez notranjega zgorevanja. Slika prikazuje teoretični Rankinov cikel in diagram volumetričnega tlaka Rankinovega cikla.

Senzorski vhodi se dovajajo v sistem preko večkanalne kartice za zajem podatkov. Slika prikazuje komponente sistema in kako so povezani. Preizkušanje majhnih motorjev ponuja prednosti prenosljivosti, manj instrumentov, nižjih stroškov prostora in prilagodljivosti. Vendar pa ni na voljo nobenih dinarjev za testiranje majhnih motorjev. Zato je bilo za namestitev majhnih motorjev za testiranje potrebno razviti majhno dinamometrsko enoto, prikazano na sliki.

Ko se ročična gred vrti, se bat premika znotraj cilindra. Najvišji položaj bata se imenuje zgornja mrtva točka (TDC), skrajni spodnji položaj pa se imenuje spodnja mrtva točka (B.D.C.). Razdalja, ki jo bat prepotuje med mrtvimi točkami, se imenuje hod bata. Prostor nad batom, ko je pri LMW, se imenuje delovna prostornina cilindra. Ko je bat v TDC, nad njim ostane prostor, ki se imenuje prostornina zgorevalne komore. Vsota delovne prostornine in prostornine zgorevalne komore se imenuje skupna prostornina cilindra. V tehničnih podatkih je prostornina navedena v litrih ali kubičnih centimetrih. Prostornina večvaljnega motorja je enaka vsoti skupnih prostornin vseh njegovih valjev. Razmerje med celotno prostornino cilindra in prostornino zgorevalne komore se imenuje kompresijsko razmerje motorja. Kaže, kolikokrat je delovna mešanica stisnjena v cilindru.

Dinamometer je bil pridobljen iz stružnice za modele, pogon pa je bil spremenjen tako, da absorbira moč in motor po potrebi. Izhodna gred motorja je sestavljena z gredjo stružnice. Namestitev pretvornika navora poveže izhodno gred motorja z gredjo stružnice. Konec pogonske gredi je nameščen na impulznem dajalniku, ki generira tri impulzne tokove, in sicer impulz na obrat, impulz na obrat -90° in impulz na kot ročične gredi.

Instrumentacija in meritve

Za uporabljene motorje so na voljo naslednji podatki. Za uporabo kot parni ekspanderji so morali dovode in izstope spremeniti za indukcijo in izpušno paro. Glave motorja so bile spremenjene za povezavo s paro. Motor se po potrebi dovaja z zrakom ali paro, pretok tekočine pa je elektronsko nadzorovan. Meritve so bile izvedene pri dveh vnaprej določenih tlakih 7 barov in 15 barov za zrak in paro. Vzorčenje je sprožil impulz na moč motorne gredi iz optičnega dajalnika.

En hod bata od ene mrtve točke do druge se imenuje hod. Hkrati ročična gred naredi pol obrata. Kako deluje motor z notranjim zgorevanjem? Med prvim taktom se mešanica goriva vbrizga v valj. Vhodni ventil je odprt, izstopni ventil je zaprt. Bat, ki se premika iz vmt v nmt, kot črpalka ustvarja podtlak v cilindru in gorivo, pomešano z zrakom, ga napolni.

Tlačne meritve so bile opravljene za vstop v motor, izstop motorja, v notranjost cilindra, dovod grelnika in izstop iz regeneratorja preko piezoelektričnih senzorjev tlaka. Temperature na vstopu v motor, izstopu iz motorja, v notranjosti motorja, vhodu za ogrevanje in izstopu grelnika so bile pridobljene s pomočjo tipa termoelementa.

Navor in hitrost se dosežeta z vgrajenim pretvornikom navora, iz katerega se določi moč odčitavanja. Kondenz iz motorja se zbira v posodi na elektronski tehtnici. Prirastna teža skozi čas daje masni pretok.

