Что такое двигатель внутреннего сгорания простыми словами: устройство, принцип работы и классификация

Содержание

устройство, принцип работы и классификация


Что такое ДВС?

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.

ДВС работает  благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС. В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).


Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).

Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

  • Несмотря на то, что технологии, в том числе, в транспортной сфере, развиваются семимильными шагами, ДВС на авто человечество будет устанавливать еще долго. Даже концерн Volkswagen, который, как известно, готовит масштабную программу электрификации модельного ряда своих двигателей, пока не спешит отказываться от ДВС. Открытой является информация, что автомобили с ДВС будут выпускаться не только в ближайшие 5, но и 30 лет.
    Да, время разработок новых ДВС у концерна уже подходит к финальной стадии, но производство никто сворачивать не будет. Нынешние актуальные разработки будут использоваться и впредь. Некоторые же концерны по производству авто и вовсе не спешат переходить на электромоторы. Это можно обосновать и экономически, и технически. Именно ДВС из всех моторов одни из наиболее надежных и при этом дешёвых, а постоянное совершенствование моделей ДВС позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на атмосферу.
  • Современные дизельные двигатели внутреннего сгорания позволяют снизить расход топлива на 25-30 %. Лучше всего такое уменьшение расхода топлива смогли достигнуть производители дизельных ДВС. Но и производители бензиновых двигателей внутреннего сгорания активно удивляют. Ещё в 2012-м году назад американский концерн Transonic Combustion (разработчик так называемых сверхкритических систем впрыска топлива) впечатлил решением TSCiTM.
    Благодаря новому подходу к конструкции топливного насоса и инжекторам, бензиновый двигатель стал существенно экономичней.
  • Большие ставки на ДВС делает и концерн Mazda. Он акцентирует внимание на изменении конструкции выпускной системы. Благодаря ей улучшена продувка газов, повышена степень их сжатия, а, вместе с тем, снижены и обороты  (причём сразу на 15%). А это и экономия расхода топлива, и уменьшение вредных выбросов – несмотря на то, что речь идёт о бензиновом двигателе, а не о дизеле.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

  1. Блок цилиндров. Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.
  2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).
  3. Газораспределительный механизм (ГРМ). Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.

    Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

    Замену ГРМ проводят через каждые 60000 — 90 000 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.

    Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.

  4. Система питания. В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
  5. Система смазки. Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки  выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.
  6. Система охлаждения. Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.
  7. Выхлопная система. Служит для отвода от мотора продуктов сгорания.
    Включает:
    — выпускной коллектор (приёмник отработанных газов),
    — газоотвод (приёмная труба, в народе- «штаны»),
    — резонатор для разделения выхлопных газов и уменьшения их скорости,
    — катализатор (очиститель) выхлопных газов,
    — глушитель (корректирует направление потока газов, гасит шум).
  8. Система зажигания. Входит в состав только бензодвигателей. Неотъемлемые компоненты системы – свечи и катушки зажигания.
    Самый популярный вариант конструкции – «катушка на свече». У двигателей внутреннего сгорания старого поколения также были высоковольтные провода и трамблер (распределитель). Но современные производители моторов, прежде всего, благодаря появлению конструкции «катушка на свече», могут себе позволить не включать в систему эти компоненты.
  9. Система впрыска. Позволяет организовать дозированную подачу топлива.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто. А это одна из важнейших характеристик любого мотора.


Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС. 

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения «Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля», на платформе ELECTUDE. Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

  1. Поршень в цилиндре движется вниз.
  2. Открывается впускной клапан.
  3. В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
  4. Поршень поднимается.
  5. Выпускной клапан закрывается.
  6. Поршень сжимает воздух.
  7. Поршень доходит до верхней мертвой точки.
  8. Срабатывает свеча зажигания.
  9. Открывается выпускной клапан.
  10. Поршень начинает двигаться вверх.
  11. Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно! Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE. 

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.


Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

  1. Такт выпуска.
  2. Такт сжатия воздуха.
  3. Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
  4. Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.


Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

  • Поршень двигается снизу-вверх.
  • В камеру сгорания поступает топливо.
  • Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
  • Возникает компрессия. (давление).
  • Возникает искра.
  • Топливо загорается.
  • Поршень продвигается вниз.
  • Открывается доступ к выпускному коллектору.
  • Из цилиндра выходят продукты сгорания.

То есть первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй — опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Двухтактный принцип работы – распространённое явление для мототехники, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности такие устройства можно сделать очень лёгкими и компактными.

Важно! Кроме количества тактов есть отличия в механизме газообмена.

В моделей, которые поддерживают 4 такта, газораспределительный механизм открывает и закрывает в нужный момент цикла клапаны впуска и выпуска.

У решений, которые поддерживают два такта, заполнение и очистка цилиндра осуществляются синхронно с тактами сжатия и расширения (то есть непосредственно в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки).


Классификация двигателей

Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.

Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла

В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс), выделяют два типа моторов: 

  1. Ориентированные на цикл Отто. Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
  2. Ориентированные на цикл Дизеля. Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.

Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.


А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.

И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.


Классификация двигателей в зависимости от конструкции

  • Поршневой. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
  • Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.

Классификация двигателей по принципу подачи воздуха

Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса:

  1. Атмосферные. При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
  2. Турбокомпрессорные. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.

Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.


Атмосферные системы активно встречаются как среди дизельных, так и бензиновых моделей. Турбокомпрессорные ДВС – в большинстве своём, дизельные двигатели. Это связано с тем, что монтаж турбонаддува предполагает достаточно сложную конструкцию самого ДВС. И на такой шаг готовы пойти чаще всего производители авто премиум-класса, спорткаров. У них установка турбокомпрессора себя оправдывает. Да, такие решения более дорогие, но выигрыш есть в весе, компактности, показателе крутящего момента, уровни токсичности. Более того! Выигрыш есть и в расходе топлива. Его требуется существенно меньше.

Очень часто решения с турбокомпрессором выбирают автовладельцы, которые предпочитают агрессивный стиль езды, высокую скорость.

Преимущества ДВС

  1. Удобство. Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
  2. Высокая скорость заправки двигателя топливом.
  3. Длительный ресурс работы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
  4. Компактность. Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Недостатки ДВС

При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.

Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).

Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.

Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, устройство ДВС

Двигатель внутреннего сгорания — один из ключевых элементов конструкции транспортного средства. Он представляет собой внушительный агрегат, принцип работы двигателя внутреннего сгорания основывается на изменении энергии для действия определенных частей агрегата.

Виды моторов

Существует три вида двигателей, встречаемых в транспортных средствах:

  • поршневой
  • роторно-поршневой
  • газотурбинный

Большой популярностью пользуется первый вариант моторов. На некоторые модели автомобилей устанавливают так поршневые двигатели с четырьмя тактами. Вызвана такая популярность тем, что подобные агрегаты стоят дешевле, имеют небольшой вес и подходят для использования практически во всех машинах вне зависимости от производства.

Если говорить простыми словами, то двигатель автомобиля — это особый механизм, способный изменить энергию тепла, превратив ее в механическую энергию, благодаря чему удается обеспечить работу множества элементов конструкции автомобиля, а также его систем.

Изучить принцип действия мотора не составит труда. Например, поршневые ДВС делятся на двух- и четырехтактные агрегаты. Четырехтактными двигатели называют потому, что в одном рабочем цикле элемента поршень двигается четыре раза (такта). Подробнее о том, что представляют собой такты, написано далее.

Устройство мотора

Прежде, чем разбираться с принципом работы, стоит сначала понять, как устроен силовой агрегат и что входит в его конструкцию. Так как поршневые считаются наиболее востребованными, рассматриваться будет именно такое устройство. К основным деталям следует отнести:

  1. Цилиндры, образующие отдельный блок
  2. Головку блока с ГРМ
  3. Кривошипно-шатунный механизм

Последний приводит в движение коленчатый вал, заставляя его вращаться. Механизм передает валу энергию, получаемую от двигающегося поршня, который в несколько тактов меняет свое положение. Движение поршня регулирует энергия тепла, возникающая в результате горения топлива.

Невозможно представить и организовать движение силового агрегата без установленных в нем механизмов. Так, например, ГРМ меняет положение клапанов, за счет чего удается обеспечить регулярную подачу топлива, впуская и выпуская определенные составы. Система поступления новых газов и выхода отработавших налажена.

Работа двигателя возможна только при одновременной работе всех включенных в конструкцию деталей, механизмов и других элементов. Также вместе с ними должны бесперебойно действовать следующие системы:

  • зажигания, основная роль которой заключается в воспламенении топлива,
  • содержащего также воздух;
  • впускная, регулирующая своевременную подачу воздуха внутрь цилиндра;
  • топливная, благодаря которой удается обеспечить подачу топлива для сгорания и дальнейшей работы транспорта;
  • система смазки, снижающая износ трущихся деталей конструкции во время их работы;
  • выхлопная, посредством действия которой удается удалить отработавшие газы, в результате чего снижается их токсичность.

Также работает система охлаждения, регулирующая температуру внутри агрегата и следящая за тем, чтобы она была оптимальной.

Рабочий цикл ДВС

Основной цикл мотора подразумевает выполнение четырех основных тактов. Именно о них и пойдет речь дальше по тексту.

Первый такт: впуск

Начальный — движение кулачков, которые являются частью конструкции распределительного вала. Они меняют воздействуют на клапан впуска, заставляя его открыться.

Далее, вслед за открывшимся клапаном, с места двигается поршень. Деталь постепенно перемещается из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Воздух внутри цилиндра в связи с уменьшением пространства поршнем становится более разреженным, благодаря чему становится возможным поступление подготовленной рабочей смеси.

После этого поршень начинает действовать на коленвал через шатун, вследствие чего вал поворачивается на 180 градусов. Сам поршень уже достигает своего критического нижнего положения, и на этом моменте начинается второй такт.

Второй такт: сжатие

Он подразумевает дальнейшее сжатие смеси, находящейся внутри цилиндра. Клапан впуска закрывается, и поршень меняет свое направление, двигаясь вверх. Воздух в связи с уменьшением пространства начинает сжиматься, а рабочая смесь — нагреваться. Когда второй такт подходит к концу, в действие приходит система зажигания. Ее основное назначение — подача на свечу заряда электричества для образования искры. Именно эта искра поджигает сжатую смесь из топлива и воздуха, приводя к ее воспламенению.

Отдельно стоит рассмотреть, как зажигается топливо у дизельного ДВС. Как только завершается сжатие, начинает поступать мелкораспыленное дизельное топливо через форсунку внутрь камеры. Впоследствии горючее вещество перемешивается с воздухом внутри, благодаря чему происходит воспламенение.

Что касается карбюраторного двигателя со стандартным топливом, то на втором такте коленчатый вал успевает сделать полный оборот.

Третий такт: рабочий ход

Третий такт называется рабочим ходом. Газы, оставшиеся после сгорания смеси, начинают толкать поршень, перемещая его вниз. Полученная деталью энергия передается коленвалу, и тот снова поворачивается, но уже на половину оборота.

Четвертый такт: выпуск

Четвертый такт — выпуск оставшихся газов. Когда такт только начинается, кулачок меняет положение на этот раз выпускного клапана, открывая его. Это способствует началу движения поршня наверх, вследствие чего из цилиндра начинают выходить отработавшие газы.

Интересно, что на современных моделях транспортных средств ДВС оборудованы не одним цилиндром, а несколькими. Благодаря их слаженной работе обеспечивается более качественная работа мотора и систем машины. При этом в каждом цилиндре единовременно выполняются разные такты. Так, например, в одном цилиндре вовсю идет рабочий ход, а во втором — коленчатый вал еще только совершает оборот. Подобная конструкция также:

  • избавляет от ненужных вибраций;
  • уравновешивает силы, которые действуют на работу коленвала;
  • организует ровную работу мотора.

Ввиду компактности двигатели с несколькими цилиндрами изготавливают не рядными, а V-образными. Также существует форма оппозитных двигателей, которые часто можно встретить на автомобилях производства Subaru. Такое решение позволяет сэкономить много места под капотом.

Как работает двухтактный мотор

Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.

Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.

Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.

Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.

Преимущества и недостатки

Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.

Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.

Также читайте:

Какое моторное масло лучше заливать в двигатель Мерседес

Компрессор Мерседес: Виды компрессоров Плюсы и Минусы

ТОП 5 ЛУЧШИХ и ХУДШИХ МОТОРОВ MERCEDES

Что означает индикатор Check Engine и почему может гореть?

