Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом

Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом

Полный текст:

• Аннотация
• Об авторах
• Список литературы
• Cited By

Аннотация

Ключевые слова

Об авторах

Список литературы

1. Байков Б.П., Бордуков В.Г. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Ленинград: Машиностроение, 1982. 200 с.

2. Круглов М.Г., Дехович Д.А., Иванов Г.И. Агрегаты для воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Москва: Машиностроение, 1973. 296 с.

3. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры. Москва: ООО Издательство «Астрель – АСТ», 2003. 351 с.

4. Comparison and analysis of the effects of various improved turbocharging approaches on gasoline engine transient performances // Applied Thermal Engineering. 2016. V. 93, pp. 797-812.

5. Lee J., Tan C.S., Sirakov B.T., et al.Performance metric for turbine stage under unsteady pulsating flow environment // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017. V. 139, N 7.

6. An extended calculation approach of exhaust thermocouple temperatures in one-dimensional gas exchange simulation for turbocharged gasoline direct-injection engines // International Journal of Engine Research. 2018. V. 19. N 4. pp. 449-460.

7. Huang L., Ma C., Li Y., Gao J., Qi M. Applying neural networks (NN) to the improvement of gasoline turbocharger heat transfer modeling // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 141. pp. 1080-1091.

8. . Galindo J., Tiseira A., Navarro R. Tarí D., Meano C.M. Effect of the inlet geometry on performance, surge margin and noise emission of an automotive turbocharger compressor // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 110. pp. 875-882.

9. Шестаков Д.С. Доводка рабочего процесса тепловозных дизелей 8ДМ21/21 с турбокомпрессорами типоразмера TCR // Двигателестроение. 2017. № 3. С. 9-13.

10. Wang T.J. Optimum design for intake and exhaust system of a heavy-duty diesel engine by // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018. V. 32. N 7. pp. 3465-3472.

11. Жилкин Б.П., Лашманов В.В., Плотников Л.В., Шестаков Д.С. Совершенствование процессов в газовоздушных трактах поршневых двигателей внутреннего сгорания: монография; под общ. ред. Ю. М. Бродова. Екатеринбург: ИздательствоУральского . университета, 2015. 228 с.

12. Plotnikov L.V. Specific aspects of the thermal and mechanic characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a piston engine with a turbocharger system // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 160.

13. Д.С. Шестаков, Л.В. Плотников, Б.П. Жилкин, Н.И. Григорьев Снижение пульсации потока во впускной системе поршневого ДВС с наддувом // Двигателестроение. 2013. № 1. С. 24-27.

14. Жилкин Б.П. Некоторые особенности газодинамики процесса впуска при наддуве поршневых ДВС // Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 48-51.

15. Плотников Л.В., Жилкин Б.П., Крестовских А.В, Падаляк Д.Л. Об изменении газодинамики процесса выпуска в поршневых ДВС при установке глушителя // Вестник академии военных наук. 2011. № 2. С. 267-270.

Для цитирования:

Плотников Л.В., Бродов Ю.М., Жилкин Б.П., Григорьев Н.И. Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2019;21(4):77-84. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-4-77-84

For citation:

Plotnikov L.V., Brodov Yu.M., Zhilkin B.P., Grigoriev N.I. Features of heat and mechanical characteristics of pulsating flows in gas-air paths of piston engines with turbocharging. Power engineering: research, equipment, technology. 2019;21(4):77-84. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-4-77-84

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания: особенности работы

Выберите из предложенного перечня два верных утверждения и запишите номера, под которыми они указаны.

1) Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется в дополнительных внешних носителях.

2) Двигатель состоит из цилиндров.

3) В двухтактных ДВС работа поршня ограничивается двумя тактами.

4) Такт — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности.

Прочитайте текст и выполните задания 14 и 15.

Двигатель внутреннего сгорания

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

В двухтактных ДВС работа поршня ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются. В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности. Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т. п. маломощная техника.

Двигатель внутреннего сгорания поршневой: определение, классификация и принцип работы

Уже более, чем сто лет в мире главным силовым агрегатом во всей колесной технике является поршневой двигатель внутреннего сгорания. Появившись в начале XX века и заменив собой паровой двигатель, ДВС в XXI веке остается наиболее выгодным с точки зрения экономики и эффективности видом моторов. Давайте подробно рассмотрим, как устроен такой тип ДВС, как он работает, узнаем, какие еще бывают поршневые двигатели.

Определение, особенности ДВС

В процессе развития науки и техники конструкция ДВС постоянно совершенствовались. Двигатели сумели доказать свою эффективность. Так появились поршневые двигатели внутреннего сгорания и как подвид – карбюраторные и инжекторные моторы. Можно выделить дизельные двигатели, роторно-поршневые и газотурбинные агрегаты.

Вам будет интересно: «Мерседес» 90-х годов: обзор моделей, характеристики, отзывы

Бензиновые ДВС

Традиционный поршневой мотор оснащен внутренней камерой сгорания. Это цилиндр внутри блока двигателя. При горении топлива выделяется энергия, которая затем превращается в механическое движение коленчатого вала. За счет поступательного движения поршней, которые воздействуют на систему из шатунов и коленчатого вала, получается вращение маховика. Можно подробней ознакомиться с конструкцией в соответствующем ГОСТ двигателя внутреннего сгорания поршневого.

Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что рабочая смесь топлива и воздуха готовится в специальном устройстве – карбюраторе. Смесь впрыскивается в цилиндры за счет разряжения. Далее она воспламеняется благодаря свече зажигания.

Вам будет интересно: Выключается магнитола при запуске двигателя: возможные причины и способы решения проблемы

Инжекторный ДВС имеет более современную конструкцию. Здесь вместо традиционного механического устройства в системе питания имеются электронные форсунки. Они отвечают за впрыск точных порций горючего непосредственно в цилиндры двигателя.

Дизельные ДВС

Дизельный поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет определенные конструктивные и принципиальные отличия от бензиновых ДВС.

Если в бензиновом агрегате для воспламенения используется искра от свечи, то в дизельных работает другой принцип и свечей кроме накала здесь нет. Дизельное топливо попадает в цилиндры через форсунки, смешивается с воздухом, а затем вся эта смесь сжимается, вследствие чего нагревается до температуры горения.

Роторно-поршневые

Роторно-поршневой двигатель существенно отличается от традиционных ДВС. Газы воздействуют на специальные детали и элементы. Так, под воздействием газов подвижный ротор движется в специальной камере в форме восьмерки. Камера выполняет функции поршней, ГРМ и коленвала. Камера имеет форму «восьмерки».

Комбинированные агрегаты

В газотурбинных двигателях внутреннего сгорания тепловая энергия превращается в механическую за счет вращения специального ротора со специальными лопатками. Этот ротор приводит в действие вал турбины.

Специальные поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания (а это газотурбинные моторы и роторные) можно смело заносить в красную книгу. Сегодня роторно-поршневой мотор изготавливает лишь японская Mazda. Crysler однажды выпустил опытную серию газотурбинных ДВС, однако это было в 60-х и больше к данному вопросу никто из автопроизводителей не возвращался по сегодняшний день.

В Советском Союзе газотурбинные ДВС устанавливали на танки и десантные корабли, однако и там в дальнейшем решено было отказаться от агрегатов данной конструкции.

Устройство ДВС

Двигатель представляет единый механизм. Он состоит из блока цилиндров, деталей кривошипно-шатунного механизма, механизма ГРМ, системы впрыска и выпуска.

Внутри блока цилиндров расположена камера сгорания, где непосредственно воспламеняется топливно-воздушная смесь, а продукты сгорания приводят в действие поршни. Посредством кривошипно-шатунного механизма энергия сгорания топлива передается на коленчатый вал. Механизм ГРМ необходим для обеспечения своевременного открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

Принцип действия

При запуске двигателя в цилиндры через впускной клапан впрыскивается смесь топлива и воздуха и поджигается от искры на свече зажигания, сгенерированной системой зажигания. При горении образуются газы. Когда происходит тепловое расширение, вследствие избыточного давления поршень начинает двигаться, вращая тем самым коленчатый вал.

Работа поршневых двигателей циклична. В цикле поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть от двух до четырех тактов. Циклы в процессе работы мотора повторяются несколько сотен раз за одну минуту. Так коленчатый вал может непрерывно вращаться.

Двухтактный ДВС

Когда мотор запускается, то поршень приводится в движения за счет поворота коленчатого вала. Когда поршень достигнет положения нижней мертвой точки и начнет двигаться вверх, в цилиндр будет подана топливно-воздушная смесь.

При движении вверх поршень начнет сжимать смесь. Когда поршень достигнет верхнего положения, будет сгенерирована искра. Топливно-воздушная смесь воспламенится. Расширяясь, газы будут толкать поршень вниз.

В этот момент откроется выпускной клапан, через который продукты сгорания смогут выйти из камеры. Далее снова дойдя до нижней мертвой точки, поршень начнет свой путь в ВМТ. Все эти процессы проходят за один оборот коленчатого вала.

Когда поршень начнет новое движение, откроется впускной клапан и новая порция топливно-воздушной смеси заместит собой отработанные газы. Весь процесс начнется заново. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания совершает меньшее число движений в отличии от четырехтактного. Снижены потери на трение, но выделяется больше тепла.

Механизм газораспределения заменяется поршнем. В процессе движения поршня открываются и закрываются впускные и выпускные отверстия в блоке цилиндров. По сравнению с четырехтактным силовым агрегатом, газообмен в двухтактном моторе – это главный недостаток. В момент выхода отработанных газов теряется эффективность и мощность.

Несмотря на этот недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания двухтактных, они применяются в мопедах, скутерах, в качестве лодочных моторов, в бензопилах.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Четырехтактный ДВС недостатков двухтактного мотора лишен. Такие моторы устанавливаются на большинство автомобилей и прочую технику. Впуск и выпуск отработанных газов – это отдельный процесс, и он не совмещен со сжатием, хотя работает поршневой двигатель внутреннего сгорания от воспламенения смеси. Работа мотора синхронизируется за счет газораспределительного механизма – клапаны открываются и закрываются синхронно с оборотами коленчатого вала. Впуск топливной смеси осуществляется лишь после полного выхода отработанных газов.

Преимущества ДВС

Начать стоит с самых популярных моторов – рядных четырехцилиндровых агрегатов. Среди достоинств – компактность, малый вес, одна ГБЦ, высокая ремонтопригодность.

Среди всех видов ДВС можно выделить еще оппозитные моторы. Они не особо популярные по причине более сложной конструкции. Применяют их преимущественно на гоночных авто. Среди достоинств – отличная первичная и вторичная балансировка, а отсюда и мягкая работа. На коленвал оказывается меньшая нагрузка. Как результат, незначительные потери мощности. Двигатель имеет низкий центр тяжести, а автомобиль лучше управляется.

Рядные шестицилиндровые моторы отлично сбалансированы, а сам агрегат работает очень плавно. Несмотря на большое количество цилиндров, цена производства не очень высокая. Также можно выделить ремонтопригодность.

Недостатки ДВС

Основной недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания – это все же не токсичность и шумность, а слабая эффективность. В ДВС только 20 % энергии затрачивается на собственно механическую работу. Все остальное расходуется на обогрев и другие процессы. Также двигатели выпускают в атмосферы вредные вещества такие, как оксиды азота, угарный газ, различные альдегиды.

Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Том 1

Учебник написан по учебной программе специальности «Двигатели внутреннего сгорания» Московского высшего технического училища им. Баумана (МВТУ) и содержит описание устройства и работы поршневых двигателей внутреннего сгорания всех типов, а также особенностей работы и конструкции комбинированных и роторно-поршневых двигателей.
Данная книга является первым томом четырехтомного издания «Двигатели внутреннего сгорания», подготовленного коллективом преподавателей МВТУ им. Баумана. При написании и редактировании первого тома большую помощь оказал д-р техн. наук проф. Д. Н. Вырубов.
Учебник предназначен для студентов машиностроительных вузов, а также может быть использован работниками, связанными с производством и эксплуатацией двигателей внутреннего сгорания.

Оглавление
Введение (А. С. Орлин и Н. И. Костыгов)
Глава I. Рабочие процессы в поршневых и комбинированных двигателях
§ 1. Топливо для двигателей (О. В. Леонов)
§ 2. Внешнее и внутреннее смесеобразование (Н. И. Костыгов)
§ 3. Четырехтактные двигатели (Н. И. Костыгов)
§ 4. Двухтактные двигатели (Н. И. Костыгов)
§ 5. Основные схемы соединения поршневого двигателя с компрессором и турбиной (А. С. Орлин)
§ 6. Классификация двигателей внутреннего сгорания (Н. И. Костыгов)
Глава II. Параметры, характеризующие поршневые двигатели
§ 1. Индикаторная диаграмма (Н. И. Костыгов)
§ 2. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность (Н. И. Костыгов)
§ 3. Механические потери и эффективная мощность (Н. И. Костыгов)
§ 4. Коэффициенты полезного действия (Н. И. Костыгов)
§ 5. Повышение удельной мощности двигателей (Г. Н. Мизернюк)
§ 6. Регулирование и характеристики двигателей (Н. И. Костыгов)
Глава III. Устройство двигателей
§ 1. Основные механизмы и системы двигателя (Н. И. Костыгов)
§ 2. Силы и моменты, действующие в двигателе (Н. И. Костыгов)
§ 3. Многоцилиндровые двигатели (Н. И. Костыгов)
§ 4. Кривошипно-шатунный механизм (Н. И. Костыгов)
§ 5. Остов двигателя (Н. И. Костыгов)
§ 6. Механизм газораспределения (Н. И. Костыгов)
§ 7. Системы смазки и охлаждения (Н. И. Костыгов)
§ 8. Агрегаты продувки и турбонаддува (Н. Д. Чайнов)
§ 9. Автоматизация двигателей (Г. И. Мизернюк)
Глава IV. Бензиновые двигатели (В. П. Алексеев)
§ 1. Особенности и применение бензиновых двигателей
§ 2. Система питания карбюраторного двигателя
§ 3. Система питания двигателя с впрыском бензина
§ 4. Система зажигания
§ 5. Устройство бензиновых двигателей
Глава V. Дизели
§ 1. Особенности и применение дизелей (М. Г. Круглов)
§ 2. Смесеобразование в дизелях и типы камер сгорания (А. И. Крылов)
§ 3. Топливные системы дизелей (А. Н. Крылов)
§ 4. Регуляторы (В. И. Ивин)
§ 5. Подвод воздуха и отвод выпускных газов (М. Г. Круглов)
§ 6. Особенности систем охлаждения и смазки дизелей (М. Г. Круглов)
§ 7. Системы пуска и механизм реверса (В. И. Ивин)
§ 8. Устройство четырехтактных дизелей (В. И. Ивин)
§ 9. Устройство двухтактных дизелей (М. Г. Круглов)
§ 10. Перспективы развития дизелей (М. Г. Круглов)
Глава VI. Газовые двигатели (О. Б. Леонов)
§ 1. Особенности и применение газовых двигателей
§ 2. Воспламенение горючей смеси в газовых двигателях
§ 3. Смесеобразование в газовых двигателях и их регулирование
§ 4. Регуляторы давления газа
Глава VII. Особые конструкции двигателей (Г. Н. Мизернюк)
§ 1. Роторно-поршневые двигатели
§ 2. Двигатели со свободно движущимися поршнями
§ 3. Свайные молоты внутреннего сгорания и трамбовки