Med drugim taktom, ko se bat premakne iz n.m.t. na CMT se gorljiva zmes stisne. V tem primeru sta tako izstopni kot vstopni ventil zaprta. Posledično se tlak in temperatura v jeklenki povečata. Na koncu kompresijskega takta, ko se bat približa TDC, se gorljiva mešanica vžge s iskrom iz svečke (pri bencinskih motorjih z notranjim zgorevanjem) ali pa se spontano vžge s kompresijo (pri dizelskih motorjih z notranjim zgorevanjem).

Analiza kakovosti pare izrabljene pare je zahtevala namestitev nove naprave. Para, ki izstopa iz motorja, je mokra, zato le tlak in temperatura ne zagotavljata stanja pare. Odsek predgrelnika je nameščen na izpušnih ceveh, kar vodi do pregrevanja pare, pri kateri lahko le tlak in temperatura zagotovita stanje pare. Slika prikazuje merilno mesto temperature in tlaka, slika pa analizator kakovosti pare.

Odčitki se uporabljajo za pridobitev specifične entalpije pri premikanju iz seznanjenih tabel. Najpomembnejše sistemske meritve so vstopni, izstopni in notranji tlaki in temperature motorja. Te meritve se lahko uporabijo za določitev pogojev za vstop in izstop pare in s tem za ustvarjanje energetske bilance.

Med tretjim taktom pride do zgorevanja delovne mešanice. Ventili ostanejo zaprti. Vžgana delovna mešanica dramatično poveča temperaturo in tlak v cilindru, zaradi česar se bat z naporom premika navzdol. Bat prenaša silo na ročično gred skozi ojnico in ustvarja navor na njej. Tako se energija zgorevanja goriva pretvori v mehansko energijo, ki poganja avtomobil. Zato se ta cikel imenuje delovni udar. Vztrajnik, pritrjen na ročično gred, hrani energijo tako, da omogoča vrtenje ročične gredi z uporabo vztrajnih sil med pripravljalnimi gibi.

Učinkovitost motorja se lahko izračuna z uporabo vhodnih vrednosti toplote in moči, ki jih razvije motor. Tudi krivulja navora pogonskega sklopa je precej impresivna in ima pričakovano obliko, z izjemo odčitka pri 400 vrt/min. Vendar pa je splošno vedenje pričakovano.

Tabela prikazuje rezultate, pridobljene za preskuse na zraku in pari. Tokokrogi za testiranje zraka tukaj niso prikazani, saj so bili izvedeni samo za namene preverjanja. Prikazani so diagrami ekspanzije zraka in pare pri rotacijskih in enorednih batnih motorjih. Pritisk na diagramu kota ročične gredi Wankel motorja kaže izrazito širjenje pare pri nizkih hitrostih. Razširitveni učinek se zmanjša pri višjih hitrostih. To je bolje razložiti s krivuljo navora za isto.

Med četrtim taktom se izpušni plini sprostijo in cilinder se očisti. Bat, ki se premika od n.m.t. do wmt, potiska produkte zgorevanja skozi odprt izpušni ventil.

Nato se celoten postopek ponovi. Tako se delovni cikel opisanega motorja z notranjim zgorevanjem odvija v štirih ciklih. Zato se imenuje štiritaktni. V tem času ročična gred naredi dva obrata. Obstajajo tudi dvotaktni motorji, pri katerih delovni cikel poteka v dveh taktih. Vendar se takšni motorji z notranjim zgorevanjem trenutno praktično ne uporabljajo na avtomobilih.

Razvit navor je visok pri nižjih vrtljajih. Jasen razlog za to vedenje je čas, ki je potreben, da se para razširi. Širjenje hlapov je veliko večje kot v zraku, sproščanje energije pa je izrazito. To kaže na višjo stopnjo širjenja zraka. Uhajanje pare iz mokrih motorjev pomeni, da pride do spremembe faze med procesom raztezanja. Proces spreminjanja faze je počasnejši od neposredne ekspanzije zraka.

Vendar pa je treba pri vzporednem delovanju z motorjem z notranjim zgorevanjem imeti redukcijsko razmerje približno 10:1, če se uporablja kot cikli dna. Počasna zmogljivost pare ne pomeni, da je manj zaželen kandidat kot spodnji ekspanzijski medij. To omogoča, da se para kopiči in porabi z nižjo hitrostjo. Ko je pravilno nastavljen, mora zagotoviti dovolj navora motorju skozi pogon.

Za nemoteno delovanje večvaljnega motorja in zmanjšanje neenakomernih obremenitev ročične gredi se morajo gibi delovnega hoda v različnih valjih pojavljati v določenem zaporedju. To zaporedje se imenuje vrstni red motorja. Določeno je z lokacijo ročic ročične gredi in odmičnih gredi. Na primer, pri motorjih VAZ je vrstni red delovanja 1-3-4-2. Ker se pri štiritaktnem motorju polni cikel v vsakem valju izvede v dveh vrtljajih ročične gredi, potem mora pri štirivaljnem motorju za enakomerno delovanje za vsak polovični vrtljaj ročične gredi delovni hod nastopiti v enem valjev.

Poleg rezultatov testiranja so bile med testiranjem ugotovljene tudi nekatere težave. Kakovost pare je ključnega pomena za nadaljnje delovanje motorja. Zato je sistem z zaprto zanko boljši za odprto zanko. Zasnova ventila za vbrizgavanje pare je ključnega pomena za vbrizgavanje pare v valj. Mehanska naprava je lahko bolj trpežna, vsaj za dele, ki pridejo v stik s paro. Majhni motorji lahko trpijo zaradi majhne obremenitve, zato je vzdržljivost motorjev nizka.

Upoštevani detajli sestavljajo ročični mehanizem. Poleg tega so za zagotovitev delovanja motorja z notranjim zgorevanjem potrebni mehanizem za distribucijo plina, hladilni sistem, sistem mazanja, sistem za napajanje in sistem za vžig (v bencinskih motorjih).

Mehanizem za distribucijo plina, ki nadzoruje delovanje ventilov, zagotavlja njihovo pravočasno odpiranje in zapiranje. Hladilni sistem odstranjuje toploto iz delov motorja, ki se med delovanjem segrejejo. Mazalni sistem dovaja olje na drgnjene površine. Napajalni sistem se uporablja za pripravo delovne mešanice in njeno dovajanje v jeklenke. Vžigalni sistem pretvarja nizko napetost iz akumulatorja v visoko napetost in jo dovaja na svečke za vžig delovne mešanice.

Pričakuje se, da bodo ti motorji dobili boljšo vzdržljivost. Pravilno skaliranje je mogoče izvesti, ko so motorjem na voljo vsi simulacijski in preskusni podatki. Izvedene so bile meritve za napovedovanje primernosti majhnih motorjev kot parnih ekspanderjev. Motorji so bili modificirani za razširitev pare. Območje hitrosti delovanja pare je veliko nižje kot pri motorju z notranjim zgorevanjem. To nam preprečuje neposredne primerjave. Preskusi zraka zagotavljajo primerljiv nabor podatkov za ekspanderje.

1. Opis procesov, ki se pojavljajo v enem ciklu motorja z notranjim zgorevanjem

2. Izračun parametrov enega cikla in izdelava indikatorskega diagrama motorja z notranjim zgorevanjem

3. Izračun in konstrukcija zunanjih značilnosti motorja z notranjim zgorevanjem

4. Izdelava diagrama krmiljenja ventilov

5. Zasnova ročičnega mehanizma

6. Določitev glavnih parametrov motorja z notranjim zgorevanjem

Če primerjamo podatke o največji moči in navoru obeh motorjev, je jasno, da Wankel motor zagotavlja veliko boljšo napravo kot ekspander. Glavni namen tega dela je izmeriti primernost parnega Rankinovega cikla kot spodnjega cikla za rekuperacijo toplote in primerjati zmogljivost dveh tipov motorjev, batnega in Wanklovega motorja. Značilnosti moči in navora, prikazane za majhne motorje, so zelo primerne za ta namen. Delo vključuje razvoj celotnega Rankineovega cikla drobljenja, vključno s kontrolami.

7. Toplotno ravnovesje motorja

Upoštevajmo dejanski cikel delovanja štiritaktnega dizelskega motorja kot procese, ki se v njem dogajajo.