Что такое VIN CODE ? Как расшифровать вин код автомобиля Мерседес

Устройство двигателя внутреннего сгорания простыми словами

Двигатель обеспечивает транспортное средство энергией, которая нужна для его движения. Чаще всего механизм запуска устройства двигателя автомобиля возможен за счёт применения бензина или дизельного топлива.

Простой подбор автозапчастей

Заказать оригинальные запчасти для иномарок в Auto3N можно в два клика. Подберите в быстром и удобном поиске нужные детали, а мы доставим их в любую точку России.

Перейти в каталог

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Схема устройства двигателя.

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.
Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

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 😉

Базовые части двигателя

Чтобы хорошо понимать устройство двигателя автомобиля, важно разбираться, что из себя представляет блок, цилиндр, поршень, поршневые кольца и шатун.

Блок 

Металлическую основу мотора, остов называют блоком. Это корпусная деталь. Именно к блоку крепятся механизмы и отдельные части мотора и его систем.

Иногда можно встретиться с термином «блок», иногда – с терминами «блок двигателя», «блок цилиндров». Всё это одно и тоже.

Блок двигателя берёт на себя серьёзные нагрузки. Поэтому контроль качества при его изготовлении должен быть предельно высок. Огромное внимание уделяется как материалу, так и уровню точности изготовления детали. Для производства используются высокоточные станки.

Раньше блоки изготавливали из перлитного чугуна с легирующими добавками. Популярность чугуна при изготовлении блоков легко объяснима тем, что материал износостоек, стабилен по своим свойствам, малочувствителен к перегреву, адаптивен к ремонту. Сейчас некоторые производители также выпускают блоки из алюминиевого, магниевого сплава. В этом случае есть выигрыш, связанный с весом мотора. Это очень актуально для блоков моторов спорткаров.

Цилиндр 

Рядом с понятием «блок» стоит понятие «цилиндр». Под цилиндром подразумевается цилиндрическое отверстие, высверленное в блоке.  То есть это рабочая камера объёмного вытеснения.

Уплотнение верхней стороны цилиндра обеспечивает головка. Именно в ней находятся: 

  • Клапаны. Обеспечивают (в процессе открытия-закрытия) поступление в цилиндр воздуха, топливовоздушной смеси. Также среди функций клапанов обеспечивают очистку камеры сгорания цилиндра от отработавших (выхлопных) газов. Закрытие клапанов и удержание их в таком состоянии обеспечивают клапанные пружины.
  • Распредвалы (элементы привода клапанов). От них зависит то, как открываются клапаны, сколько времени они находятся в открытом состоянии
  • Механизмы привода клапанов. Функция идентична. И, как видно, из названия – это привод клапанов. Но сами механизмы могут быть разными. Всё зависит от мотора: например, бензиновый, дизельный.

Цилиндр играет роль направляющего для поршня.

Поршень, поршневые кольца и шатун

Цилиндрическая деталь или совокупность деталей, которая преобразует энергию горения топливо в механическую энергию, называется поршнем.

В проточках на боковой поверхности поршня вставлены поршневые кольца. Благодаря им между поршнем и стенкой цилиндра создаётся уплотнение. Задача поршневых колец заключается в создании барьера для перетекания из камеры сгорания в картер коленчатого вала газов.

Среди задач поршня:

  • Оказание силового воздействия на шатун.
  • Отвод тепла от камеры сгорания.
  • Герметизация камеры сгорания.

Подвижное соединение между поршнем и коленчатым валом обеспечивает шатун. Именно шатун передаёт силу движущегося поршня к вращающемуся коленчатому валу.

Коленчатый вал 

Коленчатый вал – это важная составляющая кривошипно-шатунного механизма. Кривошип коленчатого вала создает возвратно-поступательное движение поршня через шатун (подвижный элемент), то есть возвратно-поступательное движение поршня превращается в крутящий момент. Физически коленвал расположен в нижней части двигателя. Снизу коленвал прикрыт картером – самой внушительной неподвижной и полой частью двигателя, закреплённой на блоке сбоку. Визуально картер напоминает поддон.

Конструкция коленчатого вала состоит из несколько шеек (коренных и шатунных). Они соединены щеками, соединенных между собой щеками. Место перехода от шейки к щеке всегда является самым нагруженным у коленвала.

На коленчатый вал приходятся переменные нагрузки от сил давления газов.

Для того, чтобы не возникало осевых перемещений коленчатого вала, используется упорный подшипник скольжения. Он устанавливается на одной из шеек (средней или крайней).

Несколько важных терминов, касающихся устройства двигателя автомобиля

Камера сгорания –замкнутое пространство, где осуществляется воспламенение и горение топливовоздушной смеси. Сверху камера сгорания ограничена нижней поверхностью головки цилиндра, сбоку – стенками цилиндра, снизу –днищем поршня.

Толкатели клапанов, подъёмники –промежуточное звено, необходимое для передачи движения от распределительного вала к остальным частям механизма привода клапанов.

Коромысла (рокеры). Детали двигателя, функции которых заключаются в передаче движения от распределительного вала к клапанам.

Маховик. Деталь, ответственная за обеспечение равномерного вращения коленчатого вала. На цилиндрической устанавливается зубчатый венец. Он помогает провести пуск электростартера.

На схеме представлено расположение основных частей двигателя при рассмотрении его со стороны его задней части. На фланце коленчатого вала видны отверстия под болты, с помощью которых к фланцу крепится маховик с зубчатым венцом, или платина привода гидравлического трансформатора автоматической трансмиссии. Источник: Ford.

Механизмы
  • кривошипно-шатунный механизм;
  • газораспределительный механизм.

История создания автомобиля

Ответить на вопрос о том, кто же создал первый автомобиль, сложно. Было множество разработок и чертежей, некоторые из ученых не заявляли о своем изобретении. Первые прототипы машин появились в конце XVIII века и были совсем не похожи на те агрегаты, которые сейчас колесят по дорогам общего пользования. Это были несуразные аппараты с очень странным внешним видом.

Первые машины начали набирать популярность в конце XVIII века, в то время наблюдался рост развития паровых двигателей, их мощности хватало для перевозки людей. Затем в 1806 появились самоходные аппараты, работающие на двигателе внутреннего сгорания. Привычные нам машины, работающие на бензиновом ДВС, появились только к концу XIX века: в 1885 году первый автомобиль изобрел Карл Бенц . Электромобили хоть и были, но популярными не стали. Они исчезли из поля зрения вплоть до XX века. Сейчас, когда возникала потребность в транспорте, работающем на альтернативных видах топлива, электромобили снова набирают популярность.


Трехколесный агрегат, разработанный Карлом Бенцом

Что такое ДВС в автомобиле, расшифровка кратко

По дорогам мира перемещаются миллионы автомобилей, автобусов и грузовиков. Такое развитие транспорта было бы невозможным без ДВС – главной движущей силы всех современных машин. Расшифровка аббревиатуры ДВС несложная – двигатель внутреннего сгорания.
Что такое ДВС в автомобиле, что в нем горит и почему внутри – поясняем кратко. Паровой котел – это двигатель внешнего сгорания: дрова, уголь или мазут горят, подогревая воду, которая превращается в пар, который толкает поршни. Получается длинный и неэффективный цикл. Принципиальное отличие ДВС в том, что топливо сгорает внутри цилиндров, передавая энергию непосредственно поршням и валу, эффективность преобразования существенно выше. Кроме этого ДВС занимают немного места, мало весят, экономичны, работают на разнообразных видах топлива.

Краткое содержание статьи

1.Типы ДВС;

2. Как устроен ДВС автомобиля;

3. Как работает ДВС, описание, анимация;

4. Ремонт ДВС, стоимость.

Блок цилиндров

Представляет собой цельноотлитую деталь, объединяющей цилиндры двигателя. На нем располагаются опорные поверхности для установки коленчатого вала, а к верхней части, как правило, крепится головка блока цилиндров.

Цилиндры в блоке делаются либо отлитыми заедино с блоком, либо представляют собой отдельные сменные втулки.

Также, блок отрабатывает еще, не менее важную, функцию — по отверстия в блоке под давлением подается масло для смазки.

Внутренние стенки цилиндров служат направляющими для поршней во время их перемещения.

Масляный фильтр

Долгая работа автомобиля невозможна без качественного функционирования масляного фильтра. Именно он подает масло к деталям автомобиля, а оно, в свою очередь, обеспечивает их эффективную работу и защищает от перегрева.

Еще одно значение масляного фильтра в том, что он помогает вывести вредные компоненты, которые образуются в результате технического износа.

Маслофильтр – важный структурный компонент любого авто, он позволяет продлить ресурс двигателя. Если же владелец машины пренебрегает заливкой масла или не заботится о его своевременной замене, то может очень быстро столкнуться с проблемой поломки двигателя.

Приводной ремень

Это еще один важный компонент, от которого напрямую зависит работа автомобильного двигателя. Отвечает за систему охлаждения, приводя в движение вентиляторы, которые защищают радиатор автомобиля от перегрева.

Приводной ремень требует особого внимания со стороны автомобилиста, поскольку при его неисправностях автомобиль не сможет двигаться.

Поршень

Цилиндрическая деталь, которая совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.

Поршень состоит из: днища, уплотняющей части, направляющей части (юбка).

Форма днища зависит от возложенных на поршень задач. Вогнутое днище позволяет создать более рациональную камеру сгорания. Выгнутое — делает поршень прочнее, но уменьшается рациональность камеры сгорания.

Днище с уплотняющей частью образуют головку поршня. В уплотняющей части располагаются маслосъемные и компрессионные кольца.

Юбка поршня служит для направления движения в цилиндре.

Прокладки

Прокладки в автомобиле служат в основном для обеспечения плотного соединения отдельных деталей, а также помогают удерживать некоторые виды жидкостей (например, охлаждающую жидкость или моторное масло).

Также они проявляют противодействие при избыточном давлении в камере сгорания. Поэтому при выборе прокладок всегда стоит учитывать их целевое назначение, поскольку они отличаются по размерам, форме и видам материалов.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного (моновпрыск), и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно-рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ), управляющего электрическими бензиновыми форсунками.

Коленчатый вал

Деталь сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент.

Коленчатый вал имеет сложную форму и выполняется из сталей или чугунов.

Сальники

Конструктивно это уплотнительное кольцо, используемое в автомобиле для закрытия зазоров. От сальника зависит подача масла и других технических жидкостей в двигательные компоненты машины.

Поэтому при несвоевременной замене сальников или их протекании возможны проблемы с работой всех подвижных узлов.

Маховик

Маховик — зубчатое колесо, предназначенное для: запуска двигателя, соединения двигателя с трансмиссией, передачи крутящего момента с двигателя на коробку передач и стабилизирует работу коленчатого вала.

Электрооборудование

Обеспечивает это оборудование электроэнергией бортовую сеть авто, в том числе и систему зажигания. Этим оборудование также производится и запуск двигателя. Состоит оно из АКБ, генератора, стартера, проводки, всевозможных датчиков, которые следят за работой и состоянием двигателя.

Это и все устройство двигателя внутреннего сгорания. Он хоть и постоянно совершенствуется, однако принцип работы его не меняется, улучшаются лишь отдельные узлы и механизмы.

Автомобили с паровым двигателем

Паровой двигатель — первый агрегат, используемый в автомобилестроении. Автомобили с привычными нам моторами начали производить в конце ХIX века. В России самоходные установки, оснащенные паровыми агрегатами, были изобретены только в начале XIX века.

Первая машина, оснащенная паровым двигателем, была очень популярна. Ее изобрел француз Кюньо в 1769 году. Автомобиль получил название «малая телега Кюньо». Его максимальная скорость составляла всего 4,4 км/ч, а запас хода был всего 1км.


Малая телега Конью была оснащена паровым двигателем
Позже были разработаны такие модели, как «Реверанс» и «Мансель». Их максимальная скорость перевалила за отметку в 30км/ч. Время работы на одном баке было увеличено. Такими автомобилями управляли двое: управляющий рулем назывался водителем, а того, кто топил котел, называли шофером.

После появления двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, инженеры пытались продвинуть паровые установки. Удалось уменьшить время запуска двигателя, а также поднять его мощность. До 1940 года автомобили, оснащенные паровым двигателем, выпускались заводами США и Европы. Это были микроавтобусы и грузовики, отличающиеся низким уровнем шума и высокой плавностью хода.

