Цикл дизеля состоит из

Эта статья о термодинамическом цикле. Для дизельных мотоциклов см. Дизельный мотоцикл .

Цикл Дизель представляет собой процесс сгорания возвратно – поступательного действия двигателя внутреннего сгорания . В нем топливо воспламеняется за счет тепла, выделяемого при сжатии воздуха в камере сгорания, в которое затем впрыскивается топливо. Это отличается от воспламенения топливно-воздушной смеси свечой зажигания, как в двигателе с циклом Отто ( четырехтактный / бензиновый). Дизельные двигатели используются в самолетах , автомобилях , электрогенераторах , дизель-электрических локомотивах , а также в надводных кораблях и подводных лодках .

Предполагаются , цикл Дизеля иметь постоянное давление во время начальной части фазы сгорания ( чтобы на диаграмме ниже). Это идеализированная математическая модель: в реальных физических дизелях действительно наблюдается повышение давления в этот период, но оно менее выражено, чем в цикле Отто. В противоположности этому , идеализированный цикл Отто из бензиновых двигателей приближается к процессу постоянного объема в течение этого этапа.

Идеальный дизельный цикл

Схема pV для идеального дизельного цикла . Цикл следует за числами 1-4 по часовой стрелке.

На изображении показана диаграмма pV для идеального дизельного цикла; где это давление и V объем или объемное удельное если процесс помещается на единицу массы основы. Идеализированный Дизель цикл предполагает идеальный газ и игнорирует горения химии, exhaust- и процедуру пополнения и просто следующим образом четыре различных процесса:

• 1 → 2: изоэнтропическое сжатие жидкости (синий)
• 2 → 3: реверсивный нагрев при постоянном давлении (красный)
• 3 → 4: изэнтропическое расширение (желтый)
• 4 → 1: реверсивное охлаждение с постоянным объемом (зеленый)

Дизельный двигатель – это тепловой двигатель: он преобразует тепло в работу . Во время изоэнтропических процессов на дне (синий) энергия передается в систему в виде работы , но по определению (изоэнтропический) никакая энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. Во время процесса постоянного давления (красный, изобарический ) энергия поступает в систему в виде тепла . Во время верхних изэнтропических процессов (желтый) энергия передается из системы в виде тепла, но по определению (изоэнтропический) энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. Во время процесса постоянного объема (зеленый, изохорный ) часть энергии выходит из системы в виде тепла через правильный процесс сброса давления . Работа, которая покидает систему, равна работе, которая входит в систему, плюс разница между теплом, добавленным к системе, и теплом, покидающим систему; Другими словами, чистый выигрыш от работы равен разнице между теплом, добавленным к системе, и теплом, покидающим систему.

Произведенная чистая работа также представлена ​​областью, заключенной в цикл на диаграмме PV. Чистая работа производится за цикл и также называется полезной работой, поскольку она может быть превращена в другие полезные виды энергии и приводить в движение транспортное средство ( кинетическая энергия ) или производить электрическую энергию. Суммирование множества таких циклов за единицу времени называется развиваемой мощностью. Это также называется полной работой, часть которой используется в следующем цикле двигателя для сжатия следующего заряда воздуха.

Максимальный тепловой КПД

Максимальный тепловой КПД дизельного цикла зависит от степени сжатия и предельного значения. При стандартном анализе холодного воздуха он имеет следующую формулу :

где

это термический КПД это коэффициент отсечки (соотношение между конечным и начальным объемом для фазы сгорания) r – степень сжатия отношение удельных теплоемкостей (C p / C v )

Коэффициент отсечки может быть выражен в терминах температуры, как показано ниже:

может быть приближена к температуре пламени используемого топлива. Температура пламени может быть приближена к адиабатической температуре пламени топлива с соответствующим соотношением воздух-топливо и давление сжатия, . может быть приближена к температуре входящего воздуха.

Эта формула дает только идеальный тепловой КПД. Фактический тепловой КПД будет значительно ниже из-за потерь тепла и трения. Эта формула более сложна, чем соотношение цикла Отто (бензин / бензиновый двигатель), которое имеет следующую формулу:

Дополнительная сложность формулы дизельного топлива возникает из-за того, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении, а отвод тепла – при постоянном объеме. Для сравнения, цикл Отто имеет как добавление тепла, так и отвод тепла при постоянном объеме.

Сравнение эффективности с циклом Отто

Сравнивая две формулы, можно увидеть, что для данной степени сжатия ( r ) идеальный цикл Отто будет более эффективным. Однако настоящий дизельный двигатель в целом будет более эффективным, поскольку он сможет работать при более высоких степенях сжатия. Если бы у бензинового двигателя была такая же степень сжатия, то возникла бы детонация (самовоспламенение), и это сильно снизило бы эффективность, тогда как в дизельном двигателе желательным является самовоспламенение. Кроме того, оба этих цикла – всего лишь идеализации, и реальное поведение не разделяется так четко или резко. Кроме того, указанная выше идеальная формула цикла Отто не включает потери на дросселирование, которые не применимы к дизельным двигателям.

Приложения

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели имеют самый низкий удельный расход топлива по сравнению с любым большим двигателем внутреннего сгорания, использующим один цикл, 0,26 фунта / л.с. · ч (0,16 кг / кВт · ч) для очень больших судовых двигателей (электростанции с комбинированным циклом более эффективны, но в них используются два двигателя. чем один). Двухтактные дизели с принудительной индукцией высокого давления, особенно с турбонаддувом , составляют значительную часть самых крупных дизельных двигателей.

В Северной Америке дизельные двигатели в основном используются в больших грузовиках, где цикл с низким напряжением и высоким КПД позволяет значительно продлить срок службы двигателя и снизить эксплуатационные расходы. Эти преимущества также делают дизельный двигатель идеальным для использования на тяжелых железных дорогах и при землеройных работах.

Другие двигатели внутреннего сгорания без свечей зажигания

На многих авиамоделях используются очень простые «светящиеся» и «дизельные» двигатели. В двигателях накаливания используются свечи накаливания . Двигатели “Дизельных” авиамоделей имеют переменную степень сжатия. Оба типа зависят от специального топлива.

Некоторые экспериментальные двигатели 19-го века или более ранние использовали для зажигания внешнее пламя, открытое клапанами, но это становится менее привлекательным с увеличением сжатия. ( Термодинамическое значение сжатия было установлено исследованием Николя Леонара Сади Карно .) Исторический подтекст этого состоит в том, что дизельный двигатель мог быть изобретен без помощи электричества.

См. Развитие двигателя с горячей лампой и непрямого впрыска для исторического значения.

Рекомендации

Внешние ссылки

• Шаблон цикла дизельного топлива (воспламенение от сжатия)

Смотрите также

• Дизель
• Двигатель с горячей лампочкой
• Смешанный / двойной цикл
• Частично предварительно смешанное сгорание

Источник

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Добрый день. Рассмотрим , что происходит что происходит в одном из цилиндров работающего дизеля.

Впуск – первый такт.

Поршень движется вниз и, подобно насосу, воздет разрежение. Под влияние разности давлений чистый воздух заполняет цилиндр. Выпускной клапан закрыт. В конце такта закрывается и впускной клапан.

В конце такта давление в цилиндре составляет 0,09 МПа, а температура – 30-50 градусов.

Сжатие – второй такт.

Поршень продолжает движение и перемещается вверх. Два клапана закрыты , поэтому создается избыточное давление, а температура растет. Температура достигает 600 градусов, а давление достигает 4 МПа.

В конце такта в цилиндра впрыскивается порция дизельного топлива в мелкораспыленном состоянии через форсунку. Мелкие частицы топлива, соприкасаясь с горячим сжатым воздухом и стенками цилиндра , воспламеняются и большая часть их сгорает.