Prvi udarec je vnos gorljive mešanice.

Med sesalnim udarcem (slika 1 , a) ko se bat 1 premakne iz V.M.T. do N.M.T. in je sesalni ventil 3 odprt, atmosferski zrak vstopi v valj 2, ki se med kompresijskim procesom segreje in vžge gorivo, vbrizgano na koncu kompresijskega takta. Hidravlični upor sesalne cevi poveča zračni tlak na koncu sesalne gibe na 0,08 MPa. Temperatura zraka v jeklenki je 50-80 ° C.

Ločeno delo se izvaja za razvoj strategij in metod nadzora. Pomanjšani dinamometer, zasnovan za merjenje zmogljivosti motorja, je zelo uporabno orodje za testiranje pomanjšanih modelov. Nastale krivulje navora in moči je mogoče povečati za motor polne velikosti.

Krmiljenje ventilov za dvotaktni motor je občutljiv dejavnik pri zmogljivosti motorja. Majhni motorji nam ne omogočajo, da bi bili zelo prilagodljivi, da bi to spremenili. Samo čas je mogoče spremeniti z elektronskim sprožilcem. Na motorju polnega obsega je mogoče uporabiti veliko večje ventile in bo prostora za natančnejše nastavitve.

Drugi korak je stiskanje mešanice.

Med kompresijskim taktom (slika 1, b), ko sta vstopni 3 in izstopni ventil 5 zaprta, se temperatura in zračni tlak v cilindru močno povečata. Zaradi visokega kompresijskega razmerja (e = 7,8) zračni tlak in temperatura dosežeta vrednosti 3,419 MPa oziroma 600 ° C. Na koncu takta se gorivo vbrizga v valj skozi injektor 4 (slika 1, c). Glede na obliko zgorevalne komore in vrsto šobe je tlak vbrizgavanja v območju 8 ... 40 MPa.

Preizkusi so odkrili številna področja za izboljšave. Zanesljivost motorja je lahko velika skrb. Uporaba parnega olja, ki poveča zanesljivost, po možnosti z zaprtim ciklom. V odprtem ciklu to postane problem emisij, saj se bo sproščalo v ozračje.

Uporaba malih motorjev za karakterizacijo motorjev je osnova za razvoj srednje velikih parnih strojev. Izhod je mogoče kopirati s simulacijo, takoj ko je na voljo celoten nabor podatkov. Avtorji nameravajo nadaljevati s testiranjem na večjem motorju s sistemom za rekuperacijo toplote, pritrjenim na motor z notranjim zgorevanjem.

Tretji cikel je podaljšek ali delovni hod.

Vbrizgano atomizirano gorivo se v mešanju s stisnjenim zrakom sam vname in gori. V tem primeru se temperatura plinov ob koncu zgorevanja poveča na 1600 ° C, tlak pa na 7,864 MPa. Na koncu ekspanzijskega giba temperatura pade na 700 ... 1000 0 С, tlak pa na 0,677 MPa. Pod tlakom plinov, ki nastanejo kot posledica zgorevanja mešanice zraka in goriva, se bat premakne iz VMT. do N.M.T., ki opravlja mehanska dela (slika 1, c).

Določite lahko vrednosti za ekspanzijo zraka in dosežete optimalno delovno točko. Rezultati simulacije trenutno niso predstavljeni. Vendar začetne primerjave, ki tukaj niso predstavljene, kažejo, da je meritve mogoče podpreti s simulacijami. Ti rezultati kažejo, da so parni ekspanderji, tudi v majhnem obsegu, primerne naprave za cikle odvajanja toplote. Celoten sklop zgoraj opisanih simulacij je mogoče uporabiti za razširitev rezultatov za komercialne aplikacije motorjev.

Četrti udarec je sproščanje izpušnih plinov.

Produkti zgorevanja zapustijo valj v ozračje (slika 1, d). Izhodna temperatura je 600 ... 700 ° C, tlak plina pa 0,125 MPa.

2. Izračun parametrov enega cikla in konstrukcijo indikatorskega diagrama motorja z notranjim zgorevanjem

Prostornina zgorevalne komore:

V c = 1 (v konvencionalnih enotah). (1)

Skupna prostornina:

Pričakuje se, da bosta motorni učinek in trenje pri majhnih motorjih v odstotkih visoka. Vendar pa zagotavljajo koncept, ki podpira veljavne statistike. Avtorji izjavljajo, da v zvezi z objavo tega dokumenta ni navzkrižja interesov.

Nemški inženir se je rodil v Holzhausnu in umrl v Kölnu. Medtem ko Alphonse Bo de Rojas oblikuje teorijo štiritaktnega cikla za motor z notranjim zgorevanjem, Nikolaus Otto v Nemčiji zgradi zelo empirični motor iste vrste, vendar v nasprotju s teorijo Bo de Rojasa ne zagotavlja mrtve prostornine. faze kompresije plina: preveč močne eksplozije, zaradi česar je motor neuporaben. Ko pade, se njegov zobnik poveže z zobnikom, ki se sam pritrdi na volan, ki prenaša gibanje.

V a = e × V c, (2)

kjer je e kompresijsko razmerje;

V a = 8 × 1 = 8.

Kompresijski politropni indeks:

n 1 = 1,41 - 100 / n e, (3)

kjer je n e nazivna hitrost ročične gredi, vrt/min;

n 1 = 1,41 - 100/4500 = 1,39

Tlak na koncu kompresijskega takta, MPa:

p c = p a × e n 1, (4)

kjer je p a - vstopni tlak, MPa;

p c = 0,09 × 8 1,39 = 1,62 MPa

Vmesne točke kompresijskega politropa (tabela 1):

Ta motor je predstavljen na mednarodni razstavi v Parizu in je značilna nizka poraba: ne predstavlja več kot tretjine plina, ki ga potrebuje motor Lenoir. FRANCIJA FINANČNA SKRBA, Otto je nadaljeval svoje poskuse na ciklu Bo de Rojas, še vedno brez uporabe. Štirikrat se razgradi na naslednji način: sesanje, stiskanje, vžig in rekuperacija plina, povratni bat, ki poganja Samo za industrijsko uporabo se bo ta motor uporabljal v tovarnah in elektrarnah.

Prav tako bo imel zasluge moža, ki vodi delavnice Otto-Langena, štiritaktnega motorja na olje, ki bo uporabljen na lokomotivskem tiru. Tukaj bo že desetletja deloval motor z notranjim zgorevanjem. Scuderi se je odločil bistveno izboljšati situacijo.

p x = (V a / V x) n 1 × p a, (5)

p x = (8/1) 1,39 × 0,09 = 1,62 MPa

Tabela 1. Vrednosti kompresijskega politropa

Ko je p x = (8/1) 1,19 × 0,52 = 6,16 MPa

Tabela 2. Vrednosti ekspanzijskega politropa

Povprečni teoretični indikatorski tlak, MPa:

, (10) MPa.

Povprečni tlak mehanskih izgub, MPa:

, (11) je povprečna hitrost bata v ciklu. Pre =. MPa

Dejanski indikatorski tlak, MPa, ob upoštevanju faktorja zaokroževanja diagrama n = 0,95:

, (12) - tlak izpušni plini, MPa. MPa

Povprečni učinkovit ciklični tlak:

, (13)

MPa

Podatke, pridobljene z izračunom, uporabimo za izdelavo indikatorskega diagrama (slika 2).

3. Izračun in konstrukcija zunanjih značilnosti motorja z notranjim zgorevanjem

Moč P e, kW:

, (14)

n ei - trenutne (sprejete) vrednosti frekvence vrtenja ročične gredi;

n p - nazivna hitrost.

Navor, N ∙ m:

, (15)

Specifična poraba, g / kWh:

(16)

Masni pretok, kg ∙ h:

(17)

Izračunane vrednosti so povzete v tabeli 3.

Tabela 3. Odvisnost moči P e, navora T e, specifičnega pretoka g e in masnega pretoka G e od vrtilne frekvence ročične gredi n e.

Parameter	Razmerje n ei / n p
Parameter
n e (rpm)


g e, g / kW ∙ h

Grafična odvisnost moči P e, navora T e, specifičnega pretoka g e in masnega pretoka G e od vrtilne frekvence ročične gredi n e je prikazana na sliki 4.

4. Izris diagrama krmiljenja ventilov

Polmer ročične gredi, m:

r = 0,083 / 2 = 0,0415 m

4.2 Razdelek OO 1 (glejte diagram krmiljenja ventilov, slika 3):

, (19)

kjer je r polmer gonilke na lestvici indikatorskega diagrama (r = 55 mm)

g - koeficient;

, (20)

l w - dolžina ojnice, m;

r je polmer gonilke (r = 0,0415 m). Sprejemamo:

l w = 4r; (21)

mm, (22)

Kot vbrizgavanja:

Podatke, pridobljene z izračunom, uporabimo za izdelavo diagrama krmiljenja ventilov (slika 3) in njegove povezave z indikatorskim diagramom (slika 2).

5. Zasnova ročičnega mehanizma

Delovna prostornina cilindra, l:

, (23)

kjer je t cikel motorja (t = 4);

P e - določena moč motorja, kW;

i - dano število valjev,

5.2 Delovna prostornina, m 3:

, (24)

kjer je D premer bata, m:

, (25)

S - neznan hod bata, m.

Če poznamo razmerje S / D = 0,9, definiramo:

sprejemamo

92 mm. Nato mm.

5.3 Povprečna hitrost bata, m / s:

, (26)

gospa< 13 м/с = ] – максимальная допускаемая скорость поршня.

Tabela 4. Parametri bencinskega motorja z notranjim zgorevanjem

Parameter bencinskega ICE	Vrednost parametra


d


L = (0,8 ... 1,1) d	L = 1. 92 = 92 mm
	h = 0,7. 92 = 64 mm

l w = (3,5 ... 4,5) r	l š = 4 × 41,5 = 166 mm
H = (1,25 ... 1,65) d	V = 1,3 × 92 = 120 mm
d k = (0,72 ... 0,9) d	d k = 0,8 × 92 = 74 mm
d w = (0,63 ... 0,7) d	d w = 0,65 × 92 = 60 mm
l k = (0,54 ... 0,7) d k	l k = 0,6 × 74 = 44 mm
l shat = (0,73 ... 1,05) d w	l gred = 1 × 60 = 60 mm

Pri znanem premeru bata se njegove druge osnovne dimenzije določijo iz empiričnih razmerij. Rezultati izračuna so prikazani v tabeli 4.

Oznake, sprejete v tabeli 4:

d je premer bata;

d p - premer prsta;

d in - notranji premer prsta;

l p - dolžina prsta;

l 2 - razdalja med notranjimi konci čepov;

d je debelina krone bata;

d d - zunanji premer notranjega konca ušes;

z 1 - razdalja od dna bata do prvega utora za batni obroč;

e 1 - debelina stene glave bata;

h je razdalja od dna bata do središča luknje za zatič;

b do - globina utora za batni obroč;

L je razdalja od konca bata do utora za obroč glave bata;

H je višina bata;

d y - najmanjša debelina vodilnega dela bata;

d w - premer ojnice;

d do - premer glavnega nosilca ročične gredi;

l ojnica - dolžina nosilca ojnice;

l do - dolžina glavnega nosilca ročične gredi.

Parametri, pridobljeni z izračunom, se uporabljajo za načrtovanje ročičnega mehanizma (slika 5).

6. Določitev glavnih parametrov motorja z notranjim zgorevanjem

Navor, N ∙ m:

(27)

Moč litra, kW/l:

(28)

Specifična moč bata, kW / dm 2:

(29)

Mehanska učinkovitost:

(30)

Učinkovitost kazalnika:

, (31) - koeficient presežka zraka (= 0,9) = 14,96 (za bencinske motorje) - najnižja toplota zgorevanja goriva, kcal / kg. = 44 - gostota mešanice goriva in zraka, kg / m 3. = 1,22 = 0,7