Что такое газотурбинные двигатели, почему они не прижились в обычных машинах и как их будут использовать в гибридах

На проходящем в Женеве автосалоне сразу два автопроизводителя представили концептуальные машины с гибридными силовыми установками, в которых батареи заряжаются миниатюрными газотурбинными двигателями. Обе машины, к слову, китайские. Это седан Hybrid Kinetic H600 с элегантным дизайном от Pininfarina и суперкар Techrules Ren с футуристичной внешностью работы Джорджетто Джуджаро.

Не надо думать, что в данном техническом направлении трудятся лишь китайцы. Несколько лет назад никто иной как Jaguar показал гибридный концепт C-X75 с теми же микротурбинами. Так что же это за технология?

Газотурбинные двигатели впервые нашли серийное применение в конце Второй мировой войны, но… в авиации, на немецких истребителях Messerschmitt. В последующие 20 лет они фактически полностью вытеснили поршневые ДВС в военной и гражданской авиации, в прямом смысле спустив их с небес на землю. Моторы отечественных Ту и Superjet, европейских Airbus и американских Boeing — все это газотурбинные двигатели.

Их принцип действия прост. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под давлением подаются на лопасти турбины, турбина вращается. На одном валу с турбиной расположены лопасти компрессора, который, будучи приводим в движение от турбины, нагнетает воздух в камеру сгорания.

Газотурбинный двигатель

В авиации на том же валу спереди может располагаться винт (как, например, на самолетах Ан-24), а может более мощный компрессор, который прогоняет воздух через весь двигатель, создавая воздушную струю и тягу для самолета. При этом к валу газотурбинного двигателя можно прицепить не только винт или тяговый компрессор, но и что-то другое. Например, электрогенератор или коробку передач, а через нее соединить такой мотор с колесами автомобиля.

Как видите, все выглядит гораздо проще, чем в поршневом ДВС. Так и есть — проще. Меньше деталей, меньше трущихся частей — это одно из преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество — это высокая удельная мощность. Иными словами при равной отдаче газотурбинные моторы в несколько раз легче и компактнее поршневых. Именно этот факт определил их доминирование в авиастроении.

Есть, однако, и существенные недостатки. Именно с ними столкнулись автомобильные конструкторы при попытке установить такой мотор под капот автомобиля. Попыток было много: в США, в Европе и даже в СССР — наши инженеры, в частности, экспериментировали с автобусами.

Выяснилось, что такой мотор потребляет очень много топлива в переходных режимах: на холостом ходу и при наборе скорости. Конструкцию попытались усложнить, применив не один вал, а два: на первом располагался компрессор и малая турбина, которой хватало для вращения компрессора и обеспечения холостого хода. А на втором — основная турбина и отбор мощности на автоматическую коробку передач. На холостом ходу газы на вторую турбину не подавались. А при старте с места открывались заслонки, поток газа направлялся на лопасти тяговой турбины и машина ехала. Такая конструкция, к слову, позволила отказаться от механизма сцепления или гидротрансформатора — поскольку два вала не имели механической связи друг с другом автомобиль не мог заглохнуть.

Techrules Ren

Тем ни менее, расход топлива все равно был выше, чем у поршневых двигателей во всех режимах кроме равномерного движения по трассе. Всплыли и другие недостатки, но о них — позже.

Так или иначе, где-то с 70-х годов XX века от идеи отказались. До тех пор, пока не началась нынешняя гибридно-электрическая революция.

Дело было в далеком 2011 году. Компания Opel тогда пригласила журналистов из России в Нидерланды на тест-драйв подзаряжаемого гибрида Ampera (он же Chevrolet Volt), который в General Motors почему-то называли электрокаром.

После поездки у журналистов, в том числе у меня, накопилось много вопросов относительно устройства машины. Отвечать на них пришлось тогдашнему главе электрического подразделения Opel Кристиану Кунстману. Меня интересовало в частности, почему конструкторы выбрали в качестве ДВС для гибрида наиболее архаичный и неэффективный бензиновый атмосферный мотор объемом 1,4 литра.

Jaguar C-X75

Поскольку концепт Jaguar C-X75 тогда уже представили, я спросил у доктора Кунстмана, что он думает насчет того, чтобы установить под капот Opel Ampera микротурбину вместо поршневого ДВС. Ответ меня удивил.

«Это был бы лучший вариант», — признался инженер. «Однако главная проблема заключается в том, что у нас нет таких двигателей. Для их производства пришлось бы полностью перестроить все заводы. Это огромные инвестиции. Но если бы нам пришлось строить моторный завод с нуля, то мы бы крепко задумались над тем, какие двигатели для гибридов там выпускать — поршневые или газотурбинные».

Действительно, если микротурбина не связана ни с колесами, ни с коробкой передач, а лишь вращает генератор, работая в режиме постоянной тяги — значит все проблемы с высоким расходом топлива в переходных режимах отпадают сами собой? Все так. Вот почему китайцы, у которых в отличие от Opel нет заводов поршневых двигателей, и строить предстоит с нуля, сейчас уцепились за эту идею. Увы, расход топлива — не единственный недостаток.

Первый нерешенный минус газотурбинного двигателя — очень высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. В авиации с этим борются за счет использования дорогих термостойких сплавов, но в массовом автомобилестроении это не применимо из-за высокой стоимости.

Hybrid Kinetic H600

Решить проблему еще в 50-е годы пытались за счет теплообменников, которые нагревают входящий воздух и охлаждают газы, выходящие из камеры сгорания. Это повышает КПД и бережет турбину, но заметно усложняет конструкцию двигателя. И китайцам надо иметь это в виду.

Есть и другие сложности. В частности, газотурбинным моторам надо значительно больше воздуха, чем поршневым двигателям. Причем воздуха чистого. У самолетов нет с этим проблем. А у машин — есть. Необходимые воздушные фильтры достигают такого размера, что преимущество микротурбин компактности полностью сводится на нет.

Вы, возможно, в курсе, что газотурбинные моторы пробовали применять на серийных танках: советском Т80 и американском «Абрамсе». Военных привлекло сочетание мощности и компактности мотора. Увы, простые танкисты жаловались на необходимость постоянно чистить огромные воздушные фильтры. И на колоссальный расход топлива — тоже.

Наконец, последний недостаток — токсичность. Опять же, это следствие повышенного расхода топлива в промежуточных режимах. Создатели концептов Techrules и особенно Hybrid Kinetic H600 уверяют, что их микротурбины экологичнее поршневых ДВС. Но точных данных пока не приводят.

В любом случае, все показанные гибридные автомобили, использующие подобную технологию — пока лишь концепты и их серийное будущее покрыто туманом. Но согласитесь, звучит заманчиво!

Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания характеризуется следующими признаками:

  • принципиально проще (нет парокотельного агрегата),

  • компактнее,

  • легче,

  • экономичнее,

  • требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества.

Типы двигателей внутреннего сгорания


По назначению:

  • транспортные, 

  • стационарные, 

  • специальные.

По роду применяемого топлива:

  • легкие жидкие (бензин, газ), 

  • тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

По способу образования горючей смеси:

  • внешнее (карбюратор),

  • внутреннее (в цилиндре ДВС).

По способу воспламенения:

  • с принудительным зажиганием, 

  • с воспламенением от сжатия, 

  • калоризаторные.

По расположению цилиндров:

  • рядные, 

  • вертикальные, 

  • оппозитные с одним и с двумя коленвалами, 

  • V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, 

  • VR-образные и W-образные, 

  • однорядные и двухрядные звездообразные, 

  • Н-образные, 

  • двухрядные с параллельными коленвалами, 

  • «двойной веер», 

  • ромбовидные, 

  • трехлучевые и др.

Поршневой двигатель — это двигатель, у которого камера сгорания находится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, а механическая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Бензиновый двигатель — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. 

Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. 

В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. 

В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. 

Т.к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Газовый двигатель — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях

Роторно-поршневой двигатель — двигатель, конструкция которого предложена изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. 

Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. 

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. 

За 1 оборот двигатель выполняет 3 полных рабочих цикла, что эквивалентно работе 6-цилиндрового поршневого двигателя.

Переменная степень сжатия простыми словами

02.09.2019, Просмотров: 320

Двигатели внутреннего сгорания постоянно совершенствуются. Появляются новые конструктивные особенности, внедряются новые технологии, приводящие к одному итогу — при минимальном объеме — максимально возможная мощность. За последние 10 лет автопроизводители активно внедряют турбину, фазовращатели, высокоточный прямой впуск, коллектора с изменяемой геометрией, и другие решения, направленные на экологичность и экономичность.

За эти же года констуркторы пытались выпустить двигатели без коленвала и шатунов, а также без распредвала. Такого рода разработки еще в стадии проектирования, однако есть одна интересная вещь, которую удалось внедрить в такие автомобили, как Infinity, Toyota и Saab — двигатель с изменяемой степенью сжатия.

Теория

Перед тем, как я расскажу о переменной степени сжатия, вкратце расскажу о том, что представляет собой сама по себе степень сжатия. Степенью сжатия называют отношения объема цилиндра к объему камеры сгорания. Простыми словами: замеряется объем цилиндра от верхнего края к нижнему, а также замеряется объем камеры сгорания, когда поршень находится в верхней мертвой точке, где дно поршня это нижний край камеры, а верхний край — поверхность ГБЦ.

Для чего нужна переменная степень сжатия

Среди бензиновых моторов степень сжатия варьируется от 8:1 до 14:1, для дизельных же 18:1-24:1. Степень сжатия рассчитывается конструкторами и фиксируется ими же. Для расчета степени сжатия берутся в учет такие моменты, как: октановое число топлива и наличие турбины.

Также степень сжатия указывает на то, как сильно будет сжиматься топливно-воздушная смесь в камере сгорания. Чем лучше сжимается смесь — тем лучше отдача в мощности. У высокой степени сжатия есть преимущество в виде хорошей мощности и топливной экономичности, и недостаток, в виде риска детонации. Смесь должна воспламеняться от свечи зажигания, а не взрываться, а при высокой степени сжатия вероятность такого “взрыва” явно высока. Результатом детонации является разрушение поршня, образование трещин в гильзах. Чтобы найти ту самую золотую середину, была придумана система переменной степени сжатия.

Теория работы системы

Возможность, по ходу работы силового агрегата, изменять степень сжатия, позволила повысить мощность и снизить расход топлива. Такая система дает возможность топливно-воздушной смеси сгорать в наилучших условиях. То есть, двигатель становится максимально гибким к различным условиям работы. Если двигатель работает в режиме постоянной скорости, либо, практически, без нагрузки, то в цилиндры агрегата подается бедная смесь, а значит для эффективного сгорания требуется высокая степень сжатия. Тем самым мы получаем невероятный коэффициент полезного действия, при бедной смеси. При высоких нагрузках топливно-воздушная смесь обогащается, чтобы обеспечить максимальную мощность. Следовательно, в данный режим работы ДВС, нужна низкая степень сжатия, позволяющая избежать детонации. Кстати, в обычных моторах, чтобы избежать возникновение детонации, был внедрен угол опережения зажигания, который подвигает угол назад, но в предотвращением детонации снижается мощность.

Схема переменной степени сжатия интересна тем, что при показателях, что 8:1, что 14:1, мощность двигателя и крутящий момент не меняется.

Так как такой мотор проектировало несколько компаний, это позволило внедрить несколько способов изменять размер камеры сгорания. Например, в одном из таковых, конструкция шатунов позволяет поднять поршень и т.д. Первая попытка создать такой мотор не увенчалась успехом, так как уменьшить камеру сгорания помогал второй внедренный поршень, однако такая конструкция крайне сложна, а сгорание топливно-воздушной смеси не поддавалось контролю, то есть было хаотичным. Вторая попытка была в виде поршней с подъемом. Но это значительно увеличивало вес поршней, а также не представлялось возможным реализовать управление подъемом верхней части поршня, относительно нижней. Следующие попытки коснулись кривошипно-шатунного механизма, и как оказалось — он успешны и удачно внедрены в режим эксплуатации.

Конструкция изменения степени сжатия выглядит следующим образом: опорные шейки коленчатого вала помещаются в специальные эксцентрики, а они, в свою очередь, через шестерню связаны с электродвигателем. При повороте эксцентрика, шатун поднимается или опускается.

Кстати, у Volkswagen был такой мотор на базе 1.8 литрового агрегата TSI. Конструкция была удачно протестирована, она оказалась надежной, но в серию мотор так и не пошел.

Saab также решились на проектировании такого мотора, но пошли индивидуальным путем. Здесь за изменение размера камеры сгорания отвечает головка блока цилиндров. ГБЦ, когда это нужно, немного сдвигается. Это был бензиновый агрегат 1.6 литра 20v. Мощность такого турбированного мотора составила 220 “лошадей”, а крутящий момент немного выше 300 Н*м. А вот работать двигатель мог как от 76 бензина, так и на А-100.

Позволило сдвинуть головку блока цилиндров шарнир между блоком и ГБЦ. С одной стороны механизм механический, с другой — оснащен электромотором. К сожалению, серийным мотором не стал, так как оказался абсолютно “сырым”. Французы не остались в стороне, и также предложили свой вариант. Это был полуторалитровый бензиновый турбоагрегат, мощность которого составила 225 л.с, а крутящий момент 420 Н*м. При этом, степень сжатия варьируется от 7:1 до 18:1. Этот агрегат с разделенным шатуном, где его нижняя часть оснащена коромыслом, а крепится шатун к коленвалу при помощи зубчатой планки-рейки. К коромыслу с другой стороны подходила рейка поршня, реализующая управление. Регулировка высоты шатуна здесь определяется давлением масла.

Как видите, изменяемый объем камеры сгорания, уже завтра становится реальностью. Сейчас эта конструкция в стадии зародыша модернизируется, чтобы не терялся ресурс силового агрегата. КПД такого мотора невероятный, особенно если он турбированный, с непосредственным впрыском, изменяемыми фазами ГРМ и коллектора. В сумме при малом объеме двигателя, выдается мощность, как у V-образного 8-цилиндрового агрегата, выпуска конца 90-х годов.

Есть шансы увидеть такие автомобили 2020 году, и это станет началом эпохи нвх моторов.

Почему двигатель ест масло — простыми словами

Далеко не все автомобилисты (особенно женщины) знают о том, что уровень масла в их машине постепенно уменьшается. Существует несколько причин, из-за которых такое происходит с маслом. В этой небольшой статье рассмотрим основные причины жора масла двигателем внутреннего сгорания.

1. Сгорание масла из-за износа поршней и блока цилиндров
Стенки блока цилиндров (фото ниже) имеют не зеркально гладкую поверхность, как думают некоторые, а шероховатую, с направленными ручейками. Они служат для сдерживания остатков масла при движении поршня. Такая специальная шероховатость называется Хон. Если бы хона не было, а стенки цилиндра были бы гладкими, как зеркало, масло на них бы не оставалось, и из-за этого поршню было бы тяжелее двигаться. А так масло задерживается в этих канавках, и сила трения уменьшается. НО, однако…
Масло в этой ситуации оказывается в части цилиндра, в котором происходит воспламенение. И остатки масла в этих канавках сгорают вместе с поступившей смесью (бензином и воздухом).

Причем чем больше у двигателя пробег, тем больше зазор между поршнем (а на поршне имеются специальные маслосъёмные кольца, которые со временем стираются) и стенкой цилиндра. Из-за большего зазора на стенке остается больше масла. И именно из-за этого периодически приходится доливать масло в движок. Износ поршней (колец) и блока цилиндра является основной причиной расхода масла.

2. Сгорание масла из-за старых/треснувших/затвердевших уплотнителей клапанов
Уплотнительные резинки на клапанах называются маслосъемные колпачки и служат по аналогии с маслосъёмными кольцами для сдерживания масла при движении клапана. На фотографии ниже показано расположение маслосъёмных колпачков в головке блока двигателя и сами маленькие колпачки. Их резиновая часть, прилегающая к клапану, со временем из-за старения резины, трения и большой температуры изнашивается.

В результате масло начинает хуже удерживаться и проникать в ту же самую камеру сгорания, где и горит вместе с бензином.
Износ МСК (маслосъемных колпачков) стоит на втором месте по количеству угораемого масла. Однако, на практике, на большинстве моторов сначала изнашиваются именно колпачки, а уже потом стираются поршни (кольца) и блок цилиндров (но не обязательно всегда так).

3. Сгорание масла из-за его неправильно подбора
На нашем сайте уже рассматривался вопрос выбора масла для двигателя.
С описанием характеристик масла желательно ознакомиться, чтобы подобрать правильное масло для своей машинки. Для каждой машины и ее конкретного владельца подбирается конкретный тип моторного масла.
Масло может расходоваться из-за неподходящей вязкости. Вполне логично, что если двигатель рассчитан на густое масло, а автовладелец зальет совсем жидкое, оно будет, во-первых, хуже смазывать механизмы, а, во-вторых, будет в бОльших количествах просачиваться через маслосъёмные колпачки и зазор между поршнем и стенкой цилиндра (даже при новом и полностью исправном двигателе).

На фото выше отлично видно, как масла с разными характеристиками стекают при минусовой температуре.
Например, если говорить о выборе масла, для Москвы круглый год можно лить масло 5w30-10w40 в обычные малолитражные двигатели обычных городских машин типа Lancer’a, Приоры и т.д.

4. Вытекание масла из двигателя
Четвертая, самая банальная причина расхода масла — просто его вытекание через уплотнительные прокладки. Например, через прокладку поддона картера, через незакрученную пробку слива масла, через сальники коленвала и распредваа и т.д.
Конечно, из очень замученного двигателя, который проехал не одну сотню километров без обслуживания, может литься масло. Но на практике какого-то заметного уменьшения объёма масла из-за плохих резиновых уплотнителей в двигателе не бывает. Конечно, уровень масла незначительно уменьшается, но не так сильно, как при перечисленных выше причинах.

Основы двигателя внутреннего сгорания

| Министерство энергетики

Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, от них в Соединенных Штатах полагаются более 250 миллионов транспортных средств по шоссе. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для повышения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал.В конечном счете, это движение приводит в движение колеса автомобиля через систему шестерен трансмиссии.

В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, а это означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня. Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.

Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

Улучшение двигателей внутреннего сгорания

За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС определенных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. .Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.

Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.

двигатель внутреннего сгорания | Определение и факты

Двигатель внутреннего сгорания , любое устройство из группы устройств, в котором реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания служат рабочими жидкостями двигателя.Такой двигатель получает энергию за счет тепла, выделяемого при сгорании непрореагировавших рабочих жидкостей, топливно-окислительной смеси. Этот процесс происходит внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства. Полезная работа, создаваемая двигателем внутреннего сгорания (ВС), является результатом воздействия горячих газообразных продуктов сгорания на движущиеся поверхности двигателя, такие как поверхность поршня, лопатка турбины или сопло.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее широко применяемыми и широко используемыми энергогенерирующими устройствами из существующих в настоящее время. Примеры включают бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.

автомобильный плуг

Железный колесный «Фордсон» Генри Форда был представлен в 1907 году и приводился в движение двигателем внутреннего сгорания.

© Everett Historical / Shutterstock.com

Двигатели внутреннего сгорания делятся на две группы: двигатели непрерывного сгорания и двигатели периодического сгорания.Двигатель непрерывного сгорания характеризуется постоянным поступлением топлива и окислителя в двигатель. Внутри двигателя (например, реактивного двигателя) поддерживается стабильное пламя. Двигатель прерывистого сгорания характеризуется периодическим воспламенением воздуха и топлива и обычно называется поршневым двигателем. Дискретные объемы воздуха и топлива обрабатываются циклически. Бензиновые поршневые двигатели и дизельные двигатели являются примерами этой второй группы.

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.

Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на ряд термодинамических явлений. В двигателе непрерывного сгорания термодинамические явления происходят одновременно, поскольку окислитель, топливо и продукты сгорания постоянно проходят через двигатель. Напротив, в двигателе прерывистого сгорания события происходят последовательно и повторяются для каждого полного цикла.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

За исключением ракет (как твердотопливных ракетных двигателей, так и жидкостных ракетных двигателей), двигатели внутреннего сгорания заглатывают воздух, затем либо сжимают воздух и подают топливо в воздух, либо подают топливо и сжимают топливно-воздушную смесь. Затем, как и во всех двигателях внутреннего сгорания, сжигается топливно-воздушная смесь, работа извлекается из расширения горячих газообразных продуктов сгорания, и в конечном итоге продукты сгорания выбрасываются через выхлопную систему.Их работа может отличаться от работы двигателей внешнего сгорания (например, паровых двигателей), в которых рабочая жидкость не вступает в химическую реакцию, а выигрыш энергии достигается исключительно за счет передачи тепла рабочему телу посредством теплообменника.

Пневматические двигатели

Часть воздуха, забираемого ТРДД (вверху), поступает в компрессор; остальное обходит главный двигатель. В турбовинтовых двигателях (внизу) горячие газы приводят в действие турбину, которая приводит в действие компрессор и воздушный винт и обеспечивает реактивную тягу.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный бензиновый двигатель с однородным зарядом и искровым зажиганием. Это связано с его выдающимися характеристиками в качестве основного двигателя в отрасли наземного транспорта. Двигатели с искровым зажиганием также используются в авиационной промышленности; однако авиационные газовые турбины стали основным двигателем в этом секторе из-за того, что авиационная промышленность делает упор на дальность полета, скорость и комфорт пассажиров.Сфера двигателей внутреннего сгорания также включает такие экзотические устройства, как сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), такие как те, которые предлагаются для гиперзвуковых самолетов, и сложные ракетные двигатели и двигатели, такие как те, что используются на космических челноках США и других космических транспортных средствах.

Двигатель внутреннего сгорания — энергетическое образование

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах.Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (Рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем внутреннего сгорания прерывистого действия , тогда как двигатель, использующий турбину , называется двигателем непрерывного действия .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная
Рисунок 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Топливо загорается (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и диоксид углерода. Могут быть загрязнители, а также окись углерода от неполного сгорания.

Двухтактный двигатель

главная
Рисунок 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. 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 содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

на главную
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора — создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. ↑ 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons «, Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Вот как работает двигатель вашего автомобиля

Для большинства людей автомобиль — это вещь, которую они заправляют бензином, который перемещает их из точки А в точку Б.Но задумывались ли вы когда-нибудь: как на самом деле так делает ? Что заставляет его двигаться? Если вы еще не выбрали электромобиль в качестве повседневного водителя, магия в том, как сводится к двигателю внутреннего сгорания — той штуке, которая шумит под капотом. Но как именно работает двигатель?

В частности, двигатель внутреннего сгорания является тепловым двигателем в том смысле, что он преобразует энергию тепла горящего бензина в механическую работу или крутящий момент. Этот крутящий момент применяется к колесам, чтобы заставить машину двигаться.И если вы не водите старинный двухтактный Saab (который звучит как старая бензопила и изрыгает масляный дым из выхлопных газов), ваш двигатель работает по одним и тем же основным принципам, независимо от того, управляете ли вы Ford или Ferrari.

Двигатели имеют поршни, которые перемещаются вверх и вниз внутри металлических трубок, называемых цилиндрами. Представьте, что вы едете на велосипеде: ваши ноги двигаются вверх и вниз, чтобы крутить педали. Поршни соединены стержнями (они как ваши голени) с коленчатым валом, и они перемещаются вверх и вниз, чтобы вращать коленчатый вал двигателя, так же, как ваши ноги вращают велосипед, который, в свою очередь, приводит в действие ведущее колесо велосипеда или ведущие колеса автомобиля. .В зависимости от автомобиля в двигателе обычно бывает от двух до 12 цилиндров, в каждом из которых поршень перемещается вверх и вниз.

Откуда исходит мощность двигателя

Эти поршни движутся вверх и вниз тысячи крошечных контролируемых взрывов, происходящих каждую минуту, создаваемых смешиванием топлива с кислородом и воспламенением смеси. Каждый раз, когда топливо воспламеняется, называется тактом сгорания или силовым ходом. Тепло и расширяющиеся газы от этого мини-взрыва толкают поршень вниз в цилиндре.

Почти все современные двигатели внутреннего сгорания (для простоты, мы сосредоточимся здесь на бензиновых силовых установках) относятся к четырехтактным. Помимо такта сгорания, который толкает поршень вниз от верхней части цилиндра, есть еще три хода: впуск, сжатие и выпуск.