Расширение или рабочий ход – третий такт.

Поршень идет вниз. Во время этого такта топливо все сгорает. Клапана при рабочем ходе закрыты. Температура газов при сгорании достигает 2000 градусов, а давление повышается до 8 МПа.

Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его вращаться.

В конце такта давление снижается до 0,4 МПа, а температура до 700 градусов .

Выпуск – четвертый такт.

Поршень перемещается вверх, а выпускной клапан открывается. Отработавшие газы удаляются из цилиндра сначала под действием давления, а затем уже поршень выталкивает их.

В конце такта капан выпускной закрывается, а впускной открывается .

Рабочий цикл повторяется .

Подписывайтесь на канал и ставьте лайк!

Источник

Двигатели внутреннего сгорания. Цикл Дизеля.

Степень сжатия ε в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (названный по имени немецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу). Схема двигателя, работающего по циклу Дизеля, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рисунке ниже. В процессе а-1 в цилиндр двигателя засасывается чистый атмосферный воздух; в процессе 1-2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р2 (степень сжатия в двигателях с циклом Дизеля обычно достигает ε = 15÷16). Затем начинается процесс расширения воздуха и одновременно через специальную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от v2 к v3 при постоянном давлении. Поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении.

После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5) и газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5-b); таким образом, цикл Дизеля – это четырехтактный цикл.

Термический КПД цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия ε (как и в цикле Отто ).

Сравним между собой значения термических КПД циклов Отто и Дизеля, принимая в обоих циклах одинаковой либо степень сжатия ε, либо наивысшую температуру рабочего тела в цикле T3; разумеется, исходные параметры рабочего тела в начальной точке цикла ( p1, v1, T1) считают одинаковыми для обоих циклов.

Если принять, что степень сжатия в обоих циклах одна и та же, то термический КПД цикла Отто выше термического КПД цикла Дизеля. Однако сравнение КПД этих циклов при условии одинаковых значений ε вряд ли правомерно, так как преимуществом цикла Дизеля по сравнению с циклом Отто является, как отмечалось выше, именно возможность достижения более высоких степеней сжатия.

При сравнении обоих циклов при равных работах цикла Lц = q1 – q2 и максимальном давлении легко заметить, что теплота q2 в цикле Отто больше, чем в цикле Дизеля, а термический КПД меньше. Подобное сравнение наиболее оправдано и дает основание считать цикл Дизеля более экономичным, чем цикл Отто. Надо при этом отметить, что двигатель Дизеля, не нуждающийся в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе. Основными недостатками двигателя Дизеля по сравнению с двигателем Отто являются необходимость затраты работы на привод устройства для распыления топлива и относительная тихоходность, обусловленная более медленным сгоранием топлива

Источник

Дизельный двигатель: устройство и схема работы

Дизельный двигатель – двигатель внутреннего сгорания, изобретенный Рудольфом Дизелем в 1897 году. Устройство дизельного двигателя тех лет позволяло использовать в качестве топлива нефть, рапсовое масло, и твердые виды горючих веществ. Например, каменноугольную пыль.

Принцип работы дизельного двигателя современности не изменился. Однако моторы стали более технологичными и требовательными к качеству топлива. Сегодня в дизелях используется только высококачественное ДТ.

Моторы дизельного типа отличаются топливной экономичностью и хорошей тягой при низких оборотах коленвала, поэтому получили широкое распространение на грузовых автомобилях, кораблях и поездах.

С момента решения проблемы высоких скоростей (старые дизели при частом использовании на высоких скоростях быстро выходили из строя) рассматриваемые моторы стали часто устанавливаться на легковые авто. Дизели, предназначенные для скоростной езды, получили систему турбонаддува.

Принцип работы двигателя Дизеля

Принцип действия мотора дизельного типа отличается от бензиновых моторов. Здесь отсутствуют свечи зажигания, а топливо подается в цилиндры отдельно от воздуха.

Цикл работы такого силового агрегата можно представить в следующем виде:

• в камеру сгорания дизеля подается порция воздуха;
• поршень поднимается, сжимая воздух;
• от сжатия воздух нагревается до температуры около 800˚C;
• в цилиндр впрыскивается топливо;
• ДТ воспламеняется, что приводит к опусканию поршня и выполнению рабочего хода;
• продукты горения удаляются с помощью продувки через выпускные окна.

От того, как работает дизельный двигатель, зависит его экономичность. В исправном агрегате используется бедная смесь, что позволяет сэкономить количество топлива в баке.

Как устроен дизельный двигатель

Основным отличием конструкции дизеля от бензиновых моторов является наличие топливного насоса высокого давления, дизельных форсунок и отсутствие свечей зажигания.

Общее устройство этих двух разновидностей силового агрегата не различается. И в том, и в другом имеются коленчатый вал, шатуны, поршни. При этом у дизельного мотора все элементы усилены, так как нагрузки на них более высокие.

На заметку: некоторые движки дизельного типа имеют свечи накаливания, которые ошибочно принимаются автолюбителями за аналог свечей зажигания. На самом деле, это не так. Свечи накаливания используются для нагрева воздуха в цилиндрах в мороз.

При этом дизель легче заводится. Свечи зажигания в бензиновых моторах применяются для воспламенения топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя.

Систему впрыска на дизелях делают прямой, когда топливо поступает непосредственно в камеру, или непрямой, когда воспламенение происходит в предкамере (вихревая камера, фор-камера). Это небольшая полость над камерой сгорания, с одним или несколькими отверстиями, через которые туда поступает воздух.

Такая система способствует лучшему смесеобразованию, равномерному нарастанию давления в цилиндрах. Зачастую именно в вихревых камерах применяются калильные свечи, призванные облегчить холодный пуск. При повороте замка зажигания, автоматически запускается процесс нагрева свечей.

Плюсы и минусы дизельного мотора

Как и любой другой тип силового агрегата, дизельный мотор имеет положительные и отрицательные черты. К «плюсам» современного дизеля относят:

• экономичность;
• хорошую тягу в широком диапазоне оборотов;
• больший, чем у бензинового аналога, ресурс;
• меньшее количество вредных выбросов.

Дизель не лишен и недостатков:

• моторы, не оснащенные свечами накаливания, плохо заводятся в мороз;
• дизель дороже и сложнее в обслуживании;
• высокие требования к качеству и своевременности обслуживания;
• высокие требования к качеству расходных материалов;
• большая, чем у бензиновых движков, шумность работы.

Дизельный двигатель с турбонаддувом

Принцип работы турбины на дизельном двигателе практически не отличается от такового на бензиновых моторах. Суть заключается в нагнетании в цилиндры дополнительного воздуха, что закономерно увеличивает количество поступающего топлива. За счет этого отмечается серьезный прирост мощности мотора.

Устройство турбины дизельного двигателя также не имеет существенных отличий от бензинового аналога. Устройство состоит из двух крыльчаток, жестко связанных между собой, и корпуса, внешне напоминающего улитку. На корпусе турбокомпрессоров имеется 2 входных и 2 выходных отверстия. Одна часть механизма встраивается в выпускной коллектор, вторая во впускной.

Схема работы проста: газы, выходящие из работающего мотора, раскручивают первую крыльчатку, которая вращает вторую. Вторая крыльчатка, вмонтированная во впускной коллектор, нагнетает атмосферный воздух в цилиндры. Увеличение подачи воздуха приводит к увеличению подачи топлива и росту мощности. Это позволяет мотору быстрее набирать скорость даже на низких оборотах.

Турбояма

В процессе работы турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Раскрутить ее до необходимой скорости вращения моментально невозможно. Это приводит к появлению т.н. турбоямы, когда с момента нажатия на педаль газа до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).

Проблема решается доработкой турбинного механизма и установкой нескольких крыльчаток разного размера. При этом маленькие крыльчатки раскручиваются моментально, после чего их догоняют элементы большого размера. Такой подход позволяет практически полностью ликвидировать турбояму.

Также производятся турбины с изменяемой геометрией, VNT (Variable Nozzle Turbine), призванные решать те же проблемы. В настоящий момент существует большое количество модификаций подобного типа турбин. Коррекция геометрии успешно справляется и с обратной ситуацией, когда оборотов и воздуха становится слишком много и необходимо притормозить обороты крыльчатки.

Интеркуллер

Было замечено, что если при смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркуллера – дополнительного элемента турбин, повышающего эффективность работы.

После всасывания воздуха он проходит через радиатор, и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой можно подробно ознакомиться со схемой работы интеркуллера.

За турбиной современного автомобиля необходимо должным образом ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и перегреву. Поэтому смазочный материал рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров пробега.

Кроме того, после остановки машины следует оставлять ДВС включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (при резком прекращении циркуляции масла она перегревается). К сожалению, даже при грамотной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.

На заметку: оптимальным решением проблемы перегрева турбины на дизельных моторах является установка турботаймера. Устройство оставляет двигатель запущенным на протяжении необходимого времени после выключения зажигания. После окончания необходимого периода электроника сама выключает силовой агрегат.

Строение и принцип действия дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом на тяжелом транспорте, которому необходима хорошая тяга «на низах». Современные дизели с равным успехом работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым: приемистость и время набора скорости.

Сложный уход за дизелем компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.

Источник

Дизельный двигатель, принцип работы

Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как формируется, воспламеняется и сгорает топливно-воздушная смесь. У дизельного ДВС отсутствуют свечи зажигания и, соответственно, воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от сжатия. При этом, воздух и солярка подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения рабочих характеристик агрегата. Для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов используются турбонагнетатели с изменяемой геометрией. Дизельный агрегат имеет более высокий коэффициент полезного действия, но он тяжелее и выдает больший крутящий момент при низких оборотах, нежели бензиновый ДВС.

Принцип работы дизельного двигателя:

Как работает дизельный двигатель и, самое главное, как происходит воспламенение топлива в камере сгорания, если у агрегата данного типа нет свечей зажигания? Сперва воздух поступает в цилиндры. В конце такта сжатия, когда поршень почти достиг верхней мертвой точки, температура воздуха в камере сгорания достигает высоких значений (порядка 700-800 градусов) и затем в цилиндры впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется самостоятельно, без искрового зажигания. Тем не менее, свечи в дизельном агрегате все-таки есть, но то – свечи накаливания, а не зажигания, которые нагревают камеру сгорания для облегчения запуска двигателя в холодное время.

Они представляет собой спираль (бывают с металлической и керамические), могут быть установлены в вихревой камере или в форкамере (если речь идет об агрегатах с раздельной камерой сгорания) или непосредственно в камере сгорания (если она нераздельная). При включении зажигания свечи накаливания практически мгновенно, за считанные секунды они раскаляются до температур в районе тысячи градусов и нагревают воздух в камере сгорания, облегчая процесс самовоспламенения топливно-воздушной смеси.

Типы дизельных двигателей:

Широко распространены моторы с раздельной камерой сгорания – топливо впрыскивается в специальную камеру в головке блока над цилиндром и соединенную с ним каналом, а процесс горения происходит не совсем так как у бензиновых ДВС. В этой вихревой камере поток воздуха интенсивнее закручивается, что способствует более эффективному смесеобразованию и самовоспламенению, которое продолжается в основной камере сгорания. Кстати, дизельные моторы с раздельной камерой сгорания менее шумные из-за того, что применение вихревой камеры снижает интенсивность нарастания давления при самовоспламенении.

Источник

Источник