Двигатель внутреннего сгорания где используется: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания, ДВС – устройство, работа

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.

Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.

Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.

Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.

В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели. Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.

Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).

Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.

Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.

Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.

Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.

Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.

Работа двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.

Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).

На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.

На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.

Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.

При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.

Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.

 

 

Где используется двигатель внутреннего сгорания?

Содержание

  • — Почему двигатель внутреннего сгорания имеет такое название?
  • — Для чего нужен двигатель внутреннего сгорания?
  • — Какие двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания?
  • — Какие двигатели не являются двигателями внутреннего сгорания?
  • — Где еще кроме автомобилей используется двигатель внутреннего сгорания?
  • — Какие есть виды двигателей внутреннего сгорания?
  • — Что является несущей деталью двигателя?
  • — Кто и когда изобрел двигатель внутреннего сгорания?
  • — Что такое двигатель принцип работы?
  • — Какие два механизма есть в двс и напишите их определение?
  • — Какое устройство называют двигателем и какие виды двигателей бывают?
  • — Какая энергия используется в двс?
  • — Чем ракетный двигатель отличается от реактивного двигателя?
  • — Чем ракетный двигатель отличается от реактивного?
  • — Чем отличается атмосферный двигатель от обычного?

Применение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) очень широкое. Это всевозможные транспортные средства: мопеды, мотоцыклы, автомобили, теплоходы, тепловозы, самалеты и вертолеты.. В общем, практически все, на чем можно передвигаться.

Почему двигатель внутреннего сгорания имеет такое название?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (ДВС) — разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Продукты сгорания образуют рабочее тело. Такой двигатель является первичным, химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу.

Для чего нужен 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.

Какие двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания?

Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу. Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный.

Какие двигатели не являются двигателями внутреннего сгорания?

Какие из названных двигателей не являются двигателями внутреннего сгорания? Ракетный Паровая турбина Бензиновый двигатель

Где еще кроме автомобилей используется двигатель внутреннего сгорания?

Это всевозможные транспортные средства: мопеды, мотоцыклы, автомобили, теплоходы, тепловозы, самалеты и вертолеты.. В общем, практически все, на чем можно передвигаться. Так же ДВС применяется в бензо-инструменте: бензопилы, газонокосилки и тримеры, угловые шлифмашинки и мн.

Какие есть виды двигателей внутреннего сгорания?

Рассмотрим, какие существуют виды автомобильных ДВС, а также укажем типы двигателей:

  • Паровая машина
  • Бензиновый двигатель
  • Карбюраторная система впрыска
  • Инжектор
  • Дизельные двигатели
  • Газовый двигатель
  • Электрические моторы
  • Роторно-поршневые ДВС

Что является несущей деталью двигателя?

У некоторых многооборотных двигателей картер является основной несущей деталью остова (несущий картер). Он крепится непосредственно к судовому фундаменту полками. Часто встречаются двигатели у которых блок цилиндров и станина выполнены в виде одной монолитной отливки. Такая конструкция называется блок-картером.

Кто и когда изобрел двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания/Изобретатели

Что такое двигатель принцип работы?

Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу. … Поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Какие два механизма есть в двс и напишите их определение?

Двигатель внутреннего сгорания состоит из двух основных механизмов — кривошипно-шатунного и газораспределительного — и систем охлаждения, смазки, питания. У карбюраторных двигателей имеется и система зажигания.

Какое устройство называют двигателем и какие виды двигателей бывают?

Двигатель – это устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в механическую работу. Двигатели разделяют на первичные и вторичные. К первичным относятся те виды двигателей, которые преобразуют природные энергетические ресурсы в механическую работу.

Какая энергия используется в двс?

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) энергия химических связей топлива преобразуется в тепловую энергию в результате сжигания. Образующиеся при сгорании газы расширяются в цилиндре, приводя в движение поршень.

Чем ракетный двигатель отличается от реактивного двигателя?

Классы реактивных двигателей

Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха. Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

Чем ракетный двигатель отличается от реактивного?

В отличие от них воздушно-реактивные двигатели несут на борту только запас горючего, а в качестве окислителя используется кислород атмосферного воздуха. ВРД пригодны для работы только в атмосфере Земли, тогда как ракетные двигатели могут работать как в атмосфере, так и в космическом пространстве.

Чем отличается атмосферный двигатель от обычного?

Атмосферный двигатель: что это такое, чем отличается от турбированного … Представляет он собой обычный двигатель внутреннего сгорания, однако в отличие от инжекторных либо карбюраторных, не имеет дополнительных автоматических узлов, обеспечивающих более эффективное сгорание топлива.

Интересные материалы:

Как изменить вид окна диспетчера задач?
Как изменить вид перемещения окна в Windows 10?
Как изменить вид страницы в Фейсбуке?
Как изменить вид страницы?
Как изменить вид таблицы в Excel?
Как изменить вид уведомлений андроид?
Как изменить вид в гугле?
Как изменить виджет часов на экране блокировки?

Как изменить вкладки?
Как изменить внешний вид гугл почты?

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Один из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.

Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.

Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.

Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.

Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.

Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. У него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка. Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.

Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1111-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.

В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.

Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.

Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 ООО кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках,   передвижных   электростанциях.

Написать комментарий

  • ДВИГАТЕЛИ МОДЕЛЬНЫЕ
  • ДВОЕБОРЬЕ ЛЫЖНОЕ

Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания

Швейцарские

традиции.

Качественные

и технологичные

инжиниринговые

решения.

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Описание

Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания

. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.

На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО2, а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале XIX-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине XIX-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце XIX-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО

2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

  • Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
  • Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
  • Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
  • Опция использования пропанового топлива
  • Опция использования природного газа
  • Опция использования попутного нефтяного газа
  • Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

  • Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

  • Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
  • Воздушный фильтр камеры сгорания
  • Топливная система и кожух камеры сгорания
  • Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
  • Охладитель и фильтр для смазочного масла
  • Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
  • Температурный датчик воды в системе охлаждения
  • Датчик давления смазочного масла
  • Датчик давления и температуры газа
  • Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

  • Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
  • Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
  • Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
  • Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
  • Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

Инновации в энергосбережении: Теплоэнергетическая установка на основе двигателя внешнего сгорания со сжиганием биогаза

Одним из видов топлива, использующегося в двигателях внешнего сгорания, служит биогаз. Инновационная теплоэнергетическая установка на основе двигателя внешнего сгорания преобразует биогаз в энергию и тепло. Установка состоит из следующих компонентов:

  1. Система подачи горючего, которая автоматически перемещает биомассу из зоны хранения в систему сжигания топлива
  2. Система сжигания топлива, где биомасса сгорает и, таким образом, преобразуется в горячие топливные газы
  3. Двигатель внешнего сгорания, расположенный на системе сжигания топлива таким образом, чтобы топливные газы подогревали теплообменный аппарат, так называемый «нагревательный прибор» двигателя внешнего сгорания
  4. Система подачи охлаждающей воды, которая охлаждает вторую часть двигателя внешнего сгорания
  5. Система управления, которая обеспечивает автоматическое и дистанционное управление установкой без обслуживающего персонала

Установка использует в качестве топлива биомассу. Внутренняя часть машины наполняется гелием, и в нее нагнетается давление 40 бар. Под давлением находятся и горячая, и холодная сторона двигателя, включая механизм и генератор. Это сводит к минимуму разность давлений между горячей и холодной сторонами машины. Более того не используется смазочное масло.

Горячая сторона двигателя нагревается до уровня около 700°С, а холодная сторона охлаждается при помощи охлаждающей воды до уровня 40-80°С. Это создает разность температур около 600°С.

Для получения эффективной передачи тепла в двигатель температура источника тепла должна быть значительно выше 700°С. Двигатель имеет четыре цилиндра и производит электрическую мощность 35 кВт.

Древесные стружки подаются в газификатор с восходящим движением воздуха через винтовой конвейер (А). Внутри газификатора с восходящим движением воздуха (В) находится слой древесных стружек толщиной 2 метра. В таком слое в нижней части газификатора (С) происходит контролируемый процесс сжигания с низким содержанием кислорода. В ходе этого процесса испаряются летучие частицы древесных стружек над зоной сжигания, которые выходят в верхней части газификатора как газ, полученный из древесины. Процесс газификации с восходящим движением воздуха прост и надежен, он поставляет горючий газ непосредственно в специально разработанную камеру сжигания, в которой смонтирована машина внешнего сгорания. Устройства для очистки или кондиционирования газа не требуются. Газ, полученный из древесины, отводится (D) в камеру циклического сжигания (Е), где он смешивается с предварительно нагретым воздухом и сжигается. Уровень температуры внутри камеры сжигания составляет 1200°С. Теплообменный аппарат двигателя внешнего сгорания (F) смонтирован внутри камеры сжигания, что обеспечивает нагрев машины. Одновременно двигатель внешнего сгорания охлаждается при помощи охлаждающей воды (G). В заключение отработанный газ проникает в теплообменный аппарат (Н). Часть отработанного газа отправляется обратно в газификатор с восходящим движением воздуха (I), а часть отработанного газа охлаждается при помощи охлаждающей воды (J). Оставшаяся часть отработанного воздуха выходит через трубу (К) при температуре 130°С.

Двигатель внешнего сгорания производит электроэнергию из тепла. Оставшееся тепло отработанного газа используется для предварительного нагревания воздуха в камере сжигания, а также для нагревания теплофикационной воды в экономайзере. Тепло также производится в машине и подается на решетку обогревателя.

Единственными отходами установки являются охлажденный отработанный газ с низкими уровнями содержания CO и NOx и зола, выходящая из нижней части газификатора.

Работа установки основана на двигателе мощностью 35 кВт и может изменяться в диапазоне от 35 кВт до 140 кВт.

Факты и цифры

Теплоэнергетическая установка с газификатором с восходящим движением воздуха, работающая на биомассе

Спецификация

Система подходит для использования в качестве системы с основной нагрузкой для годовых тепловых нагрузок в диапазоне 1 – 10 ГВт-ч.

Установка может сочетаться либо с обычно используемым водонагревателем на топливе из древесных стружек или на водонагревателе на газовом топливе для максимальных нагрузок.

Области применения и преимущества теплоэнергетических установок на основе двигателя внешнего сгорания

Установки идеально подходит для мелкомасштабного производства электроэнергии и тепла:

  • Легко контролируемое сжигание газа с низкими уровнями выбросов и высокой производительностью системы. Постоянный процесс сжигания разрушает почти 100% углеводородов и производит очень низкие уровни выбросов NOx и CO2 без содержания выхлопных газов после обработки.
  • Полностью автоматическое управление
  • Отсутствие необходимости очистки газа или фильтрации отработанного газа
  • Гибкость и масштабируемость: компактные размеры, а также отсутствие необходимости здания делают установки идеальными для применения в различных местных условиях. Несколько установок можно легко соединить между собой в случае увеличения необходимой мощности и снабжения топливом
  • Зарекомендовавшая себя технология производства
  • Гибкие требования в отношении типов топлива (природный газ, пропан, попутный нефтяной газ, угольный газ, синтетический газ, биогаз)
  • Низкая потребность в техническом обслуживании и продолжительный срок эксплуатации. Двигатель герметически запаян, его конструкция рассчитана на интервалы между техническим обслуживанием до 10000 часов. Так как сжигание происходит вне цилиндров, вещества, загрязняющие топливо, не скапливаются в масле двигателя. Установки содержат на 50% меньше подвижных деталей, чем в двигателях внутреннего сгорания, то есть, в них меньше быстроизнашивающихся деталей. Результат: пониженная потребность в периодическом техническом обслуживании и отсутствие необходимости замены масла на протяжении всего срока эксплуатации
  • Обеспечивается распределенное производство электроэнергии с простым подсоединением к электросети, без дорогостоящего оборудования для синхронизации, и использования топлива местного производства
  • Установки предназначены для местного комбинированного производства тепловой и электрической энергии в системах централизованного теплоснабжения, промышленности, жилых поселках, школах, спортивных объектах и пр. Ими можно заменить существующие системы, основанные на ископаемом топливе, или объединить ее с существующими системами. Комбинированное производство электроэнергии и тепла обеспечивает максимальный КПД и оптимальную прибыль на инвестированный капитал
  • Плавная и тихая работа — в отличие от традиционных генераторов установки на основе двигателей внешнего сгорания не требуют установки устройств для уменьшения вибрации и поглощения звука
  • Простота монтажа – установку можно устанавливать, не закрепляя, на гравийной площадке. Установка полностью защищена от атмосферных воздействий, то есть, не требует защитного корпуса

Как работает двигатель внутреннего сгорания для детей

Содержание

  1. Устройство современного двигателя
  2. Шаг 2. Устройство двигателя. Как работает двигатель?
  3. Какие двигатели бывают?
  4. Зачем смешивать топливо с воздухом, спросите вы?
  5. Устройство простейшего двигателя
  6. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
  7. Принцип работы и устройство двигателя
  8. Устройство двигателя внутреннего сгорания
  9. Принцип работы двигателя
  10. Системы двигателя
  11. ГРМ — газораспределительный механизм
  12. Система смазки
  13. Система охлаждения
  14. Система подачи топлива
  15. Выхлопная система
  16. Какие бывают двигатели?
  17. Конструкция автомобильного двигателя, виды
  18. Классификация двигателей ВС
  19. Поршневой двигатель внутреннего сгорания
  20. Роторный двигатель внутреннего сгорания
  21. Устройство поршневого двигателя автомобиля
  22. Как работает 4-тактный автомобильный двигатель
  23. Видео

Устройство современного двигателя

Шаг 2. Устройство двигателя. Как работает двигатель?

Молодцы ребята! Вы освоили шаг № 1, где вы узнали о б общем устройстве автомобиля. Теперь мы переходим к шагу №2, а именно к изучению отдельных агрегатов автомобиля.

Мы теперь понимаем, что автомобиль состоит из тысячи мелких деталей. Устройство автомобиля можно даже сравнить со строением человека : двигатель это сердце автомобиля, ходовая часть автомобиля это ноги, трансмиссия это опорно двигательный аппарат, кузов это туловище, система питания это желудок. Так можно сравнивать долго, а мы хотим узнать, как же устроен двигатель автомобиля.

Как человек не может существовать без отдельных своих органов, таких как сердце, печень, почки, так и автомобиль не может без своих агрегатов, механизмов, систем и деталей. Каждый орган выполняет свою функцию, обеспечивая оптимальную работу автомобиля.

Двигатель – это энергосиловая машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую работу.

Объясняем : В цилиндр двигателя (из топливного бака, куда заправляем топливо) поступает бензин. Топливо воспламеняется и сгорает в цилиндре, вследствие чего выделяется огромное количество теплоты. Теплота действует на детали двигателя и заставляет их работать.

Какие двигатели бывают?

Двигатели могут устанавливаться не только на автомобили, но и на промышленных предприятиях, для выполнения каких либо работ. Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, называются транспортными.

Двигатели, которые используются на промышленном производстве, называются стационарными.

Непрерывная работа двигателя обеспечивается благодаря повторяющимся процессам в цилиндре, которые проходят в определенной последовательности.

Все процессы в двигателе, которые происходят во время его работы, называют рабочим циклом. По способу осуществления рабочего цикла двигатели разделяются на : двухтактные и четырехтактные.

Для сгорания топлива необходимо смешать его с воздухом в определенной пропорции. По способу смесеобразования двигатели бывают карбюраторные, дизельные и инжекторные.

Зачем смешивать топливо с воздухом, спросите вы?

А вот, и школьная химия пригодилась. Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы топливо, подающееся в цилиндр, сгорало.

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель – это устройство, которое работает бесконечно, без топлива и энергии.

Все мечтают изобрести вечный двигатель, но, к сожалению, пока такого изобретения не существует. Создание вечного двигателя противоречит закону физики сохранения энергии.

Давайте вспомним, что нужно для горения? Если вы хорошо учили химию, тогда вы должны помнить, что для реакции горения необходим кислород. Второе, что нам нужно это источник тепла : огонь или искра. Если еще дровишек подкинете, то будет замечательный костер, который мы так любим делать, на пикнике.

В бензиновом двигателе в роли источника тепла выступает свеча зажигания (принудительное воспламенение). В дизельном двигателе процесс воспламенения происходит от сжатия (самовоспламенение).

На каком топливе работает двигатель? В двигателе в качестве «дровишек», в отличие от костра, используется топливо. Карбюраторные и инжекторные двигатели работают на бензине. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе. Есть еще двигатели, работающие на газу.

Устройство простейшего двигателя

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и систем, которые выполняют разные функции, но имеют общую цель – надежная и стабильная работа двигателя.

В цилиндре двигателя находится поршень 8 с поршневыми кольцами 9, соединенный с коленчатым валом 10 при помощи шатуна 2.

Поршень 8 двигается вверх-вниз, вращая коленчатый вал 10, который в свою очередь с помощью приводного ремня передает вращательное движение распределительному валу 6. На распределительном валу есть, кулачок, который при вращении нажимает на рычаг коромысла, в это время вторая часть коромысла открывает или закрывает впускной 4 или выпускной 7 клапаны.

Когда поршень идет вниз открывается впускной клапан, в цилиндре создается разряжение, за счет которого поступает горючая смесь.

Горючая смесь – это смесь воздуха и мелко распыленного топлива (бензина) в определенной пропорции, которая обеспечивает качественное сгорание.

Во время движения поршня вверх, горючая смесь сжимается, в это время свеча зажигания подает искру, сжатая смесь топлива и воздуха в цилиндре воспламеняется и сгорает, выделяется огромное количество газов с высокой температуры и давления и давят на поршень, опуская его вниз. Поршень через шатун вращает коленчатый вал. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршня шатуна (вверх-вниз) преобразуется во вращательный момент коленчатого вала.

Источник

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Один из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.

Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу (см. рис.).

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.

Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.

Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.

Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.

Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка. Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.

Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.

В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.

Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.

Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 000 кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.


В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

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.

Принцип работы двигателя

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Системы двигателя

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

Система смазки

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

Система охлаждения

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

Система подачи топлива

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Выхлопная система

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Источник

Какие бывают двигатели?

Самым первым двигателем было простое водяное колесо. На колесе крепились лопатки, оно опускалось в реку, и течение воды приводило его в движение. Прикрепив к колесу различные механизмы, люди выполняли всевозможные работы: орошали поля, мололи зерно, ковали металл.

В истории не указано, кто первым применил гидравлический двигатель. В Индии еще за тысячу лет до нашей эры существовали водосиловые установки. О водяных мельницах на Руси упоминается в документах, относящихся к XI веку. Первые гидравлические двигатели представляли собой деревянные колеса с лопатками. Нижняя часть колеса опускалась в водяной поток. Такие водяные колеса назвали нижнебойными.

А если направить поток воды сверху на колесо, вода будет давить почти на половину его лопаток и мощность двигателя увеличится еще больше! К этому очевидному выводу пришли не сразу. Такое водяное колесо назвали верхненаливным.

Нижнебойное водяное колесоВерхненаливное водяное колесо

Позднее были придуманы ветряные двигатели. К небольшому колесу крепились огромные деревянные крылья. Они вращались под действием ветра и приводили в движение мельничные жернова. Ветряные мельницы строились на открытых местах, холмах. Их можно встретить и в наше время.

Ветряные мельницыВетрогенераторы («ветряки»)

Ветряным и водяным двигателям не требуется топливо. Они очень экономичные. Их приводят в действие силы природы, от которых они и зависят. В этом их недостаток.

Паровой двигатель более независим. В паровой машине имеются печь и котел. Печь топится дровами и углем и нагревает котел с водой. Вода закипает и превращается в пар. Он и приводит в движение механизмы. Изобретение парового двигателя способствовало развитию промышленности. Заработали паровые станки, паровозы, пароходы.

Схема паровой машины
Д. Уатта (1775 г.)
Паровоз

Однако паровая машина тоже имеет недостаток: она слишком велика и прожорлива и требует много топлива.

Рядный четырёхцилиндровый
двигатель внутреннего сгорания

Схема работы четырёхтактного
двигателя внутреннего сгорания
(цикл Отто)

Газовые двигатели были несовершенны, и поэтому не прекращались попытки поиска нового горючего. Первый работоспособный двигатель, работающий на бензине, изобрел немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе с Вильгельмом Майбахом в 1885 году. Впоследствии они изобрели еще несколько типов бензиновых двигателей внутреннего сгорания, придумали карбюратор, разработали первый мотоцикл, один из первых автомобилей, лодочный мотор.

Как ни пытались усовершенствовать двигатель внутреннего сгорания, его так и не удалось использовать для вывода искусственных спутников на земную орбиту. Новый, реактивный двигатель решил эту проблему.

Дрова, уголь, бензин и керосин горят потому, что воздух поддерживает огонь. Космическая ракета летит там, где воздуха нет. Его нужно искусственно подавать. Но воздух состоит из трех частей: кислорода, углекислого газа, азота. Из всех этих газов только кислород поддерживает горение. Решили «брать» в космос только его, причем в жидком виде: так экономичнее и удобнее. В ракете керосин и жидкий кислород хранятся в отдельных баках. Затем насосом они подаются в камеру сгорания, где перемешиваются и поджигаются электрической искрой. Сгорая, кислород и керосин образуют раскаленные газы, которые через узкое горлышко вырываются наружу. Они и толкают ввысь ракету.

Устройство реактивного двигателя

Классический реактивный двигатель
самолета F-15

Источник

Конструкция автомобильного двигателя, виды

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания – агрегат, состоящий из ряда узлов и деталей. Работает он за счет того, что топливно-воздушная смесь функционирует в закрытой от внешней среды камере сгорания. Попадая туда, смесь воспламеняется.

Вследствие расширения газов (они, в свою очередь, появляются за счет воспламенения смеси), образуется тепловая энергия. Согласно законам физики, она трансформируется в механическую, начиная передавать крутящий момент через трансмиссию на ведущие колеса. На основе всех этих процессов и работает автомобильный двигатель внутреннего сгорания.

Классификация двигателей ВС

Со времен первой разработки и до наших дней производятся поршневые и роторно-поршневые ДВС (Ванкеля).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Рабочая камера сгорания в поршневых моторах располагается внутри цилиндра, между поверхностью плоскости ГБЦ (головки блока цилиндров) и днищем поршня, когда тот находится в верхней мертвой точке (максимальный подъем поршня).

Тепловая энергия образуется при помощи КШМ (кривошипно-шатунного механизма), обеспечивающий возвратно-поступательные движения. Полученная энергия в результате воспламенения смеси давит на поршень, передавая энергию на коленчатый вал.

Поршневые моторы существуют в трех вариациях:

Бензиновый карбюраторный автомобильный двигатель. Посредством карбюрации, топливно-воздушная смесь образуется вне камеры сгорания (внешнее смесеобразование), а готовится в карбюраторе. Смесь воспламеняется от свечи зажигания.

Бензиновый инжектор. смесеобразование происходит внутри камеры сгорания. Топливо подается электронно-управляемыми форсунками, которые могут быть установлены на конце впускного коллектора, либо вмонтированы в ГБЦ. Управляет и корректирует работу всего мотора ЭБУ (электронный блок управления двигателем).

Дизельный двигатель. Воспламенение дизельного топлива происходит без участия свечи зажигания, а посредством сжатия воздуха, в результате чего температура воздуха превышает температуру горения. Впрыск топлива осуществляется форсунками, а за впрыск под давлением отвечает ТНВД (топливный насос высокого давления).

Роторный двигатель внутреннего сгорания

Роторно-поршневой автомобильный двигатель работает следующим образом: рабочая камера двигателя овальной формы, внутри которой движется треугольный ротор, двигающиеся по планетарной траектории вокруг своей оси.

Ротор берет на себя функцию поршня, КШМ и ГРМ (газораспределительного механизма). В камере есть 4 отсека, в каждом их которых происходит такт:

Роторно-поршневые двигатели имеет высокий КПД относительно поршневого, так как потери на трения у первого значительно меньше, но максимальный ресурс ротора не превышает 100 000 км.

Устройство поршневого двигателя автомобиля

Наиболее простой двигатель внутреннего сгорания имеет рядное расположение цилиндров. В современных моторах их от 3 до 6. Более компактный автомобильный двигатель имеет V-образную форму, то есть поршни расположены под углом напротив друг друга.

Цилиндров у V-образного двигателя может быть 4, 6, 8, 10 и 12. Также существуют рядно разнесенные моторы VR и W, их конструкция сложна, поэтому устройство мотора лучше изучить на рядной «четверке».

Основа двигателя – блок цилиндров. В этих цилиндрах двигаются поршни. Внизу блока крепится коленвал на подшипниках трения (вкладышах), к нему присоединен шатун, а к шатуну – поршень.

Такой узел называется кривошипно-шатунным. Поскольку коленчатый вал имеет, соответственно названию, форму колена, без шатуна невозможно было бы обеспечить возвратно-поступательные движения поршня.

Конструкция шатуна выполнена так, что его нижняя часть делает колебательные движения, а верхняя часть, соединенная с поршнем, не движется в боковом направлении.

Поршень двигателя имеет три кольца: два компрессионных и одно маслосъемное. О предназначении колец говорит само название: компрессионные обеспечивают давление в цилиндре, не допустив прорыва газов в картер, а маслосъемные кольца снимают масло со стенок цилиндра и сбрасывают его в масляный картер.

К коленчатому валу с передней стороны соединен шкив для обеспечения работы навесного оборудования через ремень, а также работы ГРМ, если тип привода ременной. Если ГРМ цепного типа, то на коленвале установлена звезда. Дополнительная звезда на коленчатом валу может быть установлена, если привод маслонасоса цепной.

С задней стороны к коленвалу устанавливается маховик. Маховик аккумулирует механическую энергию, и через трансмиссию передает ее на ведущие колеса. На маховике установлены зубцы для соединения со стартером.

Сверху цилиндры герметично накрыты головкой блока цилиндров, между которыми установлена металлическая прокладка. Камера сгорания находится как раз в ГБЦ, и может быть сферической или полусферической формы, а в дизельных моторах камера сгорания находится в выемке поршня.

В конструкции классической ГБЦ есть:

За возврат клапана в исходное место отвечает пружина, которая накрывается тарелкой, и фиксируется «сухарями».

Привод ГРМ, чаще всего цепной или ременной. Для цепного привода требуются пластиковые успокоители и натяжитель механического или гидравлического типа. Ременной привод ГРМ простой конструкции включает в себя ремень, обводной ролик и натяжитель.

Как работает 4-тактный автомобильный двигатель

Четырехтактный автомобильный двигатель внутреннего сгорания имеет, соответственно, 4 такта:

По базовому принципу работают все двигатели внутреннего сгорания. Их разница с дизельными в том, что вместо свечи высокое давление образует воспламенение, а точнее – детонация.

Источник

Видео

Как работает двигатель внутреннего сгорания автомобиля?

Принцип работы двигателя. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3D

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Как устроен автомобиль — Познавательный Мультик

Устройство двигателя автомобиля. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3D

Галилео. Эксперимент. Принцип ДВС

Урок 34 Общее устройство и работа двигателя

Общее устройство легкового автомобиля в 3D. Как работает автомобиль?

Работа двигателя внутреннего сгорания

3D работа двигателя

Технологии выживания ДВС | Автокомпоненты. Бизнес. Технологии. Сервис

Смогут ли бензиновые и дизельные двигатели выжить в электрифицированном мире идеального будущего? На самом деле, если на них не наложат прямой тотальный запрет, запросто! Причем не просто выжить, но и благодаря передовым технологиям обеспечить достаточно высокий уровень экологической нейтральности.

Не торопитесь хоронить

Перевозка людей и грузов имеет первостепенное значение для развития современного общества. В настоящее время окружающий нас автотранспорт почти полностью приводится в действие двигателями внутреннего сгорания, использующими жидкое топливо, из-за их приемлемой стоимости, удобства и доступности. Это около 1,2 миллиарда легковых автомобилей и почти 380 миллионов автомобилей большой грузоподъемности (данные цифры постоянно растут). Кроме того, стационарные двигатели внутреннего сгорания (например, генераторы) повсеместно используются в промышленности и на предприятиях по производству электроэнергии, что также способствует повышению уровня жизни во всем мире.

По оценкам экспертов, двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работающие на ископаемом топливе, производят более 25% мировой энергии (около 3000 из 13 000 миллионов тонн нефтяного эквивалента в год) и при этом производят около 10% глобальной эмиссии парниковых газов. Суточная потребность в жидком топливе превышает 11 миллиардов литров.

Все альтернативы, будь то альтернативы двигателям внутреннего сгорания или жидкому топливу на нефтяной основе, сталкиваются с очень серьезными препятствиями на пути к быстрому внедрению. Но крайне поверхностное изучение проблематики вопроса выбросов привело к тому, что западное общество в основной своей массе поверило в желательность и неизбежность смерти ДВС. Например, многие люди считают, что большая часть мировых выбросов парниковых газов производится легковыми и грузовыми автомобилями, что является в высшей степени неверным.

Однако, если отрешиться от политической конъюнктуры и вдумчиво взвесить все имеющиеся обстоятельства с технологической точки зрения, можно прийти к закономерному выводу: двигатели внутреннего сгорания не исчезнут полностью в ближайшее время, если они вообще исчезнут когда-нибудь. Ведь множество вполне конкретных транспортных задач и/или условий эксплуатации просто не подходят для электрических силовых установок на батареях или топливных элементах.

Бесспорно, прогресс альтернативных силовых приводов в автомобилестроении, произошедший в последние несколько лет, впечатляет. Накопители энергии, системы трансмиссии и технологии топливных элементов, похоже, готовы занять значительное место на рынке мобильности. Но было бы ошибкой полагать, что такие технологии полностью отменят опыт и наработки прошлого, – скорее всего, в обозримом будущем двигатель внутреннего сгорания продолжит оставаться неотъемлемой частью индустрии грузо- и пассажироперевозок.

Тем не менее это не означает, что все будет по-прежнему. ДВС претерпевает значительную эволюцию, поскольку новые стандарты экономии топлива и выбросов в секторах малой и большой грузоподъемности активно стимулируют разработку новых технологий в беспрецедентном масштабе, все ближе и ближе подбираясь к теоретическим пределам принципов внутреннего сгорания. В сочетании с продолжающимися исследованиями фундаментальных процессов, внедрением высокопроизводительных вычислений и передовых производственных технологий во всей отрасли генерируемые инженерами инновационные решения открывают превосходные возможности для создания двигателей с чрезвычайно высокой эффективностью.

В распоряжении компетентных специалистов-двигателестроителей уже есть немало разнообразных ноу-хау, позволяющих извлекать еще больше энергии буквально из каждой молекулы топлива, производя при этом еще меньше вредных выбросов. Основные из них мы и хотим привести в своем обзоре. Технологии расположены в порядке сложности и стоимости реализации.

Топлива с октановым числом 98

Сконструировать двигатель, работающий со сжатием 15:1 или выше, в принципе несложно. А это значительно улучшит его термодинамический КПД и удельную мощность, позволяя дополнительно уменьшить размеры агрегата. Для такого двигателя будет необходимо топливо с более высоким октановым числом, а показатель RON 98 представляет собой золотую середину, выше которой производство/очистка горючего потребует больше энергии, что резко снижает эффективность его использования, приводя к росту стоимости и выбросов CO2.

Рациональное отключение цилиндров

Согласитесь, далеко не всегда мы используем двигатель на полную мощность. Все эти продолжительные ускорения или буксировки тяжелых трейлеров, требующие максимальных энергетических показателей на выходе, для подавляющего большинства автомобилистов – лишь краткие эпизоды в повседневной эксплуатационной практике. Поэтому нет никакой необходимости в том, чтобы все цилиндры работали постоянно.

Исходя из того, что деактивация цилиндров способна значительно повысить эффективность работы двигателей (особенно наиболее мощных) в менее экстремальных дорожных ситуациях, инженеры уже сравнительно давно начали конструировать агрегаты, оснащенные подобной функцией. Однако наиболее заметные результаты были достигнуты лишь совсем недавно. В частности, система динамического управления подачей топлива может отключать один или несколько цилиндров в 5,3- и 6,2-литровых V-образных «восьмерках» GM, чтобы повысить экономию топлива почти на 20%.

В настоящее время Tula Technologies и Eaton предлагают аналогичные системы для дальнемагистральных дизельных двигателей, в которых и меньшая выгода от топливной экономичности (в среднем 1,5–4,0%) приносит огромные дивиденды по выбросам NOx за счет стабилизации температуры выхлопных газов на уровне, необходимом для поддержания наиболее продуктивной работы катализаторов.

Инновационные нагнетатели

Мощность двигателя ограничена количеством воздуха, которое он может «проглотить», поэтому более века назад были разработаны нагнетатели с приводом от коленчатого вала и турбонагнетатели с приводом от выхлопных газов. Электрические нагнетатели, использующие рекуперативную энергию, в частности, на двигателях Volvo Drive E и Mercedes M256; добавление мотора/генератора к турбонагнетателю устраняет отставание по мощности и позволяет концентрировать оптимальные количества энергии во время движения.

Еще два интересных варианта компрессоров с кривошипно-шатунным приводом: центробежный нагнетатель Torotrak V-Charge и нагнетатель типа Lysholm от Hansen Engine. В первом используется бесступенчатый трансмиссионный привод, чтобы быстро подбирать скорость в соответствии с потребностями. Второй оснащен специальным окном, которое открывается или закрывается в зависимости от потребности в давлении воздуха, тем самым минимизируя потери для обеспечения эффективности турбонаддува.

Необычные системы зажигания

Поскольку для сгорания топлива требуется время, обычные свечи зажигания срабатывают, когда поршень уже движется вверх, что делает первоначальное сгорание контрпродуктивным. Схемы одновременного воспламенения большего количества смеси обеспечивают более быстрое сгорание, что позволяет ему в основном происходить при ходе вниз. Ford разработал лазеры ближнего инфракрасного диапазона для зажигания нескольких точек в камере сгорания, но стоимость и надежность такой системы пока не вызывают особого оптимизма с точки зрения массового производства.

Встраиваемая свеча зажигания Transient Plasma, скажем так, впрыскивает порции низкотемпературной плазмы, способной быстро и «холодно» воспламенить ультраобедненные смеси для повышения экономии топлива на 15–20% и значительного снижения выбросов NOx.

Даже новую форкамерную систему Twin-Combustion от Maserati можно квалифицировать как ускоритель зажигания.

Переменная степень сжатия

Концепция переменной степени сжатия подразумевает высокую компрессию для экономного движения в крейсерском режиме со стабильной скоростью и низкую, когда турбонаддув переходит в фазу нагнетания. Первым автопроизводителем, поставившим данную технологию на поток, стал Nissan/Infiniti со своим 2,0-литровым VC-Turbo. С помощью хитро сконструированных поршневых шатунов этот двигатель может прямо на ходу плавно изменять степень сжатия от 8:1 до 14:1.

Однако эксплуатационные характеристики и производительность Nissan/Infiniti VC-Turbo пока не сильно впечатляют экспертов. Да и пользователей тоже. Технология требует доработки во многих отношениях.

Ее прямым развитием является прототип FEV, использующий более простую схему с эксцентриковым шатуном – давление масла, подаваемое через коленчатый вал, приводит во вращение эксцентриковый подшипник в конце поршня. Тем самым степень сжатия изменяется в более узком диапазоне с 8:1 до 12:1, но при этом точно сокращает потребление топлива на 8–10%.

Хотя, конечно, всегда следует помнить, что более высокая степень сжатия (17:1) улучшает характеристики холодного пуска, снижает выбросы углеводородов и повышает переносимость топлива с низким цетановым числом, а более низкая компрессия (14:1) снижает выбросы твердых частиц и позволяет усилить турбонаддув в условиях эксплуатации с высокой нагрузкой.

Компрессионное воспламенение

Экономичность дизеля с эмиссией бензинового двигателя! Это дихотомическое обещание технологии HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition – компрессионное воспламенение однородной смеси), способной спонтанно воспламенять обедненные бензиновые смеси путем сжатия. GM, Mercedes и Hyundai внедряли многообещающие программы HCCI, но только Mazda запустила HCCI в массовое производство. Ну, как бы запустила. SkyactivX все-таки иногда использует свечи зажигания и все еще считается слишком дорогим удовольствием для продажи во многих странах мира, в том числе и в Северной Америке.

В идеале двигатель HCCI сжигает бензин, но использует воспламенение только от сжатия, как и дизельный двигатель, а не свечу зажигания. Теоретически это обеспечивает эффективность дизеля без образования сажи и высоких выбросов оксидов азота (NOx). Однако для этого требуется гораздо более точный контроль температуры на впуске, а также момента зажигания.

Компания Nautilus Engineering предложила концепцию HCCI, включающую небольшой поршень наверху основного поршня, который входит в свой собственный цилиндр с более высокой степенью сжатия в верхней части хода, чтобы инициировать воспламенение от сжатия. Однако нам неизвестно о каких-либо OEM-контрактах, заключенных компанией.

Более совершенный вариант – воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием смеси (PCCI – Pre-mix Сharge Сompression Ignition). По идее, это золотая середина между воспламенением от сжатия дизельного двигателя и HCCI, потому что сначала впрыскивается меньшее количество топлива, чтобы позволить ему лучше смешаться с воздухом в камере сгорания, а затем большее. Такое решение обеспечивает более четкий контроль времени зажигания, чем HCCI, но также может создавать очаги несгоревших побочных продуктов, что плохо сказывается на выбросах. Кроме того, двигатели PCCI имеют довольно узкий рабочий диапазон с высоким потенциалом детонации при полностью открытой дроссельной заслонке.

Третий вариант – воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI – Reactivity-Controlled Compression Ignition). В этой технологии используются два вида топлива: топливо с низкой реактивностью (например, бензин), которое впрыскивается через специальный порт, и топливо с высокой реактивностью (например, дизельное топливо), впрыскиваемое напрямую. Этот метод приводит к значительному повышению эффективности, но по-прежнему характеризуется довольно высокими выбросами. Сложность использования одновременно двух видов топлива также может сделать его коммерчески нереализуемым.

Системы рекуперации отработанной энергии

Двигатели внутреннего сгорания, как известно, выделяют много тепла и вибрации; почему бы не использовать их для выработки термоэлектрической или пьезоэлектрической энергии? Предложенная BMW система Turbosteamer и многие другие отказались от реализации таких концепций по причине их высокой стоимости и веса.

Твердотельные термоэлектрические генераторы могут превращать тепло, как правило, от компонентов системы выхлопа и самого выхлопа непосредственно в электричество. (Осуществимость производства требует повышения эффективности необходимых материалов по сравнению с сегодняшним уровнем примерно на 5%.) Исследователи из Университета Дьюка предлагают использовать пьезоэлектрические кристаллы, подобные кристаллам, расширяющимся под действием напряжения, для приведения в действие форсунок прямого впрыска для выработки энергии при вибрации.

Совершенно новые концепции двигателей

Любая принципиально новая конструкция двигателя внутреннего сгорания сталкивается с огромной промышленной инерцией. Особенно сейчас, когда все грезят электроприводом. Тем не менее несколько интересных и необычных идей не стоит сбрасывать со счетов.

Achates Power недавно получила еще один грант в размере 5 миллионов долларов от армии США для продолжения разработки своего (вы только вдумайтесь, как это звучит) трехцилиндрового двухтактного двигателя с шестью оппозитными поршнями и двумя коленчатыми валами. Как сообщается пресс-службой компании, 4,9-литровый прототип с супер- и турбонаддувом мощностью 275 л.с. по эффективности превосходит 6,7-литровый турбодизель Power Stroke в Ford F-Series на 20%.

Scuderi и Primavis предложили двигатели с разделенным циклом, которые выполняют циклы впуска/сжатия и сгорания/выпуска в отдельных цилиндрах, каждый из которых предназначен для выполнения своих конкретных задач. Благодаря этому ощутимо снижается температура. К сожалению, Scuderi столкнулась с юридическими проблемами со своими инвесторами. А Primavis переориентировала свой крошечный двухтактный двигатель на электротранспорт – с его помощью предполагается повысить запас хода электромобилей. Впрочем, как бы ни изменилась ситуация, оба проекта кажутся экспертам вполне жизнеспособными и с научной точки зрения достаточно обоснованными.

Концепцией LiquidPiston X-1 также заинтересовались служивые люди. Говоря простыми словами, она представляет собой роторный двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку и всего с двумя движущимися частями – вместо треугольного ротора внутри корпуса, выполненного в форме ореха у X-Engine, орехообразный ротор внутри треугольного корпуса. Но на выходе – просто исключительная по своим показателям удельная мощность.

Конструкция X-Engine сочетает высокую степень сжатия и прямой впрыск дизельного двигателя с процессом сгорания при постоянном объеме цикла Отто и способностью к чрезмерному расширению цикла Аткинсона. При этом, по словам разработчиков, полностью решаются все проблемы смазки и уплотнения, присущие роторному двигателю Ванкеля.

Ну и здесь же нельзя не упомянуть концепцию вращающейся турбины внутреннего сгорания Astron Aerospace, в которой намешано вообще что-то невообразимое: работа с разделенным циклом, HCCI, сверхдлинный цикл расширения и множество других замечательных идей. Она также все еще находится в активной разработке, обеспечивая впечатляющую мощность, крутящий момент и эффективность.

Зеленое топливо: сжигание без выбросов углерода

Биотопливо: использование зеленой энергии для производства топлива из растений, которые вытягивают CO2 из атмосферы, теоретически не добавляет нового CO2 в наш «парник». Но функционирование ДВС на чистом этаноле, сделанном из кукурузы, обычно не засчитывается в плюс экологии, потому что земля, используемая для выращивания этой кукурузы, как правило, конвертировала одно и то же количество CO2, независимо от того, становились ли ее плоды топливом или кукурузным сиропом с высоким содержанием фруктозы. Таким образом, в данном случае однозначно декларировать сокращения выбросов оксида углерода не вполне корректно.

Но помимо описанного известны и другие процессы изготовления биотоплива. В частности, из целлюлозного сырья, такого как стебли кукурузы, трава мискантус или других культур, посаженных там, где до этого ничего не выращивалось и не могло быть собрано. Кроме того, существует множество процессов для преобразования целлюлозных материалов или даже мусора в этанол, метанол или бутанол. Но, к сожалению, все они слишком дороги, чтобы конкурировать с дешевым бензином.

Прямое улавливание углерода: было предложено несколько схем для извлечения CO2 из воздуха и его гидрогенизации с образованием углеводородного топлива. Prometheus Fuels планирует производить бензин из CO2, а партнерство Audi/Sunfire намеревается изготавливать дизельное топливо из «голубой нефти», полученной путем использования экологически чистой электроэнергии для соединения углерода, выделенного из CO2, с водородом из воды. Компания Carbon Engineering планирует начать выпуск так называемого синтетического горючего в промышленных масштабах к 2022 году. И ReactWell надеется объединить разработанный в Национальной лаборатории Окриджа процесс трансформации CO2 непосредственно в этанол с собственным процессом его преобразования в сырую бионефть, которую затем можно перерабатывать в различные углеводородные топлива.

Что же в итоге? В итоге, как несложно посчитать, комплексное использование описанных выше технологий способно дать нам до 70% экономии топлива и до 50% сокращения эмиссии вредных веществ по сравнению с актуальными на данный момент показателями. Вот только какими с точки зрения ремонтопригодности станут оснащенные ими двигатели? Впрочем, это уже вопрос хоть из смежной, но все же другой области и разбираться с ним станут специалисты иного профиля.

Двигатель внутреннего сгорания — New World Encyclopedia

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. сжатие
3. мощность
4. выпуск

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной чертой двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, непосредственно вызывающими движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже за счет давления и перемещения всего двигателя.

Это отличается от двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которая затем, в свою очередь, работает, например, путем нажатия на паровой поршень.

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

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

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Приложения
  • 2 Операция
  • 3 Процесс зажигания бензина
  • 4 Процесс зажигания дизельного двигателя
  • 5 Энергия
  • 6 деталей
  • 7 Классификация
    • 7.1 Принцип действия
    • 7.2 Цикл двигателя
      • 7.2.1 Двухтактный
      • 7.2.2 Четырехтактный
      • 7. 2.3 Пятитактный
      • 7.2.4 Двигатель Бурка
      • 7.2.5 Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем
      • 7.2.6 Ванкель
      • 7.2.7 Газовая турбина
      • 7.2.8 Вышедшие из употребления методы
    • 7.3 Типы топлива и окислителя
    • 7.4 Водород
    • 7,5 Цилиндры
    • 7.6 Система зажигания
    • 7.7 Топливные системы
    • 7.8 Конфигурация двигателя
    • 7.9 Объем двигателя
    • 7.10 Системы смазки
    • 7.11 Загрязнение двигателя
  • 8 КПД двигателя внутреннего сгорания
  • 9 Примечания
  • 10 Каталожные номера
  • 11 Внешние ссылки
  • 12 кредитов

Преимуществом является портативность. Использовать этот тип двигателя в транспортных средствах удобнее, чем на электричестве. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они выделяют. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными деталями, 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 люди нуждаются в средствах защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один минус — размер. Очень нецелесообразно иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть газовый электрогенератор в районе, где нет электричества для питания небольших предметов.

История

Раскрашенный автомобильный двигатель

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания. Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется.

Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для привода сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на топливно-воздушной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания и ранних конструкций является использование сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
  • 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая 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 доминировал почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время 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 создал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. 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, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на бескомпрессорный «газовый или паровой двигатель».
  • 1838: Уильяму Барнету был выдан патент (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
  • 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания (номер 1072), но не запустили его в производство. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) изготовил газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания. Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
  • 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус поместил на тележку первый передвижной бензиновый двигатель.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто). Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.

Карл Бенц

  • 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт оформляет свои права на лизинг нефтяных двигателей в Хорнсби в Англии для производства двигателей. Они строят первые двигатели с холодным пуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением обеспечивает самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает свой двигатель типа тепловой машины Карно, работающий на угольной пыли.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
  • 19:00: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 г. Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизель).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft, в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека, который потребовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Области применения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для мобильных двигателей в автомобилях, оборудовании и других переносных машинах. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является предпочтительным, поскольку оно может обеспечить высокое отношение мощности к весу вместе с превосходной плотностью энергии топлива. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень большая мощность, например, в реактивных самолетах, вертолетах и ​​больших кораблях, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются для электрических генераторов и в промышленности.

Эксплуатация

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

Наиболее распространенное используемое сегодня топливо состоит из углеводородов и производится 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, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без серьезных 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, дающих триглицериды, таких как соевое масло. Некоторые из них также могут работать на газообразном водороде.

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

Бензиновое зажигание Процесс

Электрические/бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для обеспечения высоковольтной электрической искры для воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, например, генератора переменного тока или генератора, приводимого в движение двигателем. Бензиновые двигатели всасывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм, а для воспламенения смеси используется свеча зажигания, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс воспламенения дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе его сжатия для воспламенения. Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламеняться. 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. Вот почему дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. У большинства дизелей также есть аккумуляторная батарея и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для облегчения запуска, включения и выключения топлива, что также может выполняться с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.

Энергия

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

После удаления доступной энергии оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в предыдущее положение (ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходами и удаляется из двигателя воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Запчасти

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 системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (в форме восьмерки) 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 Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным областям применения. Точно так же существует широкий спектр способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «двигателем» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую машину. «Мотор» (от латинского мотор, «двигатель») — любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют «двигателями», но двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Электродвигатель относится к локомотиву, работающему на электричестве.)

При этом следует понимать, что обычное использование часто диктует определения. Многие люди рассматривают двигатели как те вещи, которые генерируют свою энергию изнутри, а двигатели требуют внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, что корни слов действительно указывают на реальное различие. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее использование. Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принцип работы

Бензиновый двигатель 1906.

Поршневой:

  • Двигатель на сырой нефти
  • Двухтактный цикл
  • Четырехтактный цикл
  • Двигатель с горячей лампой
  • Тарельчатые клапаны
  • Манжетный клапан
  • Цикл Аткинсона
  • Предлагаемый
    • Двигатель Бурка
  • Улучшения
  • Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Роторный:

  • Продемонстрировано:
    • Двигатель Ванкеля
  • Предлагаем:
    • Орбитальный двигатель
    • Квазитурбина
    • Роторный двигатель с циклом Аткинсона
    • Тороидальный двигатель

Непрерывное горение:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, машины для уборки сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше 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 двигатели других типов, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного канала вместе с ранее израсходованным топливом. Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих небольших двигателях, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, а в некоторых юрисдикциях — двухтактные двигатели меньшего размера, оснащенные каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий такт на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и больше, чем их двухтактные аналоги. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовых автомобилей и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой воспламенения с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом с помощью шатунной шейки, проходящей через общую шпильку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, за один оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе. Кривошипный механизм также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндра. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию при постоянном объеме, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому он должен преодолевать меньшее трение, чем два других возвратно-поступательных типа. Кроме того, его более высокая степень расширения также означает, что используется больше тепла от фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем

Это также цилиндровые двигатели, которые могут быть однотактными или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используют две соединенные шестерни, концентрические кулачки, вращающиеся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили выступов кулачка (всегда нечетные и не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые расположены на 180 градусов друг от друга для каждой пары кулачков, вращающихся в противоположных направлениях. Для однотактных версий на пару цилиндров приходится столько же циклов, сколько кулачков на каждом кулачке, и вдвое больше для двухтактных агрегатов.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, его правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы происходят в разных местах двигателя. . Этот двигатель обеспечивает три «такта» мощности на оборот на ротор, что дает ему в среднем большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в современной Mazda RX8 и более ранней RX7, а также в других моделях.

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз всасывалась или вдувалась топливно-воздушная смесь. На остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрывался и топливо/ сгорела воздушная смесь. При движении поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитировать работу поршневого парового двигателя.

Типы топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают уайт-спирит (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла, биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другое биотопливо. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, которые используют газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Однако бензиновые двигатели, к сожалению, также часто в просторечии 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 сделать использование двигателя практичным.

Окислитель обычно представляет собой воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри транспортного средства, что увеличивает удельную мощность. Однако воздух можно сжимать и перевозить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили используют закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались в экспериментах; но большинство непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности 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 дизельными двигателями стали широко распространены с 19 века.90-х годов, что составляет около 40 процентов рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем такое топливо может заменить водород. 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 отличается от сжигания ископаемого топлива, при котором выделяется двуокись углерода, основная причина глобального потепления, угарный газ в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и оксиды азота, вызывающие проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. и проблемы с озоном. Однако свободный водород в качестве топлива не встречается в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для производства водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов получения свободного водорода, они требуют преобразования в настоящее время горючих молекул в водород, поэтому водород не решает ни одного энергетического кризиса, более того, он решает только проблему портативности и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение. Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше плотности воды и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендолой, создает водород по мере необходимости, но у него есть другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) Другие виды топлива, более безопасные для окружающей среды, включают биотопливо. Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно число от одного до двенадцати, хотя используется 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 отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрация в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это 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 весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что точка разрыва составляет около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

  • Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, в некоторых высокопроизводительных автомобилях их десять, двенадцать или даже шестнадцать, а в некоторых очень маленьких автомобилях и грузовиках — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
  • Радиальные авиадвигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, например Pratt & Whitney R-4360. Ряд содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным 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, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть (хотя существуют некоторые «новинки» с 8, 10 и 12).
  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но и туристических машин) их четыре.
  • Небольшие переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют цепные пилы с двумя цилиндрами.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС. Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 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 воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук. Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания с патентом США 609.250 (PDF), «Электрический воспламенитель для газовых двигателей», 16 августа 1898 г.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, когда большая площадь его поверхности соприкасается с кислородом. Для того чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде так называемой топливно-воздушной смеси. Существует два широко используемых метода испарения топлива в воздух: один — карбюратор, а другой — впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль правильного количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможен. Карбюраторы в настоящее время являются наиболее распространенным устройством для смешивания топлива, используемым в газонокосилках и других небольших двигателях. До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, например, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. Дизельные двигатели всегда используют впрыск топлива.

Двигатели, работающие на газе (СНГ), используют 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, предварительные горелки и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

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

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, 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 каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Рабочий объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это смещение или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (т.е. или дюймов³) для больших двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно см3) для двигателей меньшего размера. Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент при более низких оборотах, но также потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Во-первых, это удлинение хода, а во-вторых, увеличение диаметра поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

Указанная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии. Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC A-Series с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были произведены одним и тем же производителем. Однако объем двигателя был указан как 1000 куб.см, 1100 куб.см и 1098 куб.см соответственно в литературе по продажам и на значках автомобилей.

Системы смазки

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в всасывающий поток в виде распыления. Ранние низкоскоростные стационарные и морские двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в то время в паровых двигателях, с пополнением их по мере необходимости тендером двигателя. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высоким температурам и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением подшипников кривошипа и шатунных шеек, при условии либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно за счет струи масла, направленной на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что обеспечивало более высокое давление при увеличении скорости двигателя.

Загрязнение двигателя

Как правило, двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию угарного газа и некоторого количества сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшими углеводородами в зависимости от от условий эксплуатации и соотношения топливо/воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому соотношению, чтобы добиться сгорания (топливо сгорало бы более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли, состоящие из множества мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (СНГ), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку сжиженный нефтяной газ сгорает очень чисто и не содержит серы или свинца.

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
  • Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
  • Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой 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 когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Эффективность различных типов двигателей внутреннего сгорания различается. Общепризнанно, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при наличии турбонагнетателей и средств повышения эффективности запаса имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, отводимого в систему охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинство инженеров не смогли успешно использовать потраченную энергию для какой-либо значимой цели, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Система впрыска водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть экономию топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого во впускной воздушно-топливный заряд, повышает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, что позволяет двигателю работать с более опережающим опережением зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной смесью воздуха. топливной смеси, чем это возможно в противном случае. Результатом является меньшее загрязнение окружающей среды при большей мощности и повышении эффективности. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для производства 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 двигатель с разделенным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и наиболее сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания). Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Notes

  1. ↑ Thinkquest, http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/huygens.php3?v=2 Huygens.] Проверено 16 июля 2008 г.
  2. ↑ Тони Уильямс, 101 Гениальные киви (Reed Publishing NZ Ltd, 2006), с. 83.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Харденберг, Хорст О. 1999. Средневековье двигателя внутреннего сгорания . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. 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 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. ISBN 0768004950.
  • Тейлор, Чарльз Файет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и на 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 о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • .
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Авторы

Энциклопедия Нового Света авторы и редакторы переписали и дополнили статью Википедии 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 надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участников и самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

  • Двигатель внутреннего сгорания  история

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

  • История «Двигатель внутреннего сгорания»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия Нового Света

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. сжатие
3. мощность
4. выпуск

горение топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной чертой двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, непосредственно вызывающими движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже за счет давления и перемещения всего двигателя.

Это отличается от двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которая затем, в свою очередь, работает, например, путем нажатия на паровой поршень.

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

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

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Приложения
  • 2 Операция
  • 3 Процесс зажигания бензина
  • 4 Процесс зажигания дизельного двигателя
  • 5 Энергия
  • 6 деталей
  • 7 Классификация
    • 7. 1 Принцип действия
    • 7.2 Цикл двигателя
      • 7.2.1 Двухтактный
      • 7.2.2 Четырехтактный
      • 7.2.3 Пятитактный
      • 7.2.4 Двигатель Бурка
      • 7.2.5 Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем
      • 7.2.6 Ванкель
      • 7.2.7 Газовая турбина
      • 7.2.8 Вышедшие из употребления методы
    • 7.3 Типы топлива и окислителя
    • 7.4 Водород
    • 7,5 Цилиндры
    • 7.6 Система зажигания
    • 7.7 Топливные системы
    • 7.8 Конфигурация двигателя
    • 7.9 Объем двигателя
    • 7.10 Системы смазки
    • 7.11 Загрязнение двигателя
  • 8 КПД двигателя внутреннего сгорания
  • 9 Примечания
  • 10 Каталожные номера
  • 11 Внешние ссылки
  • 12 кредитов

Преимуществом является портативность. Использовать этот тип двигателя в транспортных средствах удобнее, чем на электричестве. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они выделяют. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными деталями, 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 люди нуждаются в средствах защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один минус — размер. Очень нецелесообразно иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть газовый электрогенератор в районе, где нет электричества для питания небольших предметов.

История

Раскрашенный автомобильный двигатель

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания. Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется.

Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для привода сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на топливно-воздушной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания и ранних конструкций является использование сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
  • 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая 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 доминировал почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время 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 создал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. 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, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на бескомпрессорный «газовый или паровой двигатель».
  • 1838: Уильяму Барнету был выдан патент (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
  • 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания (номер 1072), но не запустили его в производство. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) изготовил газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания. Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
  • 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус поместил на тележку первый передвижной бензиновый двигатель.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто). Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.

Карл Бенц

  • 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт оформляет свои права на лизинг нефтяных двигателей в Хорнсби в Англии для производства двигателей. Они строят первые двигатели с холодным пуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением обеспечивает самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает свой двигатель типа тепловой машины Карно, работающий на угольной пыли.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
  • 19:00: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 г. Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизель).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft, в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека, который потребовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Области применения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для мобильных двигателей в автомобилях, оборудовании и других переносных машинах. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является предпочтительным, поскольку оно может обеспечить высокое отношение мощности к весу вместе с превосходной плотностью энергии топлива. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень большая мощность, например, в реактивных самолетах, вертолетах и ​​больших кораблях, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются для электрических генераторов и в промышленности.

Эксплуатация

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

Наиболее распространенное используемое сегодня топливо состоит из углеводородов и производится 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, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без серьезных 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, дающих триглицериды, таких как соевое масло. Некоторые из них также могут работать на газообразном водороде.

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

Бензиновое зажигание Процесс

Электрические/бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для обеспечения высоковольтной электрической искры для воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, например, генератора переменного тока или генератора, приводимого в движение двигателем. Бензиновые двигатели всасывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм, а для воспламенения смеси используется свеча зажигания, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс воспламенения дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе его сжатия для воспламенения. Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламеняться. 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. Вот почему дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. У большинства дизелей также есть аккумуляторная батарея и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для облегчения запуска, включения и выключения топлива, что также может выполняться с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.

Энергия

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

После удаления доступной энергии оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в предыдущее положение (ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходами и удаляется из двигателя воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Запчасти

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 системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (в форме восьмерки) 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 Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным областям применения. Точно так же существует широкий спектр способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «двигателем» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую машину. «Мотор» (от латинского мотор, «двигатель») — любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют «двигателями», но двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Электродвигатель относится к локомотиву, работающему на электричестве.)

При этом следует понимать, что обычное использование часто диктует определения. Многие люди рассматривают двигатели как те вещи, которые генерируют свою энергию изнутри, а двигатели требуют внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, что корни слов действительно указывают на реальное различие. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее использование. Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принцип работы

Бензиновый двигатель 1906.

Поршневой:

  • Двигатель на сырой нефти
  • Двухтактный цикл
  • Четырехтактный цикл
  • Двигатель с горячей лампой
  • Тарельчатые клапаны
  • Манжетный клапан
  • Цикл Аткинсона
  • Предлагаемый
    • Двигатель Бурка
  • Улучшения
  • Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Роторный:

  • Продемонстрировано:
    • Двигатель Ванкеля
  • Предлагаем:
    • Орбитальный двигатель
    • Квазитурбина
    • Роторный двигатель с циклом Аткинсона
    • Тороидальный двигатель

Непрерывное горение:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, машины для уборки сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше 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 двигатели других типов, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного канала вместе с ранее израсходованным топливом. Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих небольших двигателях, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, а в некоторых юрисдикциях — двухтактные двигатели меньшего размера, оснащенные каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий такт на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и больше, чем их двухтактные аналоги. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовых автомобилей и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой воспламенения с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом с помощью шатунной шейки, проходящей через общую шпильку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, за один оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе. Кривошипный механизм также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндра. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию при постоянном объеме, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому он должен преодолевать меньшее трение, чем два других возвратно-поступательных типа. Кроме того, его более высокая степень расширения также означает, что используется больше тепла от фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем

Это также цилиндровые двигатели, которые могут быть однотактными или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используют две соединенные шестерни, концентрические кулачки, вращающиеся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили выступов кулачка (всегда нечетные и не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые расположены на 180 градусов друг от друга для каждой пары кулачков, вращающихся в противоположных направлениях. Для однотактных версий на пару цилиндров приходится столько же циклов, сколько кулачков на каждом кулачке, и вдвое больше для двухтактных агрегатов.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, его правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы происходят в разных местах двигателя. . Этот двигатель обеспечивает три «такта» мощности на оборот на ротор, что дает ему в среднем большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в современной Mazda RX8 и более ранней RX7, а также в других моделях.

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз всасывалась или вдувалась топливно-воздушная смесь. На остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрывался и топливо/ сгорела воздушная смесь. При движении поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитировать работу поршневого парового двигателя.

Типы топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают уайт-спирит (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла, биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другое биотопливо. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, которые используют газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Однако бензиновые двигатели, к сожалению, также часто в просторечии 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 сделать использование двигателя практичным.

Окислитель обычно представляет собой воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри транспортного средства, что увеличивает удельную мощность. Однако воздух можно сжимать и перевозить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили используют закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались в экспериментах; но большинство непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности 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 дизельными двигателями стали широко распространены с 19 века.90-х годов, что составляет около 40 процентов рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем такое топливо может заменить водород. 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 отличается от сжигания ископаемого топлива, при котором выделяется двуокись углерода, основная причина глобального потепления, угарный газ в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и оксиды азота, вызывающие проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. и проблемы с озоном. Однако свободный водород в качестве топлива не встречается в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для производства водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов получения свободного водорода, они требуют преобразования в настоящее время горючих молекул в водород, поэтому водород не решает ни одного энергетического кризиса, более того, он решает только проблему портативности и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение. Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше плотности воды и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендолой, создает водород по мере необходимости, но у него есть другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) Другие виды топлива, более безопасные для окружающей среды, включают биотопливо. Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно число от одного до двенадцати, хотя используется 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 отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрация в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это 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 весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что точка разрыва составляет около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

  • Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, в некоторых высокопроизводительных автомобилях их десять, двенадцать или даже шестнадцать, а в некоторых очень маленьких автомобилях и грузовиках — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
  • Радиальные авиадвигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, например Pratt & Whitney R-4360. Ряд содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным 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, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть (хотя существуют некоторые «новинки» с 8, 10 и 12).
  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но и туристических машин) их четыре.
  • Небольшие переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют цепные пилы с двумя цилиндрами.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС. Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 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 воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук. Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания с патентом США 609.250 (PDF), «Электрический воспламенитель для газовых двигателей», 16 августа 1898 г.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, когда большая площадь его поверхности соприкасается с кислородом. Для того чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде так называемой топливно-воздушной смеси. Существует два широко используемых метода испарения топлива в воздух: один — карбюратор, а другой — впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль правильного количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможен. Карбюраторы в настоящее время являются наиболее распространенным устройством для смешивания топлива, используемым в газонокосилках и других небольших двигателях. До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, например, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. Дизельные двигатели всегда используют впрыск топлива.

Двигатели, работающие на газе (СНГ), используют 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, предварительные горелки и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

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

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, 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 каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Рабочий объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это смещение или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (т.е. или дюймов³) для больших двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно см3) для двигателей меньшего размера. Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент при более низких оборотах, но также потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Во-первых, это удлинение хода, а во-вторых, увеличение диаметра поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

Указанная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии. Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC A-Series с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были произведены одним и тем же производителем. Однако объем двигателя был указан как 1000 куб.см, 1100 куб.см и 1098 куб.см соответственно в литературе по продажам и на значках автомобилей.

Системы смазки

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в всасывающий поток в виде распыления. Ранние низкоскоростные стационарные и морские двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в то время в паровых двигателях, с пополнением их по мере необходимости тендером двигателя. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высоким температурам и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением подшипников кривошипа и шатунных шеек, при условии либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно за счет струи масла, направленной на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что обеспечивало более высокое давление при увеличении скорости двигателя.

Загрязнение двигателя

Как правило, двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию угарного газа и некоторого количества сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшими углеводородами в зависимости от от условий эксплуатации и соотношения топливо/воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому соотношению, чтобы добиться сгорания (топливо сгорало бы более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли, состоящие из множества мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (СНГ), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку сжиженный нефтяной газ сгорает очень чисто и не содержит серы или свинца.

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
  • Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
  • Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой 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 когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Эффективность различных типов двигателей внутреннего сгорания различается. Общепризнанно, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при наличии турбонагнетателей и средств повышения эффективности запаса имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, отводимого в систему охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинство инженеров не смогли успешно использовать потраченную энергию для какой-либо значимой цели, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Система впрыска водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть экономию топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого во впускной воздушно-топливный заряд, повышает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, что позволяет двигателю работать с более опережающим опережением зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной смесью воздуха. топливной смеси, чем это возможно в противном случае. Результатом является меньшее загрязнение окружающей среды при большей мощности и повышении эффективности. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для производства 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 двигатель с разделенным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и наиболее сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания). Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Notes

  1. ↑ Thinkquest, http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/huygens.php3?v=2 Huygens.] Проверено 16 июля 2008 г.
  2. ↑ Тони Уильямс, 101 Гениальные киви (Reed Publishing NZ Ltd, 2006), с. 83.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Харденберг, Хорст О. 1999. Средневековье двигателя внутреннего сгорания . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. 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 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. ISBN 0768004950.
  • Тейлор, Чарльз Файет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и на 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 о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • .
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Авторы

Энциклопедия Нового Света авторы и редакторы переписали и дополнили статью Википедии 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 надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участников и самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

  • Двигатель внутреннего сгорания  история

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

  • История «Двигатель внутреннего сгорания»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия Нового Света

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. сжатие
3. мощность
4. выпуск

горение топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной чертой двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, непосредственно вызывающими движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже за счет давления и перемещения всего двигателя.

Это отличается от двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которая затем, в свою очередь, работает, например, путем нажатия на паровой поршень.

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

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

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Приложения
  • 2 Операция
  • 3 Процесс зажигания бензина
  • 4 Процесс зажигания дизельного двигателя
  • 5 Энергия
  • 6 деталей
  • 7 Классификация
    • 7. 1 Принцип действия
    • 7.2 Цикл двигателя
      • 7.2.1 Двухтактный
      • 7.2.2 Четырехтактный
      • 7.2.3 Пятитактный
      • 7.2.4 Двигатель Бурка
      • 7.2.5 Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем
      • 7.2.6 Ванкель
      • 7.2.7 Газовая турбина
      • 7.2.8 Вышедшие из употребления методы
    • 7.3 Типы топлива и окислителя
    • 7.4 Водород
    • 7,5 Цилиндры
    • 7.6 Система зажигания
    • 7.7 Топливные системы
    • 7.8 Конфигурация двигателя
    • 7.9 Объем двигателя
    • 7.10 Системы смазки
    • 7.11 Загрязнение двигателя
  • 8 КПД двигателя внутреннего сгорания
  • 9 Примечания
  • 10 Каталожные номера
  • 11 Внешние ссылки
  • 12 кредитов

Преимуществом является портативность. Использовать этот тип двигателя в транспортных средствах удобнее, чем на электричестве. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они выделяют. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными деталями, 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 люди нуждаются в средствах защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один минус — размер. Очень нецелесообразно иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть газовый электрогенератор в районе, где нет электричества для питания небольших предметов.

История

Раскрашенный автомобильный двигатель

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания. Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется.

Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для привода сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на топливно-воздушной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания и ранних конструкций является использование сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
  • 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая 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 доминировал почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время 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 создал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. 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, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на бескомпрессорный «газовый или паровой двигатель».
  • 1838: Уильяму Барнету был выдан патент (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
  • 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания (номер 1072), но не запустили его в производство. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) изготовил газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания. Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
  • 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус поместил на тележку первый передвижной бензиновый двигатель.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто). Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.

Карл Бенц

  • 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт оформляет свои права на лизинг нефтяных двигателей в Хорнсби в Англии для производства двигателей. Они строят первые двигатели с холодным пуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением обеспечивает самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает свой двигатель типа тепловой машины Карно, работающий на угольной пыли.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
  • 19:00: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 г. Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизель).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft, в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека, который потребовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Области применения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для мобильных двигателей в автомобилях, оборудовании и других переносных машинах. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является предпочтительным, поскольку оно может обеспечить высокое отношение мощности к весу вместе с превосходной плотностью энергии топлива. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень большая мощность, например, в реактивных самолетах, вертолетах и ​​больших кораблях, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются для электрических генераторов и в промышленности.

Эксплуатация

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

Наиболее распространенное используемое сегодня топливо состоит из углеводородов и производится 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, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без серьезных 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, дающих триглицериды, таких как соевое масло. Некоторые из них также могут работать на газообразном водороде.

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

Бензиновое зажигание Процесс

Электрические/бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для обеспечения высоковольтной электрической искры для воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, например, генератора переменного тока или генератора, приводимого в движение двигателем. Бензиновые двигатели всасывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм, а для воспламенения смеси используется свеча зажигания, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс воспламенения дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе его сжатия для воспламенения. Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламеняться. 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. Вот почему дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. У большинства дизелей также есть аккумуляторная батарея и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для облегчения запуска, включения и выключения топлива, что также может выполняться с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.

Энергия

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

После удаления доступной энергии оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в предыдущее положение (ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходами и удаляется из двигателя воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Запчасти

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 системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (в форме восьмерки) 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 Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным областям применения. Точно так же существует широкий спектр способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «двигателем» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую машину. «Мотор» (от латинского мотор, «двигатель») — любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют «двигателями», но двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Электродвигатель относится к локомотиву, работающему на электричестве.)

При этом следует понимать, что обычное использование часто диктует определения. Многие люди рассматривают двигатели как те вещи, которые генерируют свою энергию изнутри, а двигатели требуют внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, что корни слов действительно указывают на реальное различие. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее использование. Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принцип работы

Бензиновый двигатель 1906.

Поршневой:

  • Двигатель на сырой нефти
  • Двухтактный цикл
  • Четырехтактный цикл
  • Двигатель с горячей лампой
  • Тарельчатые клапаны
  • Манжетный клапан
  • Цикл Аткинсона
  • Предлагаемый
    • Двигатель Бурка
  • Улучшения
  • Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Роторный:

  • Продемонстрировано:
    • Двигатель Ванкеля
  • Предлагаем:
    • Орбитальный двигатель
    • Квазитурбина
    • Роторный двигатель с циклом Аткинсона
    • Тороидальный двигатель

Непрерывное горение:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, машины для уборки сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше 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 двигатели других типов, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного канала вместе с ранее израсходованным топливом. Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих небольших двигателях, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, а в некоторых юрисдикциях — двухтактные двигатели меньшего размера, оснащенные каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий такт на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и больше, чем их двухтактные аналоги. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовых автомобилей и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой воспламенения с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом с помощью шатунной шейки, проходящей через общую шпильку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, за один оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе. Кривошипный механизм также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндра. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию при постоянном объеме, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому он должен преодолевать меньшее трение, чем два других возвратно-поступательных типа. Кроме того, его более высокая степень расширения также означает, что используется больше тепла от фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем

Это также цилиндровые двигатели, которые могут быть однотактными или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используют две соединенные шестерни, концентрические кулачки, вращающиеся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили выступов кулачка (всегда нечетные и не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые расположены на 180 градусов друг от друга для каждой пары кулачков, вращающихся в противоположных направлениях. Для однотактных версий на пару цилиндров приходится столько же циклов, сколько кулачков на каждом кулачке, и вдвое больше для двухтактных агрегатов.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, его правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы происходят в разных местах двигателя. . Этот двигатель обеспечивает три «такта» мощности на оборот на ротор, что дает ему в среднем большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в современной Mazda RX8 и более ранней RX7, а также в других моделях.

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз всасывалась или вдувалась топливно-воздушная смесь. На остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрывался и топливо/ сгорела воздушная смесь. При движении поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитировать работу поршневого парового двигателя.

Типы топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают уайт-спирит (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла, биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другое биотопливо. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, которые используют газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Однако бензиновые двигатели, к сожалению, также часто в просторечии 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 сделать использование двигателя практичным.

Окислитель обычно представляет собой воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри транспортного средства, что увеличивает удельную мощность. Однако воздух можно сжимать и перевозить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили используют закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались в экспериментах; но большинство непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности 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 дизельными двигателями стали широко распространены с 19 века.90-х годов, что составляет около 40 процентов рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем такое топливо может заменить водород. 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 отличается от сжигания ископаемого топлива, при котором выделяется двуокись углерода, основная причина глобального потепления, угарный газ в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и оксиды азота, вызывающие проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. и проблемы с озоном. Однако свободный водород в качестве топлива не встречается в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для производства водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов получения свободного водорода, они требуют преобразования в настоящее время горючих молекул в водород, поэтому водород не решает ни одного энергетического кризиса, более того, он решает только проблему портативности и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение. Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше плотности воды и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендолой, создает водород по мере необходимости, но у него есть другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) Другие виды топлива, более безопасные для окружающей среды, включают биотопливо. Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно число от одного до двенадцати, хотя используется 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 отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрация в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это 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 весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что точка разрыва составляет около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

  • Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, в некоторых высокопроизводительных автомобилях их десять, двенадцать или даже шестнадцать, а в некоторых очень маленьких автомобилях и грузовиках — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
  • Радиальные авиадвигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, например Pratt & Whitney R-4360. Ряд содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным 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, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть (хотя существуют некоторые «новинки» с 8, 10 и 12).
  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но и туристических машин) их четыре.
  • Небольшие переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют цепные пилы с двумя цилиндрами.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС. Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 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 воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук. Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания с патентом США 609.250 (PDF), «Электрический воспламенитель для газовых двигателей», 16 августа 1898 г.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, когда большая площадь его поверхности соприкасается с кислородом. Для того чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде так называемой топливно-воздушной смеси. Существует два широко используемых метода испарения топлива в воздух: один — карбюратор, а другой — впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль правильного количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможен. Карбюраторы в настоящее время являются наиболее распространенным устройством для смешивания топлива, используемым в газонокосилках и других небольших двигателях. До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, например, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. Дизельные двигатели всегда используют впрыск топлива.

Двигатели, работающие на газе (СНГ), используют 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, предварительные горелки и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

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

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, 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 каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Рабочий объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это смещение или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (т.е. или дюймов³) для больших двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно см3) для двигателей меньшего размера. Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент при более низких оборотах, но также потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Во-первых, это удлинение хода, а во-вторых, увеличение диаметра поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

Указанная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии. Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC A-Series с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были произведены одним и тем же производителем. Однако объем двигателя был указан как 1000 куб.см, 1100 куб.см и 1098 куб.см соответственно в литературе по продажам и на значках автомобилей.

Системы смазки

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в всасывающий поток в виде распыления. Ранние низкоскоростные стационарные и морские двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в то время в паровых двигателях, с пополнением их по мере необходимости тендером двигателя. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высоким температурам и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением подшипников кривошипа и шатунных шеек, при условии либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно за счет струи масла, направленной на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что обеспечивало более высокое давление при увеличении скорости двигателя.

Загрязнение двигателя

Как правило, двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию угарного газа и некоторого количества сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшими углеводородами в зависимости от от условий эксплуатации и соотношения топливо/воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому соотношению, чтобы добиться сгорания (топливо сгорало бы более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли, состоящие из множества мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (СНГ), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку сжиженный нефтяной газ сгорает очень чисто и не содержит серы или свинца.

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
  • Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
  • Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой 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 когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Эффективность различных типов двигателей внутреннего сгорания различается. Общепризнанно, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при наличии турбонагнетателей и средств повышения эффективности запаса имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, отводимого в систему охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинство инженеров не смогли успешно использовать потраченную энергию для какой-либо значимой цели, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Система впрыска водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть экономию топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого во впускной воздушно-топливный заряд, повышает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, что позволяет двигателю работать с более опережающим опережением зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной смесью воздуха. топливной смеси, чем это возможно в противном случае. Результатом является меньшее загрязнение окружающей среды при большей мощности и повышении эффективности. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для производства 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 двигатель с разделенным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и наиболее сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания). Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Notes

  1. ↑ Thinkquest, http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/huygens.php3?v=2 Huygens.] Проверено 16 июля 2008 г.
  2. ↑ Тони Уильямс, 101 Гениальные киви (Reed Publishing NZ Ltd, 2006), с. 83.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Харденберг, Хорст О. 1999. Средневековье двигателя внутреннего сгорания . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. 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 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. ISBN 0768004950.
  • Тейлор, Чарльз Файет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и на 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 о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • .
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Авторы

Энциклопедия Нового Света авторы и редакторы переписали и дополнили статью Википедии 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 надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участников и самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

  • Двигатель внутреннего сгорания  история

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

  • История «Двигатель внутреннего сгорания»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия Нового Света

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. сжатие
3. мощность
4. выпуск

горение топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной чертой двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, непосредственно вызывающими движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже за счет давления и перемещения всего двигателя.

Это отличается от двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которая затем, в свою очередь, работает, например, путем нажатия на паровой поршень.

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

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

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Приложения
  • 2 Операция
  • 3 Процесс зажигания бензина
  • 4 Процесс зажигания дизельного двигателя
  • 5 Энергия
  • 6 деталей
  • 7 Классификация
    • 7. 1 Принцип действия
    • 7.2 Цикл двигателя
      • 7.2.1 Двухтактный
      • 7.2.2 Четырехтактный
      • 7.2.3 Пятитактный
      • 7.2.4 Двигатель Бурка
      • 7.2.5 Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем
      • 7.2.6 Ванкель
      • 7.2.7 Газовая турбина
      • 7.2.8 Вышедшие из употребления методы
    • 7.3 Типы топлива и окислителя
    • 7.4 Водород
    • 7,5 Цилиндры
    • 7.6 Система зажигания
    • 7.7 Топливные системы
    • 7.8 Конфигурация двигателя
    • 7.9 Объем двигателя
    • 7.10 Системы смазки
    • 7.11 Загрязнение двигателя
  • 8 КПД двигателя внутреннего сгорания
  • 9 Примечания
  • 10 Каталожные номера
  • 11 Внешние ссылки
  • 12 кредитов

Преимуществом является портативность. Использовать этот тип двигателя в транспортных средствах удобнее, чем на электричестве. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они выделяют. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными деталями, 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 люди нуждаются в средствах защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один минус — размер. Очень нецелесообразно иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть газовый электрогенератор в районе, где нет электричества для питания небольших предметов.

История

Раскрашенный автомобильный двигатель

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания. Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется.

Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для привода сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на топливно-воздушной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания и ранних конструкций является использование сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
  • 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая 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 доминировал почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время 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 создал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. 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, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на бескомпрессорный «газовый или паровой двигатель».
  • 1838: Уильяму Барнету был выдан патент (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
  • 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания (номер 1072), но не запустили его в производство. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) изготовил газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания. Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
  • 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус поместил на тележку первый передвижной бензиновый двигатель.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто). Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.

Карл Бенц

  • 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт оформляет свои права на лизинг нефтяных двигателей в Хорнсби в Англии для производства двигателей. Они строят первые двигатели с холодным пуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением обеспечивает самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает свой двигатель типа тепловой машины Карно, работающий на угольной пыли.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
  • 19:00: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 г. Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизель).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft, в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека, который потребовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Области применения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для мобильных двигателей в автомобилях, оборудовании и других переносных машинах. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является предпочтительным, поскольку оно может обеспечить высокое отношение мощности к весу вместе с превосходной плотностью энергии топлива. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень большая мощность, например, в реактивных самолетах, вертолетах и ​​больших кораблях, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются для электрических генераторов и в промышленности.

Эксплуатация

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

Наиболее распространенное используемое сегодня топливо состоит из углеводородов и производится 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, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без серьезных 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, дающих триглицериды, таких как соевое масло. Некоторые из них также могут работать на газообразном водороде.

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

Бензиновое зажигание Процесс

Электрические/бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для обеспечения высоковольтной электрической искры для воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя. Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, например, генератора переменного тока или генератора, приводимого в движение двигателем. Бензиновые двигатели всасывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм, а для воспламенения смеси используется свеча зажигания, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс воспламенения дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе его сжатия для воспламенения. Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламеняться. 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. Вот почему дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. У большинства дизелей также есть аккумуляторная батарея и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для облегчения запуска, включения и выключения топлива, что также может выполняться с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.

Энергия

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

После удаления доступной энергии оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в предыдущее положение (ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходами и удаляется из двигателя воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Запчасти

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 системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (в форме восьмерки) 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 Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным областям применения. Точно так же существует широкий спектр способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «двигателем» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую машину. «Мотор» (от латинского мотор, «двигатель») — любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют «двигателями», но двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Электродвигатель относится к локомотиву, работающему на электричестве.)

При этом следует понимать, что обычное использование часто диктует определения. Многие люди рассматривают двигатели как те вещи, которые генерируют свою энергию изнутри, а двигатели требуют внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, что корни слов действительно указывают на реальное различие. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее использование. Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принцип работы

Бензиновый двигатель 1906.

Поршневой:

  • Двигатель на сырой нефти
  • Двухтактный цикл
  • Четырехтактный цикл
  • Двигатель с горячей лампой
  • Тарельчатые клапаны
  • Манжетный клапан
  • Цикл Аткинсона
  • Предлагаемый
    • Двигатель Бурка
  • Улучшения
  • Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Роторный:

  • Продемонстрировано:
    • Двигатель Ванкеля
  • Предлагаем:
    • Орбитальный двигатель
    • Квазитурбина
    • Роторный двигатель с циклом Аткинсона
    • Тороидальный двигатель

Непрерывное горение:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, машины для уборки сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше 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 двигатели других типов, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного канала вместе с ранее израсходованным топливом. Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих небольших двигателях, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, а в некоторых юрисдикциях — двухтактные двигатели меньшего размера, оснащенные каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий такт на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и больше, чем их двухтактные аналоги. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовых автомобилей и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой воспламенения с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом с помощью шатунной шейки, проходящей через общую шпильку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, за один оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе. Кривошипный механизм также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндра. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию при постоянном объеме, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому он должен преодолевать меньшее трение, чем два других возвратно-поступательных типа. Кроме того, его более высокая степень расширения также означает, что используется больше тепла от фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем

Это также цилиндровые двигатели, которые могут быть однотактными или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используют две соединенные шестерни, концентрические кулачки, вращающиеся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили выступов кулачка (всегда нечетные и не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые расположены на 180 градусов друг от друга для каждой пары кулачков, вращающихся в противоположных направлениях. Для однотактных версий на пару цилиндров приходится столько же циклов, сколько кулачков на каждом кулачке, и вдвое больше для двухтактных агрегатов.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, его правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы происходят в разных местах двигателя. . Этот двигатель обеспечивает три «такта» мощности на оборот на ротор, что дает ему в среднем большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в современной Mazda RX8 и более ранней RX7, а также в других моделях.

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз всасывалась или вдувалась топливно-воздушная смесь. На остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрывался и топливо/ сгорела воздушная смесь. При движении поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитировать работу поршневого парового двигателя.

Типы топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают уайт-спирит (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла, биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другое биотопливо. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, которые используют газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Однако бензиновые двигатели, к сожалению, также часто в просторечии 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 сделать использование двигателя практичным.

Окислитель обычно представляет собой воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри транспортного средства, что увеличивает удельную мощность. Однако воздух можно сжимать и перевозить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили используют закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались в экспериментах; но большинство непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности 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 дизельными двигателями стали широко распространены с 19 века.90-х годов, что составляет около 40 процентов рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем такое топливо может заменить водород. 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 отличается от сжигания ископаемого топлива, при котором выделяется двуокись углерода, основная причина глобального потепления, угарный газ в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и оксиды азота, вызывающие проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. и проблемы с озоном. Однако свободный водород в качестве топлива не встречается в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для производства водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов получения свободного водорода, они требуют преобразования в настоящее время горючих молекул в водород, поэтому водород не решает ни одного энергетического кризиса, более того, он решает только проблему портативности и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение. Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше плотности воды и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендолой, создает водород по мере необходимости, но у него есть другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) Другие виды топлива, более безопасные для окружающей среды, включают биотопливо. Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно число от одного до двенадцати, хотя используется 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 отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрация в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это 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 весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что точка разрыва составляет около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

  • Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, в некоторых высокопроизводительных автомобилях их десять, двенадцать или даже шестнадцать, а в некоторых очень маленьких автомобилях и грузовиках — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
  • Радиальные авиадвигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, например Pratt & Whitney R-4360. Ряд содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным 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, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть (хотя существуют некоторые «новинки» с 8, 10 и 12).
  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но и туристических машин) их четыре.
  • Небольшие переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют цепные пилы с двумя цилиндрами.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС. Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 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 воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук. Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания с патентом США 609.250 (PDF), «Электрический воспламенитель для газовых двигателей», 16 августа 1898 г.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, когда большая площадь его поверхности соприкасается с кислородом. Для того чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде так называемой топливно-воздушной смеси. Существует два широко используемых метода испарения топлива в воздух: один — карбюратор, а другой — впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль правильного количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможен. Карбюраторы в настоящее время являются наиболее распространенным устройством для смешивания топлива, используемым в газонокосилках и других небольших двигателях. До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, например, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. Дизельные двигатели всегда используют впрыск топлива.

Двигатели, работающие на газе (СНГ), используют 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, предварительные горелки и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

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

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, 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 каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Рабочий объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это смещение или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (т.е. или дюймов³) для больших двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно см3) для двигателей меньшего размера. Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент при более низких оборотах, но также потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Во-первых, это удлинение хода, а во-вторых, увеличение диаметра поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

Указанная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии. Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC A-Series с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были произведены одним и тем же производителем. Однако объем двигателя был указан как 1000 куб.см, 1100 куб.см и 1098 куб.см соответственно в литературе по продажам и на значках автомобилей.

Системы смазки

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в всасывающий поток в виде распыления. Ранние низкоскоростные стационарные и морские двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в то время в паровых двигателях, с пополнением их по мере необходимости тендером двигателя. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высоким температурам и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением подшипников кривошипа и шатунных шеек, при условии либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно за счет струи масла, направленной на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что обеспечивало более высокое давление при увеличении скорости двигателя.

Загрязнение двигателя

Как правило, двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию угарного газа и некоторого количества сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшими углеводородами в зависимости от от условий эксплуатации и соотношения топливо/воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому соотношению, чтобы добиться сгорания (топливо сгорало бы более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли, состоящие из множества мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (СНГ), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку сжиженный нефтяной газ сгорает очень чисто и не содержит серы или свинца.

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
  • Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
  • Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой 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 когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

Эффективность различных типов двигателей внутреннего сгорания различается. Общепризнанно, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при наличии турбонагнетателей и средств повышения эффективности запаса имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, отводимого в систему охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинство инженеров не смогли успешно использовать потраченную энергию для какой-либо значимой цели, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Система впрыска водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть экономию топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого во впускной воздушно-топливный заряд, повышает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, что позволяет двигателю работать с более опережающим опережением зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной смесью воздуха. топливной смеси, чем это возможно в противном случае. Результатом является меньшее загрязнение окружающей среды при большей мощности и повышении эффективности. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для производства 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 двигатель с разделенным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и наиболее сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания). Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Notes

  1. ↑ Thinkquest, http://library.thinkquest.org/C006011/english/sites/huygens.php3?v=2 Huygens.] Проверено 16 июля 2008 г.
  2. ↑ Тони Уильямс, 101 Гениальные киви (Reed Publishing NZ Ltd, 2006), с. 83.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

  • Харденберг, Хорст О. 1999. Средневековье двигателя внутреннего сгорания . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. 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 . Уоррендейл, Пенсильвания: SAE International Publishing. ISBN 0768004950.
  • Тейлор, Чарльз Файет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и на 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 о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • .
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Авторы

Энциклопедия Нового Света авторы и редакторы переписали и дополнили статью Википедии 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 надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участников и самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

  • Двигатель внутреннего сгорания  история

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

  • История «Двигатель внутреннего сгорания»

Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Двигатель внутреннего сгорания для производства электроэнергии – Введение

Двигатель внутреннего сгорания для производства электроэнергии: Введение

Двигатели внутреннего сгорания – это хорошо известная технология, используемая в автомобилях, грузовиках, строительной технике, морских силовых установках и системах резервного питания. Двигатели внутреннего сгорания используют расширение горячих газов для толкания поршня внутри цилиндра, преобразуя линейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала для выработки мощности. В то время как паровые двигатели, приведшие в действие промышленную революцию, приводились в движение паром, произведенным извне, современные двигатели внутреннего сгорания, используемые для выработки электроэнергии, представляют собой двигатели внутреннего сгорания, в которых воздушно-топливная смесь сжимается поршнем и воспламеняется внутри цилиндра. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) характеризуются типом сгорания: искровым (СГ) или воспламенением от сжатия, также известным как дизель.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель SG основан на цикле Отто и использует свечу зажигания для воспламенения топливно-воздушной смеси, впрыскиваемой в верхнюю часть цилиндра. В цикле Отто топливная смесь не нагревается настолько, чтобы гореть без искры, что отличает его от цикла Дизеля. В дизельных двигателях воздух сжимается до тех пор, пока его температура не поднимется до температуры самовоспламенения топлива. Когда топливо впрыскивается в цилиндр, оно немедленно сгорает вместе с горячим сжатым воздухом, и расширяющиеся газы сгорания толкают поршень к нижней части цилиндра.

Каждое движение поршня внутри цилиндра называется ходом. Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются числом тактов для завершения одного силового цикла и частотой вращения коленчатого вала (выражается в оборотах в минуту, об/мин). Для производства электроэнергии используются преимущественно четырехтактные двигатели. Во время такта впуска предварительно смешанный воздух и топливо (двигатели SG) или воздух (дизельные двигатели) всасываются в цилиндр по мере того, как поршень движется вниз в положение «нижней мертвой точки». На такте сжатия в двигателях СГ топливовоздушная смесь сжимается поршнем и воспламеняется искрой от свечи. Самовоспламенение в двигателях SG предотвращается правильным ограничением степени сжатия.

В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр ближе к концу такта сжатия, когда воздух достаточно сжат для достижения температуры самовоспламенения. Сгорание топливовоздушной смеси вызывает ускоренное расширение газов высокого давления, которые прижимают поршень ко дну цилиндра во время рабочего такта, сообщая вращение коленчатому валу. Сгорание происходит прерывисто — только во время рабочего такта, тогда как в газовых турбинах сгорание происходит непрерывно. Когда поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра во время такта выпуска, продукты сгорания (выхлопные газы) выталкиваются через выпускной клапан. Несколько цилиндров соединены с коленчатым валом и ориентированы таким образом, что в то время как одни поршни сообщают вращение коленчатому валу во время рабочего такта, другие поршни толкаются обратно к верхней части цилиндров во время такта выпуска.

Размер и мощность двигателя внутреннего сгорания зависят от объема сжигаемого топлива и воздуха. Таким образом, размер цилиндра, количество цилиндров и частота вращения двигателя определяют количество энергии, генерируемой двигателем. Увеличивая подачу воздуха в двигатель с помощью воздуходувки или компрессора, что называется наддувом, выходная мощность двигателя может быть увеличена. Обычно используемый нагнетатель представляет собой турбокомпрессор, в котором используется небольшая турбина на пути выхлопных газов для извлечения энергии для привода центробежного компрессора.

Гибкость топлива в двигателях внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания могут работать на различных видах топлива

Двигатели внутреннего сгорания могут работать на различных видах топлива, включая природный газ, легкое жидкое топливо, мазут, биодизельное топливо, биотопливо и сырая нефть. Дизельные двигатели, как правило, более эффективны, чем двигатели SG, но также производят больше оксидов азота (NOx), диоксида серы (SO2) и твердых частиц (PM). Образование SO2 и PM зависит от топлива, поскольку природный газ дает низкий уровень выбросов. Образование NOx связано с температурой горения. В двигателях SG предварительное смешивание воздуха с топливом для создания «обедненных» условий (больше воздуха, чем необходимо для сгорания) снижает температуру сгорания и препятствует образованию NOx. Были разработаны новые конструкции двигателей, позволяющие использовать преимущества дизельного процесса при сохранении преимуществ сжигания обедненной смеси. Двухтопливные (ДТ) двигатели разработаны с возможностью сжигания как жидкого, так и газообразного топлива. При работе в газовом режиме газообразное топливо предварительно смешивается с воздухом, впрыскивается сразу после такта сжатия и воспламеняется пламенем пилотного топлива. В этом процессе пламя пилотного топлива действует как «свеча зажигания» для воспламенения обедненной газовоздушной смеси. Двигатели DF сохраняют возможность использования резервного жидкого топлива при прекращении подачи газа.

Генераторы

На электростанции многие парогенераторы или дизельные ДВС сгруппированы в блоки, называемые генераторными установками. Каждый двигатель соединен с валом, который соединен с его электрическим генератором. Эти генераторные установки обеспечивают модульную электрическую мощность и имеют стандартные размеры от 4 до 20 МВт.

Машинный зал в Goodman Energy Center в Канзасе, США

Wärtsilä Energy. Давайте подключимся.

Свяжитесь с нами

Путешествие во времени: как родился двигатель внутреннего сгорания

В этой первой из серии статей, посвященных истории двигателя внутреннего сгорания, мы совершим короткое и неисчерпывающее путешествие через тысячелетия и около мир, чтобы показать происхождение очень важных частей текущих и будущих технологий.

Опубликовано 15 сентября 2020 г. , Жан-Франсуа Тиссо

История двигателей часто рассматривается как начинающаяся с эпохи Просвещения на Западе с линейным и логическим развитием. Хотя отчасти это правда, многие кусочки этой невероятной головоломки на самом деле можно найти гораздо раньше, а идеи и концепции распространились гораздо дальше, чем обычно обсуждается.

Это огромная тема, но в этой первой из серии статей, посвященных истории двигателя внутреннего сгорания, мы совершим короткое и неисчерпывающее путешествие через тысячелетия и по всему миру, чтобы показать происхождение очень важных частей текущих и будущих технологий.

Например, как австронезийцы до 100 г. н.э. могли обнаружить ценное недостающее звено между теорией Сади Карно и не менее гениальным изобретением Рудольфа Дизеля? И почему эти гениальные изобретения никогда не служили отправной точкой для более ранней промышленной революции? На это мы постараемся ответить в наших разных статьях…

Начало чего-то большого

Китай — хорошее место для начала, где, как считается, в древности были изобретены воздушные сильфоны, дающие возможность увеличить тепловую мощность в плавильных печах. По сути, родился наддув.

Окружающий воздух, подаваемый мехами в печь, работающую на древесном угле, позволял развивать более высокие температуры, необходимые для плавки железной руды, и затем один человек мог генерировать тепло примерно в 70 раз быстрее, чем это было возможно при использовании паяльной трубки (паяльная трубка против мехов в Древней Греции). Металлургия – Дж. Э. Редер, Торонто, Канада 1994).

Сотни лет спустя, в конце XVIII века, физик А. Л. де Лавуазье обнаружил, что горение невозможно без кислорода.

Другая часть головоломки, огненный поршень, была изобретена в Юго-Восточной Азии, скорее всего, австронезийцами до 100 г. н.э. Пожарные поршни использовались для зажигания огня путем быстрого сжатия воздуха с помощью ручного поршня внутри небольшого цилиндра, сделанного из различных материалов, включая бамбук, дерево или рога животных.

Небольшой груз трута помещается в материал, и благодаря его адиабатичности температура быстрого сжатия рукой может достигать 260°C, чего достаточно для воспламенения трута и возгорания. Именно это открытие позже заложило основу концепции дизельного двигателя.

В то время как некоторые из наших предков были заняты изучением воспламенения от сжатия, другие искали более взрывные методы. Самое раннее подтвержденное упоминание о порохе произошло в Китае в 9 веке нашей эры, во времена династии Тан. Эта концепция сыграет большую роль в двигателе Гюйгенса, пороховом двигателе, который впервые был исследован в 1678 году и послужил источником вдохновения для современных бензиновых двигателей внутреннего сгорания.

Собираем части вместе

Однако современные двигатели — это сложные машины, и открытие процесса сгорания — это еще одна часть головоломки. Другие части двигателя внутреннего сгорания уходят корнями в столь же глубокую историю.

Первым известным кривошипом, например, была система шатунов, которую использовали римляне в 3 веке нашей эры. Система преобразовывала мощность вращающейся водяной мельницы в альтернативную линейную мощность, что позволяло управлять двумя пилами по камню.

Даже сегодня, после испытаний многих других систем, шатун остается предпочтительным решением для преобразования альтернативного движения поршня в полезное вращательное движение во всех двигателях внутреннего сгорания.

Изучение силы пара

Пар также играет большую роль в истории двигателя внутреннего сгорания, будучи одним из первых известных способов преобразования энергии огня в движение.

Первая зарегистрированная паровая машина была описана Героем Александрийским в римском Египте в I веке нашей эры.

Эолипил представляет собой вращающийся сосуд, в который подается пар из котла, а затем выбрасывается через два тангенциальных сопла, создавая вращающий момент. Полученной механической мощности вращения было достаточно только для компенсации потерь на трение и сопротивление, однако дополнительной мощности не производилось. И, похоже, древние греки рассматривали эолипил не как изобретение, способное изменить мир, а просто как диковинку.

Энергия пара будет продолжать играть роль на протяжении следующих столетий, хотя и с широким применением. Согласно Уильяму Малмсберийскому, например, в 1125 году в Реймсе находился церковный орган, приводимый в действие воздухом, выходящим из сжатия «нагретой водой», по-видимому, спроектированный и построенный профессором Гербертом.

А в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, возможно, предложил систему, основанную на эолипиле, для приведения в движение больших кораблей с помощью гребных колес без использования энергии ветра. Человек, опередивший свое время?

Следы паровой турбины были заложены в 1551 году в Египте, когда Таки ад-Дин описал самовращающийся вертел, который заложил основу для будущих идей.

Джованни Бранка, итальянский инженер, в 1629 году продемонстрировал концепцию паровой турбины для вращения цилиндрического спускового механизма, который попеременно поднимал и опускал пару пестов, работающих в ступах. Однако поток пара этих первых паровых турбин не был сконцентрирован, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.