Двигателям необходим воздух (а именно кислород) для сжигания топлива. Во время такта впуска клапаны открываются, позволяя поршню действовать как шприц, когда он движется вниз, втягивая окружающий воздух через систему впуска двигателя.Когда поршень достигает нижней точки своего хода, впускные клапаны закрываются, эффективно уплотняя цилиндр для такта сжатия, который проходит в направлении, противоположном такту впуска. Движение поршня вверх сжимает всасываемый заряд.

Четыре такта четырехтактного двигателя

Getty Images

В самых современных двигателях бензин впрыскивается непосредственно в цилиндры в верхней части такта сжатия.(Другие двигатели предварительно смешивают воздух и топливо во время такта впуска.) В любом случае, непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней точки своего хода, известной как верхняя мертвая точка, свечи зажигания воспламеняют смесь воздуха и топлива.

Возникающее в результате расширение горячих горящих газов толкает поршень в противоположном направлении (вниз) во время такта сгорания. Это ход, при котором колеса вашего автомобиля крутятся, как когда вы нажимаете на педали велосипеда. Когда такт сгорания достигает нижней мертвой точки, выпускные клапаны открываются, позволяя газам сгорания откачиваться из двигателя (как шприц, выталкивающий воздух), когда поршень снова поднимается.Когда выхлоп выходит — он проходит через выхлопную систему автомобиля перед выходом из задней части автомобиля — выхлопные клапаны закрываются в верхней мертвой точке, и весь процесс начинается снова.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

В многоцилиндровом автомобильном двигателе циклы отдельных цилиндров смещены друг от друга и равномерно распределены, так что такты сгорания не происходят одновременно, а двигатель является максимально сбалансированным и плавным.

Getty Images

Но не все двигатели одинаковы. Они бывают разных форм и размеров. В большинстве автомобильных двигателей цилиндры расположены по прямой линии, например, в рядном четырехцилиндровом двигателе, или объединены два ряда рядных цилиндров в виде V-образной формы, как в V-6 или V-8. Двигатели также классифицируются по размеру или рабочему объему, который представляет собой совокупный объем цилиндров двигателя.

Различные типы двигателей

Конечно, существуют исключения и незначительные различия среди двигателей внутреннего сгорания, представленных на рынке.Например, двигатели с циклом Аткинсона изменяют фазы газораспределения, чтобы сделать двигатель более эффективным, но менее мощным. Турбонаддув и наддув, сгруппированные вместе с опциями принудительной индукции, нагнетают дополнительный воздух в двигатель, что увеличивает доступный кислород и, следовательно, количество топлива, которое может быть сожжено, что приводит к увеличению мощности, когда вы этого хотите, и большей эффективности, когда вы надеваете не нужна сила. Все это дизельные двигатели обходятся без свечей зажигания. Но независимо от двигателя, если он относится к типу двигателей внутреннего сгорания, основы его работы остаются неизменными.И теперь вы их знаете.

Пора провести весеннюю уборку? Попробуйте продукты Meguiar, которые мы используем в нашем автопарке

Средство для мытья рук и воск Meguiar’s Ultimate

Ultimate Quik Detailer от Meguiar

Полотенце из микрофибры Meguiar’s Water Magnet

Детальщик интерьера Meguiar’s Ultimate

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Будущее двигателей внутреннего сгорания

Карлос Гон, генеральный директор Nissan и Renault, заявил, что к 2020 году на автомобили с батарейным питанием будет приходиться 10 процентов мировых продаж новых автомобилей. Г-н Гон, конечно, планирует представить как минимум четыре электромобиля в следующем году. три года.Однако независимые аналитики, такие как Тим Уркхарт из IHS Global Insight, полагают, что в 2020 году автомобили с батарейным питанием будут составлять менее одного процента от общего числа новых автомобилей.

Дело в том, что электромобили сегодня непомерно дороги — одна батарея в электромобиле может стоить 20 000 долларов — и останется таковой в течение некоторого времени. Более того, электромобили не зарекомендовали себя в реальных условиях. Если автопроизводители сделают ставку на эту технологию в своем будущем, они сделают это очень постепенно.Даже с оптимистической точки зрения Гона, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут установлены в 90% автомобилей 2020 года. Коэй Сага, руководитель передовых технологий Toyota (включая электромобили), идет дальше: «На мой взгляд, я думаю, что мы никогда не откажемся от двигателя внутреннего сгорания».

Но они не будут теми же двигателями внутреннего сгорания, которые используются сегодня в транспортных средствах. Поскольку федеральные стандарты экономии топлива ужесточатся на 35 процентов в течение следующих пяти лет, эффективность ИС должна резко повыситься — в противном случае мы все будем вынуждены использовать экономичные боксы.

Поговорив с ключевыми инженерами по силовым агрегатам и некоторыми независимыми изобретателями, мы изучили некоторые технологии, которые могут повысить эффективность.

Распыление топлива непосредственно в камеры сгорания бензинового двигателя вместо его впускных отверстий — не новая идея — ее использовал немецкий истребитель ME109 времен Второй мировой войны. Mitsubishi Galant на японском рынке был первым автомобилем, в котором в 1996 году был совмещен прямой впрыск с инжекторами с компьютерным управлением.Прямой впрыск (DI) стоит дороже, чем впрыск через порт, потому что топливо распыляется под давлением 1500–3000 фунтов на квадратный дюйм, а не 50–100 фунтов на квадратный дюйм, а форсунки должны выдерживать давление и высокую температуру сгорания.

Но у DI есть ключевое преимущество: за счет впрыска топлива непосредственно в цилиндр во время такта сжатия охлаждающий эффект испаряющегося топлива не исчезает до того, как загорится свеча зажигания. В результате двигатель становится более устойчивым к детонации — преждевременному и почти взрывному сгоранию топлива, производящему стук и удару поршней под действием давления и тепла — и, следовательно, может работать с более высокой степенью сжатия — примерно 12: 1. вместо 10.5: 1. Одно это улучшает экономию топлива на два-три процента.

И DI также предлагает возможность сгорания обедненной смеси, потому что топливная струя может быть ориентирована так, чтобы всегда была горючая смесь рядом со свечой зажигания. Это может дать на пять процентов больше эффективности.

Некоторые европейские автопроизводители уже используют эту стратегию экономии топлива. К сожалению, обедненное сжигание вызывает более высокие выбросы NOx (оксидов азота) из выхлопной трубы, что противоречит более жестким ограничениям Америки.Катализаторам, которые могут решить эту проблему, не нравится высокое содержание серы в американском бензине. Новые катализаторы обещают сократить выбросы. Между тем, к 2020 году можно ожидать, что прямой впрыск станет универсальным.

Современные двигатели достигают уровней мощности, о которых мы могли только мечтать 20 лет назад. Обратной стороной является то, что во время обычного вождения большинство двигателей бездельничают, а 300-сильные двигатели неэффективны, когда они выкладывают только 30 лошадок, необходимых для того, чтобы протолкнуть средний седан по шоссе.Когда дроссельная заслонка двигателя приоткрыта, во впускном коллекторе создается сильный вакуум. Во время такта впуска, поскольку поршни всасывают против этого вакуума, снижается эффективность.

Классическое решение этой проблемы — сделать двигатель меньше. Маленький двигатель работает тяжелее, работает с меньшим вакуумом и, следовательно, более эффективен. Но маленькие двигатели вырабатывают меньше мощности, чем большие.

Чтобы сделать большой двигатель мощностью при меньшем расходе топлива, многие компании обращаются к меньшим двигателям с турбонагнетателями, прямым впрыском топлива и регулируемыми фазами газораспределения.Эти три технологии работают вместе, принося общую пользу.

Нагнетание дополнительного воздуха в камеры сгорания двигателя с помощью турбонагнетателя определенно увеличивает мощность; производители автомобилей занимаются этим годами. Но в прошлом, чтобы избежать опасной детонации, двигатели с турбонаддувом нуждались в более низких степенях сжатия, что снижало эффективность.

Как мы видели, прямой впрыск топлива помогает решить эту проблему за счет охлаждения всасываемого заряда для минимизации детонации.Во-вторых, если изменение фаз газораспределения увеличивает время, когда впускной и выпускной клапаны открыты, турбонагнетатель может продувать свежий воздух через цилиндр, чтобы полностью удалить горячие оставшиеся газы из предыдущего цикла сгорания. А поскольку форсунки впрыскивают топливо только после закрытия клапанов, никакое из него не выходит через выпускной клапан.

Первым двигателем в Америке со всеми этими тремя элементами был базовый 2,0-литровый четырехцилиндровый двигатель Audi A4 2006 года. У него было 10.Степень сжатия 5: 1 — такая же высокая, как у многих безнаддувных двигателей, несмотря на пиковое давление наддува 11,6 фунтов на квадратный дюйм. Он производил 200 лошадиных сил и 207 Нм крутящего момента.

Система Ford EcoBoost — это не что иное, как прямой впрыск и турбонаддув. Дэн Капп, директор Ford по разработке передовых силовых агрегатов, говорит, что эта технология будет распространяться на легковые и грузовые автомобили компании. «Ничто другое не обеспечивает двузначного повышения эффективности использования топлива по разумной цене».

В будущем Ford рассчитывает заменить свои 5.4-литровый V-8 с 3,5-литровым EcoBoost V-6; его 3,5-литровый V-6 с 2,2-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost; и его 2,5-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель с 1,6-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost. При каждом уменьшении габаритов пиковая мощность должна быть одинаковой, крутящий момент на низких оборотах должен быть примерно на 30 процентов больше, а экономия топлива должна быть на 10-20 процентов выше. Единственным недостатком будет дополнительная плата в размере 1000 долларов или около того к цене автомобилей с DI-turbo для оплаты дополнительного оборудования.

BMW, Mercedes, Toyota и Volkswagen планируют аналогичные двигатели — в некоторых из них вместо турбонагнетателей используются нагнетатели.Турбонаддув с прямым впрыском будет продолжать расширяться.

Позже в этом десятилетии мы увидим второе поколение этих двигателей, использующих более высокое давление наддува. Это позволит дополнительно уменьшить габариты двигателя и повысить эффективность на 10 процентов.

Чтобы это произошло, потребуется рециркуляция охлажденных выхлопных газов для контроля детонации и ступенчатые турбины или турбины с изменяемой геометрией, чтобы ограничить обычную задержку. Эти технологии уже используются в дизельных двигателях, но более высокие температуры выхлопных газов газовых двигателей создают проблемы с долговечностью, которые необходимо решить, прежде чем автопроизводители смогут внедрить эти технологии.

Еще один способ повысить эффективность большого двигателя — отключить некоторые из его цилиндров. Поскольку дроссельная заслонка должна открываться дальше, чтобы получить ту же мощность от остальных цилиндров, разрежение во впускном коллекторе снижается, а эффективность повышается.

В реальных условиях вождения это может привести к экономии топлива на пять процентов при довольно низких затратах. Эта технология особенно рентабельна для двухклапанных двигателей с толкателем, поэтому мы видели переменный рабочий объем на двигателях GM и Chrysler V-8.

Honda использует переменный рабочий объем на своих 24-клапанных двигателях V-6, но дополнительное оборудование для закрытия множества клапанов увеличивает стоимость. Более того, отключение некоторых цилиндров на V-6 создает больше проблем с вибрацией и шумом, чем с V-8, потому что V-6 имеют более грубые импульсы срабатывания и более плохой внутренний баланс. Активные опоры двигателя и регулируемые впускные коллекторы, необходимые для решения этих проблем, увеличивают дополнительные расходы.

Простейшая реализация системы изменения фаз газораспределения началась около 25 лет назад, с использованием двухпозиционного опережения или замедления впускного или выпускного распредвала двигателя, чтобы лучше соответствовать условиям работы двигателя.Сегодня большинство двигателей DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр имеют бесступенчатую регулировку фаз как на впускном, так и на выпускном распредвалах.

Около 20 лет назад компания Honda представила более сложный подход со своей системой VTEC, которая переключалась между двумя (а позже и тремя) отдельными наборами кулачков — одним для работы на высокой скорости, а другим — для низкой. VTEC также может просто отключить один из двух впускных клапанов цилиндра при небольших нагрузках. В 2001 году BMW пошла еще дальше, выпустив систему Valvetronic, которая может непрерывно изменять ход открытия впускных клапанов для оптимизации мощности и эффективности двигателя.Кроме того, такое обширное управление впускными клапанами служит для замены дроссельной заслонки, что устраняет вакуум и, следовательно, снижает насосные потери.

Хотя они обеспечивают повышение эффективности, системы с переменным подъемом сложны и дороги. Продолжаются разработки чисто электронных систем, которые могли бы заменить распредвалы и просто открывать и закрывать клапаны двигателя в соответствии с компьютером. Но электронные механизмы открытия клапана также дороги и потребляют значительную мощность. Вице-президент GM Powertrain Дэн Хэнкок предполагает, что двухступенчатый механизм подъема клапана может обеспечить 90 процентов преимуществ полностью регулируемого подъема.Более того, Капп из Ford говорит, что преимущества переменного подъема клапана ограничены в сочетании с EcoBoost (DI turbo).

С другой стороны, BMW со своим последним 3,0-литровым рядным шестицилиндровым двигателем с прямым впрыском и одинарным турбонаддувом (N55), заменяющим твин-турбо (N54) во всей линейке, сделала именно это, добавив Valvetronic в свой DI- турбо-комплектация. В сочетании с переходом от шестиступенчатой ​​автоматической коробки передач к восьмиступенчатой, это изменение, как говорят, дает на 10 процентов больше миль на галлон.

Возможно, ответом будет система Fiat Multiair, конструкция с регулируемым подъемом и гидравлическим приводом, которая намного менее сложна, чем механические системы, такие как системы BMW.Ожидайте скоро увидеть Multiair на будущих автомобилях Chrysler.

Эта технология, сокращенно HCCI, по сути, представляет собой комбинацию принципов работы газового двигателя и дизеля. Когда требуется высокая мощность, двигатель HCCI работает как обычный бензиновый двигатель, сгорание которого инициируется свечой зажигания. При более скромных нагрузках он работает больше как дизель, сгорание которого инициируется просто давлением и теплотой сжатия.

В дизельном двигателе сгорание начинается, когда топливо впрыскивается поршнем в верхней части такта сжатия, и сгорание регулируется скоростью впрыска топлива. Однако с HCCI топливо уже впрыскивается и смешивается с воздухом до начала такта сжатия.

Поскольку только сжатие инициирует сгорание, это больше серьезный удар, чем даже резкий рабочий ход дизеля. Благодаря тому, что двигатель достаточно крепкий, чтобы избежать разрыва, HCCI по крайней мере такой же тяжелый, как дизель.Ключевым моментом является достижение достаточного управления сгоранием, чтобы цикл HCCI можно было использовать в максимально широком диапазоне скоростей и нагрузок, чтобы извлечь выгоду из эффективности.

Один из способов расширить режим HCCI — использовать переменную степень сжатия, что Mercedes сделала на своем экспериментальном двигателе Dies-Otto. Но другие инженеры, такие как Хэнкок из GM, хотели бы избежать этой проблемы. «Чтобы заставить HCCI работать, нам нужен очень хороший контроль над процессом сгорания с более быстрым компьютером управления двигателем и обратной связью по давлению сгорания.”

Все это звучит сложно, но выигрыш может заключаться в 20-процентном улучшении экономии топлива без улавливателей твердых частиц и катализаторов NOx, которые необходимы дизелям. Этого достаточно, чтобы поддержать интерес крупных игроков. Хэнкок предполагает, что HCCI может поступить в производство к концу этого десятилетия, возможно, как эффективный двигатель для подключаемого гибрида, потому что ему нужно только работать в небольшом диапазоне оборотов для питания генератора.

Выключение двигателя при остановке на светофоре определенно может сэкономить топливо.Компьютер управления двигателем легко запрограммировать так, чтобы он останавливал двигатель, когда скорость автомобиля упадет до нуля, и перезапускал его, когда водитель убирал ногу с педали тормоза. Стартер и аккумулятор могут нуждаться в усилении, чтобы выдерживать более частое использование, но это не техническая проблема.

Mazda придумала более простой метод выполнения подвига «стоп-старт». В своей системе, называемой i-stop, компьютер останавливает двигатель, когда один из поршней проходит только верхнюю точку такта сжатия.Для повторного запуска в цилиндр впрыскивается топливо, зажигается свеча зажигания, и двигатель мгновенно снова запускается.

К сожалению, хотя эти системы могут сэкономить до пяти процентов расхода топлива в городских условиях, испытательные циклы Агентства по охране окружающей среды демонстрируют только 1 процентную выгоду из-за ограниченного времени простоя. В результате большинство производителей не хотят вкладывать средства в технологию, которая не очень помогает им в достижении целей CAFE, независимо от реальной выгоды.

Одним из недостатков этанола на основе кукурузы является то, что современные двигатели с гибким топливом обычно не используют в полной мере преимущества E85 с октановым числом 95.Но легко представить себе двигатель с турбонаддувом DI второго поколения, который будет работать с более высоким давлением наддува при сжигании E85. Такой двигатель мог бы быть в два раза меньше нынешней безнаддувной силовой установки с существенно более высокой экономией топлива. А когда заправлялся чистым бензином, компьютер просто уменьшал наддув. Двигатель потерял бы часть мощности, но без ущерба для долговечности или топливной экономичности.

Более радикальный способ использовать более высокое октановое число этанола — это «система повышения концентрации этанола» (EBS), над которой работают несколько профессоров Массачусетского технологического института, а также Нил Ресслер, бывший топ-менеджер Ford по технологиям.

Идея проста. Начните с двигателя DI-turbo и добавьте к нему обычную систему впрыска топлива. Затем добавьте второй, небольшой топливный бак и залейте в него E85. При умеренных нагрузках двигатель работает на бензине и левом впрыске. Но когда вы требуете большей мощности и появляется наддув, система DI вводит E85. E85 не только имеет более высокое октановое число, чем бензин, но и обладает более сильным охлаждающим эффектом. Это обеспечивает безопасную работу наддува выше 20 фунтов на квадратный дюйм.

Форд проявил серьезный интерес к проекту.Для пикапов 5,0-литровый двигатель EBS с двойным турбонаддувом может заменить 6,7-литровый дизель в грузовике Super Duty. Он будет развивать такую ​​же мощность и крутящий момент, обеспечивать такую ​​же топливную экономичность и дешевле в изготовлении, поскольку не требует какой-либо дорогостоящей дополнительной обработки выхлопных газов дизеля.

При нормальном использовании расход E85 составляет менее 10 процентов от расхода бензина. Таким образом, вы экономите много газа при небольшом потреблении этанола. Двигатель EBS кажется технически исправным и уже прошел предварительные испытания.Мы ожидаем, что в ближайшие пять лет он в той или иной форме попадет в производство.

Новые творческие концепции двигателей — пруд пруди. Наш технический директор обычно хранит толстый файл с надписью «сумасшедшие двигатели». Большинство из них даже не достигают стадии прототипа. И даже те, которые построены, обычно гаснут из-за проблем, связанных с долговечностью, сложностью конструкции или эффективностью. Лишь немногим, кто преодолеет этот этап, предстоит тяжелая битва с автопроизводителями, которые вложили миллиарды в создание обычных двигателей, доказавших свою надежность и производительность.

Одной из немногих перспективных концепций двигателей является двухтактный OPOC от EcoMotors. OPOC означает «оппозитный поршень и оппозитный цилиндр». Чтобы визуализировать двигатель, начните с горизонтально расположенного четырехцилиндрового двигателя, такого как Subaru Legacy. Затем выдвиньте цилиндры и потеряйте головки цилиндров, чтобы освободить место для второго набора поршней в каждом цилиндре, которые движутся противоположно обычным поршням. Длинные шатуны передают движение этих дополнительных поршней на коленчатый вал.

Как и в обычном двухтактном двигателе, дыхание происходит через отверстия по бокам цилиндров. Но в двигателе OPOC впускные и выпускные каналы находятся на противоположных концах цилиндров. Когда поршни двигаются, выхлопные газы открываются до того, как воздухозаборники и турбокомпрессоры продувают воздух через цилиндры, чтобы вытолкнуть выхлопные газы и заполнить их чистым воздухом. Поскольку для этого двигателю требуется положительное давление, турбонагнетатели оснащены электродвигателями, которые приводят их в действие на низких оборотах, когда энергия выхлопных газов низкая.

Хотя первые двигатели OPOC являются дизельными, концепция также может работать на бензине. В любом случае форсунка прямого подачи топлива находится в центре цилиндра, где две головки поршня почти встречаются, и именно здесь свеча зажигания будет в газовой версии.

Если замысел OPOC кажется радикальным, его поддерживают твердые люди. Конструктором двигателя является Петер Хофбауэр, бывший главный инженер Volkswagen. Генеральный директор EcoÂMotors — Дон Ранкл, бывший топ-менеджер Delphi and GM.Президентом является Джон Колетти, легендарный бывший руководитель подразделения SVT компании Ford. А выдающийся производитель выхлопных газов Алекс Борла входит в совет директоров. Большая часть финансирования компании поступает от Винода Хосла, мегаинвестора Кремниевой долины.

К настоящему времени прототипы двигателя OPOC показали на 12-15% более высокий КПД, чем обычные поршневые двигатели, в первую очередь из-за отсутствия головок цилиндров, устраняя большую поверхность, через которую тепло сгорания передается охлаждающей жидкости, и отсутствие клапанного механизма, который снижает трение примерно на 40 процентов.

Кроме того, поскольку каждый двухцилиндровый и четырехпоршневой модуль идеально сбалансирован, в четырехцилиндровой версии двигателя можно полностью разъединить одну пару цилиндров при небольших нагрузках. Это не только снижает насосные потери, но и полностью исключает трение из-за неисправного цилиндра, повышая топливную экономичность еще на 15 процентов.

На данный момент Колетти утверждает, что очевидных проблем нет: «Выбросы выглядят хорошо, как и потребление масла.Меня ничего не беспокоит ». Ранкл добавляет, что из-за меньшего количества деталей — без головок или клапанного механизма — двигатель должен быть на 20 процентов дешевле в производстве, чем современный V-6. «Мы работаем над двумя семействами двигателей. EM100d — это дизель со 100-миллиметровым диаметром цилиндра, развивающий 325 лошадиных сил, а EM65ff — с диаметром цилиндра 65 мм и мощностью около 75 лошадиных сил в двухцилиндровом варианте на бензине ».

Двигатель находится в стадии производства. Для небольшой растущей компании без огромных инвестиций в обычные двигатели — подумайте, китайские или индийские — двигатель OPOC является привлекательным.Военный контракт также проложит путь к приемлемости для гражданского населения.

Как уже упоминалось, возможность изменить степень сжатия работающего двигателя поможет заставить работать HCCI. Большинство таких схем включают в себя какое-то изменение либо хода поршня двигателя, либо расстояния от коленчатого вала до камеры сгорания. Оба подхода механически проблематичны. Умные инженеры Lotus придумали более простой способ изменить компрессию двигателя.Они создали головку блока цилиндров с подвижной частью — они называют ее шайбой — которая может выходить в камеру сгорания. При полностью втянутой шайбе степень сжатия составляет 10: 1. Когда он продлен в головку, он уменьшает объем камеры сгорания, тем самым увеличивая соотношение до 40: 1. Для этой шайбы есть место, потому что двигатель, который Lotus называет «Всеядным», является двухтактным без каких-либо клапанов. Вместо этого впускной и выпускной потоки проходят через отверстия в стенках цилиндров. Впрыск топлива происходит непосредственно в цилиндр с помощью пневматической системы, разработанной Orbital для другого двухтактного двигателя, над которым компания работает около 30 лет.Lotus утверждает, что двигатель Omnivore может широко работать в режиме HCCI и обеспечивает 10-процентный прирост топливной эффективности по сравнению с нынешними бензиновыми двигателями DI. Благодаря переменной степени сжатия он также может работать на различных видах топлива, отсюда и его название. На данный момент двигатель представляет собой только одноцилиндровый исследовательский проект. Умно, но будет ли оно продвигаться дальше — неизвестно.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия New World

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. Впуск
2. Компрессия
3. Мощность
4. Выпуск

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором сгорание топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы с высокой температурой и давлением, которые могут расширяться.Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, действующими непосредственно, вызывая движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже путем нажатия и перемещения самого двигателя.

Это контрастирует с двигателями внешнего сгорания, такими как паровые двигатели, в которых процесс сгорания используется для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которые затем, в свою очередь, работают, например, при нажатии на поршень, приводимый в действие паром.

Термин Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание является прерывистым. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также являются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания используются в основном на транспорте. Несколько других применений предназначены для любой переносной ситуации, когда вам нужен неэлектрический двигатель.Самым большим применением в этой ситуации будет двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие электрогенератор. Таким образом, вы можете использовать стандартные электроинструменты с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество этого — портативность. Этот тип двигателя удобнее использовать в транспортных средствах над электричеством. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они тушат. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными частями, такими как масло или резиновые изделия, которые необходимо выбросить.Еще одним фактором является шумовое загрязнение, многие двигатели внутреннего сгорания очень громкие. Некоторые из них настолько громкие, что людям нужны средства защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один недостаток — размер. Очень непрактично иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть электрический генератор, работающий на газе, в районе, где нет электричества для питания более мелких предметов.

История

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания.Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется. Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для питания сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, но работали на той топливно-воздушной смеси, которая могла всасываться или вдуваться во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современными двигателями внутреннего сгорания и ранними конструкциями заключается в использовании сжатия, в частности сжатия в цилиндре.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание не может подразумевать, что эта идея исходила от него или что она действительно была построена.)
  • 1673: Христиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взорвала смесь воздуха и водорода, выпустив пробку из конца пистолета.
  • Семнадцатый век: английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох для привода водяных насосов.
  • 1794: Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип работы которого будет доминировать почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, к тому времени уже устарел.Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области, где стандарты еще не были установлены, досталось лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.
  • 1824: Французский физик Сади Карно основал термодинамическую теорию идеализированных тепловых машин. Это научно установило необходимость сжатия для увеличения разницы между верхней и нижней рабочими температурами, но неясно, знали ли конструкторы двигателей об этом до того, как сжатие уже стало широко использоваться.Это могло ввести в заблуждение дизайнеров, пытавшихся подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • , 1826, 1 апреля: американец Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель» без компрессии.
  • 1838: Патент был выдан Уильяму Барнету (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, очевидно, не осознавал его преимуществ, но его цикл стал бы большим достижением, если бы был достаточно развит.
  • 1854: итальянцы Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания в Лондоне (pt.Num. 1072), но в производство не попал. Он был похож по концепции на успешный двигатель непрямого действия Отто Лангена, но не был так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) создал газовый двигатель внутреннего сгорания, внешне очень похожий на горизонтальный паровой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в которых газ, по существу, поглощал место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания.Его первый двигатель с компрессией шокировал сам себя.
  • 1862: Николаус Отто разработал двигатель непрямого действия со свободным поршнем без сжатия, более высокая эффективность которого завоевала поддержку Лангена, а затем и большей части рынка, который в то время в основном предназначался для небольших стационарных двигателей, работающих на горючем газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус установил первый мобильный бензиновый двигатель на ручной тележке.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто).Немецкие суды, однако, не удержали его патент на все двигатели с цилиндрическим компрессором или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения внутрицилиндровое сжатие стало универсальным.
  • 1879: Карл Бенц, работавший независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц спроектировал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, которые стали первыми автомобилями в производстве.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с разными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт передает права аренды нефтяного двигателя Хорнсби, Англия, для производства двигателей. Строят первые двигатели с холодным запуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением производит самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает двигатель типа теплового двигателя Карно, сжигающий угольную пыль.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально расположенный двигатель, в котором соответствующие поршни одновременно достигают верхней мертвой точки, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
  • 1900: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 году на выставке Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизеля).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft — в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека — который требовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Приложения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в качестве передвижных двигателей в автомобилях, оборудовании и другом переносном оборудовании. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является преимуществом, поскольку оно может обеспечить высокое соотношение мощности к весу вместе с превосходной удельной топливной энергией.Эти двигатели используются почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень высокая мощность, например, реактивные самолеты, вертолеты и большие корабли, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются в электрических генераторах и в промышленности.

Операция

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермического химического процесса сгорания: реакция топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться другие окислители, такие как закись азота.

Наиболее распространенное топливо, используемое сегодня, состоит из углеводородов и, в основном, из нефти. К ним относятся виды топлива, известные как дизельное топливо, бензин и нефтяной газ, а также редкое использование пропана. Большинство двигателей внутреннего сгорания, разработанных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженном нефтяном газе без значительных модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Также можно использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол и биодизель, форма дизельного топлива, которое производится из сельскохозяйственных культур, которые дают триглицериды, такие как соевое масло.Некоторые также могут работать на водороде.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ зажигания в цилиндрах для создания сгорания. В двигателях используется либо электрический метод, либо система воспламенения от сжатия.

Процесс воспламенения бензина

Электрические / бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно основаны на комбинации свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для создания высоковольтной электрической искры для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя.Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, такого как генератор переменного тока или генератор, приводимый в действие двигателем. Бензиновые двигатели впитывают смесь воздуха и бензина и сжимают до менее 170 фунтов на квадратный дюйм и используют свечу зажигания для воспламенения смеси, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс зажигания дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (гомогенный заряд и воспламенение от сжатия), для воспламенения полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия.Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели будут всасывать только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI будут потреблять как воздух, так и топливо, но по-прежнему будут полагаться на процесс самовоспламенения без посторонней помощи из-за более высокого давления и тепла. Это также является причиной того, что дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду.Большинство дизелей также имеют аккумуляторные батареи и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями в качестве роскоши для простоты запуска, включения и выключения топлива, что также может быть выполнено с помощью переключателя или механического устройства, а также для работы вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и сокращения выбросов.

Энергия

После успешного воспламенения и сгорания продукты сгорания, горячие газы, имеют больше доступной энергии, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (которая имела более высокую химическую энергию).Доступная энергия проявляется в виде высокой температуры и давления, которые могут быть переведены в работу двигателем. В поршневом двигателе газы продукта высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того, как доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы сбрасываются (часто путем открытия клапана или выхода выхлопных газов), что позволяет поршню вернуться в свое предыдущее положение (верхняя мертвая точка — ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя.Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходом и удаляется из двигателя с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения.

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

Детали двигателя различаются в зависимости от типа двигателя. Для четырехтактного двигателя ключевыми частями двигателя являются коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя вместо клапанной системы могут быть просто выпускной патрубок и впускное отверстие для топлива.В обоих типах двигателей имеется один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Одиночный ход поршня вверх или вниз известен как ход поршня, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре, известен как рабочий ход.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, вращающийся в эпитрохоидальной камере (в форме фигуры 8) вокруг эксцентрикового вала.Четыре фазы работы (впуск, сжатие, мощность, выпуск) происходят в разных местах, а не в одном месте, как в поршневом двигателе.

В двигателе Бурка используется пара поршней, встроенная в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск — все это происходит при каждом такте вилки.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным применениям.Аналогичным образом существует множество способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «мотором» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую часть механизма. «Мотор» (от латинского « мотор», «движитель») — это любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют двигателями, но двигатели внутреннего сгорания часто называют двигателями.»(Электродвигатель относится к локомотивам, работающим от электричества.)

С учетом сказанного, нужно понимать, что обычное использование часто требует определений. Многие люди рассматривают двигатели как те объекты, которые генерируют энергию изнутри, а двигатели — как требующие внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, корни слов действительно указывают на настоящую разницу. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее употребление.Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принципы работы

Поршневой:

  • Двигатель на сырой нефти
  • Двухтактный цикл
  • Четырехтактный цикл
  • Двигатель с горячей лампой
  • Тарельчатые клапаны
  • Рукавный клапан
  • цикл Аткинсона
  • Предлагаемый
  • Улучшения
  • Двигатель внутреннего сгорания

Поворотный:

  • Продемонстрировано:
  • Предложено:
    • Орбитальный двигатель
    • Квазитурбина
    • Роторный двигатель цикла Аткинсона
    • Тороидальный двигатель

Непрерывное сгорание:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два хода (один вверх, один вниз) для каждого рабочего хода.Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы очистки цилиндров. Наиболее распространенный метод двухтактных двигателей с искровым зажиганием заключается в использовании движения поршня вниз для создания давления свежего заряда в картере, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для их выходной мощности) и очень просты в механическом отношении. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, средства для удаления сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы.К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо более загрязняют окружающую среду, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших кораблях. Эти двигатели используют принудительную индукцию для продувки цилиндров. Двухтактные двигатели менее экономичны, чем другие типы двигателей, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного тракта вместе с ранее отработанным топливом.Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих областях применения небольших двигателей, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, и в некоторых странах с двухтактными двигателями меньшего размера, оснащенными каталитическими преобразователями.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий ход на каждые четыре хода (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и крупнее своих двухтактных собратьев.Есть несколько разновидностей этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой зажигания с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

Двигатели, основанные на пятитактном цикле, представляют собой вариант четырехтактного цикла. Обычно четыре цикла — это впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Пятый цикл, добавленный Delautour [2] , — это охлаждение.Двигатели, работающие с пятитактным циклом, на 30 процентов более эффективны, чем эквивалентный четырехтактный двигатель.

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом шатунным штифтом, проходящим через общую вилку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, происходит два рабочих хода на оборот. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, отработанные газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе.Механизм с кулисой также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндров. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию с постоянным объемом, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому необходимо преодолевать меньшее трение, чем в двух других типах возвратно-поступательного движения. Кроме того, его более высокий коэффициент расширения также означает, что используется больше тепла от его фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель с регулируемым сгоранием

Это также цилиндрические двигатели, которые могут быть одно- или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используются два соединенных зубчатых колеса концентрических кулачка, вращающихся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили кулачков (которые всегда нечетные и по крайней мере три) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента.В этом двигателе есть два цилиндра, которые разнесены на 180 градусов для каждой пары кулачков встречного вращения. Для одноходовых версий существует такое же количество циклов на пару цилиндров, как и кулачков на каждом кулачке, в два раза больше для двухтактных агрегатов.

Ванкель

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без ходов поршня, правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы расположены в разных местах двигателя.Этот двигатель обеспечивает три рабочих хода на оборот на ротор, что в среднем дает ему большее отношение мощности к массе, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в нынешних моделях Mazda RX8 и RX7 ранее, а также в других моделях.

Газовая турбина

В газотурбинных циклах (особенно реактивных двигателях) вместо использования одного и того же поршня для сжатия и последующего расширения газов используются отдельные компрессоры и газовые турбины; давая постоянную мощность. По сути, всасываемый газ (обычно воздух) сжимается, а затем сжигается с топливом, что значительно повышает температуру и объем.Затем больший объем горячего газа из камеры сгорания подается через газовую турбину, которая затем легко может приводить в действие компрессор.

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз была засасана или вдувалась топливно-воздушная смесь. В остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрылся, и топливно-воздушная смесь сгорела. При ходе поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитации работы поршневого парового двигателя.

Виды топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают нефтяной спирт (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, реактивное топливо, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла. , биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другие виды биотоплива. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли применение. Двигатели, в которых в качестве топлива используются газы, называются газовыми двигателями, а двигатели, в которых используются жидкие углеводороды, — масляными двигателями.Однако, к сожалению, бензиновые двигатели также часто называют «газовыми двигателями».

Основные ограничения для топлива заключаются в том, что топливо должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании, чтобы можно было использовать двигатель на практике.

Окислителем обычно является воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится в транспортном средстве, что увеличивает удельную мощность.Однако воздух можно сжимать и переносить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили содержат закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, нашли экспериментальное применение; но большинство из них непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (в большей степени из-за их более высокой топливной эффективности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах.Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем стали довольно распространенными с 1990-х годов, составляя около 40 процентов рынка. И бензиновые, и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Есть также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Парафиновые и тракторные двигатели с испарительным маслом (TVO) больше не встречаются.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем водород может заменить такое топливо.Кроме того, с внедрением технологии водородных топливных элементов использование двигателей внутреннего сгорания может быть прекращено. Преимущество водорода в том, что при его сгорании образуется только вода. Это не похоже на сжигание ископаемого топлива, которое производит двуокись углерода, главную причину глобального потепления, окись углерода в результате неполного сгорания, а также другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и окислы азота, которые вызывают проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. , и проблемы с газом озоном.Однако свободный водород для топлива не возникает в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для получения водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов производства свободного водорода, они требуют преобразования горючих в настоящее время молекул в водород, поэтому водород не решает никаких энергетических кризисов, более того, он решает только проблему переносимости и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение.Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше, чем вода, и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии все еще примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендола, создает водород по мере необходимости, но здесь есть и другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) К другим видам топлива, более благоприятным для окружающей среды, относится биотопливо.Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами от одного до двенадцати, хотя было использовано до 36 (Lycoming R-7755). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: во-первых, двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшими индивидуальными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию к вибрировать в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, есть точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

  • Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, некоторые высокопроизводительные автомобили имеют десять, двенадцать или даже шестнадцать цилиндров, а некоторые очень маленькие легковые и грузовые автомобили имеют два или три цилиндра.В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
  • Радиальные авиационные двигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, такие как Pratt & Whitney R-4360. Строка содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым большим из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но он так и не был запущен в производство.
  • Мотоциклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, у некоторых высокопроизводительных моделей их шесть (хотя существуют «новинки» с 8, 10 и 12).
  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но тоже туристических машин) их четыре.
  • Мелкие портативные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют и двухцилиндровые бензопилы.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка цикла, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на КПД и мощность ДВС.Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя горящая смесь должна достичь максимального давления, когда коленчатый вал находится под углом 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для зажигания смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не касался опускающейся головки поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, это приводит к появлению детонации или детонации.Более бедные смеси и смеси с более низким давлением горят медленнее, что требует более точного момента зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система нагрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания — патент США 609250 (PDF) «Электрический воспламенитель для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, если большая площадь его поверхности контактирует с кислородом.Чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде того, что обычно называется топливно-воздушной смесью. Обычно используются два метода испарения топлива в воздух: карбюраторный и впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможно. Карбюраторы — это самые распространенные в настоящее время устройства для смешивания топлива, используемые в газонокосилках и других двигателях малой мощности.До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, такие как используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. В дизельных двигателях всегда используется впрыск топлива.

В двигателях, работающих на автомобильном газе (СНГ), используются либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.

В других двигателях внутреннего сгорания, таких как реактивные двигатели, используются горелки, а в ракетных двигателях используются различные идеи, включая ударные струи, сдвиг газа / жидкости, форсажные камеры и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность хода (более плавные двигатели производят меньшую вибрацию). Общие конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию, которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с оппозитным поршнем. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, по одному на обоих концах одного ряда цилиндров, и, что наиболее заметно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех групп двусторонних цилиндров. цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам.Он также использовался в одноблочных локомотивных двигателях и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для тяги, так и для вспомогательных генераторов. Двигатель Gnome Rotary, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Объем двигателя

Мощность двигателя — это рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах ( или дюйм³) для двигателей большего размера и кубических сантиметрах (сокращенно см) для двигателей меньшего размера.Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент на более низких оборотах, но при этом потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличения мощности двигателя. Первый — удлинить ход, второй — увеличить диаметр поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель, чтобы обеспечить оптимальную производительность.

Заявленная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии.Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC серии A с одинаковым ходом и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были от одного производителя. Однако в торговой литературе и на значках транспортных средств объем двигателя был указан как 1000 куб. См, 1100 куб. См и 1098 куб. См соответственно.

Смазочные системы

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в впускной поток в виде спрея.Ранние тихоходные стационарные и судовые двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в паровых двигателях в то время, с тендером, заполняющим их по мере необходимости. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к массе привела к увеличению скорости, повышению температуры и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, требовало смазки под давлением для шатунных подшипников и шейки шатуна либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно посредством струи масла, направляемой на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что при увеличении частоты вращения двигателя создавалось более высокое давление.

Загрязнение двигателя

Обычно двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию оксида углерода и некоторого количества сажи, а также оксидов азота и серы и некоторых несгоревших углеводородов в зависимости от условий эксплуатации и соотношение топливо / воздух. Основными причинами этого являются необходимость работать со стехиометрическим соотношением для бензиновых двигателей для достижения сгорания (топливо сгорает более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели выделяют широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли многих мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (LPG), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку LPG горит очень чисто и не содержит серы или свинца.

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.
  • Высокая температура горения создает большую долю оксидов азота (NOx), которые, как доказано, опасны для здоровья растений и животных.
  • Чистое производство углекислого газа не является обязательной характеристикой двигателей, но, поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит. Если двигатели работают на биомассе, то чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа во время роста.
  • Водородные двигатели должны производить только воду, но при использовании воздуха в качестве окислителя также образуются оксиды азота.

КПД двигателя внутреннего сгорания

КПД различных типов двигателей внутреннего сгорания различается.Принято считать, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при использовании турбонагнетателей и вспомогательных средств повышения эффективности имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, теряемого в системе охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинству инженеров не удавалось успешно использовать потраченную впустую энергию для каких-либо значимых целей, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Впрыск водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает экономию топлива двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть прирост экономии топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого к всасываемому топливно-воздушному заряду, увеличивает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, тем самым позволяя двигателю работать с более продвинутым моментом зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедным воздухом к топливной смеси, чем это возможно в противном случае.В результате снижается уровень загрязнения, увеличивается мощность и эффективность. Некоторые системы HFI используют бортовой электролизер для выработки используемого водорода. Также можно использовать небольшой резервуар с водородом под давлением, но этот метод требует повторного заполнения.

Также обсуждались новые типы двигателей внутреннего сгорания, такие как Scuderi Split Cycle Engine, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и самая сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания).Ожидается, что такие двигатели будут иметь КПД 50-55%.

Банкноты

Список литературы

  • Харденберг, Хорст О. 1999. Средние века двигателей внутреннего сгорания . Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768003911.
  • Хейвуд, Джон. 1988. Основы двигателя внутреннего сгорания. Нью-Йорк: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 007028637X.
  • Стоун, Ричард. 1999. Введение в двигатели внутреннего сгорания .Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768004950.
  • Тейлор, Чарльз Фейет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0262700263.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

  • Знакомство с автомобильными двигателями — изображения в разрезе и хороший обзор двигателя внутреннего сгорания
  • Библия по топливу и двигателям — хороший ресурс по различным типам двигателей и топливам
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писателей и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Как работает двигатель внутреннего сгорания — x-engineer.org

Подавляющее большинство автомобилей (легковые и коммерческие), которые продаются сегодня, оснащены двигателями внутреннего сгорания . В этой статье мы расскажем, как работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания .

Двигатель внутреннего сгорания классифицируется как тепловой двигатель . Он называется внутренний , потому что сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри двигателя, в камере сгорания, а некоторые сгоревшие газы являются частью нового цикла сгорания.

В основном двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горящей топливовоздушной смеси в механическую энергию . Он называется , 4 такта, , потому что для выполнения полного цикла сгорания поршню требуется 4 хода. Полное название двигателя легкового автомобиля: 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания , сокращенно ICE (Двигатель внутреннего сгорания).

Теперь давайте посмотрим, какие компоненты являются основными компонентами ДВС.

Изображение: Детали двигателя внутреннего сгорания (DOHC)

 Обозначения:
  1. распредвал выпускных клапанов
  2. ведро выпускного клапана
  3. свеча зажигания
  4. ведро впускного клапана
  5. впускной распредвал 10 6 выпускной клапан
    6. впускной распределительный вал
  6. головка блока цилиндров
  7. поршень
  8. поршневой палец
  9. шатун
  10. блок цилиндров
  11. коленчатый вал

ВМТ — верхняя мертвая точка

НМТ — нижняя мертвая точка

) обычно содержит распределительный вал (ы), клапаны, клапанные лопатки, возвратные пружины клапанов, свечи зажигания / накаливания и форсунки (для двигателей с прямым впрыском).Через головку блока цилиндров протекает охлаждающая жидкость двигателя.

Внутри блока цилиндров (12) мы можем найти поршень, шатун и коленчатый вал. Что касается головки блока цилиндров, то через блок цилиндров течет охлаждающая жидкость, которая помогает контролировать температуру двигателя.

Поршень перемещается внутри цилиндра из НМТ в ВМТ. Камера сгорания — это объем, создаваемый между поршнем, головкой блока цилиндров и блоком двигателя, когда поршень находится близко к ВМТ.

На Рисунке 1 мы можем рассмотреть полный набор механических компонентов ДВС.Некоторые компоненты неподвижны (например, головка блока цилиндров, блок цилиндров), а некоторые из них движутся. На рисунке ниже мы рассмотрим основную движущуюся часть ДВС, которая преобразует давление газа в цилиндре в механическую силу.

Изображение: Движущиеся части двигателя внутреннего сгорания

Обозначение:

  1. звездочка распределительного вала
  2. поршень
  3. коленчатый вал
  4. шатун
  5. клапан
  6. ковш клапана
  7. распредвал

    распредвал

вращение синхронизированное

распределительного вала с вращением коленчатого вала через зубчатый ремень или цепь.Положение впускных и выпускных клапанов должно быть точно синхронизировано с положением поршня, чтобы циклы сгорания могли происходить соответствующим образом.

Полный цикл двигателя для 4-тактного ДВС имеет следующие фазы (такты):

  1. впуск
  2. сжатие
  3. мощность (расширение)
  4. выпуск

Ход — это движение поршня между двумя мертвыми центры (нижний и верхний).

Теперь, когда мы знаем, какие компоненты ДВС, мы можем изучить, что происходит на каждом такте цикла двигателя.В таблице ниже вы увидите положение поршня в начале каждого хода и подробную информацию о событиях, происходящих в цилиндре.

Такт 1 — ВПУСК

Такт впуска двигателя внутреннего сгорания

 В начале такта впуска поршень близок к ВМТ. Впускной клапан открывается, поршень начинает двигаться в сторону НМТ. Воздух (или топливовоздушная смесь) втягивается в цилиндр. Этот ход называется ВПУСКОМ, потому что в двигатель попадает свежий воздух / смесь.Такт впуска заканчивается, когда поршень находится в НМТ.

Во время такта впуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Ход 2 — СЖАТИЕ

Такт сжатия двигателя внутреннего сгорания

 Такт сжатия начинается с поршня в НМТ, после завершения такта впуска. Во время такта сжатия оба клапана, впускной и выпускной, закрываются, и поршни движутся в сторону ВМТ.Когда оба клапана закрыты, воздух / смесь сжимаются, достигая максимального давления, когда поршень находится близко к ВМТ.

До того, как поршень достигнет ВМТ (но очень близко к нему), во время такта сжатия:

  • для бензинового двигателя: генерируется искра
  • для дизельных двигателей: впрыскивается топливо

Во время такта сжатия двигатель потребляет энергии (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов) больше, чем такт впуска.

Ход 3 — МОЩНОСТЬ

Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания

 Рабочий ход начинается с поршня в ВМТ.Оба клапана, впускной и выпускной, по-прежнему закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в конце такта сжатия, что вызывает значительное повышение давления внутри цилиндра. Давление внутри цилиндра толкает поршень вниз по направлению к НМТ.

Только во время рабочего такта двигатель вырабатывает энергию.

Ход 4 — ВЫПУСК

Такт выпуска двигателя внутреннего сгорания

 Такт выпуска начинается с поршня в НМТ после завершения рабочего такта.Во время этого хода выпускной клапан открыт. Движение поршня от НМТ к ВМТ выталкивает большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы.

Во время такта выпуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Как видите, для полного сгорания цикла (двигатель) поршень должен совершить 4 хода. Это означает, что на один цикл двигателя уходит два полных оборота коленчатого вала (720 °).

Единственный ход, который производит крутящий момент (энергию), — это рабочий ход , все остальные потребляют энергию.

Поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала через шатун.

Для лучшего понимания мы суммируем исходное положение поршня, положение клапана и баланс энергии для каждого хода.

907 42 907
Порядок хода Название хода Исходное положение поршня Состояние впускного клапана Состояние выпускного клапана Энергетический баланс TDC Открыто Закрыто Потребляет
2 Сжатие BDC Закрыто Закрыто Потребляет
Производит
4 Выхлоп BDC Закрыто Открыто Потребляет

На анимации ниже вы можете ясно увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *