Двигатель внутреннего сгорания где используется: Двигатель внутреннего сгорания

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания

Определение 1

Двигатель внутреннего сгорания — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания (коммерчески успешный) был создан Этьеном Ленуар около $1859$ г. и первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в $1876$ году Николаусом Отто.

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для приведения в движение транспортных средств — (автомобилей, мотоциклов, судов, локомотивов, самолетов) и других мобильных машин.

Применение

Поршневые двигатели являются на сегодняшний день наиболее распространенным источником питания для наземных и водных транспортных средств, в том числе автомобилей, мотоциклов, кораблей и в меньшей степени, локомотивов (некоторые из них электрические, но большинство используют дизельные двигатели). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и мотоциклах.

Там, где требуются очень высокие соотношения мощности к весу, двигатели внутреннего сгорания используются в виде турбин внутреннего сгорания или двигателей Ванкеля.

Классификация

Есть несколько возможных способов классификации двигателей внутреннего сгорания.

Поршневые:

По количеству ударов

  • Двухтактный двигатель;
  • Четырехтактный двигатель (с циклом Отто)
  • Шеститактный двигатель

По типу розжига

  • Двигатель с воспламенением от сжатия;
  • Двигатель с искровым зажиганием (обычно встречаются в бензиновых двигателях)

Роторные:

Следующие типы реактивных двигателей также типы газовых турбин:

  • турбореактивный
  • турбовентиляторный
  • турбовинтовой

Запуск (стартер)

Стартер является электродвигателем, пневматическим двигателем, гидравлическим двигателем, двигателем внутреннего сгорания, используемый для вращения двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы инициировать работу двигателя под его собственной силой.

Двигатели внутреннего сгорания должны иметь циклы, с которых начинается запуск. В поршневых двигателях это достигается путем поворота коленчатого вала, который запускает циклы пуска, сжатия, сгорания и выхлопа.

Готовые работы на аналогичную тему

Замечание 1

Наиболее часто встречающиеся способы запуска ДВС сегодня это с помощью электрического двигателя.

Другой способ запуска является использование сжатого воздуха, который прокачивают в некоторых цилиндрах двигателя, для того, чтобы запустить его.

Турбинные двигатели часто запускаются с помощью электромотора.

Загрязнение воздуха

Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы в воздух, из-за неполного сгорания углеродистого топлива. Основные производные процесса являются диоксид углерода СО2, вода и сажа – ее также называют твердой частицей. Следствия от вдыхания частиц были изучены в организме человека и животных, и включают в себя астму, рак легких, сердечно — сосудистые проблемы, и преждевременную смерть. Есть, однако, некоторые дополнительные продукты процесса горения, которые включают оксиды азота и серы, а также некоторые несгоревшие углеводороды, которые зависят от условий эксплуатации.

Не все топливо полностью израсходуется в процессе сгорания. Небольшое количество топлива, присутствует после сгорания, а некоторое вступает в реакцию с образованием кислородсодержащих соединений, таких как формальдегид или ацетальдегид. Неполное сгорание обычно возникает в результате недостатка кислорода для достижения идеального стехиометрического соотношения.

Угольное топливо содержит серу и примесь, которое в конечном счете производит монооксид и диоксид серы, который содержится в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания ( ДВС или двигатель IC ) представляет собой тепловой двигатель , в котором сгорание из топлива происходит с окислителем (обычно воздух) в камере сгорания , который является неотъемлемой частью рабочей жидкости контура потока. В двигателе внутреннего сгорания, расширение высокого температуры и высокого давления газов , образующихся в результате сгорания применяется прямое усилие к некоторому компоненту двигателя. Сила обычно применяется к поршням , лопаткам турбины , ротору., или насадку . Эта сила перемещает компонент на расстояние, преобразуя химическую энергию в полезную кинетическую энергию и используется для приведения в движение, перемещения или приведения в действие всего, к чему прикреплен двигатель. Он заменил двигатель внешнего сгорания для приложений, где важны вес или размер двигателя.

[1] [2] [3]

Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года [4], а первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в 1876 году Николаусом Отто (см. Двигатель Отто ).

Термин

двигатель внутреннего сгорания обычно относится к двигателю, в котором сгорание является прерывистым , например к более знакомым четырехтактным и двухтактным поршневым двигателям, а также к их вариантам, таким как шеститактный поршневой двигатель и роторный двигатель Ванкеля . Второй класс двигателей внутреннего сгорания использует непрерывное сгорание: газовые турбины , реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей , каждый из которых является двигателями внутреннего сгорания по тому же принципу, что описан ранее. [4] [5] Огнестрельное оружие также является одной из разновидностей двигателя внутреннего сгорания, [5] хотя они настолько специализированы, что их обычно рассматривают как отдельную категорию.

Напротив, в двигателях внешнего сгорания , таких как паровые двигатели или двигатели Стирлинга , энергия передается рабочей жидкости, не состоящей из продуктов сгорания, смешанной с ними или загрязненной ими. Рабочие жидкости для двигателей внешнего сгорания включают воздух, горячую воду, воду под давлением или даже жидкий натрий, нагретый в котле .

ДВС обычно работают на энергоемком топливе, таком как бензин или дизельное топливо , жидкостях, получаемых из ископаемого топлива . Хотя существует множество стационарных приложений, большинство ДВС используются в мобильных приложениях и являются основным источником питания для транспортных средств , таких как автомобили, самолеты и лодки.

ДВС обычно работают на ископаемом топливе, таком как природный газ или нефтепродукты , такие как бензин , дизельное топливо или мазут . Возобновляемые виды топлива , такие как биодизель , используются в двигателях с воспламенением от сжатия (CI), а биоэтанол или ETBE (этил-трет-бутиловый эфир) производятся из биоэтанола в двигателях с искровым зажиганием (SI). Возобновляемые виды топлива обычно смешивают с ископаемыми видами топлива. Редко используемый водород можно получить либо из ископаемого топлива, либо из возобновляемых источников энергии.


Двигатели внешнего сгорания

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.

Особенности двигателей внутреннего сгорания

Принципиальные схемы двигателей внутреннего сгорания показаны на рис. 1.

У поршневого двигателя (рис. 1,а) основными деталями являются: цилиндр крышка (головка) цилиндра; картер поршень; шатун; коленчатый вал впускные и выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное коленчатым валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.

В газовых турбинах (рис. 1, б) сжигание топлива происходит в специальной камере сгорания. Топливо в нее подается насосом через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания компрессором, установленным на одном валу с рабочим колесом газовой турбины. Продукты сгорания через направляющий аппарат поступают в газовую турбину.

Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток специального профиля, расположенных на диске и образующих вместе с последним вращающееся рабочее колесо, может работать с высокой частотой вращения. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов лопаток (многоступенчатые турбины) позволяет более полно использовать энергию горячих газов. Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем газовых турбин позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.

Рис. 1. Схемы двигателей внутреннего сгорания

В жидкостных реактивных двигателях (рис. 1, в) жидкое топливо и окислитель тем или иным способом (например, насосами) подаются под давлением из баков в камеру сгорания. Продукты сгорания расширяются в сопле и вытекают в окружающую среду с большой скоростью. Истечение газов из сопла является причиной возникновения реактивной тяги двигателя.

Положительным свойством реактивных двигателей следует считать то, что реактивная тяга их почти не зависит от скорости движения установки, а мощность ее возрастает с увеличением скорости поступления в двигатель воздуха, т. е. с повышением скорости движения. Это свойство используют при применении турбореактивных двигателей в авиации. Основные недостатки реактивных двигателей — относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.

Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин (или устройств), а также устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части комбинированного двигателя используется поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части, или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно. Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь их с поршневой частью и между собой определяются назначением комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны комбинированные двигатели, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном или осевом компрессоре (последний пока не получил распространения), причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части.

Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а во второй наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении.

Комбинированный двигатель, одна из широко распространенных схем которого показана на рис. 2, состоит из поршневой части, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие еще высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего колеса газовой турбины, которая передает крутящий момент компрессору. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определенная масса воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т. е. получить большую мощность.

Основные преимущества комбинированного двигателя — малые объем и масса, приходящаяся на 1 кВт, а также высокая экономичность, часто превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

Рис. 2. Схема комбинированного двигателя

В учебнике рассматриваются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое распространение.

Устройство двигателя внутреннего сгорания


Устройство двигателя внутреннего сгорания простыми словами

В этой статье поговорим об устройстве двигателя внутреннего сгорания узнаем принцип его работы. Рассмотрим его в разрезе. Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания был изобретён уже очень давно, но он до сих пор пользуется огромной популярностью. Правда за большое количество времени конструкция двигателя внутреннего сгорания претерпела различные изменения.

Усилия инженеров постоянно направлены на облегчения веса двигателя, улучшения экономичности, увеличение мощности, а также уменьшения выброса вредных веществ.

Двигатели бывают бензиновые и дизельные. Также встречаются роторные и газотурбинные двигатели которые используются намного реже. О них мы поговорим в других статьях.

По расположению цилиндров двс бывают рядные,V- образные и опозитные. По количеству цилиндров 2,4,6,8,10,12,16. Встречаются и 5 цилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

У каждой компоновки есть свои преимущества например рядный 6-ти цилиндровый двигатель это хорошо сбалансированный , но склонен к перегреву мотор. У V- образных двигателей другое преимущество они занимают меньше место под капотом, но при этом затрудняют обслуживание из-за ограниченного доступа. Раньше встречались и рядные 8 цилиндровые двигатели вероятней всего их не стало из-за сильной склонности к перегреву и они занимали много места под капотом.

. По типу работы двс бывают двух типов: двух тактные и четырех тактные. Двух тактные двигатели внутреннего сгорания в основном применяются на мотоциклах. В автомобилях практически всегда использовались 4 тактные двигатели.

Устройство двс

Рассмотрим двигатель в разрезе

Двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих компонентов и вспомогательных систем.

1) Блок цилиндров. Блок цилиндров и является главным телом двигателя в котором и происходит работа поршней. Обычно состоит из чугуна и обладает охладительной рубашкой для охлаждения.

2) Механизм ГРМ. Газораспределительный механизм регулирует подачу топливно-воздушной смеси и отвод выхлопных газов. С помощью кулачков распредвала которые воздействуют на пружины клапанов. Клапана открываются либо, закрываются в зависимости от такта двигателя. При открытии впускных клапанов цилиндры наполняются топливно-воздушной смесью. При открытии выпускных клапанов происходит отвод выхлопных газов.

3) Поршневая группа. Благодаря энергии взрыва топливно-воздушной смеси поршень опускается вниз. Через шатун он передает энергию на коленвал. Поршневая группа состоит из: поршня, поршневых колец, поршневого пальца ( который прочно соединяется с шатуном). Благодаря поршневым кольцам. Поршень плотно прилегает к стенкам цилиндров. Более подробно про устройство поршня можно узнать здесь.

4) КШМ- Кривошипно-шатунный механизм. Благодаря передаче энергии шатуна на коленвал совершается полезная работа.

5) Масляный поддон. В масляном поддоне находится моторное масло которое и используется системой смазки для смазывания подшипников и компонентов двс.

6) Система охлаждения. Благодаря системе охлаждения двигатель внутреннего сгорания поддерживает оптимальную температуру. Система охлаждения состоит из: помпы, радиатора, термостата, патрубков охлаждения , а также охладительной рубашки.

7) Система смазки. Система смазки служит для защиты компонентов двигателя от прежде временного износа. Кроме того благодаря моторному маслу в двигателе внутреннего сгорания происходит охлаждение и защита от коррозии. Система смазки состоит из: масляного насоса, масляного фильтра, масляных магистралей и масляного поддона.

8) Система питания. Система питания обеспечивает своевременную подачу топлива. Различается на 3 вида карбюратор, моновпрыск и инжектор.

Узнать более подробно о том, что лучше карбюратор или инжектор можно перейдя по ссылке.

В карбюраторе топливно-воздушная смесь готовиться в карбюраторе для последующей подачи. Карбюратор обладает механическим топливным насосом.

Моновпрыск это по сути переход от карбюратора к инжектору или промежуточное звено. Благодаря блоку управления на одну единственную форсунку подаётся команда о необходимом количестве топлива.

Инжектор. Инжекторные системы топлива обладают. ЭБУ- электронный блок управления, форсунки, топливная рампа. Благодаря командам ЭБУ на форсунки подаётся сигнал о том какое количество топлива необходимо в данный момент. Про ЭБУ более подробно можно узнать здесь.

На сегодняшний момент это самые распространенные топливные системы. Так как обладают рядом преимуществ. Экономичность, экологичность и лучшая отдача по сравнению с моновпрыском и карбюратором.

Также существует прямой впрыск топлива. Где форсунки впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания , не используется часто по причине более сложной конструкции и меньшей надёжности по сравнению с распределительным впрыском. Преимущество такой конструкции в лучшей экономичности и экологичности.

9) Система зажигания. Система зажигания служит для воспламенения топливно-воздушной смеси. Состоит из высоковольтных проводов, катушек зажигания, свеч зажигания. Стартер запускает двигатель внутреннего сгорания. Более подробно о стартере можно узнать перейдя по ссылке.

10) Маховик. Главной задачей маховика является запуск двс с помощью стартера через коленвал.

Принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания совершает 4 цикла или такта.

1) Впуск. На этой стадии происходит впуск топливно-воздушной смеси.

2) Сжатие. При сжатии происходит сжатие поршнем топливно-воздушной смеси.

3) Рабочий ход. Поршень под давлением газов отправляется в НМТ( нижнюю мертвую точку). Поршень передает энергию на шатун, затем через шатун передается энергия на коленвал. Таким образом происходит обмен энергии газов на полезную механическую работу.

4) Выпуск. Поршень отправляется вверх. Выпускные клапана открываются, чтобы выпустить продукты распада.

Инновации двигателя внутреннего сгорания

1) Использование в двс лазеров для воспламенения топлива. По сравнению со свечами зажигания у лазеров будет проще настройка угла зажигания и будет большая мощность. Обычные свечи при сильной искре быстро выходят из строя.

2) Технология FreeValve эта технология подразумевает двигатель без распредвалов. Вместо распредвалов клапанами управляют индивидуальные приводы на каждый клапан. Экологичность и экономичность таких двс выше. Технология разработана дочерней компанией Koniesseg и имеет схожее название FreeValve. Технология пока сырая, но уже продемонстрировала ряд преимуществ. Что будет дальше время покажет.

3) Разделение двигателей на холодную и горячую части. Суть технологии в том, что двигатель делится на две части. В холодной будет происходить впуск и сжатие так как эти стадии более эффективно будут происходить в холодной части. Благодаря этой технологии инженеры обещают улучшение производительности на 30-40%. В горячей части будут происходить воспламенение и выхлоп.

А о каких будущих технологиях двигателя внутреннего сгорания Вы слышали обязательно поделитесь этим в комментариях.

Все о двигателях внутреннего сгорания: устройство, принцип работы и тюнинг

Двигатель внутреннего сгорания – это такой тип мотора, у которого топливо воспламеняется в рабочей камере внутри, а не в дополнительных внешних носителях. ДВС преобразует давление от сгорания топлива в механическую работу.

Первый ДВС являлся силовым агрегатом Де Риваза, по имени его создателя Франсуа де Риваза, родом из Франции, который сконструировал его в 1807 году.

В этом двигателе уже было искровое зажигание, он был шатунный, с поршневой системой, то есть, это своего рода прообраз современных моторов.

Спустя 57 лет соотечественник де Риваза Этьен Ленуар изобрел уже двухтактный агрегат. Этот агрегат имел горизонтальное расположение своего единственного цилиндра, наличествовал искровым зажиганием и работал на смеси светильного газа с воздухом. Работы двигателя внутреннего сгорания в то время хватало уже на малогабаритные лодки.

Еще через 3 года конкурентом стал немец Николаус Отто, детищем которого стал уже четырехтактный атмосферный мотор с вертикальным цилиндром. КПД в данном случае увеличился на 11%, в отличие от кпд двигателя внутреннего сгорания Риваза, он стал 15-процентным.

Чуть позже, в 80-х годах этого же столетия, российский конструктор Огнеслав Костович впервые запустил агрегат карбюраторного типа, а инженеры из Германии Даймлер и Майбах усовершенствовали его в облегченный вид, который стал устанавливаться на мото- и автотехнике.

В 1897 году Рудольф Дизель выводит в свет ДВС по типу воспламенения от сжатия, используя нефть в качестве топлива. Этот вид двигателя стал родоначальником дизельных моторов, использующихся по настоящее время.

Виды двигателей

  • Бензиновые моторы карбюраторного типа работают от топлива, смешанного с воздухом. Смесь эта предварительно подготавливается в карбюраторе, далее поступает в цилиндр. В нем смесь сжимается, воспламеняется искрой от свечи зажигания.
  • Инжекторные двигатели отличаются тем, что смесь подается напрямую от форсунок во впускной коллектор. У этого вида имеются две системы впрыска – моновпрыск и распределенный впрыск.
  • В дизельном моторе воспламенение происходит без свечей зажигания. В цилиндре данной системы находится воздух, разогретый до температуры, которая превышает температуру воспламенения топлива. В этот воздух через форсунку подается топливо, и вся смесь воспламеняется по образу факела.
  • Газовый ДВС имеет принцип теплового цикла, топливом может являться как природный газ, так и углеводородный. Газ поступает в редуктор, где давление его стабилизируется в рабочее. Затем попадает в смеситель, а в итоге воспламеняется в цилиндре.
  • Газодизельные ДВС работают по принципу газовых, только в отличие от них, смесь воспламеняется не свечой, а дизельным топливом, впрыск которого происходит также, как и у обычного дизельного мотора.
  • Роторно-поршневые типы двигателей внутреннего сгорания принципиально отличаются от остальных наличием ротора, который вращается в камере, имеющей форму восьмерки. Чтобы понять, что такое ротор, нужно усвоить, что в данном случае ротор выполняет роль поршня, ГРМ и коленчатого вала, то есть специальный механизм ГРМ здесь полностью отсутствует. При одном обороте происходит сразу три рабочих цикла, что сравнимо с работой двигателя с шестью цилиндрами.

Принцип работы

В настоящее время преобладает четырехтактный принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что поршень в цилиндре проходит четыре раза – вверх и вниз одинаково по два.

Как работает двигатель внутреннего сгорания:

  1. Первый такт – поршень при движении вниз втягивает топливную смесь. При этом клапан впуска находится в открытом виде.
  2. После достижения поршнем нижнего уровня, он двигается вверх, сжимая горючую смесь, которая, в свою очередь, принимает объем камеры сгорания. Этот этап, включенный в принцип работы двигателя внутреннего сгорания, является вторым по счету. Клапаны, при этом, находятся в закрытом виде, и чем плотнее, тем качественнее происходит сжатие.
  3. В третий такт включается система зажигания, так как здесь происходит воспламенение топливной смеси. В назначении работы двигателя он называется «рабочим», так как при этом начинается процесс привода в работу агрегата. Поршень от взрыва топлива начинает движение вниз. Как и во втором такте, клапаны находятся в закрытом состоянии.
  4. Завершающий такт – четвертый, выпускной, который дает понять, что такое завершение полного цикла. Поршень через выпускной клапан избавляется от отработавших газов цилиндра. Затем все циклически повторяется снова, понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, можно представив цикличность работы часов.

Устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания логично рассматривать с поршня, так как он является основным элементом работы. Он представляет собой своеобразный «стакан» с пустой полостью внутри.

Поршень имеет прорези, в которых фиксируются кольца. Отвечают эти самые кольца за то, чтобы горючая смесь не выходила под поршень (компрессионное), а так же за то, чтобы масло не попадало в пространство над самим поршнем (маслосъемное).

Порядок работы
  • При попадании внутрь цилиндра топливной смеси, поршень проходит четыре вышеописанных такта, и возвратно-поступательное движение поршня приводит в движение вал.
  • Дальнейший порядок работы двигателя следующий: верхняя часть шатуна закреплена на пальце, который находится внутри юбки поршня. Кривошип коленвала фиксирует шатун. Поршень, при движении, вращает коленвал и последний, в свое время, передает крутящий момент системе трансмиссии, оттуда на систему шестерен и далее к ведущим колесам. В устройстве двигателей автомобилей с задним приводом посредником до колес выступает еще и карданный вал.
Конструкция ДВС

Газораспределительный механизм (ГРМ) в устройстве двигателя внутреннего сгорания отвечает за впрыск топлива, а так же за выпуск газов.

Механизм ГРМ состоит из верхнеклапанного и нижнеклапанного, может быть двух видов – ременной или цепной.

Шатун чаще всего изготавливается из стали путем штамповки или ковки. Есть виды шатунов, изготовленные из титана. Шатун передает усилия поршня коленвалу.

Коленвал из чугуна или из стали представляет собой набор коренных и шатунных шеек. Внутри этих шеек есть отверстия, отвечающие за подачу масла под давлением.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма в двигателях внутреннего сгорания заключается в преобразовании движений поршня в движения коленвала.

Головка блока цилиндров (ГБЦ), большинства двигателей внутреннего сгорания, как и блок цилиндров, чаще всего изготавливается из чугуна и реже из различных сплавов алюминия. В ГБЦ находятся камеры сгорания, каналы впуска – выпуска, отверстия свечей. Между блоком цилиндров и ГБЦ находится прокладка, обеспечивающая полную герметичность их соединения.

В систему смазки, которую включает в себя двигатель внутреннего сгорания, входит поддон картера, маслозаборник, маслонасос, масляный фильтр и масляный радиатор. Все это соединено каналами и сложными магистралями. Система смазки отвечает не только за уменьшения трения между деталями мотора, но и за их охлаждение, а также за уменьшение коррозии и износа, увеличивает ресурс ДВС.

Устройство двигателя, в зависимости от его вида, типа, страны изготовителя, может быть чем-либо дополнено или, напротив, могут отсутствовать какие-то элементы ввиду устаревания отдельных моделей, но общее устройство двигателя остается неизменным так же, как и стандартный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Дополнительные агрегаты

Само собой, двигатель внутреннего сгорания не может существовать как отдельный орган без дополнительных агрегатов, обеспечивающих его работу. Система запуска раскручивает мотор, приводит его в рабочее состояние. Существуют разные принципы работы запуска в зависимости от типа мотора: стартерный, пневматический и мускульный.

Трансмиссия позволяет развить мощность при узком диапазоне оборотов. Система питания обеспечивает ДВС двигатель малым электричеством. В нее входит аккумуляторная батарея и генератор, обеспечивающий постоянный поток электричества и заряд АКБ.

Выхлопная система обеспечивает выпуск газов. В любое устройство двигателя автомобиля входят: выпускной коллектор, который собирает газы в единую трубу, каталитический конвертер, который снижает токсичность газов путем восстановления оксида азота и использует образовавшийся кислород, чтобы дожечь вредные вещества.

Глушитель в этой системе служит для того, чтобы уменьшить выходящий из мотора шум. Двигатели внутреннего сгорания современных автомобилей должны соответствовать установленным законом нормам.

Тип топлива

Следует помнить и об октановом числе топлива, которое используют двигатели внутреннего сгорания разных типов.

Чем выше октановое число топлива – тем больше степень сжатия, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Но существуют и такие двигатели, для которых увеличение октанового числа выше положенного заводом изготовителем, приведет к преждевременной поломке. Это может произойти путем прогорания поршней, разрушения колец, закопченности камер сгорания.

Заводом предусмотрено свое минимальное и максимальное октановое число, которое требует двигатель внутреннего сгорания.

Тюнинг

Любители увеличить мощность работы двигателей внутреннего сгорания зачастую устанавливают (если это не предусмотрено заводом изготовителем) различного рода турбины или компрессоры.

Компрессор на холостых оборотах выдает небольшую мощность, при этом держит стабильные обороты. Турбина же, наоборот, выжимает максимальную мощность при ее включении.

Установка тех или иных агрегатов требует консультации с мастерами, имеющими опыт работы в узком направлении, поскольку ремонт, замена агрегатов, или же дополнение двигателя внутреннего сгорания дополнительными опциями – это отклонение от назначения работы двигателя и уменьшают ресурс ДВС, а неправильные действия могут привести к необратимым последствиям, то есть работа двигателя внутреннего сгорания может быть навсегда окончена.

Все о двигателях внутреннего сгорания: устройство, принцип работы и тюнинг Ссылка на основную публикацию

Устройство двигателя. Принцип работы ДВС

Главная » Все об авто » Энциклопедия » Устройство двигателя. Принцип работы ДВС

Практически все современные автомобили оснащены двигателем внутреннего сгорания, имеющим аббревиатуру ДВС. Несмотря на постоянный прогресс и сегодняшнее стремление автомобильных концернов отказаться от моторов, работающих на нефтепродуктах в пользу более экологичной электроэнергии, львиная доля машин ездит на бензине или дизельном топливе.

Основными принципом ДВС является то, что топливная смесь воспламеняется непосредственно внутри агрегата, а не вне его (как, к примеру, в тепловозах или устаревших паровозах). Такой способ имеет относительно большой коэффициент полезного действия. К тому же, если говорить об альтернативных моторах на электрической тяге, то двигатели внутреннего сгорания обладает рядом неоспоримых преимуществ.

  • большой запас хода на одном баке;
  • быстрая заправка;
  • согласно прогнозам, уже через несколько лет энергосистемы развитых стран не будут в силах погасить потребность в электроэнергии из-за большого количества электрокаров, что может привести к коллапсу.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Непосредственно ДВС отличаются по своему устройству. Все моторы можно разделить на несколько самых популярных категорий в зависимости от принципа работы:

Бензиновые

Наиболее распространенная категория. Работает на главных продуктах нефтепереработки. Основным элементом в таком моторе является цилиндро-поршневая группа или ЦПГ, куда входит: коленвал, шатун, поршень, поршневые кольца и сложный газораспределительный механизм, который обеспечивает своевременное наполнение и продувку цилиндра.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на два типа в зависимости от системы питания:

  1. карбюраторные. Устаревшая в условиях современной реальности модель. Здесь формирование топливно-воздушной смеси осуществляется в карбюраторе, а пропорцию воздуха и бензина определяет набор жиклеров. После этого карбюратор подает ТВС в камеру сгорания. Недостатками такого принципа питания является повышенное потребление топлива и прихотливость всей системы. К тому же она сильно зависит от погоды, температуры и прочих условий.
  2. инжекторные или впрысковые. Принципы работы двигателя с инжектором кардинально противоположны. Здесь смесь впрыскивается непосредственно во впускной коллектор через форсунки, а затем разбавляется нужным количеством воздуха. За исправную работу отвечает электронный блок управления, который самостоятельно высчитывает нужные пропорции.
Дизельные

Устройство двигателя, работающего на дизеле, кардинально отличается от бензинового агрегата. Поджог смеси здесь происходит не благодаря свечам зажигания, дающим искру в определенный момент, а из-за высокой степени сжатия в камере сгорания. Данная технология имеет свои плюсы (больший КПД, меньшие потери мощности из-за большой высоты над уровнем моря, высокий крутящий момент) и минусы (прихотливость ТНВД к качеству топлива, большие выбросы СО2 и сажи).

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля

Данный агрегат имеет поршень в виде ротора и три камеры сгорания, к каждой из которых подведена свеча зажигания. Теоретически ротор, движущийся по планетарной траектории, каждый такт совершает рабочий ход. Это позволяет существенно повысить КПД и увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. На практике это сказывается гораздо меньшим ресурсом. На сегодняшний день только автомобильная компания Mazda делает такие агрегаты.

Газотурбинные

Принцип работы ДВС такого типа заключается в том, что тепловая энергия переходит в механическую, а сам процесс обеспечивает вращение ротора, приводящего в движения вал турбины. Подобные технологии используются в авиационном строительстве.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Любой поршневой ДВС (самые распространенные в современных реалиях) имеет обязательный набор деталей. К таким частям относится:

  1. Блок цилиндров, внутри которого двигаются поршни и происходит сам процесс;
  2. ЦПГ: цилиндр, поршни, поршневые кольца;
  3. Кривошипно-шатунный механизм. К нему относится коленвал, шатун, «пальцы» и стопорные кольца;
  4. ГРМ. Механизм с клапанами, распределительными валами или «лепестками» (для 2-х тактных двигателей), который обеспечивает корректную подачу топлива в нужный момент;
  5. Cистемы впуска. О них говорилось выше – к ней относятся карбюраторы, воздушные фильтры, инжекторы, топливный насос, форсунки;
  6. Системы выпуска. Удаляет отработанные газы из камеры сгорания, а также снижает шумность выхлопа;

Принцип работы ДВС

В зависимости от своего устройства, двигатели можно разделить на четырехтактные и двухтактные. Такт – есть движение поршня от своего нижнего положения (мертвая точка НМТ) до верхнего положения (мертвая точка ВМТ). За один цикл двигатель успевает наполнить камеры сгорания топливом, сжать и поджечь его, а также очистить их. Современные ДВС делают это за два или четыре такта.

Принцип работы двухтактного ДВС

Особенностью такого мотора стало то, что весь рабочий цикл происходит всего за два движения поршня. При движении вверх создается разреженное давление, которое засасывает топливную смесь в камеру сгорания. Вблизи ВМТ поршень перекрывает впускной канал, а свеча зажигания поджигает топливо. Вторым тактом следует рабочий ход и продувка. Выпускной канал открывается после прохождения части пути вниз и обеспечивает выход отработанных газов. После этого процесс возобновляется по новой.

Теоретически, преимуществом такого мотора более высокая удельная мощность. Это логично, ведь сгорание топлива и рабочий такт происходит в два раза чаще. Соответственно, мощность такого двигателя может быть в два раза больше. Но эта конструкция имеет массу проблем. Из-за больших потерь при продувке, большого расхода топлива, а также сложностей в расчетах и «норовистой» работе двигателя, эта технология сегодня используется только на малокубатурной технике.

Интересно, что полвека назад активно велись разработки дизельного двухтактного ДВС. Процесс работы практически не отличался от бензинового аналога. Однако, несмотря на преимущества такого мотора, от него отказались из-за ряда недостатков.

Основным минусом стал огромный перерасход масла. Из-за комбинированной системы смазки топливо попадало в камеру сгорания вместе с маслом, которое потом попросту выгорало или удалялось через выпускную систему. Большие тепловые нагрузки также требовали более громоздкой системы охлаждения, что увеличивало габариты мотора. Третьим минусом стал большой расход воздуха, который вел к преждевременному износу воздушных фильтров.

Четырёхтактный ДВС

Мотор, где рабочий цикл занимает четыре хода поршня, называется четырехтактным двигателем.

  1. Первый такт – впуск. Поршень двигается из верхней мертвой точки. В этот момент ГРМ открывает впускной клапан, через который топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания. В случае с карбюраторными агрегатами поступление может осуществляться за счет разрежения, а инжекторные двигателя впрыскивают топливо под давлением.
  2. Второй такт – сжатие. Далее поршень движется из нижней мертвой точки вверх. К этому моменту впускной клапан закрыт, а смесь постепенно сжимается в полости камеры сгорания. Рабочая температура поднимается до отметки 400 градусов.
  3. Третий такт – рабочий ход поршня. В ВМТ свеча зажигания (или большая степень сжатия, если речь идет о дизеле) поджигает топливо и толкает поршень с коленчатым валом вниз. Это основной такт во всем цикле работы двигателя.
  4. Четвертый такт – выпуск. Поршень снова движется вверх, выпускной клапан открывается, а из камеры сгорания удаляются отработанные газы.

Дополнительные системы ДВС

Независимо от того, из чего состоит двигатель, у него должны быть вспомогательные системы, которые способны обеспечить его исправную работу. К примеру, клапаны должны открываться в нужное время, в камеры поступать нужное количество топлива в определенной пропорции, вовремя подаваться искра и т.д. Ниже рассмотрены основные части, способствующие корректной работе.

Система зажигания

Эта система отвечает за электрическую часть в вопросе воспламенения топлива. К основным элементам относится:

  • Элемент питания. Основным источником питания является аккумулятор. Он обеспечивает вращение стартера на выключенном двигателе. После этого в работу включается генератор, который питает двигатель, а также подзаряжает саму аккумуляторную батарею через реле зарядки.
  • Катушка зажигания. Устройство, которое передает одномоментный заряд непосредственно на свечу зажигания. В современных автомобилях количество катушек равносильно количеству цилиндров, которые работают в двигателе.
  • Коммутатор или распределитель зажигания. Специальной «умное» электронное устройство, которое определяет момент подачи искры.
  • Свеча зажигания. Важный элемент в бензиновом ДВС, который обеспечивает своевременное воспламенение топливно-воздушной смеси. Продвинутые двигатели имеют по две свечи на цилиндр.
Впускная система

Смесь должна вовремя поступать в камеры сгорания. За этот процесс отвечает впускная система. К ней относится:

  • Воздухозаборник. Патрубок, специально выведенный в место, недоступное для воды, пыли или грязи. Через него осуществляется забор воздуха, который потом попадает в двигатель;
  • Воздушный фильтр. Сменная деталь, которая обеспечивает очистку воздуха от грязи и исключает попадание посторонних материалов в камеру сгорания. Как правило, современные автомобили обладают сменными фильтрами из плотной бумаги или промасленного поролона. На более архаичных моторах встречаются масляные воздушные фильтры.
  • Дроссель. Специальная заслонка, которая регулирует количество воздуха, попадающего в впускной коллектор. На современной технике действует посредством электроники. Сначала водитель нажимает на педаль газа, а потом электронная система обрабатывает сигнал и следует команде.
  • Впускной коллектор. Патрубок, который распределяет топливно-воздушную смесь по различным цилиндрам. Вспомогательными элементами в этой системе являются впускные заслонки и усилители.
Топливная систем

Принцип работы любого ДВС подразумевает своевременное поступление топлива и ее бесперебойную подачу. В комплекс также входит несколько основных элементов:

  • Топливный бак. Резервуар, где хранится топливо. Как правило, располагается в максимально безопасном месте, вдали от мотора и сделан из негорючего материала (ударопрочный пластик). В нижней его части установлен бензонасос, который осуществляет забор топлива.
  • Топливопровод. Система шлангов, ведущая от топливного бака непосредственно к двигателю внутреннего сгорания.
  • Прибор образования смеси. Устройство, где смешиваются топливо и воздух. Об этом пункте уже упоминалось выше – за эту функцию может отвечать карбюратор или инжектор. Основным требованием является синхронная и своевременная подача.
  • Головное устройство в инжекторных двигателях, которое определяет качество, количество и пропорции образования смеси.
Выхлопная система

В ходе того, как работает двигатель внутреннего сгорания, образуются выхлопные газы, которые необходимо выводить из мотора. Для правильной работы эта система обязана иметь следующие элементы:

  • Выпускной коллектор. Устройство из тугоплавкого металла с высокой устойчивостью к температурам. Именно в него первоначально поступают выхлопные газы из двигателя.
  • Приемная труба или штаны. Деталь, обеспечивающая транспортировку выхлопных газов далее по тракту.
  • Резонатор. Устройство, снижающее скорость движения выхлопных газов и погашение их температуры.
  • Катализатор. Предмет для очистки газов от СО2 или сажевых частиц. Здесь же располагается лямда-зонд.
  • Глушитель. «Банка», имеющая ряд внутренних элементов, предназначенных для многократного изменения направления выхлопных газов. Это приводит к снижению их шумности.
Система смазки

Работа двигателя внутреннего сгорания будет совсем недолгой, если детали не будут обеспечиваться смазкой. Во всей технике используется специальное высокотемпературное масло, обладающее собственными характеристиками вязкости в зависимости от режимов эксплуатации мотора. Ко всему, масло предотвращает перегрев, обеспечивает удаление нагара и появление коррозии.

Для поддержания исправности системы предназначены следующие элементы:

  • Поддон картера. Именно сюда заливается масло. Это основной резервуар для хранения. Контролировать уровень можно при помощи специального щупа.
  •  Масляный насос. Находится вблизи нижней точки поддона. Обеспечивает циркуляцию жидкости по всему мотору через специальные каналы и его возвращение обратно в картер.
  •  Масляный фильтр. Гарантирует очистку жидкости от пыли, металлической стружки и прочих абразивных веществ, попадающих в масло.
  •  Радиатор. Обеспечивает эффективное охлаждение до положенных температур.
Система охлаждения

Еще один элемент, который необходим для мощных двигателей внутреннего сгорания. Он обеспечивает охлаждение деталей и исключает возможность перегрева. Состоит из следующих деталей:

  • Радиатор. Специальный элемент, имеющий «сотовую» структуру. Является отличным теплообменником и эффективно отдает тепло, гарантируя охлаждение антифриза.
  • Вентилятор. Дополнительный элемент, дующий на радиатор. Включается тогда, когда естественный поток набегающего воздуха уже не может обеспечить эффективное отведение тепла.
  • Помпа. Насос, который помогает жидкости циркулировать по большому или малому кругу системы (в зависимости от ситуации).
  • Термостат. Клапан, который открывает заслонку, пуская жидкость по нужному кругу. Работает совместно с датчиком температуры движка и охлаждающей жидкости.

Заключение

Первый двигатель внутреннего сгорания появился еще очень давно – почти полтора столетия назад. С тех пор было сделано огромное количество разных нововведений или интересных технических решений, которые порой меняли вид мотора до неузнаваемости. Но общий принцип работы двигателя внутреннего сгорания оставался прежним. И даже сейчас, в эпоху борьбы за экологию и постоянно ужесточающийся норм по выбросу СО2, электромобили все еще не в силах составить серьезную конкуренцию машинам с ДВС. Бензиновые автомобили и сейчас живее всех живых, а мы живем в золотую эпоху автомобилестроения.

Ну а для тех, кто готов погрузиться в тему еще глубже, у нас есть отличное видео:

двигатель Устройство автомобиля

Как работают дизельный, бензиновый и инжекторный двигатели

Двигатель внутреннего сгорания – универсальный силовой агрегат, используемый практически во всех видах современного транспорта. Три луча заключенные в окружность, слова «На земле, на воде и в небе» — товарный знак и девиз компании Мерседес Бенц, одного из ведущих производителей дизельных и бензиновых двигателей. Устройство двигателя, история его создания, основные виды и перспективы развития – вот краткое содержание данного материала.

Немного истории

Принцип превращения возвратно-поступательного движения во вращательное, посредством использования кривошипно-шатунного механизма известен с 1769 года, когда француз Николя Жозеф Кюньо показал миру первый паровой автомобиль. В качестве рабочего тела двигатель использовал водяной пар, был маломощным и извергал клубы черного, дурнопахнущего дыма. Подобные агрегаты использовались в качестве силовых установок на заводах, фабриках, пароходах и поездах, компактные же модели существовали в виде технического курьеза.

Все изменилось в тот момент, когда в поисках новых источников энергии человечество обратило свой взор на органическую жидкость — нефть. В стhемлении повысить энергетические характеристики данного продукта, ученные и исследователи, проводили опыты по перегонке и дистилляции, и, наконец, получили неизвестное доселе вещество – бензин. Эта прозрачная жидкость с желтоватым оттенком сгорала без образования копоти и сажи, выделяя намного большее, чем сырая нефть, количество тепловой энергии.

Примерно в то же время Этьен Ленуар сконструировал первый газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший по двухтактной схеме, и запатентовал его в 1880 году.

В 1885 году немецкий инженер Готтлиб Даймлер, в сотрудничестве с предпринимателем Вильгельмом Майбахом, разработал компактный бензиновый двигатель, уже через год нашедший свое применение в первых моделях автомобилей. Рудольф Дизель, работая в направлении повышения эффективности ДВС (двигателя внутреннего сгорания), в 1897 году предложил принципиально новую схему воспламенения топлива. Воспламенение в двигателе, названном в честь великого конструктора и изобретателя, происходит за счет нагревания рабочего тела при сжатии.

А в 1903 году братья Райт подняли в воздух свой первый самолет, оснащенный бензиновым двигателем Райт-Тейлор, с примитивной инжекторной схемой подачи топлива.

Как это работает

Общее устройство двигателя и основные принципы его работы станут понятны при изучении одноцилиндровой двухтактной модели.

Такой ДВС состоит из:

  • камеры сгорания;
  • поршня, соединенного с коленвалом посредством кривошипно-шатунного механизма;
  • системы подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси;
  • клапана для удаления продуктов горения (выхлопных газов).

При пуске двигателя поршень начинает путь от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ), за счет поворота коленвала. Достигнув нижней точки, он меняет направление движения к ВМТ, одновременно с чем проводится подача топливно-воздушной смеси в камеру сгорания. Движущийся поршень сжимает ТВС, при достижении верхней мертвой точки система электронного зажигания воспламеняет смесь. Стремительно расширяясь, горящие пары бензина отбрасывают поршень в нижнюю мертвую точку. Пройдя определенную часть пути, он открывает выхлопной клапан, через который раскаленные газы покидают камеру сгорания. Пройдя нижнюю точку, поршень меняет направление движения к ВМТ. За это время коленвал совершил один оборот.

Данные пояснения станут более понятными при просмотре видео о работе двигателя внутреннего сгорания.

Данный видеоролик наглядно показывает устройство и работу двигателя автомобиля.

Два такта

Основным недостатком двухтактной схемы, в которой роль газораспределительного элемента играет поршень, является потеря рабочего вещества в момент удаления выхлопных газов. А система принудительной продувки и повышенные требования к термостойкости выхлопного клапана приводят к увеличению цены двигателя. В противном случае добиться высокой мощности и долговечности силового агрегата не представляется возможным. Основная сфера применения подобных двигателей – мопеды и недорогие мотоциклы, лодочные моторы и бензокосилки.

Четыре такта

Описанных недостатков лишены четырехтактные ДВС, используемые в более «серьезной» технике. Каждая фаза работы такого двигателя (впуск смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов), осуществляется при помощи газораспределительного механизма.

Разделение фаз работы ДВС очень условно. Инерционность отработавших газов, возникновение локальных вихрей и обратных потоков в зоне выхлопного клапана приводит к взаимному перекрыванию во времени процессов впрыска топливной смеси и удаления продуктов горения. Как результат, рабочее тело в камере сгорания загрязняется отработанными газами, вследствие чего меняются параметры горения ТВС, уменьшается теплоотдача, падает мощность.

Проблема была успешно решена путем механической синхронизации работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. Проще говоря, впрыск топливно-воздушной смеси в камеру сгорания произойдет только после полного удаления отработанных газов и закрытия выхлопного клапана.

Но данная система управления газораспределением так же имеет свои недостатки. Оптимальный режим работы двигателя (минимальный расход топлива и максимальная мощность), может быть достигнут в достаточно узком диапазоне оборотов коленвала.

Развитие вычислительной техники и внедрение электронных блоков управления дало возможность успешно разрешить и эту задачу. Система электромагнитного управления работой клапанов ДВС позволяет на лету, в зависимости от режима работы, выбирать оптимальный режим газораспределения. Анимированные схемы и специализированные видео облегчат понимание этого процесса.

На основании видео не сложно сделать вывод, что современный автомобиль это огромное количество всевозможных датчиков.

Виды ДВС

Общее устройство двигателя остается неизменным достаточно долгое время. Основные различия касаются видов используемого топлива, систем приготовления топливно-воздушной смеси и схем ее воспламенения. Рассмотрим три основных типа:

  1. бензиновые карбюраторные;
  2. бензиновые инжекторные;
  3. дизельные.
Бензиновые карбюраторные ДВС

Приготовление гомогенной (однородной по своему составу), топливно-воздушной смеси происходит путем распыления жидкого топлива в воздушном потоке, интенсивность которого регулируется степенью поворота дроссельной заслонки. Все операции по приготовлению смеси проводятся за пределами камеры сгорания двигателя. Преимуществами карбюраторного двигателя является возможность регулировки состава топливной смеси «на коленке», простота обслуживания и ремонта, относительная дешевизна конструкции. Основной недостаток – повышенный расход топлива.

Историческая справка. Первый двигатель данного типа сконструировал и запатентовал в 1888 году российский изобретатель Огнеслав Костович. Оппозитная система горизонтально расположенных и двигающихся навстречу друг другу поршней, до сих пор успешно используется при создании двигателей внутреннего сгорания. Самым известным автомобилем, в котором использовался ДВС данной конструкции, является Фольксваген Жук.

Бензиновые инжекторные ДВС

Приготовление ТВС осуществляется в камере сгорания двигателя, путем распыления топлива инжекторными форсунками. Управление впрыском осуществляется электронным блоком или бортовым компьютером автомобиля. Мгновенная реакция управляющей системы на изменение режима работы двигателя обеспечивает стабильность работы и оптимальный расход топлива. Недостатком считается сложность конструкции, профилактика и наладка возможны только на специализированных станциях технического обслуживания.

Дизельные ДВС

Приготовление топливно-воздушной смеси происходит непосредственно в камере сгорания двигателя. По окончании цикла сжатия воздуха, находящегося в цилиндре, форсунка проводит впрыск топлива. Воспламенение происходит за счет контакта с перегретым в процессе сжатия атмосферным воздухом. Всего лишь 20 лет назад низкооборотистые дизеля использовались в качестве силовых агрегатов специальной техники. Появление технологии турбонагнетания открыло им дорогу в мир легковых автомобилей.

Пути дальнейшего развития ДВС

Конструкторская мысль никогда не стоит на месте. Основные направления дальнейшего развития и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания – повышение экономичности и минимизация вредных для экологии веществ в составе выхлопных газов. Применение слоистых топливных смесей, конструирование комбинированных и гибридных ДВС – лишь первые этапы долгого пути.

Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы

Современный двигатель внутреннего сгорания далеко ушел от своих прародителей. Он стал крупнее, мощнее, экологичнее, но при этом принцип работы, устройство двигателя автомобиля, а также основные его элементы остались неизменными.

Двигатели внутреннего сгорания, массово применяемые на автомобилях, относятся к типу поршневых. Название свое этот тип ДВС получил благодаря принципу работы. Внутри двигателя находится рабочая камера, называемая цилиндром. В ней сгорает рабочая смесь. При сгорании смеси топлива и воздуха в камере увеличивается давление, которое воспринимает поршень. Перемещаясь, поршень преобразует полученную энергию в механическую работу.

Как устроен ДВС

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

Современный ДВС состоит из нескольких механизмов и вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

  1. КШМ — кривошипно-шатунный механизм.
  2. ГРМ   — механизм регулировки фаз газораспределения.
  3. Система смазки.
  4. Система охлаждения.
  5. Система подачи топлива.
  6. Выхлопная система.

Также к системам ДВС относятся электрические системы пуска и управления двигателем.

КШМ — основной механизм поршневого мотора. Он выполняет главную работу — преобразует тепловую энергию в механическую. Состоит механизм из следующих частей:

  • Блок цилиндров.
  • Головка блока цилиндров.
  • Поршни с пальцами, кольцами и шатунами.
  • Коленчатый вал с маховиком.
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:

  • Распределительный вал.
  • Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками.
  • Детали привода клапанов.
  • Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится 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

В зависимости от конструкции и количества клапанов на двигатель может быть установлен один или два распределительных вала на каждый ряд цилиндров. При двухвальной системе каждый вал отвечает за работу своего ряда клапанов — впускных или выпускных. Одновальная конструкция имеет английское название SOHC (Single OverHead Camshaft). Систему с двумя валами называют DOHC (Double Overhead Camshaft).

Система охлаждения двигателя

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:

  • Рубашка охлаждения двигателя
  • Насос (помпа)
  • Термостат
  • Радиатор
  • Вентилятор
  • Расширительный бачок

Рубашку охлаждения двигателей внутреннего сгорания образуют полости внутри БЦ и ГБЦ, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Она отбирает избыточное тепло у деталей двигателя и относит его к радиатору. Циркуляцию обеспечивает насос, привод которого осуществляется с помощью ремня от коленчатого вала.

Термостат обеспечивает необходимый температурный режим двигателя автомобиля, перенаправляя поток жидкости в радиатор либо в обход него. Радиатор, в свою очередь, призван охлаждать нагретую жидкость. Вентилятор усиливает набегающий поток воздуха, тем самым увеличивая эффективность охлаждения. Расширительный бачок необходим современным моторам, так как применяемые охлаждающие жидкости сильно расширяются при нагреве и требуют дополнительного объема.

Система смазки ДВС

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:

  • Масляный картер (поддон).
  • Насос подачи масла.
  • Масляный фильтр с редукционным клапаном.
  • Маслопроводы.
  • Масляный щуп (индикатор уровня масла).
  • Указатель давления в системе.
  • Маслоналивная горловина.

Насос забирает масло из масляного картера и подает его в маслопроводы и каналы, расположенные в БЦ и ГБЦ. По ним масло поступает в места соприкосновения трущихся поверхностей.

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

  • Топливный бак.
  • Датчик уровня топлива.
  • Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой.
  • Топливные трубопроводы.
  • Впускной коллектор.
  • Воздушные патрубки.
  • Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, но в силу различных физических свойств бензина и дизельного топлива конструкция их имеет существенные различия. 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. Детали, обеспечивающие очистку воздуха и поступление его цилиндры — воздушный фильтр и патрубки — тоже относятся к топливной системе.

Система выпуска

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

  • Выпускной коллектор.
  • Приемная труба глушителя.
  • Резонатор.
  • Глушитель.
  • Выхлопная труба.

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.

В заключение необходимо упомянуть системы пуска и управления двигателем автомобиля. Они являются важной частью двигателя, но их необходимо рассматривать вместе с электрической системой автомобиля, что выходит за рамки этой статьи, рассматривающей внутреннее устройство двигателя.

Устройство двигателей внутреннего сгорания

Изучение устройства двигателей внутреннего сгорания.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания в двигателях, применяемых для привода современных строительных машин, тепловая энергия сгоревшего топлива преобразуется в механическую работу. Так как топливо сгорает внутри цилиндров двигателей, то они называются двигателями внутреннего сгорания.

Современные двигатели внутреннего сгорания с возвратно-поступательно движущимися поршнями классифицируются по следующим признакам:

1. способу смесеобразования — на двигатели с внешним смесеобразованием /карбюраторные и газовые/ и внутренним /дизельные/;

2. способу воспламенения рабочей смеси на двигатели с принудительным воспламенением от электрической искры /карбюраторные и газовые/ и с воспламенением от сжатия /дизели/;

3. способу осуществления рабочего цикла — на четырех — и двухтактные;

4. числу цилиндров — на одно — и многоцилиндровые;

5. расположению цилиндров — на одноцилиндровые /линейные/ и двухрядные или V — образные, у которых угол между цилиндрами мень­ше 180°. Если угол равен 180°, двигатель называется оппозитным;

6. охлаждению — на двигатели с водяным и воздушным охлаждением.

На строительных машинах применяются четырехтактные многоцилиндровые карбюраторные и дизельные двигатели.

Во время работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в его цилиндре протекают четыре процесса: 1/ впуск в цилиндр горючей смеси /в карбюраторный двигатель/ или воздуха /в дизельный двигатель/t 2/ сжатие рабочей смеси или воздуха; 3/ рабочий ход — воспламенение рабочей смеси и расширение продуктов сгорания; 4/ выпуск из цилиндра продуктов сгорания.

Совокупность этих последовательных, периодически повторяющихся процессов называется рабочим циклом двигателя.

Принципиальное отличие рабочего цикла дизеля от карбюраторного двигателя состоит в способе смесеобразования и воспламенения смеси. В цилиндр дизеля в такте впуска поступает воздух, который подвергается сжатию в такте сжатия до 3,5…4,5 МПа, что повышает температуру воздуха до 600.„.700 °С. В конце такта сжатия впрыскивается жидкое топливо, которое, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется и сгорает.

В карбюраторном же двигателе рабочая смесь в конце такта сжатия сжимается до 0,7…1,2 МПа, а температура повышается до 300…400 °С, при этом между электродами свечи проскакивает электрическая искра и рабочая смесь воспламеняется.

Дизельный двигатель по сравнению с карбюраторным имеет следующие преимущества: более высокий КПД — 27-35% /для карбюраторных двигателей 20-24%/; высокую степень сжатия, обеспечивающую более экономичный расход топлива на единицу работы /на 20-25% меньше, чем у карбюраторного двигателя/; обладает лучшей приемистостью и развивает большой крутящий момент при малой частоте вращения; работает на тяжелых сортах топлива, которые менее опасны в пожарном отношении.

Основные недостатки дизельного двигателя по сравнению с карбюраторным: большая масса, приходящаяся на единицу мощности; тихоходность /максимальная частота вращения коленчатого вала не превышает 3000 об/мин, у карбюраторных — до 6000 об/мин/; более трудный пуск при низких температурах окружающей среда, что вызывает необходимость установки дополнительных систем подогрева и пуска двигателя.

Кривошипно-ползунный механизм

Кривошипно-ползунный механизм служит для восприятия силы давления газов, преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рис. Схема кривошипно-ползунного и распределительного механизмов: 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — поршневой палец; 5 — поршневые кольца; 6, 9 — клапаны /впускной и выпускной/; 7 — пружина; 8 — коромысло; 10 — гильза; 11 — водяная рубашка; 12 — штанга; 13 — распределительный вал; 14 — маховик; 15 — шестерни привода распределительного вала

Механизм газораспределения

Механизм газораспределения должен удовлетворять следующим ос­новным требованиям: своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны; обеспечивать возможно лучшее наполнение цилиндров горючей смесью и очистку от отработавших газов; надежно изолировать внутреннее пространство цилиндров от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.

Для лучшего наполнения цилиндров двигателя воздухом /для дизелей/ или горючей смесью /для карбюраторных двигателей/ и более полной очистки их от отработавших газов клапаны открываются и закрываются не в тот момент, когда поршень находится в мертвых точках, а с некоторым опережением при открытии и запаздыванием — при закрытии.

Периоды открытия и закрытия клапанов выраженные в углах пово­рота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

Их соблюдение обеспечивается формой и взаиморасположением кулачков на распределительном валу.

Система охлаждения.

При работе двигателя температура газов в камере сгорания достигает 2000…2400 °С, а средняя температура цикла 800…1000 С. Вследствие этого поршни, головки цилиндров, цилиндры и клапаны сильно нагреваются. Чрезмерный перегрев двигателя приводит к разжижению и сгоранию масла, нарушению нормальных зазоров между сопряженными деталями, уменьшению наполнения цилиндров горючей смесью, а следовательно, к снижению мощности двигателя, нарушению рабочего процесса и разрушению отдельных деталей.

Для нормальной работы двигателя необходимо непрерывно отводить излишнюю теплоту от перегреваемых деталей. Это осуществляется системой охлаждения. Излишнее охлаждение неблагоприятно отражается на работе двигателя. Испарение топлива ухудшается, поэтому оно горит медленнее, мощность двигателя падает, снижается экономичность, а износ цилиндров и поршневых колец увеличивается.

Для нормальной работы двигателя необходимо поддерживать его температуру при любых условиях и режимах работы в определенных пределах.

Чтобы обеспечить нормальный тепловой режим двигателя, применяют жидкостное или воздушное охлаждение. При воздушном охлаждении теплота отдается непосредственно воздуху через ребристые стенки блока цилиндров и головки блока. Жидкостная система охлаждения основана на интенсивной Циркуляции жидкости, которая обеспечивается центробежным насосом. Насос нагнетает жидкость /воду или антифриз-жидкость, замерзающую при низкой температуре/ в водяную рубашку двигателя, из которой нагретая жидкость вытесняется в радиатор. Охлажденная жидкость по патрубкам поступает в насос.

Рис. Схема системы охлаждения: 1 — радиатор; 2 — выпускной патрубок; 3 — термостат; 4 — гильза цилиндра; 5 — головка цилиндров; б — блок цилиндров; 7 — водяная рубашка; 8 — крыльчатка водяного насоса; 9 – вентилятор.

Система смазки

При работе двигателя в его сопряженных деталях возникает трение, вызывающее износ и нагрев деталей и требующее затрат некоторой части мощности двигателя. При введении между трущимися поверхностями слоя смазки характер трения и износа резко изменяется, так как молекулы масла под влиянием силы молекулярного притяжения распространяются по трущимся поверхностям и смазывают их.

Долговечность и безотказная работа двигателя зависят от качества и чистоты применяемого масла.

Система смазки двигателя — это совокупность механизмов и приборов, обеспечивающих очистку масла и его бесперебойную подачу в необходимом количестве при определенной температуре и давлении к трущимся поверхностям.

Рис. Схема системы смазки: 1 — масляный картер; 2 — маслоприемник; 3 — шестеренчатый насос; 4 — маслопровод; 5 — фильтр; 6 — главный масляный канал.

Примечание. Все остальные детали смазываются маслом, вытекающим из зазоров, или посредством разбрызгивания.

Масло, поступающее в зазоры между трущимися поверхностями, не только уменьшает потери на трение, но и охлаждает и удаляет продукты износа и мелкие частицы нагара и защищает трущиеся поверхности от коррозии.

В зависимости от способа подвода масла к трущимся поверхностям деталей применяются такие системы смазки: разбрызгиванием, под давлением и комбинированные, в которых часть деталей смазывается под давлением, а остальные — за счет разбрызгивания масла.

Система питания.

Источником энергии в двигателях внутреннего сгорания является горючая смесь, образуемая парами топлива, тщательно перемешанными с воздухом в определенных пропорциях. Смешиваясь с остаточными газами в цилиндре двигателя, горючая смесь образует рабочую.

Состав горючей смеси должен соответствовать определенному режиму работы двигателя и подразделяется на богатую, обогащенную, нормальную, обедненную и бедную.

В качестве топлива для карбюраторных двигателей применяют бензин, обладающий хорошей испаряемостью, а для дизельных двигателей с внутренним смесеобразованием — дизельное топливо, являющееся продуктом перегонки тяжелых фракций нефти с определенной вязкостью.

Система питания служит для хранения, подачи и очистки топлива, воздуха, приготовления горючей смеси нужного состава на разных режимах работы двигателя, отвода наружу продуктов сгорания .

Система пуска двигателей.

Одним из основных требований, предъявляемых к двигателям внутреннего сгорания, является быстрота и надежность пуска. Пуск осуществляется принудительным вращением коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии.

Система пуска должна развивать определенную частоту вращения коленчатого вала двигателя, обеспечивающую смесеобразование, наполнение цилиндров свежей смесью, сжатие и воспламенение смеси.

Пусковая частота вращения карбюраторных двигателей колеблется в пределах 30…60 об/мин.

Пуск дизельного двигателя по сравнению с карбюраторным более труден. Это связано с большой степенью сжатия и плохим смесеобразованием из-за малого давления впрыска топлива. Поэтому пусковая частота вращения коленчатого вала двигателя с воспламенением от сжатия должна быть в пределах 200…300 об/мин.

Рис. Схема системы питания; 1 — гильза цилиндра; 2 — поршень; 3 — топливный фильтр; 4 — топливопровод; Б — диафрагмовый насос; 6 — топливный бак; 7 — воздушный фильтр; 8 – карбюратор; 9, 10 — клапаны /впускной и выпускной/; 11 — патрубок /выхлопной/; 12 – глушитель.

При пуске холодного двигателя, особенно в зимнее время, прокручивание вала двигателя и его пуск резко затрудняются из-за низкой температуры воздуха в камере сгорания в конце сжатия и эагустевания смазки. Для обеспечения пуска дизелей необходимо подогреть воздух во впускном трубопроводе и в камере сгорания, охлаждающую жидкость в системе охлаждения; применить декомпрессионный механизм.

Существуют следующие основные способы пуска двигателей:

1. от руки /вручную/ — применяется чаще у карбюраторных пусковых двигателей;

2. электрическим стартером — используется в автомобильных и пуско­вых тракторных двигателях. Для пуска дизельного двигателя требуется стартер значительно большей мощности, чем для карбюраторного;

3. вспомогательным бензиновым двигателем /пусковым двигателем/ — распространен на дизелях тракторов;

4. силовым генератором электротрансмиссии. Силовой генератор, приводящий электрические ходовые двигатели трактора с электротрансмиссией, на время пуска двигателя работает в режиме стартера и питается током от аккумуляторных батарей;

5. сжатым воздухом от баллона с давлением 15,0 МПа. Наименьшее давление воздуха в баллоне, обеспечивающее запуск дизеля,- 4,0 МПа.

В аварийных случаях можно запустить двигатель буксировкой на включенной передаче трансмиссии. У машин с электротрансмиссией тяговый электродвигатель при этом работает в режиме генератора, а силовой генератор — в режиме электродвигателя, вращая коленчатый вал дизеля.

Список литературы

1. Брянский Ю. А. и др. Тягачи строительных и дорожных машин. — М.: Высш. шк., 1976. — 360 с.

2. Гуревич A. M., Сорокин E. М. Тракторы и автомобили. — П.: Колос, 1971.

3. Делиховский С. Ф. и др. Устройство и эксплуатация автомобилей.- М.: Изд-во ДОСААФ, 1965. — 214 с.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

С момента изобретения первого мотора, работающего за счет горения топливной смеси прошло уже больше ста пятидесяти лет. Человечество продвинулось в техническом прогрессе, однако заменить двигатель внутреннего сгорания так и не удаётся. Этот тип силовой установки используется как привод на технике. За счет мотора работают мопеды, автомобили, трактора, и другие самоходные агрегаты.

За время эксплуатации, изобретено и применено к использованию больше десяти видов и типов моторов. Однако, принцип работы не поменялся. В сравнении с паровым агрегатом, который предшествовал установке, двигатель, преобразующий тепловую энергию сгорания в механическую работу, экономичней с большим коэффициентом полезного действия. Эти свойства, залог успеха мотора, который полтора века остаётся востребованным и пользуется популярностью.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Особенность работы

Особенность, делающая мотор не похожим на другие установки, заключается в том, что работа двигателя внутреннего сгорания сопровождается воспламенением топливной смеси непосредственно в камере. Само пространство, где происходит горение, внутри установки, это легло в основу названия классификации моторов. В процессе сложной экзотермической реакции, когда исходная рабочая смесь превращается в продукты сгорания с выделением тепла, выполняется преобразование в механическую работу. Работа за счет теплового расширения, движущая сила, без которой было бы не возможно существование установки. Принцип завязан на давлении, газов в пространстве цилиндра.

Виды моторов

В процессе технического прогресса разрабатывались и испытывались виды агрегатов, в которых горючее сжигалось во внутреннем пространстве, не все доказали свою целесообразность. Выделены распространенные типы двигателей внутреннего сгорания:

Поршневая установка.

Составная часть агрегата выполнена в виде блока с вмонтированными внутрь цилиндрическими полостями. Часть цилиндра служит для сжигания горючего. Посредством поршня, кривошипа и шатуна происходит трансформация энергии горения в энергию вращения вала. В зависимости от того, как готовится горючая смесь, агрегаты делят:

  • Карбюраторные. В таких установках, горючее готовится за счет карбюрации. Атмосферный воздух и топливо транспортируются в механизм в пропорции, после чего смешивается внутри установки. Готовая смесь подается в камеру и сжигается;
  • Инжектор. В установку рабочая смесь подаётся при помощи распылителя. Впрыск осуществляется в коллектор и контролируется электроникой. По коллектору горючее поступает в камеру, где поджигается свечой;
  • Дизель. Принцип коренным образом отличается от предыдущих оппонентов. Процесс протекает за счёт давления. В объём через распылитель впрыскивается порция топлива (солярка), температура воздуха выше температуры горения, горючее воспламеняется.

Поршневой мотор:

  • Роторно-поршневой мотор. Преобразование энергии расширения газов в механическую работу происходит за счет оборотов ротора. Ротор представляет собой деталь специального профиля, на которую давят газы, заставляя совершать вращательные движения. Траектория движения ротора по камере объёмного вытеснения сложная, образована эпитрохоидой. Ротор выполняет функции: поршня, распределителя газов, вала.

Роторно-поршневой мотор:

  • Газотурбинные моторы. Процесс выполняется за счёт преобразования тепла в работу. Непосредственное участие принимают лопатки ротора. Вращение деталей от потока газов передаётся на турбину.

Сегодня, поршневые моторы окончательно вытеснили остальные типы установок и заняли доминирующее положение в автомобильной отрасли. Процентное соотношение роторно-поршневых моторов мало, поскольку производством занимается только Mazda. К тому же выпуск установок ведётся в ограниченном количестве. Газотурбинные агрегаты так же не прижились, поскольку имели ряд недостатков для гражданского использования, основной, это повышенный расход топлива.

Классификация двигателей внутреннего сгорания так же возможна и по потребляемому горючему. Моторы используют: бензин, дизель, газ, комбинированное топливо.

Читайте также…  Двигатели Лада Веста- Особенности и тюнинг

Газотурбинный мотор:

Устройство

Несмотря на разнообразие установок, виды двигателей внутреннего сгорания компонуются из нескольких узлов. Совокупность компонентов размещается в корпусе агрегата. Чёткая и слаженная работа каждой составной части в отдельности, в совокупности представляет мотор единым неделимым организмом.

  • Блок мотора.Блок цилиндров объёдиняет в себе полости цилиндрической формы, внутри которых происходит воспламенение, и сгорание топливовоздушной смеси. Горения приводит к тепловому расширению газов, а цилиндры мотора служат направляющей, не дающей тепловому потоку выйти за пределы нужных рамок;

Блок цилиндров мотора:

  • Механизм кривошипов и шатунов мотора.Совокупность рычагов, посредством которых на коленчатый вал передается сила, заставляющая совершать вращательные движения;

Кривошипно-шатунный механизм мотора:

  • Распределитель газа мотора.Приводит в движение клапана впуска и выпуска, способствует процессу газообмена. Выводит отработку из полости агрегата, наполняет её нужной порцией с целью продолжить работу механизма;

Газораспределительный механизм мотора:

  • Подвод горючего в моторе.Служит для приготовления порции горючего в нужной пропорции с воздухом, передаёт эту порцию в полость посредством распыления или самотёком;

Карбюратор:

  • Система воспламенения в моторе.Механизм поджигает поступившую порцию в полости камеры. Выполняется посредством свечи зажигания или свечи накаливания.

Свеча зажигания:

  • Система вывода отработанных продуктов из мотора.Механизм предназначен для эффективного удаления сгоревших продуктов и излишков тепла.

Приёмная труба:

Запуск силовой установки внутреннего сгорания сопровождается подачей горючего в агрегат, в полости камеры объёмного вытеснения субстанция сгорает. Процесс сопровождается выделением тепла и увеличением объёма, что провоцирует перемещение поршня. Перемещаясь, деталь преобразует механическую работу в кручение коленчатого механизма.

По завершению действие повторяется снова, таким образом, не прерываясь ни на минуту. Процессы, в течении которых совершается работа установки:

  • Такт.Перемещение поршня из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение и в обратном порядке. Такт считается одним перемещением в одну сторону.
  • Цикл.Суммарное количество тактов, необходимое при совершении работы. Конструктивно, агрегаты в состоянии выполнять цикл за 2 (один оборот вала) или 4 (два оборота) такта.
  • Рабочий процесс.Действие, подразумевающее: впуск смеси, сдавливание, окисление, рабочий ход, удаление. Рабочий процесс характерен как для двухтактных моторов, так и для четырёхтактных двигателей.

Двухтактный мотор

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве рабочего процесса два такта прост. Отличительная особенность мотора, выполнение двух тактов: сдавливание и рабочий ход. Такты впуска и очистки интегрированы в сдавливание и рабочий ход, поэтому вал проворачивается на 360° за рабочий процесс.

Выполняемый порядок таков:

  1. Сдавливание.Поршень из крайнего нижнего положения уходит в крайнее верхнее положение. Перемещение создает разряжение под поршнем, благодаря чему через продувочные отверстия просачивается горючее. Дальнейшее перемещение провоцирует перекрытие отверстия впуска юбкой поршня и отверстий выпуска, выводящих отработку. Замкнутое пространство способствует росту напряжения. В крайней верхней точке заряд поджигается.
  2. Расширение.Горение создает давление внутри камеры, заставляя посредством расширения газов перемещаться поршень в низ. Происходит поочередное открытие выпускных и продувочных окон. Напряжение в области днища провоцирует поступление горючего в цилиндрическую полость, одновременно очищая её от отработки.

Устройство агрегата на два такта исключает механизм распределяющий газы, что сказывается на качестве процесса обмена. Кроме того, невозможно исключить продувку, а это сильно увеличивает расход топлива, поскольку часть смеси выбрасывается наружу с отработанными газами.

Принцип работы двухтактного мотора:

Четырёхтактный мотор

Моторами, которые выполняют 4 такта работы двигателя внутреннего сгорания за рабочий процесс, оснащена используемая сегодня техника. В этих моторах, ввод и вывод горючего и отработки, выполняются отдельными тактами. Двигатели используют механизм распределения газов, что синхронизирует клапана и вал. Преимущество мотора на четыре такта, подача горючего в очищенную от отработанных газов камеру при закрытых клапанах, что исключает утечку топлива.

Читайте также…  Правильная рабочая температура двигателя

Порядок таков:

  • Ввод.Перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Происходит разряжение в полости, что открывает клапана впуска. Горючее заходит в камеру объёмного вытеснения.
  • Сдавливание.Перемещение поршня снизу вверх (крайние положения). Отверстия входа и выхода перекрыты, что способствует нарастанию давления в камере объёмного вытеснения.
  • Рабочий ход.Смесь загорается, выделяется тепло, резкое увеличение объёма и рост силы, давящей на поршень. Движение последнего в крайнее нижнее положение.
  • Очистка.Отверстия выпуска открыты, поршень перемещается снизу вверх. Избавление от отработки, очистка полости перед следующей порцией рабочей смеси.

Механический КПД двигателя внутреннего сгорания, с циклом на 4 такта ниже, в сравнении с агрегатом на 2 такта. Это обусловлено сложным устройством и наличием механизма распределения газов, который забирает часть энергии на себя.

Принцип работы четырёхтактного мотора:

Механизм искрообразования

Цель механизма, своевременное искрение в полости цилиндра мотора. Искра помогает воспламениться горючему и совершить агрегату рабочий ход. Механизм искрообразования, составная часть электрического оборудования автомобиля, куда входят:

  • Источник хранения электрической энергии, аккумулятор. Источник, вырабатывающий электрическую энергию, генератор.
  • Механическое или электрическое устройство, подающее электрическое напряжение в сеть автомобиля, его еще называют зажигание.
  • Накопитель и преобразователь электрической энергии, трансформатор, или катушка. Механизм обеспечивает достаточный заряд на свечах мотора.
  • Механизм распределения зажигания, или трамблёр. Устройство предназначено для распределения и своевременной подачи в нужный цилиндр электрического импульса на свечи зажигания.

Система зажигания:

Механизм впуска

Цель механизма, бесперебойное образование в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания автомобиля, нужного количества воздуха. Впоследствии, воздух смешивается с топливом, и всё это воспламеняется для рабочего процесса. Устаревшие, карбюраторные моторы для впуска использовали элемент для фильтрации воздуха и воздуховод. Современные установки укомплектованы:

  • Механизм забора воздуха мотором.Деталь выполнена в виде патрубка, определённого профиля. Задача конструкции, подать в цилиндр как можно больше воздуха создав при этом меньшее сопротивление на входе. Всасывание воздушной массы происходит за счет разницы давлений при движении поршня в положение нижней мёртвой точки.
  • Воздушный фильтрующий элемент мотора.Деталь применяется для очистки воздуха, попадающего в мотор. Работа элемента влияет на ресурс и работоспособность силовой установки. Фильтр относится к расходным материалам, и меняется через промежуток времени.
  • Заслонка дросселя мотора.Перепускной механизм, находящийся во впускном коллекторе и регулирующий количество подаваемого в мотор воздуха. Деталь работает за счёт электроники, или механическим путём.
  • Коллектор впуска мотора.Предназначение механизма, распределить количество воздуха равномерно по цилиндрам мотора. Процесс регулируется заслонками впуска и усилителями потока.

Система впуска:

Механизм питания

Назначение, бесперебойная подача горючего для последующего смешивания с воздухом и приготовлением гомогенной стехиометрической смеси. Механизм питания включает:

  • Бак мотора.Ёмкость замкнутого типа, в которой хранится топливо (бензин, солярка). Бак оборудован устройством забора горючего (помпа) и устройством, заправляющим ёмкость (заливная горловина).
  • Топливная проводка мотора.Патрубки, шланги, по которым транспортируется или перенаправляется топливо.
  • Механизм, смешивающий горючее в моторе.Изначально силовые установки оборудовались карбюратором, в современных двигателях применяют инжектор. Задача, подать приготовленную смесь внутрь камеры сгорания.
  • Блок управления.Назначение механизма, управлять смесеобразованием и впрыском. В установках, оборудованных инжектором, устройство синхронизирует работу для увеличения эффективности процесса.
  • Помпа мотора.Устройство, создающее напряжение в топливном проводе мотора и способствующее движению горючей жидкости.
  • Элемент фильтрации.Механизм очищает поступающее топливо от примесей и грязи, что увеличивает ресурс силовой установки.
Читайте также…  Двигатель ЯМЗ 536 — Технические характеристики

Механизм питания:

Механизм смазки

Назначение механизма, обеспечить детали силовой установки необходимым количеством масла для создания на поверхностях защитной плёнки. Применение жидкости уменьшает воздействие силы трения в точках соприкосновения деталей, удаляет продукты износа, защищает агрегат от коррозии, уплотняет узлы и механизмы. Система смазки состоит:

  • Поддон мотора.Ёмкость, в которой помещается, хранится и охлаждается смазочная жидкость. Для нормального функционирования мотора важно соблюдать требуемый уровень масла, поэтому поддоны укомплектованы щупом, для контроля.
  • Масляная помпа мотора.Механизм, перекачивающий жидкость из поддона двигателя и направляющий масло к точкам, нуждающимся в смазке. Движение масла происходит по магистралям.
  • Масляный фильтрующий элемент.Назначение детали, очистить масло от примесей и продуктов износа, которые циркулируют в моторе. Элемент меняют при каждой замене масла, поскольку работа влияет на износ механизма.
  • Охладитель масла мотора.Назначение механизма, отбор излишков тепла, из системы смазки. Поскольку масло, отводит тепло от перегретых поверхностей, то само масло так же подвержено перегреву. Характерная особенность механизма смазки, обязательное использование, не зависимо, от того, какова модель двигателя внутреннего сгорания применяется. Происходит это по той причине, что на сегодня эффективней этого метода защиты мотора нет.

Система смазки:

Механизм выпуска

Механизм предназначен для отвода отработанных газов и уменьшения шума в процессе работы двигателя. Состоит из следующих компонентов:

  • Коллектор выпуска мотора.Набор патрубков, выполненных из жаропрочного материала, поскольку они первыми соприкасаются с раскалёнными газами, выходящими из камеры сгорания. Коллектор гасит колебания и переправляет газы далее в трубу;
  • Труба мотора.Приёмная труба предназначена для получения газов и транспортировки далее по системе. Материал, из которого выполнена деталь, обладает высокой стойкостью к температурам.
  • Резонатор.Устройство, позволяющее разделить газы и снизить их скорость.
  • Катализатор.Устройство очистки и нейтрализации газов.
  • Глушитель мотора.Резервуар с вмонтированными перегородками, благодаря перенаправлению отработанных газов, позволяет снизить шум.

Система выпуска мотора:

Механизм охлаждения

На маломощных двигателях внутреннего сгорания применяется охлаждение мотора встречным потоком. Современные агрегаты, автомобильные, судовые, грузовые используют жидкостное охлаждение. Задача жидкости, забрать на себя часть избыточного тепла и снизить тепловую нагрузку на узлы и механизмы агрегата. Механизм охлаждения включает:

  • Радиатор мотора.Задача устройства передать избыточное тепло от жидкости окружающей среде. Деталь включает в себя набор алюминиевых трубок с отводящими ребрами;
  • Вентилятор мотора.Задача вентилятора, увеличить эффект от охлаждения за счёт принудительного обдува радиатора и отвода с его поверхности излишков тепла.
  • Помпа мотора.Задача водяной помпы обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости по системе. Циркуляция проходит по малому кругу (пока двигатель не разогрет), после чего, клапан переключает движение жидкости на большой круг.
  • Перепускной клапан мотора.Задача механизма, обеспечить переключение циркуляции жидкости с малого круга обращения на большой круг.

Система охлаждения мотора:

Несмотря на многочисленные попытки уйти от двигателя внутреннего сгорания, в ближайшем обозрим будущем, такой возможности не предвидится. Поэтому силовые установки данного типа еще долго будут радовать нас своей слаженной работой.

Двигатель внутреннего сгорания

Устройство поршневого ДВС
Корпус двигателя Состоит из блока цилиндров (справа) и головки блока цилиндров (слева). Двигатели рядной конфигурации имеют один блок цилиндров, V-образной и оппозитной — два блока цилиндров, W-образной — три или четыре блока цилиндров. Блок цилиндров является основной цельнолитой деталью двигателя, к которой крепятся все остальные компоненты. Цилиндры могут быть как неотъемлемой частью блока, так и отдельными от него съёмными гильзами (мокрыми или сухими — в зависимости от наличия контакта с жидкостью в рубашке охлаждения двигателя). В современных двигателях головка блока цилиндров включает в себя ГРМ, крепится к блоку сверху и является съёмной. В моноблочных двигателях блок и головка составляют единое целое.

Как правило, корпус двигателя отливается из чугуна или алюминия — материалов, выдерживающих высокую температуру, перепады давления и скольжение поршней по стенкам цилиндров. При этом блок цилиндров может быть чугунным, а головка — алюминиевой, или наоборот. Чугунный двигатель более жёсткий и надёжный, чем алюминиевый, но тяжелее и склонен к коррозии. Алюминиевый, в свою очередь, не такой тяжёлый, обладает большей теплопроводностью и лучше охлаждается, но намного дороже чугунного в изготовлении и подвержен быстрому износу. Последний недостаток устраняется путём использования сменных мокрых гильз, сухих чугунных или композитных гильз или упрочнения стенок цилиндров кристаллами кремния. Иногда блоки цилиндров делаются из магниевого и других высокопрочных сплавов.

Кривошипно-шатунный механизм КШМ — механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. К подвижным элементам КШМ относятся поршни с поршневыми кольцами, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал с подшипниками и маховик. Принцип работы КШМ следующий: расширяющиеся в камере сгорания газы давят на поршень и заставляют его двигаться в сторону коленчатого вала, передавая давление на шатун, соединённый с ним при помощи поршневого пальца. Шатун, в свою очередь, воздействует на коленчатый вал и преобразует давление в крутящий момент. Коленчатый вал — это цельная литая или кованая деталь, состоящая из нескольких коренных и шатунных шеек, соединенных между собой щёками. Шатунные шейки соединяют коленвал с шатунами, а коренные шейки представляют собой опоры вала в коренном подшипнике, размещённом в картере двигателя. На современных двигателях поршни, как правило, изготавливаются из алюминиевого сплава, а шатуны и коленчатый вал — из высокопрочной стали.

Ещё одним элементом КШМ является маховик двигателя, состоящий из одного или двух соединённых дисков. Маховик устанавливается на конце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника и служит для устранения неравномерности вращения коленчатого вала и гашения крутильных колебаний. Через маховик также осуществляется передача крутящего момента от двигателя к коробке передач и запуск двигателя стартером. Иногда в состав КШМ также входят балансирные валы, расположенные по обе стороны от коленвала. Они необходимы для уравновешивания сил инерции в несбалансированных двигателях и способствуют снижению перегрузок, шума и вибраций.

Газораспределительный механизм ГРМ — механизм управления фазами газораспределения ДВС, обеспечивающий своевременную подачу в цилиндры горючей смеси на такте впуска и выход из цилиндров продуктов сгорания на такте выпуска. На четырёхтактном поршневом ДВС состоит из распределительного вала, его привода, клапанов и передаточных звеньев, обеспечивающих связь распредвала с клапанами. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала ременной, цепной или зубчатой передачей; угловая скорость его вращения равна половине угловой скорости коленвала.

В нижнеклапанных двигателях клапаны находятся в блоке сбоку от цилиндров, в верхнеклапанных — в головке блока. Распредвал тоже может располагаться как в блоке цилиндров (в нижнеклапанных, смешанных моторах и в OHV), так и в его головке (SOHC или DOHC). В последнем случае применяется один распредвал (SOHC) с двумя клапанами на цилиндр или два распредвала (DOHC) с четырьмя и более клапанами на цилиндр.

Клапаны нужны для того, чтобы в нужные моменты открывать или закрывать впускные и выпускные отверстия в цилиндре. Клапан представляет собой тарелку, которая удерживается в закрытом состоянии пружиной и открывается при нажатии на стержень. Передача усилия от кулачков распределительного вала к клапанам осуществляется при помощи толкателей, роликовых рычагов или коромысел.

Обычные клапанные двигатели независимо от типа ГРМ имеют один недостаток: на высоких оборотах коленчатого вала из-за инерции клапанов и резонанса пружины происходит т.н. зависание клапанов — неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мёртвой точки, которое приводит к столкновению поршня с клапаном и выходу двигателя из строя. Полностью устранить эту проблему удалось в десмодромном ГРМ, обеспечивающим непосредственное управление клапанами двумя верхними распредвалами (или одним с кулачками сложной формы) при отсутствии клапанных пружин. Эта технология применялась на некоторых гоночных автомобилях 50-х гг. (Mercedes-Benz 300SLR), но не дошла до серийного производства в связи с высокой стоимостью, шумностью и необходимостью высококачественного смазочного масла.

Другими способами предотвращения зависания клапанов являются использование лёгких материалов для изготовления клапанов и пружин, установка нескольких вложенных друг в друга пружин на одном клапане и пневматический привод клапанов. На современных двигателях также применяется электронная система изменения фаз газораспределения (CVVT), в которой открывание и закрывание клапанов регулируется принудительно в соответствии с параметрами работы двигателя. Она обеспечивает повышение мощности, снижение расхода топлива и сокращение вредных выбросов.

Существует альтернатива клапанным системам ГРМ — гильзовая система газораспределения, разработанная Чарльзом Найтом. В двигателях Найта впускные и выпускные отверстия в цилиндре открывались и закрывались не клапанами, а скользящими гильзами. Система была полностью бесшумной и отличалась долговечностью, но из-за сложности и высокого расхода масла перестала употребляться с появлением более эффективных верхнеклапанных моторов.

Система питания Система питания ДВС объединяет топливную систему, предназначенную для хранения, очистки и подачи топлива к двигателю, и систему впрыска, обеспечивающую образование топливно-воздушной смеси и впрыск её в цилиндры.

Топливная система состоит из топливного бака, топливного насоса, топливопроводов и топливного фильтра. Топливный бак обычно размещается в задней части автомобиля и служит в качестве резервуара для горючего. От него к двигателю ведут два топливопровода: подающий, в котором поддерживается давление, и сливной, по которому излишки топлива возвращаются в бак. Очистка топлива производится в топливном фильтре. Давление в системе поддерживает топливный насос. В карбюраторных ДВС используется механический топливный насос с приводом от распредвала, установленный на двигателе, в инжекторных — электрический топливный насос, расположенный в топливопроводе или в топливном баке. На ранних автомобилях топливный насос отсутствовал, а бензин поступал в карбюратор самотёком.

В бензиновом ДВС бывает два вида систем впрыска:

  1. Карбюратор — отдельный агрегат, предназначенный для приготовления смеси бензина и воздуха и подачи её в цилиндры. Интенсивность смесеобразования в карбюраторе регулируется дроссельной заслонкой. В зависимости от направления потока топливно-воздушной смеси различают карбюраторы с восходящим, нисходящим и горизонтальным потоком. В зависимости от количества смесительных камер карбюраторы делятся на однокамерные, двухкамерные и четырёхкамерные. Кроме того, многоцилиндровый двигатель может оснащаться не одним, а несколькими карбюраторами. Как правило, производством карбюраторов занимались специализированные фирмы: Autolite, Ball & Ball, Carter, Holley, Motorcraft и Rochester в США, Bing, Dell’Orto, Jikov, Magneti Marelli, Pierburg, Solex, Stromberg, SU, Weber и Zenith в Европе, Hitachi, Keihin и Mikuni в Японии. В современных автомобильных двигателях карбюраторы не используются.
  2. Впрыск топлива (инжектор) — система подачи топлива путём принудительного впрыска с помощью распыляющих форсунок во впускной коллектор или цилиндры. Первые системы впрыска топлива появились на некоторых немецких автомобилях (Mercedes-Benz 300SL) в середине 50-х гг. Это были механические инжекторы, в которых топливо подавалось механическим насосом и дозировалось плунжерно-рычажным механизмом. Главным недостатком механических систем впрыска была подача топлива в цилиндры в интервале между выключением двигателя и остановкой коленчатого вала, что создавало проблемы в обслуживании. В 80-х гг. на смену механическим пришли электронные системы впрыска топлива, сегодня применяющиеся на всех серийных автомобилях. Принцип работы такой системы заключается в том, что форсунки открываются с помощью электронного блока управления, состоящего из микроконтроллеров, которые анализируют поступающую со специальных датчиков информацию о параметрах работы двигателя и корректируют подачу топлива в зависимости от установленного режима.
    По количеству форсунок различают одноточечный впрыск (моновпрыск), который имеет одну форсунку на впускном коллекторе, фактически заменяющую карбюратор, и многоточечный впрыск (распределённый впрыск), при котором каждый цилиндр обслуживается своей форсункой. Разновидностью последнего является система непосредственного впрыска топлива, у которой форсунки расположены не во впускном коллекторе, а в головке блока цилиндров, а смесеобразование происходит в камере сгорания. Двигатели с непосредственным впрыском имеют самые высокие показатели экономичности и отвечают современным экологическим стандартам.
    В дизельных двигателях используется только инжекторная система впрыска, подающая топливо в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания. Основным конструктивным элементом таких систем является топливный насос высокого давления (ТНВД), обеспечивающий впрыск топлива в камеру со сжатым и нагретым воздухом, от которого она воспламеняется. В современных дизелях также применяются системы впрыска насос-форсунками (объединяющими функции впрыска и создания высокого давления) и системы Common Rail (с общим аккумулятором высокого давления).
Наддув Один из способов повышения мощности двигателя, заключающийся в использовании специального механизма подачи воздуха в цилиндры под давлением. Такими механизмами могут быть нагнетатель, турбонаддув или их комбинация.

Нагнетатель — это механический компрессор для сжатия поступающего в цилиндры воздуха и увеличения массового заряда горючей смеси. Имеет механический привод от коленчатого вала, поэтому требует затрата мощности двигателя на свою работу. Интенсивность подачи воздуха нагнетателем зависит от количества оборотов коленчатого вала. Нагнетатель может работать и на холостых оборотах, а может включаться только при нажатии педали газа. К недостаткам нагнетателя относятся его большие габариты, характерный шум и высокий расход топлива. Наиболее известным стал кулачковый нагнетатель Рутса (Roots Supercharger), получивший широкое применение на гоночных и спортивных автомобилях довоенного периода. Также существуют винтовой (Lysholm) и центробежный нагнетатели.

Турбонаддув — способ подачи воздуха в цилиндры под давлением, основанный на использовании энергии отработавших газов. Основным элементом системы наддува является турбокомпрессор, состоящий из газовой турбины и компрессора. Выхлопные газы из выпускного коллектора проходят через турбину и вращают её лопасти, в результате чего приводится в движение компрессор. Под действием центробежных сил через компрессор нагнетается воздух в цилиндры, а для его охлаждения используется промежуточный охладитель (интеркулер). Турбонаддув даёт увеличение мощности двигателя без повышения его оборотов и расхода топлива, однако из-за вероятности детонации сжатой смеси в цилиндрах требует пониженной степени сжатия. В силу особенностей конструкции турбонаддув обладает высокой инерцией, вызывающей задержку мощности при резком нажатии на педаль газа («турбояма») и затем резкое её увеличение («турбоподхват»). Устранить эти недостатки возможно за счёт установки двух параллельных турбокомпрессоров (twin turbo) или турбины с изменяемой геометрией (VNT). Наибольшей эффективностью обладают современные дизельные двигатели с турбонаддувом, характеризующиеся высокими экологическими показателями. На бензиновых ДВС первые турбокомпрессоры появились в начале 60-х гг., но стали популярны только в 80-е гг.

Система зажигания Система зажигания является частью общей системы электрооборудования автомобиля и присутствует только на бензиновых ДВС, поскольку дизельные двигатели не нуждаются в принудительном воспламенении топливной смеси. Чтобы в камере сгорания бензинового ДВС произошло воспламенение смеси, в неё подаётся искра от свечи зажигания. На современных двигателях источником тока при пуске выступает аккумулятор, а при работающем моторе — генератор, преобразующий механическую энергию вращения коленчатого вала в электрическую. В состав системы зажигания также входят катушка зажигания, трансформирующая низкое напряжение (12 вольт) в высоковольтный импульс, и распределитель зажигания, распределяющий ток между свечами зажигания. Пуск двигателя осуществляется с помощью электрического стартера, питающегося от аккумулятора. Ранние автомобили вместо аккумулятора оснащались системой зажигания от магнето — генератора переменного тока, работающего от коленчатого вала и производящего электроэнергию для свечей зажигания. Запустить двигатель с зажиганием от магнето можно было только при помощи заводной рукоятки, подсоединённой к коленвалу.
Система смазки Основной функцией смазочной системы ДВС является снижение трения между его деталями, дополнительными — охлаждение двигателя, удаление продуктов нагара и износа и защита деталей от коррозии. Масло заливается в поддон картера в нижней части двигателя. При работающем моторе включается масляный насос, закачивающий масло из поддона картера через масляный фильтр, очищающий его от механических примесей, в каналы системы. Смазке подвергаются подвижные части КШМ и ГРМ и соприкасающиеся с ними поверхности; некоторые из них смазываются под давлением, другие — разбрызгиванием. Под действием силы тяжести масло стекает обратно в поддон картера, и цикл повторяется. Для охлаждения масла используется масляный радиатор. В гоночных и спортивных автомобилях часто применяется система смазки с сухим картером, в которой масло, стекающее в поддон картера, выкачивается дополнительным насосом в отдельный масляный бак. Это обеспечивает стабильную смазку при наклонах и в условиях резких поворотов на большой скорости.
Система охлаждения В процессе работы ДВС выделяется большое количество тепла, которое вызывает перегрев деталей двигателя. Поддержание оптимального температурного режима и отвод в атмосферу лишней теплоты обеспечивает система охлаждения. Наиболее распространённой является жидкостная система охлаждения, предполагающая принудительную циркуляцию воды (антифриза) через рубашку охлаждения — каналы в блоке цилиндров и в головке блока. Движение жидкости вызывает центробежный насос. Нагретая жидкость перемещается из рубашки охлаждения в радиатор, который выполняет функцию теплообменника. В радиаторе жидкость охлаждается встречным потоком воздуха или вентилятором, который работает от коленчатого вала. Далее охлаждённая жидкость возвращается в рубашку охлаждения. При запуске двигателя жидкость сначала движется по малому кругу, минуя радиатор, а после прогрева происходит переключение на большой круг при помощи термостата.

Более простая воздушная система охлаждения применялась на некоторых автомобилях с небольшими двигателями. В такой системе отсутствовал радиатор, а по каналам охлаждения циркулировал воздух. Несмотря на простоту в обслуживании и отсутствие риска замерзания воды зимой, двигатели с воздушным охлаждением вышли из употребления из-за проблемы перегрева в жаркую погоду и чрезмерного шума.

Выпускная система Назначение выхлопной системы заключается в отводе отработавших газов из цилиндров двигателя, а также их охлаждения, снижения шума и токсичности. После сгорания газы выводятся через выпускной коллектор и проходят в выхлопную трубу, расположенную под днищем автомобиля. На современных машинах используются системы экологической обработки выхлопных газов: каталитический нейтрализатор (осуществляет окисление и химическое преобразование вредных веществ), лямбда-зонд (датчик контроля за количеством кислорода в отработавших газах, корректирующий работу инжектора), система рециркуляции выхлопных газов (обеспечивающая повторное сгорание выхлопа) и система улавливания паров бензина. Перед выпуском в атмосферу отработавшие газы проходят через глушитель, предназначенный для снижения шума за счёт наложения звуковых волн и многократного изменения направления потока газов.

двигатель внутреннего сгорания. Презентация на тему двигатель внутреннего сгорания Презентация современные автомобили с двигателем внутреннего сгорания

История создания первого двигателя внутреннего сгорания Первый по настоящему
работоспособный Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС)
появился в Германии в 1878 году. Но история создания
ДВС уходит своими корнями во Францию.
В 1860 году французский изобретатель Этвен Ленуар
изобрёл
первый двигатель внутреннего сгорания. Но этот агрегат
был несовершенен, с низким КПД и не мог быть применён
на практике. На помощь пришёл другой французкий
изобретатель Бо де Роша, который в 1862 году предложил
использовать в этом двигателе четыре такта:
1.Впуск
2.Сжатие
3.Рабочий ход
4.Такт выпуска
Первым автомобилем с четырёхтактным ДВС был
трёхколёсный экипаж Карла Бенца, построенный в 1885
году.
Годом позже (1886 г) появился вариант Готлиба Даймера.
Оба изобретателя работали независимо друг от друга.
В 1926 году они объединились, создав фирму Deimler-Benz
AG.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаше всего,
приводится в движение двигателем внутреннего
сгорания. Таких двигателей существует огромное
множество. Различаются они объемом,
количеством цилиндров, мощностью, скоростью
вращения, используемым топливом (дизельные,
бензиновые и газовые двс). Но, принципиально,
устройство двигателя внутреннего сгорания,
похоже. Как же работает это устройство и почему
называется четырехтактным двигателем
внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание
понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А
почему 4 такта двигателя, что это такое?
Действительно, бывают и двухтактные
двигатели. Но на автомобилях они используются
крайне редко. Четырехтактным двигатель
называется из-за того, что его работу можно
разделить на четыре, равные по времени, части.
Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два
раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при
нахождении поршня в крайней нижней или
верхней точке. У автомобилистов-механиков это
называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и
нижняя мертвая точка (НМТ).

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной,
начинается с ВМТ (верхней
мертвой точки). Двигаясь вниз,
поршень, всасывает в цилиндр
топливовоздушную смесь. Работа
этого такта происходит при
открытом клапане впуска. Кстати,
существует много двигателей с
несколькими впускными клапанами.
Их количество, размер, время
нахождения в открытом состоянии
может существенно повлиять на
мощность двигателя. Есть
двигатели, в которых, в
зависимости от нажатия на педаль
газа, происходит принудительное
увеличение времени нахождения
впускных клапанов в открытом
состоянии. Это сделано для
увеличения количества
всасываемого топлива, которое,
после возгорания, увеличивает
мощность двигателя. Автомобиль,
в этом случае, может гораздо
быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя –
такт сжатия. После того как поршень
достиг нижней точки, он начинает
подниматься вверх, тем самым, сжимая
смесь, которая попала в цилиндр в такт
впуска. Топливная смесь сжимается до
объемов камеры сгорания. Что это за
такая камера? Свободное пространство
между верхней частью поршня и
верхней частью цилиндра при
нахождении поршня в верхней мертвой
точке называется камерой сгорания.
Клапаны, в этот такт работы двигателя
закрыты полностью. Чем плотнее они
закрыты, тем сжатие происходит
качественнее. Большое значение
имеет, в данном случае, состояние
поршня, цилиндра, поршневых колец.
Если имеются большие зазоры, то
хорошего сжатия не получится, а
соответственно, мощность такого
двигателя будет гораздо ниже. Степень
сжатия – компрессию, можно проверить
специальным прибором. По величине
компрессии можно сделать вывод о
степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с
ВМТ. Рабочим он называется
неслучайно. Ведь именно в этом
такте происходит действие,
заставляющее автомобиль
двигаться. В этом такте в работу
вступает система зажигания. Почему
эта система так называется? Да
потому, что она отвечает за
поджигание топливной смеси, сжатой
в цилиндре, в камере сгорания.
Работает это очень просто – свеча
системы дает искру. Справедливости
ради, стоит заметить, что искра
выдается на свече зажигания за
несколько градусов до достижения
поршнем верхней точки. Эти
градусы, в современном двигателе,
регулируются автоматически
«мозгами» автомобиля. После того
как топливо загорится, происходит
взрыв – оно резкое увеличивается в
объеме, заставляя поршень
двигаться вниз. Клапаны в этом такте
работы двигателя, как и в
предыдущем, находятся в закрытом
состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы
двигателя, последний –
выпускной. Достигнув
нижней точки, после
рабочего такта, в двигателе
начинает открываться
выпускной клапан. Таких
клапанов, как и впускных,
может быть несколько.
Двигаясь вверх, поршень
через этот клапан удаляет
отработавшие газы из
цилиндра – вентилирует
его. Чем лучше сработает
выпускной клапан, тем
больше отработанных газов
удалится из цилиндра,
освободив, тем самым,
место для новой порции
топливно-воздушной смеси.

Разновидности двигателя внутреннего сгорания

Дизельный двигатель внутреннего сгорания

Ди́зельный дви́гатель — поршневой
двигатель внутреннего сгорания,
работающий по принципу воспламенения
распыленного топлива от
соприкосновения со сжатым разогретым
воздухом. Дизельные двигатели работают
на дизельном топливе (в просторечии —
«солярка»).
В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию
«экономичного термического двигателя»,
который благодаря сильному сжатию в
цилиндрах значительно улучшает свою
эффективность. Он получил патент на свой
двигатель 23 февраля 1893. Первый
функционирующий образец, названый «Дизельмотором», был построен Дизелем к началу 1897
года, и 28 января того же года он был успешно
испытан.

Принцип работы инжекторного двигателя

В современных впрысковых
двигателях для каждого
цилиндра предусмотрена
индивидуальная форсунка.
Все форсунки соединяются с
топливной рампой, где
топливо находится под
давлением, которое создает
электробензонасос.
Количество впрыскиваемого
топлива зависит от
продолжительности открытия
форсунки. Момент открытия
регулирует электронный блок
управления (контроллер) на
основании обрабатываемых
им данных от различных
датчиков.

Двигатели внутреннего сгорания

Учебный центр «ОНикС»


Устройство двигателя внутреннего сгорания

1 — головка цилиндра;

2 — цилиндр;

3 — поршень;

4 — поршневые кольца;

5 — поршневой палец;

7 — коленчатый вал;

8 — маховик;

9 — кривошип;

10 — распределительный вал;

11 — кулачок распределительного вала;

12 — рычаг;

13 — клапан;

14 — свеча зажигания


Верхнее крайнее положение поршня в цилиндре называется верхней мертвой точкой (в. м. т.)


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Нижнее крайнее положение поршня в цилиндре называется нижней мертвой точкой


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Расстояние, проходимое поршнем от одной до другой мертвой точки, называется

ходом поршня S .


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Объем V с над поршнем, находящимся в в. м. т., называется объемом камеры сгорания


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Объем V п над поршнем, находящимся в н. м. т. называется

полным объемом цилиндра .


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Объем Vр, освобождаемый поршнем при его перемещении от в. м. т. к н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра .


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Рабочий объем цилиндра

Где: D — диаметр цилиндра;

S — ход поршня.


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Полный объем цилиндра

V c +V h = V n


Параметры двигателей внутреннего сгорания

Степень сжатия


Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

4-х тактный

2-х тактный


двигателя .

Первый такт — впуск .

Поршень перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разрежение 0,7- 0,9 кгс/см и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр.

Температура смеси в конце впуска

75-125°С.


Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя .

Второй такт- сжатие .

Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно

9-15 кгс/см 2 и 35О-50О°С.


Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя .

Третий такт — расширение, или рабочий ход .

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 30-50 кгс/см 2 , а температура 2100-2500°С.


Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя .

Четвертый такт — в ы п у с к

Поршень перемещается от

н.м.т. к в.м.т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1-1,2 кгс/см 2 , а температура — до 70О-800°С.


Работа четырехтактного карбюраторного двигателя .


Разделенная вихрекамерная камера сгорания


Формы камер сгорания у дизелей

Разделенная форкамерная камера сгорания


Формы камер сгорания у дизелей

Полуразделенная камера сгорания


Формы камер сгорания у дизелей

Неразделенная камера сгорания


Установка на клапане ширмы

Тангенциальное расположение канала

Винтовой канал


Способы создания вихревого движения заряда во время впуска

Винтовой канал


Принцип работы дизельного двигателя .


двигателя .


Работа двухтактного карбюраторного двигателя .

Слайд 2

План

История создания ДВС Типы и принцип работы ДВС 2-х,4-х тактные ДВС Использование ДВС

Слайд 3

История создания ДВС

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения.

Слайд 4

Жан Этьен Ленуар

Двигатель Ленуара – двусторонний и двухтактный, т.е. полный цикл работы поршня длится в течение двух его ходов. Но этот двигатель оказался малоэффективен. Хотя в 1862 году Ленуар установил двигатель на карету, использовал рулевое колесо и даже совершал пробные поездки вблизи Парижа. В 1863 году уверял, что его двигатель начал работать на бензине

Слайд 5

Август Отто

В 1864 году Август Отто получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

Слайд 6

Типы ДВС

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например в транспорте.

Слайд 7

Поршневые двигатели

Поршневой двигатель — двигател внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.

Слайд 8

Бензиновый

Бензиновые — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушно смеси в этом случае — её гомогенизированность.

Слайд 9

Дизельный

Дизельные — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Воспламенение смеси происходит под действием высокой температуры воздуха, подвергшегося сжатию в цилиндре.

Слайд 10

Газовый

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

Слайд 11

Газодизельный

Газодизельные — основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Слайд 12

2-х тактный

Двухтактный цикл.Такты:1. При движении поршня вверх — сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего цикла в полость под поршнем.2. При движеннии поршня вниз — Рабочий ход, выхлоп и вытеснение топливной смеси из-под поршня в рабочую зону цилиндра.

Слайд 13

4-х тактный

4-тактный цикл двигателя внутреннего сгоранияТакты:1.Всасывание горючей смеси.2.Сжатие.3.Рабочий ход.4.Выхлоп.

Слайд 14

Использование ДВС

ДВС часто используется в транспорте, и для каждого вида транспорта нужен свой тип ДВС. Так для общественного транспорта необходим ДВС имеющий хорошую тягу на низких оборотах, в общественном транспорте применяется ДВС большого объёма развивающий максимальную мощность на малых оборотах. В гоночных болидах формулы-1 используется ДВС,который достигает максимальной мощности на высоких оборотах, но он имеет относительно малый объём.

Посмотреть все слайды

Подготовил: Тарасов Максим Юрьевич

Руководитель: мастер производственного обучения

МАОУ ДО МУК «Эврика»

Баракаева Фатима Курбанбиевна



  • Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – одно из главных устройств в конструкции автомобиля, служащее для преобразования энергии топлива в механическую энергию, которая, в свою очередь, выполняет полезную работу. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания построен на том, что топливо в соединении с воздухом образуют воздушную смесь. Циклически сгорая в камере сгорания, воздушно-топливная смесь обеспечивает высокое давление, направленное на поршень, а тот, в свою очередь, вращает коленчатый вал через кривошипно-шатунный механизм. Его энергия вращения передается трансмиссии автомобиля.
  • Для запуска двигателя внутреннего сгорания часто используется стартер – обычно электрический двигатель, проворачивающий коленвал. В более тяжелых дизельных двигателях в качестве стартера и для той же цели применяется вспомогательный ДВС («пускач»).

  • Существуют следующие типы двигателей (ДВС):
  • бензиновые
  • дизельные
  • газовые
  • газодизельные
  • роторно-поршневые

  • Бензиновые двигатели внутреннего сгорания – наиболее распространенные из автомобильных двигателей. Топливом для них служит бензин. Проходя через топливную систему, бензин попадает через распыляющие форсунки в карбюратор или впускной коллектор, а затем эта воздушно-топливная смесь подается в цилиндры, сжимается под воздействием поршневой группы, поджигается искрой от свечей зажигания.
  • Карбюраторная система считается устаревшей, поэтому сейчас повсеместно используется инжекторная система подачи топлива. Распыляющие топливо форсунки (инжекторы) осуществляют впрыск либо непосредственно в цилиндр, либо во впускной коллектор. Инжекторные системы делятся на механические и электронные. Во-первых для дозации топлива используются механические рычаговые механизмы плунжерного типа, с возможностью электронного контроля топливной смеси. Во вторых процесс составления и впрыска топлива полностью возложен на электронный блок управления (ЭБУ). Инжекторные системы необходимы для более тщательного сгорания топлива и минимизации вредных продуктов горения.
  • Дизельные ДВС используют специальное дизтопливо . Двигатели автомобиля подобного типа не имеют системы зажигания: топливная смесь, попадающая в цилиндры через форсунки, способна взрываться под действием высокого давления и температуры, которые обеспечивает поршневая группа.

Бензиновые и дизельные двигатели. Рабочие циклы бензинового и дизельного двигателя


  • используют газ в качестве топлива – сжиженный, генераторный, сжатый природный. Распространение таких двигателей было обусловлено растущими требованиями к экологической безопасности транспорта. Исходное топливо хранится в баллонах под большим давлением, откуда через испаритель попадает в газовый редуктор, теряя давление. Далее процесс аналогичен инжекторным бензиновым ДВС. В некоторых случаях газовые системы питания могут не использовать в своем составе испарители.

  • Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
  • Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
  • Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

  • Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

  • Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

  • Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
  • После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

  • Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.
  • После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Презентация подготовлена по материалам сайта http://autoustroistvo.ru

Двигатель внутреннего сгорания — New World Encyclopedia

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

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

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

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

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

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

История

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

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

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

Приложения

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

Операция

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

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

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

Процесс воспламенения бензина

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

Процесс зажигания дизельного двигателя

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

Энергия

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

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

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

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

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

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

Классификация

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

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

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

Принципы работы

Поршневой:

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

Поворотный:

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

Непрерывное сгорание:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

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

Четырехтактный

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

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

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

Двигатель с регулируемым сгоранием

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

Ванкель

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

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

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

Виды топлива и окислителя

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

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

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

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

Водород

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

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами от одного до двенадцати, хотя использовалось 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 к вибрируют в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокоэффективных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что существует точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

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

Система зажигания

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

Топливные системы

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

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

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

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

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

Конфигурация двигателя

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

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

Объем двигателя

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

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

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

Смазочные системы

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

Загрязнение двигателя

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

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

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

КПД двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

Банкноты

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

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

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

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

Кредиты

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

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

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

Двигатель внутреннего сгорания — New World Encyclopedia

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

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

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

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

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

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

История

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

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

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

Приложения

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

Операция

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

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

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

Процесс воспламенения бензина

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

Процесс зажигания дизельного двигателя

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

Энергия

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

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

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

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

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

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

Классификация

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

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

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

Принципы работы

Поршневой:

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

Поворотный:

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

Непрерывное сгорание:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

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

Четырехтактный

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

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

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

Двигатель с регулируемым сгоранием

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

Ванкель

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

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

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

Виды топлива и окислителя

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

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

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

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

Водород

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

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами от одного до двенадцати, хотя использовалось 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 к вибрируют в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокоэффективных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что существует точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

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

Система зажигания

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

Топливные системы

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

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

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

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

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

Конфигурация двигателя

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

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

Объем двигателя

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

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

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

Смазочные системы

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

Загрязнение двигателя

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

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

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

КПД двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

Банкноты

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

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

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

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

Кредиты

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

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

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

Двигатель внутреннего сгорания — New World Encyclopedia

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

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

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

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

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

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

История

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

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

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

Приложения

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

Операция

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

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

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

Процесс воспламенения бензина

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

Процесс зажигания дизельного двигателя

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

Энергия

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

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

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

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

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

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

Классификация

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

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

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

Принципы работы

Поршневой:

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

Поворотный:

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

Непрерывное сгорание:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

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

Четырехтактный

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

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

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

Двигатель с регулируемым сгоранием

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

Ванкель

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

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

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

Виды топлива и окислителя

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

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

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

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

Водород

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

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами от одного до двенадцати, хотя использовалось 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 к вибрируют в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокоэффективных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что существует точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

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

Система зажигания

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

Топливные системы

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

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

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

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

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

Конфигурация двигателя

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

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

Объем двигателя

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

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

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

Смазочные системы

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

Загрязнение двигателя

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

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

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

КПД двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

Банкноты

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

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

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

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

Кредиты

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

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

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

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был доминирующим двигателем в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти 19 века [подробнее см., Например, Heywood (1988)]. Его цель — генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри производственной части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания.Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциировался с с искровым зажиганием (иногда называемым Otto, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельными двигателями (или двигателями с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в самых разных областях, от судовых силовых установок и энергетических установок мощностью более 100 МВт до ручных инструментов, где передаваемая мощность составляет менее 100 Вт.Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между большими дизелями с диаметром цилиндра более 1000 мм и возвратно-поступательным движением на скорости до 100 об / мин до небольших бензиновых двухтактных двигателей с диаметром цилиндра около 20 мм. В пределах этих двух крайностей находятся среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели для тяжелых условий эксплуатации, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Среди всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются крупнейшими производимыми двигателями в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают в так называемом четырехтактном цикле (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение / мощность и выпуск. Для каждого цилиндра двигателя требуется четыре хода поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, которая приводит к выработке мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска инициируется движением вниз поршня, который втягивает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через узел порта / клапана и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ).Смесь создается либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через инжектор игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). Фактически, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в четырехклапанных двигателях на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (ов) является функцией конструкции впускного коллектора, которая влияет на газовую динамику и объемный КПД двигателя, а также скорость двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его цель — подготовить смесь к горению за счет повышения ее температуры и давления. Горение инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым повышением давления в цилиндре.

Такт мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ.В этот момент газы с высокой температурой и давлением, образующиеся при сгорании, толкают поршень вниз, заставляя рукоятку вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, выпускной клапан (ы) открывается, и сгоревшие газы могут выйти из цилиндра из-за разницы давлений между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот ход выхлопа завершает цикл двигателя, откачивая цилиндр от сгоревших, частично сгоревших или даже несгоревших газов, выходящих из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают значительное влияние на продолжительность горения, скорость повышения давления и образования загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь конечного газа может самовоспламеняться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к детонации , которая вызывает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Способность бензинового топлива противостоять самовоспламенению и, таким образом, предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется своим октановым числом .До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов вызвали необходимость введения неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношения объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на термический КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто по имени его изобретателя Николауса Отто, который построил первый двигатель в 1876 году, обеспечивает рабочий ход на каждые два оборота коленчатого вала.Один из способов увеличения выходной мощности двигателя заданного размера — преобразовать ее в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности — хотя и не до двойного уровня, ожидаемого из простых расчетов — он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах как с искровым зажиганием, так и с дизельными двигателями.Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрытыми и открытыми движением поршня, вместо громоздкой и сложной конструкции верхнего кулачка.

В двухтактном цикле такт сжатия начинается после того, как впускные и выпускные боковые порты закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается и затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично зажиганию в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание около ВМТ.В то же время свежий заряд может попасть в картер перед его последующим сжатием движущимся вниз поршнем во время хода power или расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные отверстия, а затем впускные (переходные) отверстия. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, входит в цилиндр через правильно ориентированные перекачивающие каналы.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра во время процесса продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштаб этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления входящего заряда от места расположения выпускных отверстий, эффективность зарядки в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через форсунки с подачей воздуха в период, когда и выпускной, и перекачивающий каналы закрыты.Несмотря на короткий период, доступный для смешивания, распылители с подачей воздуха могут создавать однородную обедненную смесь во время воспламенения за счет образования капель бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия славится своим высоким КПД, пониженным расходом топлива и относительно низкими общими выбросами газов. Его название происходит от немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858–1913), который в 1892 году описал в своем патенте вид двигателя внутреннего сгорания, который не требует внешнего источника воспламенения и в котором сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в него. воздух с высокой температурой и давлением в конце такта сжатия.

Преимущества, присущие дизельному двигателю с точки зрения эффективности, обусловлены его обедненной общей смесью, высокими степенями сжатия двигателя, обеспечиваемыми из-за отсутствия воспламенения (детонации) отходящих газов и более высоких степеней расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческих применений, таких как корабли / катера, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и в течение последних 20 лет или около того. , легковые автомобили, особенно в Европе.

Недостаток низкой выходной мощности дизельных двигателей был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к массе двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от двигателя с искровым зажиганием, главным образом, тем, как смесь образуется перед сгоранием.Только воздух вводится в двигатель через винтовой или направленный канал, и топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизельный двигатель с непрямым впрыском или IDI) или в главную камеру (дизельное топливо с прямым впрыском. или DI) непосредственно перед началом горения.

Необходимость в достижении хорошего смешивания топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется за счет систем впрыска топлива под высоким давлением, которые образуют капли со средним диаметром около 40 мкм. В легковых автомобилях системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, конструкция которых различается в зависимости от области применения; В дизельных двигателях с прямым впрыском используются форсунки с отверстиями, в то время как в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа.В более крупных дизельных двигателях используются рядные топливные насосы, насос-форсунки (насос и форсунка, объединенные в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровни выбросов выхлопных газов транспортных средств и двигатели всех типов. С момента их введения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой серьезной проблемой, связанной со стандартами, согласованными на 1996 год и позднее, которые кратко изложены для легковых автомобилей в таблице. 1.Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе в 2000 году, будут еще ниже, после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов на рубеже веков. Однако неясно, будут ли существующие двигатели соответствовать этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские стандарты выбросов в 1996 г.

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязнителями в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO x = NO + NO 2 ), а в дизельных двигателях. , NO x и твердые частицы, состоящие из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, которые являются стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, работающими на неэтилированном бензине, позволяют примерно на 90% снизить выбросы HC, CO и NO x за счет их преобразования в двуокись углерода ( CO 2 ), вода (H 2 O) и N 2 .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~ 14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO 2 .Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сжигания бедных смесей с соотношением воздух-топливо, намного превышающим 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям сжигания обедненной смеси соответствовать будущему законодательству по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в академических кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для уменьшения количества твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO 2 и H 2 O, а также от рециркуляции выхлопных газов и замедленного времени впрыска для снижения NO. х уровней.

ССЫЛКИ

Аркуманис, К. (Ред.) (1988) Двигатели внутреннего сгорания . Академическая пресса.

Блэр, Г. П. (1990) Базовая конструкция двухтактных двигателей . Общество Автомобильных Инженеров.

Фергюсон, К. Р. (1986) Двигатели внутреннего сгорания . Джон Вили и сыновья.

Хейвуд, Дж. Б. (1988) Основы двигателя внутреннего сгорания . Макгроу Хилл.

Стоун Р. (1992) Введение в двигатели внутреннего сгорания .Macmillan Education Ltd. 2-е изд.

Уивинг, Дж. Х. (ред.) (1990) Техника внутреннего сгорания: наука и технологии . Прикладная наука Elsevier.

Двигатели внутреннего сгорания — будущее на Edmunds.com

«В течение долгого времени альтернативы двигателю внутреннего сгорания не будет». Это заявление не было произнесено столетие назад, когда творение Николауса Отто первоначально победило паровые и аккумуляторные электродвигатели и стало доминирующим средством передвижения по суше, морю и воздуху.Нет, эти слова сказал Мартин Винтеркорн, генеральный директор Volkswagen, зимой 2012 года.

Хотя президент Обама пообещал 1 миллион электромобилей на дорогах США к 2015 году (общий объем продаж в 2012 году составил всего 13 263), Винтеркорн не одинок в своем мнении. По оценкам различных организаций, таких как ExxonMobil и Управление энергетической информации Министерства энергетики США, к 2040 году около 90 процентов проданных автомобилей будут по-прежнему иметь двигатель внутреннего сгорания. И причина, по которой двигатель внутреннего сгорания будет продолжать отбрасывать длинную тень, проста: бензин.

Таланты бензина
Бензин — очень талантливый источник энергии. Он содержит больше энергии в данном объеме, чем что-либо, кроме ядерных материалов. Он также легкий, относительно распространенный и существует в легком для использования жидком состоянии при любой температуре, с которой люди работают в автомобилях, грузовиках, лодках, мотоциклах, скутерах и самолетах. Лучше всего то, что это дешево.

Бензин настолько способен, что если бы его не существовало, нам пришлось бы его изобрести.

И именно те многочисленные таланты бензина (и дизельного топлива), которые сделали двигатель внутреннего сгорания (ДВС) колоссальным успехом в такой степени, что никакой метод движения (электромобили с батарейным питанием или иное) не сможет узурпировать его доминирование в обозримом будущем и вне.

Несмотря на заголовки о том, что электромобили находятся на грани того, чтобы перевернуть ДВС в любую минуту, это не так. Сегодня электромобили составляют менее 0,09 процента продаж новых автомобилей, а к 2040 году ожидается, что полностью электрические автомобили по-прежнему будут составлять менее 1 процента продаж новых автомобилей.

Постоянная востребованность и доминирование ICE во многом зависят от стоимости и доступности. ICE уже поддерживается невероятно развитой глобальной инфраструктурой, и это преимущество, которое невозможно переоценить.Эта обширная сеть установила очень высокую планку для потенциальных альтернатив, таких как аккумуляторные электромобили или автомобили на водородных топливных элементах.

Точно так же массовое производство ДВС развивалось десятилетиями, что сделало ДВС дешевыми. Такое сочетание рентабельности и широкого распространения заправочных станций дало ДВС колоссальный импульс.

Устанавливая стандарты
Несмотря на зрелость ДВС, повышение его эффективности и выбросов является относительно недавним мероприятием.Правила EPA положили начало этой разработке всего 40 лет назад, в начале 1970-х годов, и, конечно же, сегодня ДВС выбрасывает небольшую часть загрязняющих веществ, которые он когда-то выделял, и потребляет гораздо меньше топлива. Кроме того, успехи, достигнутые в области эффективности и выбросов ДВС только за последние полдесятилетия, доказывают, что он далеко не исчерпан.

Постоянно совершенствующееся компьютерное управление, прямой впрыск топлива, бесступенчатая трансмиссия, стоп-старт, улучшенные смазочные материалы, снижающие трение, турбонаддув и отключение цилиндров — это лишь некоторые из технологий, которые совсем недавно повысили экономию топлива бензиновых и дизельных двигателей. , большинство за последние несколько лет.И результаты ошеломляют. По данным Агентства по охране окружающей среды, за последние пять лет топливная эффективность среднего автомобиля выросла на 16 процентов.

Тем временем надежность, выходная мощность и качество ДВС значительно выросли. На протяжении поколений потребители ожидали, что автомобили относительно нечувствительны к температуре окружающей среды и практически не потеряют своих характеристик с течением времени. Но больше всего они привыкли заправляться за считанные минуты.

Время зарядки
Забудьте об очень реальной и часто обсуждаемой проблеме беспокойства по поводу дальности полета: о том, что вашему электромобилю просто не хватит заряда, чтобы доставить вас домой. Еще большим препятствием является время, необходимое для зарядки электромобиля.

В нынешнюю эпоху сидеть без дела восемь часов, ожидая, пока ваш Leaf зарядится, — не совсем хороший аргумент. Даже если средний электромобиль может соответствовать диапазону среднего автомобиля с ДВС (они этого не делают), и даже если количество розеток для подзарядки существовало где-то рядом с заправочными станциями (их нет), у электромобилей есть фактор надёжности. что обычных машин нет.

Даже самый лучший вариант времени зарядки Tesla Model S с его впечатляющей сетью нагнетателей, способных зарядить аккумуляторную батарею седана на 50 процентов примерно за полчаса, требует от владельца транспортного средства значительных временных жертв.

Когда Edmunds.com приобрел свою давнюю Tesla Model S 2013 года, наш генеральный директор и главный редактор решили забрать ее на заводе Tesla во Фремонте, штат Калифорния, и отвезти домой в Санта-Монику. Поездка 350 миль. Расстояние любой роскошный седан с двигателем ICE за 100 000 долларов может легко преодолеть на одном баке бензина.Только не Тесла. Чтобы преодолеть это расстояние, нашей команде пришлось дважды остановиться у нагнетателей, чтобы зарядить аккумуляторы седана, что добавило к поездке более 90 минут.

Кратковременное время дозаправки обычных автомобилей укрепило ожидания среди неугодных и постоянно торопившихся потребителей. Вся культура личного транспорта построена вокруг них, и долгое время зарядки электромобилей для сравнения — чрезмерное бремя. Не говоря уже о том, что вы не можете залить электроны в бак вашего электромобиля через канистру, поэтому, если у вас закончится сок, вам понадобится буксировка до ближайшей станции подзарядки.

Выходи за пределы выхлопной трубы
Конечно, у использования бензина есть свои недостатки, наиболее заметными из которых являются выбросы парниковых газов. Это сделало электромобили с нулевым уровнем выбросов, такие как Nissan Leaf и Tesla Model S, все более привлекательными, и большинство производителей, от Fiat до Honda, попадают в заголовки газет. К концу следующего года на рынке американских потребителей будет около 20 электромобилей.

Однако электромобиль чист настолько, насколько чиста электростанция, вырабатывающая потребляемую им электроэнергию.Выбросы парниковых газов, связанные с использованием электромобилей в США, варьируются в зависимости от региона, но в национальном масштабе выбросы, связанные с электромобилями, ниже выбросов, производимых обычными ДВС, примерно на 40 процентов. В другом месте история не так проста.

Крис Черри, доцент кафедры гражданских и экологических наук в Университете Теннесси, опубликовал в прошлом году исследование в журнале Environmental Science and Technology , в котором было обнаружено, что ужасно грязные угольные электростанции Китая фактически делают работу электромобилей более грязными, чем обычные транспортных средств.

«Неявное предположение заключалось в том, что качество воздуха и воздействие на здоровье электромобилей ниже, чем у обычных транспортных средств», — сказал Черри. «Наши выводы ставят под сомнение то, что путем сравнения того, что выбрасывается в результате использования транспортных средств, с тем, чему на самом деле подвергаются люди. В предыдущих исследованиях изучались воздействия на окружающую среду только путем сравнения факторов выбросов или выбросов парниковых газов».

Во-первых, производство транспортных средств также оказывает значительное воздействие на окружающую среду, и в этой области утверждается, что автомобили с ДВС имеют преимущество перед своими электромобилями, имеющими редкоземельные материалы.

Бьорн Ломборг, директор Копенгагенского центра консенсуса в Вашингтоне, округ Колумбия, недавно затронул вопросы, связанные с жизнеспособностью электромобилей и их обещанием «нулевого выброса» в The Wall Street Journal . Он написал: «Комплексный анализ жизненного цикла в журнале Journal of Industrial Ecology за 2012 год показывает, что почти половина выбросов углекислого газа в течение всего срока службы электромобиля происходит от энергии, используемой для производства автомобиля, особенно батареи. Добыча лития, например, это менее чем зеленая деятельность.«

По словам Ломборга, это делает производство электромобиля экологически эквивалентным движению на этом автомобиле 80 000 миль. «Так что, если электромобиль не будет много ездить, он никогда не продвинется вперед с точки зрения экологии», — считает он. «И это оказывается проблемой. Рассмотрим Nissan Leaf. Его запас хода составляет всего 73 мили на одной зарядке».

Другие возражают, что некоторые предположения Ломборга преувеличивают воздействие электромобилей на окружающую среду. В лучшем случае влияние электромобилей на окружающую среду «от колыбели до могилы» остается неясным.

Где заряжать
Важно отметить, что даже если бы сегодня существовал электромобиль, который можно было бы подзаряжать так же быстро, как заправляется ДВС, инфраструктуры, позволяющей быстро слить такое количество энергии, в настоящее время не существует. Наполнение 20-галлонного бака бензином занимает 2 минуты — задача, при которой энергия доставляется со скоростью, электрически эквивалентной 22 мегаваттам. Электросеть Америки хоть и повсеместна, но совершенно не подходит для обеспечения водителей автомобилей такого уровня.

Электромобили, работающие на водородных топливных элементах, имеют скорость заправки, приближающуюся к скорости заправки автомобилей с ДВС, но станций заправки водородом очень мало.Это не означает, что такие альтернативные технологии обречены, просто инфраструктура требует значительных препятствий.

Зарядка электромобилей в домашних условиях необходима из-за длительного времени зарядки современных электромобилей. В практическом смысле для этого по существу требуется владение домом с гаражом, и поэтому электромобили трудно продать тем, кто живет в городах, в квартирах или снимает дом. Это быстро отсеивает потенциальных покупателей перед продажей.

И не забывайте, что блок питания на 240 В стоит примерно 1000-2500 долларов для установки в типичный семейный дом, одноразовая гайка, которую часто упускают из виду при оценке стоимости владения электромобилем.

На запас хода, обеспечиваемый электромобилем, также отрицательно влияет жаркая и холодная погода, и он ухудшается по мере того, как аккумулятор накапливает циклы зарядки и разрядки. Ожидается, что после 10 лет использования дальность действия снизится примерно на 20%, и этот эффект усугубляется в жарком климате.

И еще есть цена. Производство электромобилей остается довольно дорогостоящим, а их более высокая стоимость в значительной степени ложится на налогоплательщиков и потребителей в виде субсидий и / или более высоких MSRP для транспортных средств. Автопроизводители также взяли на себя часть стоимости сегодняшних электромобилей, чтобы их цены были достаточно приемлемыми, чтобы перемещать металл, но получение убытков при каждой продаже не является устойчивой стратегией для долгосрочного процветания.

Войдите в гибрид
Прогресс будет прогрессировать, и гибрид выиграет. В ближайшем будущем ICE получит дальнейшие успехи на том пути, по которому он уже идет. Уменьшение габаритов автомобилей и объема двигателя будет продолжено. Повышение давления станет более распространенным, как и двух- и трехцилиндровые двигатели и улучшенные клапанные механизмы. Связанные с этим дополнительные выгоды, обеспечиваемые этими подходами, будут дополнены исследованиями передовых процессов сжигания, которые обеспечивают сверхбедную работу и изначально низкие выбросы NOx.

Точно так же технология аккумуляторов будет развиваться с течением времени. По иронии судьбы, именно эти достижения в области аккумуляторных технологий еще больше увеличат шансы против на быстрый отход от ДВС, потому что они значительно облегчат гибридизацию. Бензино-электрические гибриды лучше уравновешивают мириады плюсов и минусов, связанных с обеими технологиями, и станут более доступными (и лучшими) в сделке. К 2040 году от 40 до 50 процентов продаж новых автомобилей будут гибридными.

Конечно, подрывные инновации могут радикально изменить мировоззрение, как если бы кто-то изобрел телепортацию.Пока мы ждем наступления этого маловероятного момента, поршневые насосы останутся главной движущей силой для масс.

Двигатель внутреннего сгорания — дорога вперед

Вместо того, чтобы найти жизнеспособные варианты, люди часто запрещали многие вещи, которые они не могли контролировать. Наряду с глобальными дебатами о криптовалюте, контроле над оружием и многом другом, двигатель внутреннего сгорания (ICE) является последним, кто попал в список запрещенных. Некоторые страны G7, такие как Франция, Германия и Великобритания, изображаются как главный злодей, стоящий за глобальным потеплением, разработали стратегию запрета ICE в следующие два десятилетия.С выбросами парниковых газов и постоянным давлением, направленным на улучшение качества воздуха, останется ли двигатель внутреннего сгорания (ДВС) двигателем для удовлетворения наших транспортных потребностей в будущем?

Электрическая мобильность против ДВС

По оценкам, в настоящее время во всем мире используется около 2 миллиардов двигателей внутреннего сгорания. Что наиболее важно, эти двигатели используются не только для запуска автомобилей, но также для запуска функциональных грузовиков, поездов, кораблей и т. Д.Объем исследований, проведенных с ДВС, сделал их не только более эффективными, но, что более важно, также позволил разработать методы сокращения вредных выбросов. Хотя каталитические нейтрализаторы достаточно эффективны для контроля выбросов в бензиновых двигателях, их успех в дизельных двигателях все еще весьма ограничен. Принимая во внимание ограниченность использования ископаемого топлива и тот факт, что использование этого топлива способствует выбросам, крайне важно найти альтернативное решение, и как можно скорее. Из всех вариантов, электрические — самая популярная альтернатива на рынке.

Сценарий рынка

Явление электромобилей демонстрирует тенденцию к росту на всех основных рынках. Сейчас на рынок выходит все больше и больше электромобилей. В 2017 году во всем мире было добавлено более 1 миллиона автомобилей. Лидером роста является Китай, за ним следуют Европа и США. Такие страны, как Индия, также становятся крупным рынком: в рамках национальной программы электромобильности 30% автомобилей, которые будут проданы к 2030 году, будут электрическими.

Инфраструктура

Чтобы электромобили (EV) были такими же функциональными и распространенными, как ДВС, необходимая инфраструктура все еще требует значительных разработок и научных открытий, особенно в области аккумуляторных технологий.Что касается ископаемого топлива, дозаправка — это быстрый и эффективный процесс, который можно эффективно выполнять через заданные промежутки времени на заправочных станциях, обслуживающих тысячи автомобилей. Но когда, по оценкам, к 2030 году от 10 до 25% транспортных средств на дорогах будут электрическими, какие усилия будут предприняты для создания такой зарядной инфраструктуры? Учитывая использование электромобилей для ежедневных поездок на работу, владение домашними зарядными устройствами становится обязательным. Логистика установки и обслуживания этих зарядных станций снова создаст свои собственные проблемы.

По мере того, как люди начинают водить электромобили вне повседневных поездок и на большие расстояния, потребность в крупномасштабной сети зарядки становится еще более очевидной. Несмотря на то, что в это развитие вкладываются инвестиции, необходимо решить ряд проблем, в том числе проблему подключения к сети. Несмотря на продолжающиеся исследования по сокращению времени зарядки автомобиля, современные аккумуляторные технологии не могут безопасно зарядить аккумулятор электромобиля даже в два раза быстрее, чем требуется для полного заполнения топливного бака автомобиля.Например, чтобы зарядить Tesla на суперзарядной станции с 20% до 80%, потребуется от 20 до 30 минут; в то время как для достижения 100% потребуется более 90 минут. Следовательно, хотя электродвигатели обеспечивают революционные характеристики электромобилей, их широкое внедрение будет проблемой, если не будет доступна технология для эффективной заправки транспортных средств со скоростью, аналогичной времени, необходимому для заправки бензина.

А водород?

Водород используется в ракетах, лодках, самолетах и ​​т. Д.В автомобильном сценарии химическая энергия водорода используется для питания автомобилей путем сжигания его в двигателях внутреннего сгорания или путем использования топливных элементов для преобразования его в электричество для работы электродвигателей. В двигателе внутреннего сгорания ископаемое топливо и водород работают с термодинамической эффективностью примерно от 20 до 25%, в то время как использование топливного элемента для преобразования водорода в электричество и запуска электродвигателя работает с КПД, превышающим 60%.

Аккумуляторные электромобили или электромобили на топливных элементах?

И электромобили с батарейным питанием, и электромобили на топливных элементах работают, используя электричество, чтобы приводить в действие электродвигатели для обеспечения тяги.При использовании доступных в настоящее время технологий эффективность, достигаемая за счет зарядки аккумуляторов и их использования для питания электродвигателей, более эффективна, чем при производстве водорода и использовании топливных элементов для выработки электроэнергии. Однако недостатком батареи является то, что по мере увеличения дальности — увеличивается потребляемая мощность, увеличивается вес батареи, что в конечном итоге снижает общую эффективность батареи.

Какие проблемы?

Самая большая проблема при использовании водорода — это стоимость производства.В настоящее время большая часть водорода производится из углеводородов с использованием технологий парового риформинга, эффективность которых составляет от 60 до 70%. Благодаря достижениям в технологии топливных элементов можно достичь эффективности производства водорода выше 80%. В любом случае, стоимость производства водорода по-прежнему довольно высока.

Хотя водород можно транспортировать и распределять с использованием той же инфраструктуры, что и дизельное топливо или бензин, также возможно производить водород в том месте, где он распределяется, для снижения затрат.Стоимость производства водорода может быть дополнительно снижена, если в производственном процессе будет использоваться непиковая нагрузка или избыточная энергия, которая может быть получена из возобновляемых источников энергии.

Вердикт

Двигатель внутреннего сгорания используется уже более века. Было проведено множество исследований, направленных на повышение мощности, снижение выбросов и повышение эффективности в целом. Недавно Mazda объявила об инновации в технологии бензиновых двигателей, которая повысит их эффективность примерно на 20–30%.Планируется, что автомобили с этой технологией появятся на рынке к 2019 году.

Даже производительность, достигаемая будущим родстером Tesla, бросает вызов установленным тестам производительности, установленным высокопроизводительными автопроизводителями, такими как Koenigsegg. Однако полностью электрические автомобили по-прежнему довольно дороги. Без субсидий и стимулов рентабельность, которая может быть достигнута за счет снижения эксплуатационных расходов в соответствии с увеличившимися начальными инвестициями, не имеет коммерческого смысла для среднего автовладельца.

Футуристические автомобили

Двигатели внутреннего сгорания способствовали глобальному потеплению, из-за чего на их использование накладываются дополнительные ограничения. Для обеспечения устойчивого будущего необходимо изучить другие жизнеспособные варианты. Электромобили, которые коммерчески доступны прямо сейчас, доказывают, что это жизнеспособное средство передвижения. Несомненно, электродвигатели, батареи, топливные элементы и т. Д. Будут играть ключевую роль в разработке футуристических транспортных средств.Будь то использование аккумуляторов или топливных элементов, развитие технологий в области накопления энергии определенно будет стимулировать развитие электромобилей. Опять же, пройдет немало времени, прежде чем мы увидим конец двигателей внутреннего сгорания.

Малые двигатели в качестве расширителей пара нижнего цикла для двигателей внутреннего сгорания

Нижние циклы рекуперации тепла для двигателей внутреннего сгорания открыли новые возможности для исследований малых пародетандеров (Stobart and Weerasinghe, 2006).Надежные данные для небольших пародетандеров позволят нам спрогнозировать их пригодность в качестве двигателей с нижним циклом и экономию топлива, достигаемую при их использовании в качестве двигателей с нижним циклом. Настоящая статья основана на результатах экспериментов, проведенных на маломасштабных двигателях Ванкеля и двухтактных поршневых двигателях в качестве расширителей воздуха и пародетандеров. Испытательная установка, разработанная в Сассексе, используемая для измерений, состоит из измерений крутящего момента, мощности и скорости, электронного срабатывания клапанов, синхронизированного сбора данных о давлении и температурах пара и внутри двигателей для паровых циклов и циклов внутреннего сгорания.Результаты представлены для четырех режимов двигателя, а именно для поршневого двигателя в режиме расширения парового потока и в режиме расширения воздуха и роторного двигателя Ванкеля в режиме расширения пара и в режиме расширения воздуха. Воздушные испытания предоставят базовые данные о трении и влиянии движения, тогда как паровые испытания покажут, насколько эффективными будут двигатели в этом режиме. Результаты для мощности, крутящего момента и диаграмм сравниваются, чтобы определить изменение производительности от режима расширения воздуха к режиму расширения пара.

1.Введение и мотивация

Поиск подходящего нижнего цикла для рекуперации низкопотенциального тепла, регенерированного из двигателя внутреннего сгорания, основывается на температурном диапазоне работы и ожидаемой эффективности. Термоэлектрическая рекуперация тепла обеспечивает относительно чистый и менее сложный вариант, но с очень низкой эффективностью. С другой стороны, было доказано, что пар работает в циклах рекуперации тепла с приличным диапазоном эффективности. Атмосферный двигатель Томаса Ньюкомена, который сегодня называют двигателем Ньюкомена, был первым практическим устройством, которое использовало силу пара для создания механической работы.Джеймс Ватт развил его дальше, и паровые поршневые двигатели используются в течение последних 200 лет [1]. Использование паровых двигателей уменьшилось с появлением двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Однако паровые двигатели по-прежнему используются в различных инженерных приложениях, особенно в электроэнергетике. Малые паровые расширительные машины используются ограниченно [2]; Обычно это связано с тем, что также требуется парогенераторная система, что делает их неэкономичными. Были попытки использовать пародетандеры в качестве основной силовой установки автомобиля [3]; однако настоящая работа основана на паровых двигателях малой мощности в качестве расширителей нижнего цикла.В этой области не проводилось много исследований. В частности, нет данных о характеристиках этих двигателей. Работа предназначена для создания платформы для разработки небольших паровых двигателей, которые могут быть использованы в качестве тепловых детандеров нижнего цикла. Существуют различные варианты пародетандеров, например, лопастные роторы и микротурбины. Однако поршневые детандеры и двигатели Ванкеля легко доступны в виде небольших двигателей, которые можно преобразовать в паровые детандеры. Диапазон двигателей в исследовании был ограничен размером и мощностью, которые могут быть установлены на испытательном стенде, настольном динамометре.По сути, этот мод ограничился объемом цилиндров менее 20 куб. Основные параметры двух двигателей, которые использовались в исследовании, перечислены в таблице 1.

09



4 914 711 914 914 711 914 711 : 1 (приблизительно)

Двигатель Четырехтактный поршневой двигатель Роторный двигатель Ванкеля
Модель OS 32 SX OS 49 PI
Диаметр отверстия (мм) 19.5 НЕТ
Ход (мм) 17,5 НЕТ
Емкость (куб.см) 5,23 4,97

1.1. Цикл Ренкина

Паровая машина обычно работает по термодинамическому циклу Ренкина. Циклы Ренкина [4] широко используются как в первичных двигателях, так и в расширителях нижнего цикла.Возвратно-поступательный цикл Ренкина использовался в локомотивах, кораблях и стационарных двигателях. Роторные детандеры, в первую очередь паровые турбины, используются в электроэнергетике. Использование роторного двигателя ограничено оптимальным рабочим диапазоном, который он предлагает по сравнению с широким диапазоном, предлагаемым поршневым двигателем. Использование расширителя пара, используемого в этом исследовании, в основном нацелено на двигатель с прямым соединением, который может работать синхронно с двигателем внутреннего сгорания. Поршневой двигатель имеет такие же характеристики крутящего момента и мощности, что и двигатель внутреннего сгорания.Другое главное преимущество — наличие небольших двигателей, которые можно преобразовать в паровые детандеры.

1.1.1. Цикл Ренкина с поршневым детандером

Возвратно-поступательный цикл Ренкина, показанный на Рисунке 1, объясняется следующими этапами: (1-2) Впуск пара под давлением парового резервуара. (2-3) Расширение пара до открытия выпускного отверстия. (3-4 ‘) Продувка пара до давления конденсатора. (4-5) Выпуск пара до закрытия выпускного отверстия. (5-1) Сжатие пара, оставшегося в цилиндре.


Работу и тепло для цикла можно определить, получив удельные энтальпии, которые относятся к шагам на Рисунке 1. Теоретическая работа цикла дается выражением, а подводимое тепло выражается как. Эффективность определяется по формуле. Работой насоса пренебрегают, поскольку она мала по сравнению с поступающим теплом. Поршневые паровые детандеры были наиболее распространенным типом расширителей, известных своим высоким крутящим моментом и простой работой. В основном они используются как морские тягачи и тягачи старых локомотивов.Скорость, доступная для больших паровых машин, ограничена. Возможны прямоточные и противоточные устройства с возвратно-поступательными детандерами [1]. Однако клапанные устройства становятся более сложными с противоточным расположением [5]. Считается, что поршневые двигатели легче реализовать, чем двигатели Ванкеля [6].

1.1.2. Роторные паровые двигатели

Паровые турбины — эффективные устройства, но диапазон их работы ограничен, поэтому они не очень подходят для автомобильной промышленности.Основное преимущество турбинного цикла — высокий общий КПД при эксплуатации. Однако гибкость работы перевешивает коэффициент полезного действия и делает возвратно-поступательный цикл Ренкина более практичным. Кроме того, способность адаптироваться к условиям колебания крутящего момента и скорости возвратно-поступательного цикла делает его предпочтительным устройством для автомобильных приложений. Тем не менее, если энергия, вырабатываемая турбиной, преобразуется в электричество и используется для привода электродвигателя, это приводит к практическому решению для гибридных транспортных средств [7].

Промежуточным решением является роторный детандер Ванкеля [8]. Двигатель Ванкеля предлагает некоторые преимущества как турбинного цикла, так и гибкости поршневого двигателя [9, 10]. Двигатели Микро-Ванкеля могут быть изготовлены с использованием улучшенной технологии изготовления [11]. Были предприняты попытки правильно имитировать работу двигателя Ванкеля [12], но текущее приложение использует пар в качестве рабочего тела без внутреннего сгорания. На рисунке 2 показан теоретический цикл Ренкина и диаграмма давления-объема цикла Ренкина.


1.2. Рекуперация отходящего тепла

Главной достопримечательностью цикла Ренкина [13] сегодня является его применимость в системах рекуперации отходящего тепла [12]. В электроэнергетике турбины Ренкина приводятся в действие паром, вырабатываемым за счет утилизации отходящего тепла. Поршневые двигатели в системах утилизации отработанного тепла используются редко. С другой стороны, использование роторных паровых двигателей в малых масштабах не является обычным явлением. Способность цикла Ренкина работать с низкопотенциальными источниками тепла, такими как пар, делает его привлекательным для использования в нижнем цикле [14].В приложениях цикла Ренкина применялись два основных типа расширителей, которые бывают двух типов: первый — это скоростной тип, такой как осевые турбины и турбины с радиальным потоком; другой — поршневого типа, такого как спиральные расширители, винтовые расширители, поршневые расширители и пластинчато-поворотные расширители [15]. Эти детандеры подпитываются паровым резервуаром благодаря рекуперации тепла в нижнем цикле [16, 17].

2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из динамометра, системы сбора данных, управляемой программным обеспечением LabVIEW, источника пара / воздуха и конденсатора.Входы датчиков поступают в систему через карту многоканального сбора данных. На рисунке 3 показаны компоненты системы и их взаимосвязь.


2.1. Динамометр

для испытаний малых двигателей предлагает такие преимущества, как портативность, меньшее количество инструментов, низкие затраты на пространство и гибкость. Однако нет доступных динамометрических установок для испытаний небольших двигателей. Следовательно, небольшой динамометрический стенд, изображенный на рисунке 4, должен был быть разработан для установки небольших двигателей для испытаний.Динамометр был заимствован из токарного станка моделистов, а трансмиссия была модифицирована для поглощения мощности и работы двигателя при необходимости. Выходной вал двигателя установлен на одной линии с валом токарного станка. Конструкция датчика крутящего момента соединяет выходной вал двигателя и вал токарного станка. Двигатель постоянного тока мощностью 400 Вт приводит в движение главный вал, который также может поглощать мощность. На конце приводного вала установлен импульсный датчик, который генерирует три потока импульсов, а именно: (i) импульс на оборот (ppr), (ii) импульс на оборот — 90 ° (индикатор направления) и (iii) импульс на оборот. градус угла поворота коленчатого вала (pcd).


В качестве двигателей использовались доработанные модели двигателей Hobby производства OS (Япония). Имеются следующие данные об используемых двигателях.

Для использования в качестве расширителей пара необходимо было модифицировать впускные и выпускные патрубки для впуска и выпуска пара. Головки двигателя были модифицированы для подключения пара.

На рис. 4 схематически показана конфигурация впускных и выпускных патрубков и клапанов. На рисунке показана конфигурация элементов управления портами, а также подачи и выпуска пара.Устройство такое же, как и у роторного двигателя, за исключением того факта, что роторный двигатель имеет два впускных клапана и два выпускных клапана. Открытие и закрытие поворотных клапанов двигателя происходит без электронного управления.

2.2. Расширители пара

расширители пара доступны в виде поршневых расширителей и роторных расширителей. В данном контексте тестируются однопоточный поршневой детандер и роторный двигатель Ванкеля.

2.2.1. Поршневой паровой двигатель

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания был модифицирован для обеспечения впуска пара через верхний клапан с электрическим приводом.С этой целью был модифицирован автомобильный клапан впрыска топлива. Пар поступает через впускной клапан с электроприводом и выходит через порт на НМТ. Время впуска пара имеет решающее значение для приведения в движение. Время газораспределения было установлено на 3 ° до ВМТ и выдержано на уровне 100 ° для впускного клапана. Отвод осуществляется через порт длиной 6 мм и шириной 25 мм перед BDC.

2.2.2. Расположение клапанов для двухтактного поршневого двигателя

Карта сбора данных использует два потока импульсов от оптического кодировщика: импульс на оборот (ppr) и импульс на градус угла поворота коленчатого вала (pcd).Импульс ppr совмещен с верхней мертвой точкой поршня. Программное обеспечение LabVIEW, которое контролирует срабатывание клапана и производит выборку данных для хранения, использует импульс pcd в качестве источника тактовых импульсов и импульс ppr в качестве триггера для выходного импульса. Время срабатывания клапана синхронизировано с импульсом pcd и может меняться.

2.2.3. Паровой двигатель Ванкеля

Модифицированный маломасштабный двигатель внутреннего сгорания Ванкеля используется в качестве расширителя пара. Поток через двигатель Ванкеля является прямоточным, и непрерывная генерация крутящего момента доступна с тремя расширениями за цикл ротора.Диаграмма цикла Ванкеля Ренкина в литературе отсутствует. Однако на рисунке 9 показан график зависимости давления от угла поворота коленчатого вала, поскольку он более уместен, чем диаграмма. Двигатель Ванкеля 5 см модели 3 был модифицирован для работы в качестве парового детандера Ванкеля. Есть два впускных и два выпускных отверстия. Они были изменены для достижения оптимальной производительности. Впускной канал расположен под углом 20 ° к исходной линии двигателя, а выпускные клапаны были заменены на боковые выпускные клапаны, как показано на Рисунке 5.


2.3. Контрольно-измерительные приборы и измерения

Двигатель снабжен воздухом или паром в зависимости от ситуации, а расход жидкости регулируется электронным способом. Измерения проводились при двух установленных давлениях: 7 бар и 15 бар для воздуха и пара соответственно. Сигналы давления, температуры, крутящего момента, скорости и импульсов подаются через карту сбора данных National Instruments (NI) на компьютер. Связь с весами осуществляется через соединение RS232. Весь сбор данных и контроль выполняются с помощью программного обеспечения LabVIEW.Выборка запускалась импульсом на каждый импульс угла поворота коленчатого вала (pcd) от оптического кодировщика.

2.3.1. Давление

Измерения давления были получены на входе в двигатель, выходе из двигателя, внутри цилиндра, на входе в подогреватель и на выходе из подогревателя с помощью пьезоэлектрических датчиков давления.

2.3.2. Температура

Температуры на входе в двигатель, на выходе из двигателя, внутри двигателя, на входе в подогреватель и на выходе из подогревателя были получены с помощью типовых термопар.

2.3.3. Крутящий момент и скорость

Крутящий момент и скорость получаются с помощью встроенного датчика крутящего момента, мощность по этим показаниям определяется как

2.3.4. Массовый расход

Конденсат из двигателя собирается в емкость на электронных весах. Увеличение веса во времени дает массовый расход.

2.3.5. Качество пара

Для анализа качества отработанного пара потребовалась установка нового устройства. Пар, выходящий из двигателя, является влажным, и, следовательно, давление и температура сами по себе не могут определить состояние пара.Секция подогревателя установлена ​​на выхлопных трубах, которая доводит пар до состояния перегрева, при котором только давление и температура могут дать состояние пара. На рис. 6 показаны точки отбора температуры и давления, а на рис. 7 — анализатор качества пара.



Датчики давления и температуры размещаются на входе в SQA (ri) и на выходе из SQA (re). Показания используются для получения удельной энтальпии при re из таблиц пара.Тогда где — масса воды, собранной за время t . VI — зарегистрированные напряжение и ток, используемые секцией подогревателя. Наиболее важные измерения системы — это давление и температура на входе, выходе и внутри двигателя. Эти измерения можно использовать для определения условий на входе и выходе пара и, следовательно, для разработки баланса энергии.

2.3.6. КПД двигателя

КПД двигателя можно рассчитать с помощью значений тепловложения и мощности, развиваемой двигателем.

3. Результаты испытаний двигателя

На рисунках 10 и 13 показаны кривые мощности для различных давлений на впуске двигателя. Оптимальное давление подачи составляет около 30 бар, что было подтверждено предыдущим изданием Prasad [7]. Давление выше этого диапазона будет иметь отрицательный эффект, что объясняется внимательным анализом диаграммы Мольера для воды. Насыщенный пар при давлении выше 30 бар сохраняет меньшую энтальпию, чем пар при 30 бар. Были проведены измерения давления от пика до пика, и данные приведены относительно нулевого давления подачи.Показания наносятся с учетом смещения и отражают абсолютное значение.

3.1. Воздушные испытания двигателя Ванкеля

Данные воздушных испытаний были получены для значений частоты вращения 100, 200, 300, 500, 700, 900, 1100, 1300, 1500, 1700, 2000 и 2300. Диаграмма давления и объема для воздушных испытаний двигателя Ванкеля Двигатель показан на Рисунке 9 для давления воздуха 7 бар. Взаимосвязь между давлением и углом поворота коленчатого вала показана на рисунке 8. Когда давление подачи низкое, имеет место существенная работа двигателя, что иллюстрируется отрицательными давлениями на диаграмме.




Данные воздушных испытаний были получены для значений частоты вращения 200, 300, 500, 900, 1300 и 1700.

3.2. Паровые испытания двигателя Ванкеля

Паровые испытания проводились при давлении подачи 10 бар и давлении подачи 15 бар. Здесь показаны результаты в 15 бар, поскольку 15 бар было самым высоким давлением, при котором данные регистрировались, как на рисунках 11 и 12. Испытания проводились с подачей пара с регулируемым давлением от промышленного котла. Основное наблюдение, которое ожидается от характеристик давления при паровых испытаниях, — это эффект расширения.




3.3. Испытания поршневого двигателя воздухом и паром

Были проведены измерения расширения пара при давлении 10 бар в поршневом двигателе. Данные были получены только при 200-800 об / мин. Это считается целесообразным, поскольку предполагается, что двигатель будет работать на более низких оборотах, чем двигатель внутреннего сгорания. Форма диаграммы в значительной степени соответствует теоретической диаграмме, показанной на Рисунке 14. Характеристики удельной мощности и крутящего момента показаны на Рисунке 15 при давлении 10 бар.



Диаграмма крутящего момента также впечатляет и имеет ожидаемую форму, за исключением показаний при 400 об / мин. Однако в целом поведение соответствует ожиданиям.

В таблице 2 приведены результаты, полученные для испытаний на воздухе и на пару. Диаграммы воздушных испытаний здесь не показаны, поскольку они были сделаны только в целях проверки.

4

4


Двигатель Ванкеля Поршневой двигатель

Макс. Максимальный крутящий момент (воздух) 0.80 Нм 0,38 Нм
Максимальная мощность (пар) 5550 Вт / кг 2600 Вт / кг
Максимальный крутящий момент (пар) 11,65 Нм 0,45 Нм14
3.4. Анализ результатов

Представлены диаграммы расширения воздуха и пара в роторных и прямоточных поршневых двигателях. Характеристики расширителя Ванкеля показаны на рисунках 9 и 12.Диаграмма зависимости давления от угла поворота коленчатого вала двигателя Ванкеля показывает явное расширение пара на низких оборотах. Эффект расширения уменьшается с увеличением скорости. Это лучше объяснить кривой крутящего момента для того же самого. Развиваемый крутящий момент высок на более низких скоростях. Очевидной причиной такого поведения является время, необходимое пару для расширения [18]. Расширение пара намного выше, чем у воздуха, и выделение энергии хорошо видно. Кривая максимальной мощности для воздуха дает максимум при 1000 об / мин, тогда как для пара — около 400 об / мин.Это показывает более высокую скорость расширения воздуха. Пар, выходящий из двигателей во влажном состоянии, означает, что в процессе расширения происходит фазовый переход. Процесс фазового перехода происходит медленнее, чем прямое расширение воздуха. Однако, когда они используются в качестве нижних циклов, необходимо иметь передаточное число около 10: 1 для работы параллельно с двигателем внутреннего сгорания. Это связано с тем, что оптимальная рабочая частота вращения паровых детандеров находится в пределах от 100 до 250, тогда как двигатели внутреннего сгорания оптимально работают около 2000 об / мин.

Медленная работа пара не делает его менее предпочтительным кандидатом в качестве расширительной среды нижнего цикла. Это позволяет пару накапливаться и потребляться с меньшей скоростью. После правильной настройки он должен обеспечивать достаточный крутящий момент наддува через трансмиссию.

Помимо результатов, полученных в ходе тестирования, во время тестирования были выявлены некоторые проблемы. Качество пара имеет решающее значение для продолжительной работы двигателя [19]. Следовательно, система с замкнутым циклом предпочтительнее открытого цикла.Конструкция впускного клапана пара имеет решающее значение при впрыске пара в цилиндр. Механическое устройство может быть более прочным, по крайней мере, для частей, контактирующих с паром. Маленькие двигатели могут страдать из-за того, что они маленькие, что снижает их ресурс. Ожидается, что эти двигатели будут обеспечивать лучшую выносливость.

Правильное масштабирование может быть выполнено, когда для двигателей доступны все данные моделирования и испытаний.

4. Заключение и дальнейшая работа

Измерения рабочих характеристик были проведены для прогнозирования пригодности малых двигателей в качестве пародетандеров.Двигатели были модифицированы с учетом парового расширения. Диапазон рабочих скоростей пара намного ниже, чем у двигателя внутреннего сгорания. Это мешает нам проводить прямые сравнения. Воздушные испытания предоставляют очень сопоставимый набор данных для расширителей. Сравнивая данные о максимальной мощности и крутящем моменте двух двигателей, становится очевидным, что двигатель Ванкеля представляет собой гораздо лучшее устройство в качестве расширителя.

Основная цель этой работы — измерить пригодность парового цикла Ренкина в качестве нижнего цикла рекуперации тепла и сравнить характеристики двух типов двигателей, поршневого двигателя и двигателя Ванкеля.Характеристики мощности и крутящего момента, показанные для небольших двигателей, делают их очень подходящими для этой цели. Работа включает разработку полного цикла определения дна Ренкина, включая элементы управления. Это включает в себя систему рекуперации тепла и тепловое регулирование двигателя внутреннего сгорания и парового цикла. Необходимо провести ресурсные испытания паровых двигателей, разработанных для проверки долговечности [3, 20]. Отдельная работа ведется по разработке стратегий и методов борьбы.

Уменьшенный динамометр, разработанный для измерения производительности двигателя, представляет собой очень полезный инструмент для тестирования масштабированных моделей.Полученные кривые крутящего момента и мощности могут быть увеличены для полноразмерного двигателя.

Время газораспределения для двухтактного двигателя является важным фактором в работе двигателя. Небольшие двигатели не позволяют нам гибко это изменить. С электронным запуском можно изменить только время. В полномасштабном двигателе можно использовать клапаны гораздо большего размера, и будет место для более точной регулировки.

Тесты выявили ряд областей, требующих улучшения. Серьезной проблемой могла быть надежность двигателей.Использование паромасла, повышающего надежность, возможно при замкнутом цикле. В открытом цикле это становится проблемой выбросов, поскольку он будет выброшен в атмосферу.

Использование малых двигателей для определения характеристик двигателей является основой для проектирования средних паровых двигателей. Результаты могут быть подтверждены моделированием после того, как будет доступен полный набор данных. Авторы намерены провести дальнейшие испытания на более крупном двигателе с системой рекуперации тепла, прикрепленной к двигателю внутреннего сгорания.

4.1. Моделирование двигателя

Результаты можно сравнить с результатами, полученными на основе результатов одномерного моделирования двигателя. Могут быть получены значения для расширения воздуха и оптимальная рабочая точка. На данный момент результаты моделирования не представлены. Однако первоначальные сравнения, которые здесь не представлены, предполагают, что измерения могут быть подтверждены моделированием. Эти результаты показывают, что пародетандеры, даже в небольших масштабах, являются подходящими устройствами для нижних циклов рекуперации тепла.Полный набор имитаций, как описано выше, можно использовать для увеличения результатов для коммерческих приложений двигателей. Ожидается, что моторный эффект и трение в небольших двигателях высоки в процентах. Однако они предоставляют концепцию, подтверждающую достоверную статистику.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить свою благодарность EPSRC за финансирование работы [Grant no.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *