Как двигатель Рудольфа Дизеля изменил мир
- Тим Харфорд
- Би-би-си
Автор фото, Shutterstock
Инженер Рудольф Дизель погиб при загадочных обстоятельств прежде, чем успел разбогатеть на своем гениальном изобретении.
В 10 часов вечера 29 сентября 1913 года Рудольф Дизель отправился в свою каюту на пароходе «Дрезден», шедшем из бельгийского Антверпена через Ла-Манш в Лондон. Его пижама была разложена на кровати, но он так в нее и не переоделся.
Изобретатель двигателя, названного его именем, размышлял о своих больших долгах и процентах по ним, которые он уже не мог выплачивать. В его дневнике этот день — 29 сентября — был помечен зловещим крестом: «X».
Перед тем, как отправиться на пароход, 55-летний Дизель собрал все наличные деньги и сложил их в сумку вместе с документами, из которых было ясно, насколько отчаянным оказалось его финансовое положение.
Он отдал сумку ничего не подозревавшей жене и велел открыть ее не раньше, чем через неделю.
Дизель вышел на палубу. Снял плащ и шляпу. Аккуратно сложил их на палубе. Посмотрел на воду. И прыгнул за борт.
Или не прыгнул? Любители конспирологии считают, что ему «помогли».
Но кто мог быть заинтересован в смерти бедного изобретателя? Есть две версии.
Для того, чтобы понять контекст, вернемся на тридцать лет назад, в 1872 год. Паровые двигатели уже широко применяются в промышленности, по железным дорогам бегают все более многочисленные паровозы, но в городах весь транспорт — по-прежнему на гужевой тяге.
Спрос на замену лошади
Осенью того года эпизоотия конского гриппа парализовала города Соединенных Штатов. Не на чем было подвозить товары в лавки, не на чем вывозить мусор.
В полумиллионном городе в те времена могло быть около ста тысяч лошадей. Каждая из них ежедневно орошала улицы 15 килограммами навоза и 4 литрами мочи.
Города остро нуждались в недорогом, надежном и небольшом двигателе, который заменил бы конную тягу.
Одним из кандидатов на эту роль был паровой двигатель: автомобили на паровой тяге конструировались один за другим.
Вторым был двигатель внутреннего сгорания. Первые его модели работали на газе, на бензине, даже на порохе. Но в семидесятых годах XIX века, когда Рудольф Дизель был студентом, оба этих типа двигателей были ужасно неэффективны, с КПД всего лишь около 10%.
Поворотным пунктом в жизни молодого Дизеля стала лекция о термодинамике в Королевском Баварском политехническом институте в Мюнхене, на которой он услышал, что двигатель внутреннего сгорания, преобразующий всю энергию тепла в полезную работу, теоретически возможен.
Автор фото, Alamy
Подпись к фото,Схема-рисунок двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Рудольфом Дизелем в 1887 году
Дизель взялся за претворение теории в жизнь.
И потерпел неудачу. КПД его первого двигателя составлял всего лишь 25%. КПД лучших из современных дизелей — более 50%.
Но даже 25% — это было в два с лишним раза лучше, чем у конкурентов.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания в цилиндре сжимается смесь воздуха и паров бензина, которая затем поджигается электрической искрой. В двигателе Дизеля сжимается только воздух, при этом его температура повышается настолько, что ее достаточно для воспламенения впрыскиваемого топлива.
При этом в дизеле чем сильнее сжатие, тем меньше нужно топлива, тогда как в двигателе с зажиганием слишком сильное сжатие приводит к сбою в работе.
Ненадежные моторы
Все автомобилисты знают о главном свойстве машин с дизельным мотором: они обычно дороже стоят, зато дешевле в эксплуатации.
К несчастью для Рудольфа Дизеля, его первые модели при всем их высоком КПД отличались ненадежностью. Недовольные покупатели завалили его требованиями о возврате денег.
Это и загнало изобретателя в финансовую яму, из которой он не смог выбраться.
Но он продолжал работать над своим двигателем и постепенно совершенствовал его.
Выявились другие преимущества двигателя Дизеля. Он может работать на более тяжелом, чем бензин, топливе — солярке, или, как сейчас его чаще называют, дизтопливе. Оно дешевле бензина и к тому же менее интенсивно испаряется, поэтому менее взрывоопасно.
В силу этого дизели стали особенно популярны у военных. Уже в 1904 году двигатели Рудольфа Дизеля были поставлены на французских подводных лодках.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Машины с дизельным двигателем дороже при покупке, но дешевле в эксплуатации
Здесь лежат корни первой конспирологической версии смерти Рудольфа Дизеля.
Европа, 1913 год, большая война все ближе и все неотвратимее — а тут немец, изобретатель нового двигателя, преследуемый финансовыми проблемами, отправляется в Британию.
Одна газета так и написала в заголовке: «Изобретателя сбросили в море, чтобы предотвратить продажу патентов британскому правительству».
Коммерческий потенциал изобретения Дизеля, однако, стал раскрываться только после Первой мировой. Первые дизельные грузовики появились в 1920-х годах, железнодорожные локомотивы — в 1930-х. К 1939 году уже четверть морских грузов в мире перевозили суда с дизельными установками.
После Второй мировой войны были созданы еще более мощные дизельные моторы, которые позволили строить суда все большего водоизмещения и все более экономно перевозить грузы. На топливо приходится около 70% себестоимости морских перевозок.
Пар или дизель?
Чешско-канадский ученый Вацлав Смил, например, считает, что если бы международная торговля оставалась привязана к паровым двигателям и не перешла на дизель, то она росла бы гораздо медленнее.
Британско-американский экономист Брайан Артур так не считает.
Он называет переход на двигатели внутреннего сгорания в течение последнего века проявлением «попадания в колею»: уже сделанные инвестиции и построенная инфраструктура заставляют человечество действовать в определенном коридоре, а если б с самого начала был выбран другой путь, то и на нем нашлись бы эффективные решения.
По мнению Брайана Артура, еще в 1914 году у паровых автомобильных двигателей перспективы были не хуже, чем у двигателей внутреннего сгорания — но растущее влияние нефтяной промышленности привело к тому, что в развитие ДВС стали вкладывать гораздо больше денег.
Если бы инвестиций было поровну, то, предполагает доктор Артур, мы бы сейчас вполне могли ездить на машинах с паровыми двигателями какого-нибудь очередного поколения.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Экспертименты Дизеля с арахисовым маслом предвосхитили современное развитие производства биотоплива
А если бы мировая экономика прислушалась к Рудольфу Дизелю, то, может быть, сейчас двигатели работали бы на арахисе.
Имя Дизеля сейчас ассоциируется с топливом из нефтепродуктов, но вообще-то он приспосабливал свой двигатель для работы с разными видами топлива, от угольной пыли до растительного масла. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже он продемонстрировал модель, работающую на арахисовом масле.
А за год до смерти, в 1912 году, Рудольф Дизель предсказывал, что растительное масло станет таким же важным видом топлива, как и нефтепродукты.
Владельцам арахисовых плантаций это предсказание наверняка понравилось, а владельцам нефтяных месторождений — не очень.
Отсюда — вторая конспирологическая версия смерти Дизеля. Другая газета по ее поводу написала: «Убит агентами нефтяных трестов».
Арахис против нефти
В последнее время в мире возрождается интерес к дизельному биотопливу. Оно меньше загрязняет атмосферу, но есть и проблема: оно занимает сельскохозяйственные угодья, а это ведет к повышению цен на продовольствие.
Во времена Рудольфа Дизеля это не выглядело большой проблемой: население Земли тогда было гораздо меньше, а климатические изменения не сильно беспокоили людей. Поэтому Рудольф Дизель, наоборот, мечтал, что его двигатель поможет развиваться бедным, аграрным странам.
Насколько иначе сейчас выглядел бы мир, если бы самыми ценными землями считались не те, где качают нефть, а те, где хорошо растет арахис? Мы можем только гадать.
Точно так же, как мы можем только гадать, что же в точности случилось с Рудольфом Дизелем.
Его тело было найдено в море рыбаками через десять дней. К тому времени оно настолько разложилось, что рыбаки не стали брать его на борт, но забрали личные вещи — кошелек, перочинный нож, футляр для очков.
Когда рыбаки добрались до берега, эти вещи опознал младший сын Дизеля. А тело изобретателя навсегда осталось в морских глубинах.
Method of generation a torque in hybrid and combined powerplants | Grabovskiy
The paper presents theoretical study of possible ways of torque generating in hybrid and combined powerplants with possible changes of efficiency and environmental indicators.
Известны способы формирования крутящего момента в гибридных силовых установках (ГСУ) (комбинированных энергетических установках (КЭУ)) как параллельный, последовательный и смешанный. При этом в ряде случаев в литературе термины «гибридный» и «комбинированный» воспринимаются как синонимы, что не позволяет четко разграничить отличия в способе формирования крутящего момента. Основываясь на энциклопедической трактовке терминов «гибрид» и «комбинация», можно дать определения гибридным и комбинированным силовым установкам (агрегатам). Гибридная силовая установка – это совокупность двух и более технологий преобразования энергии, объединенных между собой функционально для получения общего результата и конструктивно в виде единого нераздельного агрегата. В этом случае установка представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и интегрированную с ним электрическую машину, мотор-генератор (ИМГ), ротор (якорь) которого жестко установлен на коленчатом валу и выполняет функцию маховика (Хонда, ИСАД Системс).
ДВС при этом конструктивно не меняется, и его крутящий момент через сцепление, раздаточную коробку и карданные передачи передается на генератор или главные передачи мостов (осей) транспортного средства и генератор. В этом случае возможно формирование крутящего момента как раздельно от каждого источника, так и в комбинации. Из анализа каждого из способов также следует общий их недостаток – сложность оптимизации расхода топлива на различных режимах. Этот недостаток может быть устранен за счет частичного отключения цилиндров на режиме частичных и средних нагрузок и холостом ходу. Способ оптимизации расхода топлива в ДВС за счет отключения (деактивации) группы цилиндров многоцилиндрового двигателя, несмотря на свою новизну, специалистам известен и используется в двигателях известных фирм, таких как «Mercedes-Benz», осуществляющей отключение четырех цилиндров из восьми при движении с постоянной скоростью в населенном пункте или по среднескоростной магистрали; «Honda», осуществляющей отключение двух или трех цилиндров из шести в зависимости от режимов работы двигателя.
Так, например, в двигателе с непарным числом цилиндров, работающем по двухтактному циклу [3], применен так называемый «растянутый» порядок работы, обеспечивающий поочередный пропуск срабатывания цилиндров в зависимости от требуемой мощности на каждом обороте коленчатого вала (рисунок 1). Для трехцилиндрового двухтактного ДВС с порядком работы 1 – 2 – 3 при переходе на 50 % отбор мощности порядок работы станет 1 – 0 – 3 – 0 – 2 – 0, а на режиме холостого хода или работе ДВС в буферном режиме с ИМГ в гибридных или комбинированных силовых установках, при переходе на 10 – 25 % отбор мощности порядок работы станет 1– 0 – 0 – 0 – 2 – 0 – 0 – 0 – 3, где 0 – шаг пропуска между рабочими ходами, соответствующий 120° угла поворота коленчатого вала. Аналогичные схемы могут быть применены для всех типов двигателей, работающих как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу. Пример реализации ДИМ применительно к рядному четырехтактному ДВС с порядком работы 1 – 3 – 4 – 2 представлен в таблице 1.
Так, если после такта впуска в «пассивном» цилиндре впускной клапан оставить в открытом состоянии, то такт сжатия как таковой будет проходить при значительном снижении нагрузки, а выходящий из цилиндра воздух будет создавать подпор давления во впускном коллекторе, что благоприятно будет сказываться на наполняемости «активного» цилиндра на такте впуска. Если на третьем такте «пассивного» цилиндра (мнимый рабочий ход) впускной клапан оставить в открытом состоянии для наполнения цилиндра чистым воздухом и на четвертом такте (выпуска) выпустить его через выпускной клапан в выпускной коллектор при закрытом впускном клапане, то в этом случае происходит снижение концентрации вредных веществ в составе отработавших газов, выходящих из «активного» цилиндра. Рисунок 3. Алгоритм реализации ДИМ для четырехтактного рядного пятицилиндрового ДВС при 50 % мощности с управляемым ГРМ При реализации предлагаемой методики применительно к рядному пятицилиндровому четырехтактному ДВС при его переходе на ДИМ с отбором 50%-в мощности с алгоритмом, представленным на рисунке 3, на каждый такт впуска «активного» цилиндра приходится один такт выхода чистого воздуха во впускной коллектор «пассивного» цилиндра.
Данный алгоритм приемлем и может быть применим на всех существующих двигателях внутреннего сгорания. Таким образом, переход двигателя на дискретное изменение мощности в различных условиях эксплуатации с реализацией управляемого газораспределительного механизма как по значению фаз и их длительности, так и по состоянию «открыт-закрыт» позволит повысить эффективность работы ДВС в режиме ДИМ за счет улучшения наполняемости «активных» цилиндров вследствие повышения давления во впускном коллекторе, а также снизить концентрацию вредных веществ в составе отработавших газов. Процесс формирования крутящего момента в гибридных или комбинированных силовых агрегатах работающих по последовательной, параллельной или смешанной схеме должен обеспечиваться каждым из элементов схемы и каждый из элементов должен быть в готовности мгновенно включиться в работу. Готовность ДВС заключается в постоянстве его теплового режима на уровне предварительного или окончательного прогрева. Эта готовность достигается постоянством работы ДВС в любом из режимов формирования крутящего момента или при работе ДВС на холостом ходу. В процессе запуска и прогрева ДВС его работа происходит в обычном режиме с нормальным порядком работы двигателя. При достижении значения температуры охлаждающей жидкости, соответствующей предварительному прогреву (40-60º С), ДВС может быть переведен в режим ДИМ за счет организации растянутого порядка работы его цилиндров с отбором 15-20 % мощности в зависимости от типа двигателя. При этом может продолжаться дальнейший прогрев в режиме ДИМ или привод генератора для подзарядки тяговых накопителей энергии, или движение транспортного средства и работа силового агрегата по последовательной, параллельной или смешанной схеме и работа ДВС в обычном режиме. Формирование крутящего момента от тягового электродвигателя (интегрированного мотор-генератора (ИМГ)) предполагает работу ДВС в режиме ДИМ со значением мощности (крутящего момента), равной затратам на преодоление трения (момент сопротивления). При необходимости увеличения тягового усилия на колесах ДВС мгновенно включается в формирование крутящего момента в буферном режиме с тяговым электродвигателем (рисунок 4). Комбинированные силовые агрегаты, работающие по параллельной или смешанной схеме, несколько отличаются алгоритмом формирования крутящего момента, но варианты работы ДВС в различных режимах идентичны (рисунок 5). В гибридных силовых установках при свободной установке ротора ИМГ на коленчатом валу ДВС и его соединения с основным маховиком посредством фрикционной связи он выполняет функцию инерционного маховика. Это позволяет перевести двигатель в режим «стоп-старт» на запрещающем сигнале светофора или ожидании разрешающего сигнала на железнодорожном переезде. Возможен также переход на ДИМ с 20 %-м значением мощности в режиме холостого хода при параллельном формировании крутящего момента. Для гашения крутильных колебаний коленчатого вала интегрированный мотор-генератор между активными рабочими ходами используется как электродвигатель, а на такте расширения переходит в режим генератора. Рисунок 4. Режимы работы ДВС и схема формирования крутящего момента в гибридных силовых агрегатах Для запуска двигателя в данном случае целесообразно использовать кинетическую энергию вращающейся дополнительной инерционной массы (ротора ИМГ), свободно установленную параллельно основному маховику с возможностью соединения с последним при помощи фрикционной связи. Рисунок 5. Режимы работы ДВС и схема формирования крутящего момента в комбинированных силовых агрегатах При подъезде к перекрестку дополнительная инерционная масса вращается вместе с основным маховиком (маховиками). При остановке подается сигнал от автоматизированной системы управления (АСУ), по которому отсоединяется дополнительная инерционная масса и останавливается двигатель. Дополнительная инерционная масса продолжает вращаться, и при необходимости пуска двигателя от АСУ подается сигнал на подключение дополнительной инерционной массы к основному маховику, и за счет запасенной кинетической энергии осуществляется проворот коленчатого вала и запуск двигателя. При длительной остановке при заторах, пробках, на железнодорожных переездах возможно снижение частоты вращения дополнительной инерционной массы до критической частоты, при которой еще возможен запуск. При этом от АСУ поступает сигнал на запуск двигателя, который раскручивает дополнительную инерционную массу до определенной частоты и выключается. Далее при необходимости процесс запуска и остановки двигателя может повторяться в автоматическом режиме. Раскрутку дополнительной инерционной массы (ротора ИМГ) может осуществлять и аккумулятор. Энергия, отдаваемая аккумулятором при раскрутке маховика, сравнима с энергией запуска стартера, а отдаваемая мощность значительно меньше. Управление дополнительной инерционной массой осуществляется АСУ с использованием датчиков частоты вращения основного маховика и дополнительной инерционной массы. Водитель только подает команду, а АСУ выполняет ее в оптимальном варианте. Запуск двигателя и начало движения на разрешающий сигнал светофора осуществляется при нажатии водителем на педаль акселератора, которая связана с датчиком АСУ в любой момент времени при любой частоте вращения дополнительного маховика. В этом случае роль стартера при запуске ДВС может взять на себя также и ИМГ, а электродвигатель осуществить подкрутку ДВС при их работе в буферном режиме, т. е. в этом случае силовая установка становится гибридной, что позволит значительно снизить вредные выбросы при разгоне, а при торможении на запрещающий сигнал светофора ИМГ может быть использован в качестве генератора при рекуперации кинетической энергии движущихся масс транспортного средства. При расчете дополнительной инерционной массы применительно к двигателю ЗМЗ 405 получены следующие результаты. Составим дифференциальное уравнение вращательного движения маховика: . Зависимости для определения потерь на трение (Гулиа Н. В.,1976 г.), Н·см: Мтр = 0,5 m·gfd, где: m — вес маховика, Н; f = 0,002 – приведенный коэффициент трения; d — диаметр вала под подшипники, см; Мв — момент вентиляторных потерь, Н·см: Мв = 1,61·10-12·n1,7·р0,7(1+4,4L/D)·D4,4, где: n — частота вращения дополнительного маховика, мин-1; w = pn/30 угловая скорость, рад/с; р — давление среды в долях от атмосферного; L — ширина маховика, см; D — диаметр маховика, см. При массе дополнительного маховика m = 35 кг и моменте инерции I = 0,345 кгм2 получаем дифференциальное уравнение: . Решая это уравнение методом Рунге – Кутта, получаем, что частота вращения дополнительной инерционной массы, при которой возможен уверенный запуск двигателя, n0 = 930 об/мин, время свободного вращения дополнительной инерционной массы от начального числа оборотов n0 = 1300 об/мин составит 400 с. Используя различные компоновочные решения с применением к реальным двигателям, можно получить оптимальные параметры дополнительной инерционной массы для осуществления функции запуска двигателя. Кроме функции запуска двигателя, дополнительная инерционная масса может использоваться для более уверенного и плавного процесса трогания с места, так как увеличение момента инерции двигателя за счет подключения дополнительной инерционной массы повышает кинетическую энергию вращающихся деталей двигателя, которая тратится на осуществление процесса трогания автомобиля. Применение данной идеи на существующих двигателях затруднено из-за нарушения компоновки двигателя и трансмиссии, но вполне реально на вновь проектируемых двигателях нетрадиционных конструктивно-компоновочных схем. Выводы Эффект от использования предлагаемого технического решения состоит в том, что увеличивается производительность двигателя за счет уменьшения времени выхода на режим при переходе на полную мощность, повышаются экономические и экологические показатели, а также повышается надежность двигателя за счет исключения дополнительных механизмов. Уменьшение времени выхода на режим при переходе на полную мощность происходит за счет того, что тепловой режим процесса функционирования стабилизирован, это же обусловливает высокие экономические и экологические показатели. Надежность функционирования повышается за счет того, что данное техническое решение обеспечивает гарантированное включение в работу двигателя в любом из режимов отбора мощности, а также равномерный износ деталей цилиндропоршневой группы. Разработанный способ дискретного изменения мощности двигателей внутреннего сгорания является перспективным техническим решением, направленным на повышение экономических и экологических показателей, а его реализация актуальной практической задачей. Предложенная методика перехода от нормального порядка работы двигателя на «растянутый» порядок работы является работоспособной и обеспечивающей устойчивую работу ДВС в самых неблагоприятных условиях, когда на каждый «активный» цилиндр приходится несколько «пассивных». Разработанные способ и методика могут быть успешно реализованы на двигателях с более благоприятным сочетанием «активных» и «пассивных» цилиндров без изменения принципа работы газораспределительного механизма или с управляемыми фазами газораспределения и открывающимися впускными и выпускными клапанами с целью снижения насосных потерь, что приведет к повышению экономичности на режимах незначительных нагрузок и режиме холостого хода. Рекомендуется дальнейшее проведение исследований по предлагаемому способу с целью углубленного изучения процессов, протекающих в двигателе внутреннего сгорания при реализации ДИМ.- Пат. РФ № 2380562, МПК F02D 17/02. Способ дискретного изменения мощности ДВС / Грабовский А.А. – № 2008104241; заявл. 04.02.2008; опубл. 27.02.2010. Бюл. № 3.
- Грабовский А.А. Дискретное изменение мощности двигателей внутреннего сгорания / А.А. Грабовский // Известия МГТУ «МАМИ». – 2009. – № 2 (8). – 317 с.
- Пат. РФ № 2146010, МПК 7 F 02В 61/06, В 60К 5/06. Двигатель внутреннего сгорания / Грабовский А.А. – № 97119891; заявл. 03.12.1997; опубл. 27.02.2000. Бюл. № 6.
- Пат. РФ № 2473818, МПК F02В 75/32. Способ дискретного изменения мощности ДВС /Грабовский А.А. Заявка № 2010146522 Приор. 15.11.10 г. Опубл. 27. 01. 13 г. Бюл. № 3.
Views
Abstract — 1
PDF (Russian) — 0
Cited-By
Article Metrics
Двигатель внутреннего сгорания | Физика
Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3 %) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.
Наибольшее распространение среди них получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н. Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя — четырехтактный.
Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 г. немецким изобретателем Г. Даймлером. Примерно в это же время бензиновый двигатель был разработан и О. С. Костовичем в России. Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.
Современный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания изображен на рисунке 88. Поршни, находящиеся внутри цилиндров двигателя, соединены с коленчатым валом 1. На этом валу укреплен тяжелый маховик 2. В верхней части каждого цилиндра имеется два клапана: один из них называется впускным, другой — выпускным. Через первый из них горючая смесь попадает в цилиндр, а через второй продукты сгорания топлива уходят наружу.
Принцип действия одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания иллюстрирует рисунок 89.
1-й такт — впуск. Открывается клапан 1. Клапан 2 закрыт. Движущийся вниз поршень 3 засасывает в цилиндр горючую смесь.
2-й такт — сжатие. Оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
3-й такт — рабочий ход. Оба клапана закрыты. Когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи 4. В результате сгорания смеси образуются раскаленные газы, давление которых составляет 3—6 МПа, а температура достигает 1600—2200 °С. Сила давления этих газов толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше по инерции, обеспечивая тем самым перемещение поршня и при последующих тактах.
4-й такт — выпуск. Открывается клапан 2. Клапан 1 закрыт. Поршень движется вверх. Продукты сгорания топлива уходят из цилиндра и через глушитель (на рисунке не показан) выбрасываются в атмосферу.
Мы видим, что в одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается лишь во время третьего такта. В четырехцилиндровом двигателе (см. рис. 88) поршни укреплены таким образом, что во время каждого из четырех тактов один из них находится в стадии рабочего хода. Благодаря этому коленчатый вал получает энергию в 4 раза чаще. При этом увеличивается мощность двигателя и в лучшей степени обеспечивается равномерность вращения вала.
Частота вращения вала у большинства двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3000 до 7000 оборотов в минуту, а в некоторых случаях достигает 15 000 оборотов в минуту и более.
В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.
Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешевых видах топлива и имеют КПД 31—44 % (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30 %). В настоящее время они применяются на тракторах, тепловозах, теплоходах, танках, грузовиках, передвижных электростанциях.
Судьба самого изобретателя нового двигателя оказалась трагической. 29 сентября 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Талантливый инженер бесследно исчез. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К- Бенца. Громоздкие и трудноуправляемые паровые автомобили стали вытесняться новыми машинами. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.
В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд (США). Через 11 лет его автомобили (рис. 90) были запущены в массовое производство.
В 1908 г. автомобили начали производить на Русско-Балтийском заводе в Риге. Один из первых русских автомобилей «Руссо-Балт» показан на рисунке 91.
Важную роль в развитии и распространении нового вида транспорта сыграли автомобильные гонки, которые стали устраиваться с 1894 г. В первой из них средняя скорость автомобилей составляла лишь 24 км/ч. Однако уже через пять лет она достигла 70 км/ч, а еще через пять лет— 100 км/ч.
После 1900 г. началось производство специальных гоночных автомобилей. С каждым годом их скорость возрастала. В 60-х гг. скорость автомобилей с поршневым двигателем превысила 600 км/ч, а после установки на автомобиле газотурбинного двигателя она перевалила за 900 км/ч. Наконец, в 1997 г. Э. Грин (Великобритания) на своем ракетном автомобиле «Траст SSC» достиг скорости 1227,985 км/ч, что превысило скорость звука в воздухе!
1. Опишите принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Из каких тактов состоит каждый его рабочий цикл? 2. Какую роль в двигателе играет маховик? 3. Чем отличается дизельный двигатель внутреннего сгорания от карбюраторного? 4. Кто создал первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?
Топливный конвертер для двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»
Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы, вання первичного топлива на 90… 140% выше электроприводных компрессоров), компактность, возможность создания автономных моноблочных установок, отсутствие ограничений на давления всасывания и нагнетания, возможность создания высокотемпературных тепловых насосов.
3 6 4
-с—Контур рабочего вещества (11744)
———Контур воздуха на продувку
-с—Контур продуктов сгорания
» Контур теплоносителя (ИНТ и ИВТ)
Рисунок 7 — Схема теплонасосной установки на базе свободнопоршневого дизель-компрессора: 1 — свободно-поршневой двигатель, 2 — турбокомпрессор от серийного дизеля, 3 — конденсатор, 4 — испаритель, 5 — котел-утилизатор, 6 — дроссель-вентиль
Аналоги: тепловые насосы на базе центробежных компрессоров мощностью до 30 МВт и максимальной температурой нагрева 75 °С.
Состав проведенных работ: Научно-технический отчет «Свободнопоршневые двигатели в теплонасосных установках», НПФ «ЭКИП», 2010г.
Предложение: разработка дизель-компрессоров приводной мощностью 100 кВт и 900 кВт, разработка тепловых насосов мощностью до 37 МВт на их базе.
Топливный конвертер для двигателя внутреннего сгорания
к.т.н. Гончаров Д.В., к.т.н. доц. Беляевский М.Ю.
Университет машиностроения
Аннотация. Предложен топливный конвертор, позволяющий экономить топливо, использовать низкооктановый бензин и снизить токсичность отработавших газов до уровня международных стандартов ЕВРО-4
Ключевые слова: топливный конвертор, ДВС.
Для осуществления наиболее полного сгорания углеводородного горючего до конечных продуктов — СОг и НгО необходимо условие, которое гарантировало бы завершение химических реакций с полным тепловыделением в зоне пламени (камере сгорания). Оно выполняется в гомогенных газовых смесях. Нарушение этого условия и есть источник потерь тепла (в основном, выделяющегося в заключительной реакции окисления СО в СО2) и токсичности продуктов неполного сгорания.
Попытки улучшить и стабилизировать образование топливовоздушной смеси, например в карбюраторном двигателе внутреннего сгорания (ДВС), предпринимались многими исследователями. Так, в патенте 1455028 А1 СССР предлагалось производить испарение и нагревание жидкого топлива до температуры 200°С теплотой отработавших газов. Частицы распыленного углеводородного топлива вступают в реакцию с отработавшими газами, кото-
Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы рая протекает по уравнению:
т
С„Нт + пС02 <-> 2пС0 + — Н2 — Qp ,
2
где: Qp — тепловой эффект реакции, кДж/моль.
Поглощаемая теплота переходит во внутреннюю энергию образующихся СО и Н2, теплотворная способность которых выше исходного углеводородного топлива.
Таким образом, при сгорании СО и Н2 (совместно с подаваемым в цилиндры основным углеводородным топливом) выделяется и превращается в полезную работу тепла, которое было затрачено в процессе осуществления термохимических реакций.
Аналогичный способ подготовки топливовоздушной смеси в ДВС рассмотрен в патенте 2076232 С1 РФ. В данном случае при предварительном испарении жидкого топлива в потоке воздуха часть тяжелых неиспарившихся капель удаляется обратно в испаритель.
Следует отметить, что указанные способы подготовки топливовоздушной смеси недостаточно эффективны. Температура отработавших газов на выходе из камеры сгорания примерно 750°С. Но уже на выхлопном коллекторе температура отработавших газов резко падает до 150 — 200°С. Тогда как для полного испарения и частичного разложения жидкого углеводородного топлива необходима температура 350 — 400°С. Достижение такой температуры требует дополнительных изменений в системе подготовки топливовоздушной смеси, а также дополнительных энергозатрат.
Американскими исследователями (патенты 3828736, 4147142) были разработаны устройства для подготовки топливовоздушной смеси, обеспечивающие конверсию жидкого углеводородного сырья, а также частичное сжигание жидкого углеводородного топлива с газом, содержащим кислород, в реакционной камере в присутствии катализатора с подачей получаемого потока в цилиндры ДВС.
В некоторых исследованиях предлагалось, что в результате реакции окисления топлива температура повысится. Однако реакция разложения топлива идет с поглощением теплоты и при температуре, превышающей температуру воспламенения смеси (более 850 °С), достижение которой упомянутые способы не предусматривают.
Основная проблема, с которой связаны процессы конверсии жидкого углеводородного топлива, прежде всего каталитические процессы, проводимые при повышенных температурах (t = 600 — 850 °С), заключается в образовании углеродистых отложений в реакционной камере [19, 23].
C8Hi8 —КА1Л—> С + nCnh3n+2 + nCnh3n
Отложения кокса или сажистого углерода на стенках реакционной камеры, а также на поверхности катализатора, находящегося в реакционной камере, снижают теплопередачу, способны вызвать перепады давления и в конечном итоге снижают общую эффективность реакции. Подобным образом, отложения кокса или сажистого углерода на катализаторах снижают их эффективность, что влечет за собой снижение степени превращения (конверсии) жидкого углеводородного топлива или селективности получаемого продукта.
Отложение кокса на катализаторах и стенках реакционной камеры обычно является более значимой проблемой в процессах переработки тяжелого углеводородного сырья. Относительная нелетучесть молекул повышает вероятность конденсации в порах катализатора или на реакторных стенках, а после реакций конденсации, сопровождающихся образованием кокса, такие реакции, как полимеризация и дегидрогенизация, ускоряются. Кроме того, нефтяное топливо содержит относительно большие количества молекул, принадлежащих к ароматическому ряду (бензол, толуол, ксилол и т.д.). Им свойственно низкое соотношение водород/углерод, и они способны действовать в качестве центров кристаллизации при коксовании вследствие реакций полимеризации. Когда углеродистое отложение достигает недопустимого уровня, катализатор полностью выходит из строя, и поэтому срок годности катализатора небольшой.
Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы.
Необходимо заметить, что стоимость таких катализаторов высокая, при этом расход топлива увеличивается, а наличие воспламенительных устройств в ряде способов подготовки топливовоздушной смеси — опасно.
Добавка отработавших газов к топливовоздушной смеси и использование в системе подготовки их теплоты дают незначительный экономический и экологический эффект.
Наиболее подходящим по технологическим, экономическим и экологическим показателям способ подготовки топливовоздушной смеси — это способ, основанный на термоокислительной конверсии при помощи топливного конвертора (патент 2008495 РФ).
Рисунок 1 — Схема экспериментальной установки
Предлагаемый способ не требует использования дорогостоящих катализаторов, воспламенителей, горелок, отработавших газов и т.п. Способ заключается в том, что формируются два потока топливовоздушной смеси, один из которых обогащается в дозаторе-смесителе 7 ниже предела воспламенения, нагревается в многоканальном теплообменнике 1 с теплоизоляцией 2, а затем этот поток проходит через активатор 11 (реакционная зона реактора 12). В реакционной зоне протекают экзотермические реакции термоокислительного разложения обогащенной топливовоздушной смеси, в результате образуются газообразные углеводороды, водород, диоксид и монооксид углерода. Затем этот газообразный поток смешивается со вторым потоком, который прошел по традиционной схеме через карбюратор. Эти два потока образуют «новую» топливовоздушную смесь, которая поступает в камеру сгорания ДВС (рисунок 1).
Предлагаемая система подготовки топливовоздушной смеси имеет также выходной 3 и входной 4 трубопроводы, трубопроводы для подачи: воздуха 6 и топлива 8. Дозатор — смеситель 7 соединен смесительным патрубком 9 с каналом подогрева топливовоздушной смеси в теплообменнике 1. Устройство имеет орган регулирования количества обрабатываемой смеси 10.
Активатор представляет собой нагревательный элемент с постоянной температурой поверхности.
Высокомолекулярные углеводороды превращаются в низкомолекулярные (метан, этан, этилен, ацетилен, пропан, пропилен, изо- и н-бутан), моно- и диоксид углерода, водород: C8Hi8 + m02 -> mCnh3n+2 + mCnh3n + mCO + mC02 +mh3
Смесь полученных углеводородных газов, имеющая достаточно высокое октановое
Раздел 6. Инженерная экология и смежные вопросы
число (см. таблицу 1), поступает во впускной коллектор двигателя, где смешивается с обедненной топливовоздушной смесью, питающей ДВС. В результате общее октановое число то-пливовоздушной смеси значительно повышается.
Таблица 1
Октановые числа индивидуальных веществ, определенные исследовательским
способом
№№ Наименование Октановое число
1 Водород (Н2) 90
2 Метан (СН4) 125
3 Этан (С2Н6) 125
4 Этилен (С2Н4) 120
5 Ацетилен (С2Н2) 115
6 Пропан (С3Н8) 125
7 Пропилен (С2Н6) 115
8 н-Бутан (п-С4Ню) 91
9 Изобутан (¡-С4Н,„) 93
10 Изобутилен (¿-С4Н8) 99
11 н-Пентан (11-С5Н2) 61
12 Изопентан (¿-СзНз) 93
В таблице 2 представлены результаты исследований детонационной стойкости автомобильных бензинов разных марок и авиакеросина с применением макетного образца топливного конвертора. Исследования проводились в НИИ-25 МО РФ на установке УИТ-65, предназначенной для определения октановых чисел по ГОСТ 511-82.
Таблица 2
Топливо Октановое число, ед.
ГОСТ Работа без конвертора Работа с конвертором
Прямогонный бензин 59 54 106
Бензин А-76 76 69 >105
Бензин АИ-92 92 85 >110
Авиакеросин ТС-1 31.8 25 52
Необходимо отметить, что при испытании ДВС с топливным конвертором на бензине АИ-92 содержание СО и СИ в отработавших газах было на порядок ниже (СО — 0,25%, СИ -0,05%), чем при испытании ДВС без конвертора (СО — 2,5%, СИ — 1,0%)
Расчетное исследование эффективности использования топливного конвертора для бензиновых автомобильных ДВС показало, что полученная бензовоздушная смесь с октановым число более 105 позволит форсировать двигатель ВАЗ 2106 по крутящему моменту наддувом до жк = 1.72 (приводной центробежный компрессор с охлаждением наддувочного воздуха), увеличит степень сжатия 8 с 8.5 до 11 единиц, что с одновременным уменьшением угла опережения зажигания позволяет обеспечить бездетонационную работу во всем диапазоне режимов с приростом мощности 56 кВт (90 %) — на максимальном режиме. Удельный эффективный расход топлива при этом уменьшается на 17 г/кВт*ч, т.е. 5-7%. Средняя температура поршня на максимальном режиме превысит уровень безнаддувного варианта на 58°С, а максимальное давление цикла возрастает в 2 раза (до 105* 105 Па).
Увеличение коэффициента избытка воздуха а свыше 1 вызывает снижение удельного эффективного расхода топлива от 1 до 3 г/кВт*ч на каждую десятую часть единицы (0.1) от увеличения а.
Предлагаемый топливный конвертор позволяет экономить топливо, использовать низкооктановый бензин и снизить токсичность отработавших газов до уровня международных стандартов ЕВРО-4: СХНУ (0,08%), СО (0,7%) и Ж)х (0,07%)
Двигатель внутреннего сгорания рисунок с подписями. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. По рабочему циклу
Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принципы работы
04.04.2017
Двигателем внутреннего сгорания называется разновидность тепловой машины, которая преобразует энергию, содержащуюся в топливе, в механическую работу. В большинстве случае используется газообразное или жидкое топливо, полученное путем переработки углеводородов. Извлечение энергии происходит в результате его сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд недостатков. К ним относятся следующие:
- сравнительно большие массогабаритные показатели затрудняют их перемещение и сужают сферу использования;
- высокий уровень шума и токсичные выбросы приводят к тому, что устройства, работающие от двигателей внутреннего сгорания, могут лишь со значительными ограничениями использоваться в закрытых, плохо вентилируемых помещениях;
- сравнительно небольшой эксплуатационный ресурс вынуждает довольно часто ремонтировать двигатели внутреннего сгорания, что связано с дополнительными затратами;
- выделение в процессе работы значительного количества тепловой энергии обуславливает необходимость создания эффективной системы охлаждения;
- из-за многокомпонентной конструкции двигатели внутреннего сгорания сложны в производстве и недостаточно надежны;
- данный вид тепловой машины отличается высоким потреблением горючего.
Несмотря на все перечисленные недостатки двигатели внутреннего сгорания пользуются огромной популярностью, в первую очередь – благодаря своей автономности (она достигается за счет того, что топливо содержит в себе значительно большее количество энергии по сравнению с любой аккумуляторной батареей). Одной из основных областей их применения является личный и общественный транспорт.
Типы двигателей внутреннего сгорания
Когда речь идет о двигателях внутреннего сгорания, следует иметь в виду, что на сегодняшний день существует несколько их разновидностей, которые отличаются друг от друга конструктивными особенностями.
1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются тем, что сгорание топлива происходит в цилиндре. Именно он отвечает за преобразование той химической энергии, которая содержится в горючем, в полезную механическую работу. Чтобы добиться этого, поршневые двигатели внутреннего сгорания оснащаются кривошипно-ползунным механизмом, с помощью которого и происходит преобразование.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания принято делить на несколько разновидностей (основанием для классификации служит используемое ими топливо).
В бензиновых карбюраторных двигателях образование топливовоздушной смеси происходит в карбюраторе (первый этап). Далее в дело вступают распыляющие форсунки (электрические или механические), местом расположения которых служит впускной коллектор. Готовая смесь бензина и воздуха поступает в цилиндр.
Там происходит ее сжатие и поджиг с помощью искры, которая возникает при прохождении электричества между электродами специальной свечи. В случае с карбюраторными двигателями топливовоздушной смеси присуща гомогенность (однородность).
Бензиновые инжекторные двигатели используют в своей работе иной принцип смесеобразования. Он основан на непосредственном впрыске горючего, которое напрямую поступает в цилиндр (для этого используются распыляющие форсунки, называемые также инжектором). Таким образом, образование топливовоздушной смеси, как и ее сгорание, осуществляется непосредственно в самом цилиндре.
Дизельные двигатели отличаются тем, что используют для своей работы особую разновидность топлива, называемую «дизельное» или просто «дизель». Для его подачи в цилиндр используется высокое давление. По мере того, как в камеру сгорания подаются все новые порции горючего, прямо в ней происходит процесс образования топливовоздушной смеси и ее моментальной сгорание. Поджиг топливовоздушной смеси происходит не с помощью искры, а под действием нагретого воздуха, который подвергается в цилиндре сильному сжатию.
Топливом для газовых двигателей служат различные углеводороды, которые при нормальных условиях пребывают в газообразном состоянии. Из этого следует, что для их хранения и использования требуется соблюдать особые условия:
- Сжиженные газы поставляются в баллонах различного объема, внутри которых с помощью насыщенных паров создается достаточное давление, но не превышающее 16 атмосфер. Благодаря этому горючее находится в жидком состоянии. Для его перехода в пригодную для сжигания жидкую фазу используется специальное устройство, называемое испарителем. Понижение давления до уровня, который примерно соответствует нормальному атмосферному давлению, осуществляется в соответствии со ступенчатым принципом. В его основе лежит использование так называемого газового редуктора. После этого топливовоздушная смесь поступает во впускной коллектор (перед этим она должна пройти через специальный смеситель). В конце этого достаточно сложного цикла горючее подается в цилиндр для последующего поджига, осуществляемого с помощью искры, которая возникает при прохождении электричества между электродами специальной свечи.
- Хранение сжатого природного газа осуществляется при гораздо более высоком давлении, которое находится в диапазоне от 150 до 200 атмосфер. Единственное конструктивное отличие данной системы от той, что описана выше, заключается в отсутствии испарителя. В целом принцип остается тем же.
Генераторный газ получают путем переработки твердого топлива (угля, горючих сланцев, торфа и т.п.). По своим основным техническим характеристикам он практически ничем не отличается от других видов газообразного топлива.
Газодизельные двигатели
Данная разновидность двигателей внутреннего сгорания отличается тем, что приготовление основной порции топливовоздушной смеси осуществляется аналогично газовым двигателям. Однако для ее поджига используется не искра, получаемая при помощи электрической свечи, а запальная порция топлива (ее впрыск в цилиндр осуществляется тем же способом, как и в случае с дизельными двигателями).
Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания
К данному классу относится комбинированная разновидность данных устройств. Ее гибридный характер находит свое отражение в том, что конструкция двигателя включает в себя сразу два важных конструктивных элемента: роторно-поршневую машину и одновременно — лопаточную машину (она может быть представлена компрессором, турбиной и т.д.). Обе упомянутых машины на равных принимают участие в рабочем процессе. В качестве характерного примера таких комбинированных устройств можно привести поршневой двигатель, оснащенный системой турбонаддува.
Особую категорию составляют двигатели внутреннего сгорания, для обозначения которых используется английская аббревиатура RCV. От других разновидностей они отличаются тем, что газораспределение в данном случае основывается на вращении цилиндра. При совершении вращательного движения топливо по очереди проходит выпускной и впускной патрубок. Поршень отвечает за движение в возвратно-поступательном направлении.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания: циклы работы
Для классификации поршневых двигателей внутреннего сгорания также используется принцип их работы. По данному показателю двигатели внутреннего сгорания делятся на две большие группы: двух- и четырехтактные.
Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используют в своей работе так называемый цикл Отто, который включает в себя следующие фазы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Следует добавить, что рабочий ход состоит не из одного, как остальные фазы, а сразу из двух процессов: сгорание и расширение.
Наиболее широко применяемая схема, по которой осуществляется рабочий цикл в двигателях внутреннего сгорания, состоит из следующих этапов:
1. Пока происходит впуск топливовоздушной смеси, поршень перемещается между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). В результате этого внутри цилиндра освобождается значительное пространство, в которое и поступает топливовоздушная смесь, заполняя его.
Всасывание топливовоздушной смеси осуществляется за счет разности давления, существующего внутри цилиндра и во впускном коллекторе. Толчком к поступлению топливовоздушной смеси в камеру сгорания служит открытие впускного клапана. Этот момент принято обозначать термином «угол открытия впускного клапана» (φа).
При этом следует иметь в виду, что в цилиндре на этот момент уже содержаться продукты, оставшиеся после сгорания предыдущей порции горючего (для их обозначения используется понятие остаточных газов). В результате их смешения с топливовоздушной смесью, называемой на профессиональном языке свежим зарядом, образуется рабочая смесь. Чем успешнее протекает процесс ее приготовления, тем более полно сгорает топливо, выделяя при этом максимум энергии.
В результате растет кпд двигателя. В связи с этим еще на этапе конструирования двигателя особое внимание уделяется правильному смесеобразованию. Ведущую роль играют различные параметры свежего заряда, включая его абсолютную величину, а также удельную долю в общем объеме рабочей смеси.
2. При переходе к фазе сжатия оба клапана закрываются, а поршень совершает движение в обратном направлении (от НМТ к ВМТ). В результате надпоршневая полость заметно уменьшается в объеме. Это приводит к тому, что содержащаяся в ней рабочая смесь (рабочее тело) сжимается. За счет этого удается добиться того, что процесс сгорания топливовоздушной смеси протекает более интенсивно. От сжатия также зависит такой важнейший показатель, как полнота использования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании горючего, а следовательно – и эффективность работы самого двигателя внутреннего сгорания.
Для увеличения этого важнейшего показателя конструкторы стараются проектировать устройства, обладающие максимально возможной степенью сжатия рабочей смеси. Если мы имеем дело с ее принудительным зажиганием, то степень сжатия не превышает 12. Если же двигатель внутреннего сгорания работает на принципе самовоспламенения, то упомянутый выше параметр обычно находится в диапазоне от 14 до 22.
3. Воспламенение рабочей смеси дает старт реакции окисления, которая происходит благодаря кислороду воздуха, входящему в ее состав. Этот процесс сопровождается резким ростом давления по всему объему надпоршневой полости. Поджиг рабочей смеси осуществляется при помощи электрической искры, которая имеет высокое напряжение (до 15 кВ).
Ее источник располагается в непосредственной близости от ВМТ. В этой роли выступает электрическая свеча зажигания, которую вворачивают в головку цилиндра. Однако в том случае, если поджиг топливовоздушной смеси осуществляется посредством горячего воздуха, предварительно подвергнутого сжатию, наличие данного конструктивного элемента является излишним.
Вместо него двигатель внутреннего сгорания оснащается особой форсункой. Она отвечает за поступление топливовоздушной смеси, которая в определенный момент подается под высоким давлением (оно может превышать 30 Мн/м²).
4. При сгорании топлива образуются газы, которые имеют очень высокую температуру, а потому неуклонно стремятся к расширению. В результате поршень вновь перемещается от ВМТ к НМТ. Это движение называется рабочим ходом поршня. Именно на этом этапе происходит передача давления на коленчатый вал (если быть точнее, то на его шатунную шейку), который в результате проворачивается. Этот процесс происходит при участии шатуна.
5. Суть завершающей фазы, которая называется впуском, сводится к тому, что поршень совершает обратное движение (от НМТ к ВМТ). К этому моменту открывается второй клапан, благодаря чему отработавшие газы покидают внутреннее пространство цилиндра. Как уже говорилось выше, части продуктов сгорания это не касается. Они остаются в той части цилиндра, откуда поршень их не может вытеснить. За счет того, что описанный цикл последовательно повторяется, достигается непрерывный характер работы двигателя.
Если мы имеем дело с одноцилиндровым двигателем, то все фазы (от подготовки рабочей смеси до вытеснения из цилиндра продуктов сгорания) осуществляется за счет поршня. При этом используется энергия маховика, накапливаемая им в течение рабочего хода. Во всех остальных случаях (имеются в виду двигатели внутреннего сгорания с двумя и более цилиндрами) соседние цилиндры дополняют друг друга, помогая выполнять вспомогательные ходы. В связи с этим из их конструкции без малейшего ущерба может быть исключен маховик.
Чтобы было удобнее изучать различные двигатели внутреннего сгорания, в их рабочем цикле вычленяют различные процессы. Однако существует и противоположный подход, когда сходные процессы объединяют в группы. Основой для подобной классификации служит положение поршня, которое он занимает в отношении обеих мертвых точек. Таким образом, перемещения поршня образуют тот отправной пункт, отталкиваясь от которого, удобно рассматривать работу двигателя в целом.
Важнейшим понятием является «такт». Им обозначают ту часть рабочего цикла, которая укладывается во временной промежуток, когда поршень перемещается от одной смежной мертвой точки к другой. Такт (а вслед за ним и весь соответствующий ему ход поршня) называется процессом. Он играет роль основного при перемещении поршня, которое происходит между двумя его положениями.
Если переходить к тем конкретным процессам, о которых мы говорили выше (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск), то каждый из них четко приурочен к определенному такту. В связи с этим в двигателях внутреннего сгорания принято различать одноименные такты, а вместе с ними – и ходы поршня.
Выше мы уже говорили о том, что наряду с четырехтактными существуют и двухтактные двигатели. Однако независимо от количества тактов рабочий цикл любого поршневого двигателя состоит из пяти упомянутых выше процессов, а в его основе лежит одна и та же схема. Конструктивные особенности в данном случае не играют принципиальной роли.
Дополнительные агрегаты для двигателей внутреннего сгорания
Важный недостаток двигателя внутреннего сгорания заключается в достаточно узком диапазоне оборотов, в котором он способен развивать значительную мощность. Чтобы компенсировать этот недостаток, двигатель внутреннего сгорания нуждается в дополнительных агрегатах. Самые важные из них – стартер и трансмиссия.
Наличие последнего устройства не является обязательным условием лишь в редких случаях (когда, к примеру, речь идет о самолетах). В последнее время все привлекательнее становится перспектива создать гибридный автомобиль, чей двигатель мог бы постоянно сохранять оптимальный режим работы.
К дополнительным агрегатам, обслуживающим двигатель внутреннего сгорания, относится топливная система, которая осуществляет подачу горючего, а также выхлопная система, необходимая для того, чтобы отводить отработавшие газы.
Автомобильные двигатели чрезвычайно разнообразны. Технология, которая применяется при разработке и запуске в производство силовых агрегатов, имеет богатую историю. Требования современности вынуждают производителей ежегодно внедрять в свои проекты доработки и модернизировать имеющиеся технологии.
Двигатель внутреннего сгорания имеет устройство и принцип работы, способный обеспечивать высокую мощность и длительный период эксплуатации — от пользователя требуется только минимально необходимое обслуживание и своевременный мелкий ремонт.
При первом взгляде сложно представить, как работает двигатель: слишком много взаимосвязанных механизмов собранно в одном небольшом пространстве. Но при детальном изучении и анализе связей в этой системе работа двигателя автомобиля оказывается предельно простой и понятной.
В состав двигателя автомобиля входит ряд узлов, имеющих важное значение и обеспечивающих выполнение рабочих функций всей системы .
Блок цилиндров иногда называют корпусом или рамой всей системы. Описание двигателя не обходится без изучения данного элемента конструкции. Именно в этой части мотора обустроена система связанных каналов, предназначеных для смазки и создания необходимой температуры двигателя внутреннего сгорания.
Верхняя часть корпуса поршня имеет каналы для колец. Сами поршневые кольца подразделяются на верхние и нижние. Исходя из выполняемых функций, данные кольца называют компрессионными. Крутящий момент двигателя определяется прочностью и работой рассмотренных элементов.
Нижние кольца поршня играют важную роль для обеспечения ресурса двигателя. Нижние кольца выполняют 2 роли: сохраняют герметичность камеры сгорания и являются уплотнителями, которые предотвращают проникновение масла внутрь камеры сгорания.
Двигатель автомобиля представляет собой систему, в которой осуществляется передача энергии между механизмами с минимальными потерями ее величины на различных этапах. Поэтому кривошипно-шатунный механизм становится одним из важнейших элементов системы. Он обеспечивает передачу возвратно-поступательной энергии от поршня на коленвал.
В целом, принцип работы двигателя достаточно прост и претерпел мало фундаментальных изменений за период существования. В этом просто нет необходимости — некоторые усовершенствования и оптимизации позволяют достигать лучших результатов в работе. Концепция же всей системы неизменна.
Крутящий момент двигателя создается за счет выделяемой при сгорании топлива энергии, которая передается от камеры сгорания к колесам по соединительным элементам. В форсунках топливо передается в камеру сгорания, где происходит его обогащение воздухом. Свеча зажигания создает искру, которая мгновенно воспламеняет образовавшуюся смесь. Так происходит небольшой взрыв, который обеспечивает работы двигателя.
В результате такого действия происходит образования большого объема газов, стимулируя к совершению поступательных движений. Так формируется крутящий момент двигателя. Энергия от поршня передается на коленвал, который передает движение на трансмиссию, а после этого, специальная система шестеренок переносит движение на колеса.
Порядок работы работающего двигателя незатейлив и при исправных связующих элементах гарантирует минимальные потери энергии. Схема работы и строение каждого механизма основаны на преобразовании созданного импульса в практически используемый объем энергии. Ресурс двигателя определяется износостойкостью каждого звена.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Двигатель легкового автомобиля выполняется в виде одного из типов систем внутреннего сгорания. Принцип действия двигателя может отличаться по некоторым показателям, что служит основой для разделения моторов на различные типы и модификации.
В качестве определяющих параметров, служащих для разделения силовых агрегатов на категории, служат:
- рабочий объем,
- количество цилиндров,
- мощность системы,
- скорость вращения узлов,
- применяемое для работы топливо и др.
Разобраться в том, как работает двигатель, просто. Но по мере изучения всплывают новые показатели, которые вызывают вопросы. Так, часто можно встретить разделение двигателей по числу тактов. Что это такое и как влияет на работу машины?
Устройство двигателя автомобиля основано на четырехтактовой системе. Эти 4 такта равны по времени — за весь цикл поршень дважды поднимается вверх в цилиндре и дважды опускается вниз. Такт берет начало в тот момент, когда поршень находится в верхней или нижней части. Механики называют эти точки ВМТ и НМТ — верхняя и нижняя мертвые точки соответственно.
Такт № 1 — впуск. По мере движения вниз, поршень втягивает в цилиндр наполненную топливом смесь. Работа системы происходит при открытом клапане впуска. Мощность двигателя автомобиля определяется количеством, размерами и временем, которое клапан открыт.
В отдельных моделях работа педали газа увеличивает период нахождения клапана в открытом состоянии, что позволяет увеличить объем топлива, попадающего в систему. Такое устройство двигателей внутреннего сгорания обеспечивает сильное ускорение работы системы.
Такт № 2 — сжатие. На этом этапе поршень начинает свое движение вверх, что приводит к сжатию полученной в цилиндр смеси. Она сживается ровно до объемов камеры сгорания топлива. Эта камера представляет собой пространство между верхней частью поршня и верхом цилиндра в момент нахождения поршня в ВМТ. Клапаны впуска в этот момент работы прочно закрыты.
От плотности закрытия зависит качество сжатия смеси. Если сам поршень, или цилиндр, или кольца поршней потерты и не в надлежащем состоянии, то качество работы и ресурс двигателя значительно снизятся.
Такт № 3 — рабочий ход. Этот этап начинается с ВМТ. Система зажигания гарантирует воспламенение топливной смеси и обеспечивает выделение энергии. Происходит взрыв смеси, при котором высвобождается энергия. И за счет увеличения объема происходит выталкивание поршня вниз. Клапаны при этом закрыты. Технические характеристики двигателя во многом зависят от протекания третьего такта работы мотора.
Такт № 4 — выпуск. Окончание цикла работы. Движение поршня вверх обеспечивает выталкивание газов. Таким образом, осуществляется вентиляция цилиндра. Этот такт важен для обеспечения ресурса двигателя.
Двигатель имеет принцип работы, основанный на распределении энергии от взрывов газов, требует внимания к созданию всех узлов.
Работа двигателя внутреннего сгорания циклична. Вся энергия, которая создается в процессе выполнения работы на всех 4 тактах работы поршней, направляется на организацию работы автомобиля.
Варианты конструкций внутреннего двигателя
Характеристика двигателя зависит от особенностей его конструкции. Внутреннее сгорание — основной тип физического процесса, протекающего в системе мотора на современных автомобилях. За период развития машиностроения успешно реализовано несколько типов ДВС.
Устройство бензинового двигателя разделяет систему на 2 типа — инжекторные двигатели и карбюраторные модели. Также в производстве есть несколько типов карбюраторов и систем впрыска. Основа работы — сжигание бензина.
Характеристика бензинового двигателя выглядит предпочтительнее. Хотя для каждого пользователя есть свои личные приоритеты и преимущества от работы каждого двигателя. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания является одним из самых распространенных в современном автомобилестроении. Порядок работы мотора прост и не отличается от классической интерпретации.
Дизельные двигатели основаны на применении подготовленного дизельного топлива. Оно попадает в цилиндры через форсунки. Главное преимущество дизельного двигателя заключается в отсутствии необходимости электричества для сжигания топлива. Оно требуется только для запуска двигателя.
Газовый двигатель применяет для работы сжиженные и сжатые газы, а также некоторые другие типы газов.
Узнать какой ресурс у двигателя на вашем авто лучше всего у производителя. Примерную цифру разработчики озвучивают в сопроводительных документах на транспортное средство. Здесь содержится вся актуальная и точная информация о моторе. В паспорте вы узнаете технические параметры мотора, сколько весит двигатель и всю информацию о движущем агрегате.
Срок службы двигателя зависит от качества обслуживания, интенсивности использования. Заложенный разработчиком срок эксплуатации подразумевает внимательное и бережное отношение с машиной.
Что значит двигатель? Это ключевой элемент в автомобиле, который призван обеспечить его движение. Надежность и точность работы всех узлов системы гарантирует качество движения и безопасность эксплуатации машины.
Характеристики двигателей различаются в широких пределах, несмотря на то. Что принцип внутреннего сгорания топлива остается неизменным. Так разработчикам удается удовлетворять потребности покупателей и реализовывать проекты по улучшению работы автомобилей в целом.
Средний ресурс двигателя внутреннего сгорания составляет несколько сотен тысяч километров. При таких нагрузках от всех составных частей системы требуется прочность и точная совместная работа. Поэтому известная и детально изученная концепция внутреннего сгорания постоянно подвергается доработкам и внедрениям новых подходов.
Ресурс двигателей различается в широком диапазоне. Порядок работы, при этом, общий (с небольшими отклонениями от стандарта). Несколько может различаться вес двигателя и отдельные характеристики.
Современный двигатель внутреннего сгорания имеет классическое устройство и досконально изученный принцип работы. Поэтому механикам не составляет труда решить любую проблему в кратчайшие сроки.
Ремонтные работы усложняются в том случае, если поломка не была устранена сразу. В таких ситуациях порядок работы механизмов может, нарушен окончательно и потребуется серьезная работа по восстановлению. Ресурс двигателя после грамотного ремонта не пострадает.
Каждому, водителю интересно и необходимо знать, как устроен автомобиль, что такое ДВС в машине, из чего состоит двигатель автомобиля и каков у ДВС ресурс.
Отличие двигателей внутреннего сгорания от двигателей внешнего сгорания
ДВС называется так именно потому, что топливо сжигается внутри рабочего органа (цилиндра), промежуточный теплоноситель, например пар, здесь не нужен, как это организовано в паровозах. Если рассматривать паровой двигатель и двигатель, но уже внутреннего сгорания автомобиля, устройство их сходно, это очевидно (на рисунке справа паровой двигатель, слева – ДВС).
Принцип работы одинаков: на поршень, действует какая-то сила. От этого поршень вынужден двигаться вперед или назад (возвратно-поступательно). Эти движения при помощи специального механизма (кривошипного) преобразуются во вращение (колеса у паровоза и коленчатого вала «коленвала» у автомобиля). В двигателях внешнего сгорания нагревается вода, превращаясь в пар, и уже этот пар совершает полезную работу толкая поршень, а в ДВС мы нагреваем воздух внутри (непосредственно в цилиндре)и он (воздух) двигает поршень. От этого коэффициент полезного действия, у ДВС, конечно, выше.
История создания ДВС
История гласит, что первый работающий двигатель внутреннего сгорания коммерческого использования, то есть выпускаемый для продажи, был разработан французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель работал на светильном газе в смеси с воздухом. Причем именно он догадался поджигать эту смесь путем электрической искры. Только в 1864 году документально зафиксирована продажа более 310 таких двигателей. На этом он разбогател. Жан Этьен Ленуар потерял интерес к изобретательству и вскоре(в 1877 году) его моторы были вытеснены более совершенными, на тот момент, двигателями Отто, изобретателя из Германии. Донат Банки (венгерский инженер) в 1893 году произвел настоящую революцию в двигателестроении. Он изобрел карбюратор. С этого момента история не знает бензиновых двигателей без этого устройства. И так продолжалось около 100 лет. На смену ему пришла система непосредственного впрыска, но это уже новейшая история.
Все первые двигатели внутреннего сгорания были только одноцилиндровыми. Увеличение мощности велось путем увеличения диаметра рабочего цилиндра. Только к концу 19-го века появились ДВС с двумя цилиндрами, а в начале 20-го века – четырехцилиндровые. Теперь, повышение мощности производилось уже путем увеличения числа цилиндров. На сегодняшний день можно встретить автомобильный двигатель в 2-мя, 4-мя, 6-ю цилиндрами. Реже 8 и 12. Некоторые спортивные автомобили имеют 24 цилиндра. Расположение цилиндров может быть как рядным, так и V-образным.
Вопреки расхожему мнению ни Готлиб Даймлер, ни Карл Бенц, ни Генри Форд устройство двигателя автомобиля не изменяли кардинально (разве что мелкие доработки), но оказали огромное влияние в автомобилестроение как таковое. Что такое ДВС в авто мы сейчас и рассмотрим.
Общее устройство двигателя внутреннего сгорания
Итак, ДВС состоит из корпуса, в котором все остальные детали монтируются. Чаще всего это блок цилиндров.
На данном рисунке показан один цилиндр без блока. Устройство ДВС направлено на максимально комфортные условия для цилиндров, ведь именно в них производится работа. Цилиндр, это металлическая (чаще всего стальная) труба, в которой двигается поршень. Он обозначен на рисунке цифрой 7. Над цилиндром устанавливается головка цилиндра 1, в которую вмонтированы клапана (5 – впускной и 4 — выпускной), а также свеча зажигания 3 и коромысла 2.
Над клапанами 4 и 5 есть пружины, которые удерживают их в закрытом состоянии. Коромысла при помощи толкателей 14 и распределительного вала 13 открывают клапана в определенный момент (тогда, когда это необходимо). Распределительный вал с кулачками вращается от коленвала 11 через приводные шестерни 12.
Движения поршня 7 преобразуются во вращение коленвала 11 при помощи шатуна 8 и кривошипа. Этим кривошипом служит «колено» на валу (смотри рисунок), именно поэтому вал и называется коленчатым. В связи с тем, что воздействие на поршень происходит не постоянно, а только когда в цилиндре горит топливо. У ДВС есть маховик 9, довольно массивный. Маховик как бы запасает энергию вращения и отдает ее при необходимости.
В любом двигателе много трущихся деталей, для их смазывания используют автомобильное масло. Масло это хранится в картере 10 и специальным насосом подается к трущимся деталям.
Синим цветом, показаны детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Голубым – смесь топлива и воздуха. Серым – свеча зажигания. Красным – выхлопные газы.
Принцип работы ДВС
Разобрав двигатель внутреннего сгорания, его устройство, необходимо уяснить, как взаимодействуют его детали, как он работает. Знать строение еще не все, а вот как взаимодействуют механизмы, в чем преимущество дизельных автомобилей и в чем их недостатки для начинающих (для чайников) очень важно.
Ничего сложного в этом нет. Пошаговым рассмотрением процессов мы постараемся рассказать, как взаимодействуют между собой основные части двигателя при работе. Из какого материала выполнены механические составляющие ДВС.
Все автомобильные двигатели работают на одном принципе: сжигание бензина или дизельного топлива. Для чего? Для получения необходимой нам энергии, конечно. Двигатели автомобилей, иногда говорят – моторы, могут быть двухтактными и четырехтактными. Тактом считается движение поршня либо вверх, либо вниз. Говорят еще от верхней мертвой точки (ВМТ), до нижней (НМТ). Мертвой эта точка называется потому, что поршень как бы замирает на мгновение и начинает движение в обратную сторону.
Итак, в двухтактном двигателе весь процесс (или цикл) происходит за 2 хода поршня, в четырехтактном – за 4. И совершенно не важно, бензиновый это двигатель, дизельный или работающий на газу.
Как ни странно, рассказывать принцип работы лучше на 4-х тактном бензиновом карбюраторном двигателе.
Первый такт — всасывание.
Поршень идет вниз и затягивает за собой смесь из воздуха и топлива. Эта смесь готовится в отдельном устройстве – в карбюраторе. При этом впускной, его еще называют «всасывающий» клапан, конечно, открыт. На рисунке он показан синим.
Следующий, второй такт – сжатие смеси.
Поршень поднимается вверх от НМТ до ВМТ. При этом растет давление и, естественно, температура над поршнем. Но этой температуры недостаточно, для того, чтобы смесь самовоспламенилась. Для этого служит свеча. Она выдает искру в нужный момент. Обычно это 6…8 угловых градусов не доходя до ВМТ. Для начала понимания процесса можно предположить, что искра зажигает смесь точно в верхней точке.
Третий такт – расширение продуктов сгорания.
При сгорании столь энергоемкого топлива, продуктов сгорания в цилиндре очень мало, а вот усилие появляется только потому, что воздух нагрелся при повышении температуры, а значит, расширился, в нашем случае увеличил давление. Именно это давление и совершает нужную работу. Нужно знать, что нагревая воздух на 273 0С, получаем увеличение давления практически в 2 раза. Температура зависит от того сколько топлива сжечь. Максимальная температура внутри рабочего цилиндра может достигать 2500 0С при работе ДВС на полной мощности.
Четвертый такт последний.
После него опять будет первый. Поршень направляется от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт. Цилиндр очищается, выбрасывая все что сгорело, и что не сгорело, в атмосферу.
Что касается дизельного двигателя, то все основные детали с карбюраторным практически одинаковы. Ведь и тот и другой, это двигатель внутреннего сгорания. Исключение составляет смесеобразование. В карбюраторном смесь готовится отдельно, в том самом карбюраторе. А вот в дизельном – смесь готовиться непосредственно в цилиндре, перед сжиганием. Топливо (солярка) подается специальным насосом в определенный момент времени. Зажигание смеси происходит от самовоспламенения. Температура внутри цилиндра в дизеле гораздо выше, чем в карбюраторном ДВС. По этой причине детали там детали мощнее и система охлаждения лучше. Необходимо отметить, что, несмотря на высокую температуру внутри цилиндра, рабочая температура двигателя никогда не повышается выше 90…95 0С. Иногда, детали дизельных двигателей делают из более твердого металла, что позволяет снизить массу, но увеличивает цену ДВС. Однако, коэффициент полезного действия (КПД) в дизельном двигателе выше. То есть он более экономичен и дороговизна деталей себя окупает.
У дизельного ДВС ресурс выше, если соблюдать правила эксплуатации. Особенно часто механизмы дизелей выходят из строя из-за плохого топлива.
Схема работы дизельного двигателя представлена на рисунке слева. В третьем такте подача топлива показана в момент ВМТ, хотя это и не совсем так.
Системы ДВС обеспечивающие их работоспособность практически одинаковы: система смазки, топливная система, система охлаждения и система газообмена. Есть еще несколько, но они не относятся к главным.
Глядя на устройство любого двигателя внутреннего сгорания можно подумать, что все детали выполнены из стали. Это далеко не так. Корпуса бывают и чугунные и выполненные из алюминиевого сплава, а вот поршни из чугуна не делают, они либо стальные, либо из высокопрочного алюминиевого сплава. Зная общее устройство данного двигателя внутреннего сгорания и условия работы его деталей, очевидно, что и клапана и головку цилиндра нужно делать прочными, поскольку они должны выдерживать давление внутри цилиндра более 100 атмосфер. А вот поддон, где собирается масло не несет на себе особой механической нагрузки и выполняется из тонкой листовой стали или алюминия.
Характеристики ДВС
Когда говорят об автомобиле, то обычно, в первую очередь отмечают двигатель внутреннего сгорания, не его устройство, а его мощность. Она (мощность) измеряется как обычно (по-старинке) в лошадиных силах или (по-современному) киловаттах. Безусловно, чем больше мощность, тем быстрее автомобиль набирает скорость. И в принципе экономичность тем выше, тем двигатель машины более мощный. Однако, это только тогда, когда двигатель постоянно работает на номинальных (экономически оправданных) оборотах. Но на малых скоростях (при неиспользовании полной мощности) КПД сильно падает и если на номинальных режимах дизельный двигатель имеет 40…42% КПД, то на малых только 7%. Бензиновый двигатель не может похвастаться даже этим. Использование полной мощности позволяет экономить топливо. По этой причине расход топлива на 100 километров в малолитражных автомобилях ниже. Этот показатель может составлять и 5 и даже 4 л/100 км. Расход у мощных внедорожников может составлять и 10 и даже 15 л/100 км.
Еще одним показателем для автомобилей является разгон от 0 км/час до 100 км/час. Конечно, чем мощнее двигатель, тем быстрее разгон автомобиля, но про экономичность при этом говорить вообще не приходится.
Итак, двигатель внутреннего сгорания устройство которого Вы теперь знаете, совсем не кажется сложным. И на вопрос «ДВС – что это такое?» Вы можете ответить «Это то, что я знаю».
Двигатель автомобиля может выглядеть как большая запутанная мешанина металлических частей, трубок и проводов для непосвященных. В то же время двигатель — это «сердце» почти любого автомобиля — 95% всех машин работают на двигателе внутреннего сгорания.
В этой статье мы обсудим работу двигателя внутреннего сгорания: его общий принцип, изучим конкретные элементы и фазы работы двигателя, узнаем, как именно потенциальная топлива преобразуется во вращательную силу, и постараемся ответить на следующие вопросы: как работает двигатель внутреннего сгорания, какие бывают двигатели и их типы и что означают те или иные параметры и характеристики двигателя? И, как всегда, всё это просто и доступно, как дважды два.
Главная цель бензинового двигателя автомобиля заключается в преобразовании бензина в движение, чтобы Ваш автомобиль мог двигаться. В настоящее время самый простой способ создать движение от бензина — это попросту сжечь его внутри двигателя. Таким образом, автомобильный «движок» является двигателем внутреннего сгорания — т.е. сгорание бензина происходит внутри него.
Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания. Дизельные двигатели являются одной из форм, а газотурбинные — совсем другой. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Ну, как Вы заметите, раз существует двигатель внутреннего сгорания, то должен существовать и двигатель внешнего сгорания. Паровой двигатель в старомодных поездах и пароходах как раз таки и является лучшим примером двигателя внешнего сгорания. Топливо (уголь, дерево, масло, любое другое) в паровой машине горит вне двигателя для создания пара, и пар создаёт движение внутри двигателя. Разумеется, двигатель внутреннего сгорания является намного более эффективным (как минимум потребляет гораздо меньше топлива на километр пути автомобиля), чем внешнего сгорания, кроме того, двигатель внутреннего сгорания намного меньше по размерам, чем эквивалентный по мощности двигатель внешнего сгорания. Это объясняет, почему мы не видим ни одного автомобиля, похожего на паровоз.
А теперь давайте посмотрим более подробно, как же работает двигатель внутреннего сгорания.
Давайте рассмотрим принцип, лежащий в любом возвратно-поступательном движении двигателя внутреннего сгорания: если Вы поместите небольшое количество высокоэнергичного топлива (например, бензина) в небольшое закрытое пространство и зажжёте его (это топливо), то выделится невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать эту энергию, к примеру, для приведения в движение картофелины. В этом случае энергия преобразуется в движение этой картофелины. Например, если Вы в трубу, у которой один конец плотно закрыт, а другой — открыт, нальёте немного бензина, а затем засунете картофелину и подожжёте бензин, то его взрыв спровоцирует приведение в движение этой картофелины за счёт выдавливания её взрывающимся бензином, таким образом, картофелина подлетит высоко в небо, если Вы направите трубу вверх. Это мы кратко описали принцип действия старинной пушки. Но Вы также можете использовать такую энергию бензина в более интересных целях. Например, если Вы можете создать цикл взрывов бензина в сотни раз в минуту, и если Вы сможете использовать эту энергию в полезных целях, то знайте, что у Вас уже есть ядро для двигателя автомобиля!
Почти все автомобили в настоящее время используют то, что называется четырёхтактным циклом сгорания для преобразования бензина в движение. Четырёхтактный цикл также известен как цикл Отто — в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Итак, вот они, эти 4 такта работы двигателя:
- Такт впуска топлива
- Такт сжатия топлива
- Такт сгорания топлива
- Такт выпуска отработавших газов
Вроде бы уже всё понятно из этого, не так ли? Вы можете посмотреть ниже на рисунке, что элемент, который называется поршень, заменяет картошку в описанной нами ранее «картофельной пушке». Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна. Только не пугайтесь новых терминов — их, на самом деле не так много в принципе работы двигателя!
На рисунке буквами обозначены следующие элементы двигателя:
A — Распределительный вал
B — Крышка клапанов
C — Выпускной клапан
D — Выхлопное отверстие
E — Головка цилиндра
F — Полость для охлаждающей жидкости
G — Блок двигателя
H — Маслосборник
I — Поддон двигателя
J — Свеча зажигания
K — Впускной клапан
L — Впускное отверстие
M — Поршень
N — Шатун
O — Подшипник шатуна
P — Коленчатый вал
Вот что происходит, когда двигатель проходит свой полный четырёхтактный цикл:
- Начальное положение поршня — в самом верху, в этот момент открывается впускной клапан, и поршень движется вниз, таким образом, засасывая в цилиндр приготовленную смесь бензина и воздуха. Это такт впуска. Всего лишь крошечная капля бензина должна смешаться с воздухом, чтобы всё это работало.
- Когда поршень достигает своей нижней точки, то впускной клапан закрывается, а поршень начинает перемещаться обратно вверх (бензин оказывается в «западне»), сжимая эту смесь из топлива и воздуха. Сжатие впоследствии сделает взрыв мощнее.
- Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания испускает искру, порождённую напряжением более десятка тысяч Вольт, чтобы зажечь бензин. Происходит детонация, и бензин в цилиндре взрывается, с невероятной силой толкая поршень вниз.
- После того, как поршень снова достигает дна своего хода, настаёт очередь открываться выпускному клапану. Затем поршень движется вверх (это происходит уже по инерции) и отработавшая смесь бензина и воздуха выходит через выхлопное отверстие из цилиндра, чтобы отправиться в своё путешествие до выхлопной трубы и далее в верхние слои атмосферы.
Теперь, когда клапан снова в самом верху, двигатель готов к следующему циклу, так что он всасывает следующую порцию смеси воздуха и бензина, чтобы ещё сильнее раскрутить коленчатый вал, который, собственно и передаёт своё кручение далее через трансмиссию к колёсам. Теперь посмотрите ниже, как работает двигатель во всех своих четырёх тактах.
Более наглядно работу двигателя внутреннего сгорания Вы можете увидеть на двух анимациях ниже:
Как работает двигатель — анимация
Обратите внимание, что движение, которое создаётся работой двигателя внутреннего сгорания, является вращением, в то время как движение, создаваемое «картофельной пушкой», является линейным (прямым). В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение нам нужно, потому что мы планируем повернуть наши колёса автомобиля.
Теперь давайте посмотрим на все части, которые работают вместе в дружной команде, чтобы это произошло, начиная с цилиндров!
Ядром двигателя является цилиндр с поршнем, который двигается вверх и вниз внутри цилиндра. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Казалось бы, что ещё нужно для автомобиля?! А вот и нет, автомобилю для комфортной езды на нём нужны по меньшей мере ещё 3 таких цилиндра с поршнями и всеми необходимыми этой парочке атрибутами (клапанами, шатунами и так далее), а вот один цилиндр подойдёт разве что для большинства газонокосилок. Посмотрите — ниже на анимации Вы увидите работу 4-хцилиндрового двигателя:
Типы двигателей
Автомобили чаще всего имеют четыре, шесть, восемь и даже десять, двенадцать и шестнадцать цилиндров (последние три варианта устанавливают, в основном на спортивные автомобили и болиды). В многоцилиндровом двигателе все цилиндры, как правило, расположены одним из трёх способов:
- Рядный
- V-образный
- Оппозитный
Вот они — все три типа расположения цилиндров в двигателе:
Рядное расположение 4-х цилиндров
Оппозитное расположение 4-х цилиндров
V-образное расположение 6 цилиндров
Различные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения вибрации, стоимости производства и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более подходящими для использования некоторых конкретных транспортных средств. Так, 4-хцилиндровые двигатели редко имеет смысл делать V-образными, таким образом, они обычно рядные; а 8-цилиндровые двигатели делают чаще с V-образным расположением цилиндров.
Теперь давайте наглядно посмотрим, как работает система впрыска топлива, масло и другие узлы в двигателе:
Давайте рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя более подробно:
А теперь внимание! На основе всего прочитанного посмотрим на полный цикл работы двигателя со всеми его элементами:
Полный цикл работы двигателя
Почему двигатель не работает?
Допустим, Вы выходите утром к машине и начинаете её заводить, но она не заводится . Что может быть не так? Теперь, когда Вы знаете, как работает двигатель, можно понять основные вещи, которые могут помешать двигателю завестись. Три фундаментальные вещи могут случиться:
- Плохая топливная смесь
- Отсутствие сжатия
- Отсутствие искры
Да, есть ещё тысячи незначительных вещей, которые могут создать проблемы, но указанная «большая тройка» является чаще всего следствием или причиной одной из них. На основе простого представления о работе двигателя мы можем составить краткий список того, как эти проблемы влияют на двигатель.
Плохая топливная смесь может быть следствием одной из причин:
- У Вас попросту закончился в баке бензин, и двигатель пытается завестись от воздуха.
- Воздухозаборник может быть забит, поэтому в двигатель поступает топливо, но ему не хватает воздуха, чтобы сдетонировать.
- Топливная система может поставлять слишком много или слишком мало топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.
- В топливе могут быть примеси (а для российского качества бензина это особенно актуально), которые мешают топливу полноценно гореть.
Отсутствие сжатия — если заряд воздуха и топлива не могут быть сжаты должным образом, процесс сгорания не будет работать как следует. Отсутствие сжатия может происходить по следующим причинам:
- Поршневые кольца изношены (позволяя воздуху и топливу течь мимо поршня при сжатии)
- Впускные или выпускные клапаны не герметизируются должным образом, снова открывая течь во время сжатия
- Появилось отверстие в цилиндре.
Отсутствие искры может быть по ряду причин:
- Если свечи зажигания или провод, идущий к ним, изношены, искра будет слабой.
- Если провод повредился или попросту отсутствует или если система, которая посылает искру по проводу, не работает должным образом.
- Если искра происходит либо слишком рано или слишком поздно в цикле, топливо не будет зажжено в нужное время, и это может вызвать всевозможные проблемы.
И вот ещё ряд причин, по которым двигатель может не работать, и здесь мы затронем некоторые детали за пределами двигателя:
- Если аккумулятор мёртв, Вы не сможете прокрутить двигатель, чтобы запустить его.
- Если подшипники, которые позволяют коленчатому валу свободно вращаться, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться, поэтому двигатель не сможет работать.
- Если клапаны не открываются и не закрываются в нужное время или не работают вообще, воздух не сможет войти, а выхлопы — выйти, поэтому двигатель опять-таки не сможет работать.
- Если кто-то из хулиганских побуждений засунул картошку в выхлопную трубу, выпускные газы не смогут выйти из цилиндра, и двигатель снова не будет работать.
- Если в двигателе недостаточно масла, то поршень не сможет двигаться вверх и вниз свободно в цилиндре, что затруднит или сделает невозможным нормальную работу двигателя.
В правильно работающем двигателе все эти факторы находятся в пределах допуска. Как Вы можете видеть, двигатель имеет ряд систем, которые помогают ему сделать свою работу преобразования топлива в движение безупречной. Мы же рассмотрим различные подсистемы, используемые в двигателях, в следующих разделах.
Большинство подсистем двигателя может быть реализована с использованием различных технологий, и лучшие технологии могут значительно повысить производительность двигателя. Вот почему развитие автомобилестроения продолжается высочайшими темпами, ведь конкуренция среди автоконцернов достаточно велика, чтобы вкладывать большие деньги в каждую дополнительно выжатую лошадиную силу из двигателя при том же объёме. Давайте посмотрим на различные подсистемы, используемые в современных двигателях, начиная с работы клапанов в двигателе.
Как работают клапаны?
Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом . Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.
Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками . Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).
Как работает система зажигания?
Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.
Как работает охлаждение?
Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует через проходы (каналы) вокруг цилиндров, а затем проходит через радиатор, чтобы тот её максимально охладил. Однако, существуют такие модели автомобилей (в первую очередь Volkswagen Beetle (Жук)), а также большинство мотоциклов и газонокосилок, которые имеют двигатель с воздушным охлаждением. Вы вероятно, видел такие двигатели с воздушным охлаждением, сбоку которых расположены эдакие плавники — ребристая поверхность, украшающие снаружи каждый цилиндр, чтобы помочь рассеять тепло.
Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но горячее, и как правило, уменьшается срок службы двигателя и общая производительность. Так что теперь Вы знаете, как и почему Ваш двигатель остаётся не перегретым.
Как работает пусковая система?
Повышение производительности Вашего двигателя является большим делом, но важнее то, что именно происходит, когда Вы поворачиваете ключ, чтобы запустить его ! Пусковая система состоит из стартера с электродвигателем. Когда Вы поворачиваете ключ зажигания, стартер крутит двигатель на несколько оборотов, чтобы процесс горения начал свою работу, и остановить его смог только поворот ключа в обратную сторону, когда перестаёт подаваться искра в цилиндры, и двигатель, таким образом, глохнет.
Стартер же имеет мощный электродвигатель, который вращает холодный двигатель внутреннего сгорания. Стартер — это всегда довольно мощный и, следовательно, «кушающий» ресурсы аккумулятора двигатель, ведь должен преодолеть:
- Всё внутреннее трение, вызванное поршневыми кольцами и усугубляющееся холодным непрогретым маслом.
- Давление сжатия любого цилиндра (цилиндров), которое происходит в процессе такта сжатия.
- Сопротивление, оказываемое открытием и закрытием клапанов распределительным валом.
- Все иные процессы, непосредственно связанные с двигателем, в том числе сопротивление водяного насоса, масляного насоса, генератора и т.д.
Мы видим, что стартеру необходимо очень много энергии. Автомобиль чаще всего использует 12-вольтовую электрическую систему, и сотни ампер электричества должны поступать в стартер.
Как работает впрыск и смазочная система?
Когда дело доходит ежедневного обслуживания автомобиля, Ваша первая забота, вероятно, состоит в проверке количества бензина в Вашем автомобиле. А как бензин попадает из топливного бака в цилиндры? Топливная система двигателя высасывает бензин из бака с помощью топливного насоса, который находится в баке, и смешивает его с воздухом так, чтобы надлежащая смесь воздуха и топлива могла протекать в цилиндры. Топливо поставляется в одном из трёх распространённых способов: карбюратор, впрыск топлива и система непосредственного впрыска топлива.
Карбюраторы на сегодняшний день сильно устарели, и их не помещают в новые модели автомобилей. В инжекторном двигателе нужное количество топлива впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо прямо в впускной клапан (впрыск топлива) или непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск топлива).
Масло также играет важную роль. Идеально и правильно смазанная система гарантирует, что каждая подвижная часть в двигателе получает масло так, что она может легко перемещаться. Две главные части, нуждающиеся в масле — это поршень (а, точнее, его кольца) и любые подшипники, которые позволяют таким элементам, как коленчатый и другие валы, свободно вращаться. В большинстве автомобилей масло всасывается из масляного поддона масляным насосом, проходит через масляный фильтр для удаления частиц грязи, а затем брызгается под высоким давлением на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает в отстойник, где снова собирается, и цикл повторяется.
Система выпуска отработавших газов
Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.
Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора . Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле,
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:
- КШМ – кривошипно-шатунный механизм.
- ГРМ – механизм регулировки фаз газораспределения.
- Система смазки.
- Система охлаждения.
- Система подачи топлива.
- Выхлопная система.
Также к системам ДВС относятся электрические системы пуска и управления двигателем.
КШМ – кривошипно-шатунный механизм
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).
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)
- 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 .
- 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 питания
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.
Конкурс рисунка «Космический спорт»
ПРИГЛАШАЕМ К УЧАСТИЮ В КОНКУРСЕ ДЕТСКОГО РИСУНКА «КОСМИЧЕСКИЙ СПОРТ», ПОСВЯЩЕННЫЙ ДНЮ ЗАЩИТЫ ДЕТЕЙ.
Дорогой участник, представь себя на пороге новой космической эры. Наше будущее так или иначе связано с космосом. Каким, по твоему мнению, будет образ жизни людей за пределами планеты Земля? И каким будет спорт в необъятном космическом пространстве? У тебя есть отличная возможность пофантазировать на тему «Космический спорт».
Может это будет космический теннис с магнитными ракетками, лунные лыжи, плавание в космическом бассейне или фехтование на лазерных мечах. Давайте вместе выразим свои фантазии творчески, став участником конкурса «Космический спорт»!
КАК ПРИНЯТЬ УЧАСТИЕ:
-от 3 до 6 лет (включительно)
-от 7 до 10 лет (включительно)
-от 11 до 14 лет (включительно)
Количество участников не ограниченно!
Нарисовать рисунок любыми творческими материалами на предложенную тему.
Отсканировать или сфотографировать рисунок и отправить на нашу почту [email protected] (формат файла jpeg), в письме написать название своего рисунка или краткое описание своей творческой идеи, ОБЯЗАТЕЛЬНО также написать ФИО участника и возраст, контактный номер телефона одного из родителей.
Дождаться решения жюри конкурса.
СРОКИ ПРОВЕДЕНИЯ КОНКУРСА:
с 25 мая по 15 июня включительно!
с 15 до 30 июня — подведение итогов конкурса.
Награждение 1 июля.
КАКИЕ НАГРАДЫ ЖДУТ УЧАСТНИКОВ:
Главный приз — экскурсионная поездка в центр подготовки космонавтов (ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина). А также книги с подписью российского летчика-космонавта С. Н. Рязанского.
Лучшие работы будут опубликованы на нашем сайте и в социальных сетях @sportcosmos.
С подробным ПОЛОЖЕНИЕМ конкурса вы сможете ознакомиться https://www.sportcosmos.ru/polojeniekonkursa
Улучшение пусковых качеств двигателей внутреннего сгорания при отрицательных температурах — Автокон
Вопросам влияния эксплуатационных факторов и режимов работы на ресурс автотракторных двигателей посвящено большое число исследований.
Так при низких температурах воздуха в процессе пуска холодных двигателей возрастает износ цилиндров и поршневых колец. Основной причиной интенсификации износа при этом является нарушение условий смазки, а также возникновение электрохимической коррозии. Последняя особо активизирует процесс износа при падении температуры охлаждающей жидкости ниже 60-70°С [1].
Испытаниями установлено, что при холодной проточной воде и частых пусках в сравнении с нормальными условиями работы износ цилиндров и поршневых колец возрастает в 2-4 раза.
Эксплуатация автотракторной техники с частыми остановками и пусками, а также переключениями передач значительно снижают долговечность двигателя за счет попадания обогащенной смеси на стенки цилиндров, смывающей смазку. Последнее способствует интенсификации коррозионно-механического износа.
Особое влияние на ресурс двигателей оказывают применяемые в эксплуатации смазочные масла – их физико-химические свойства и стабильность этих свойств в процессе эксплуатации, а так же при изменении температуры. При высоких температурах свыше 150°С ускоряется процесс окисления и старения масел.
Вязкость масла должна быть достаточно высокой для создания защитных пленок на поверхностях сопряжений в условиях малых скоростей и повышенных нагрузок. В то же время вязкость масел ограничивается требованиями обеспечения хорошего отвода тепла от поверхностей трения и низкого коэффициента трения при высоких скоростях в режиме гидродинамического трения [2].
В настоящее время найдены эффективные пути решения этой задачи. Разработана технология получения на поверхностях трибосопряжений квазикристаллического молекулярного слоя. Формирование такого слоя происходит за счет адсорбции амфифильных молекул с перфторированным радикалом из раствора, где роль растворителя выполняет смазочное масло [3].
Т.е. такой молекулярный слой является модификатором поверхности, предающей ей такие уникальные свойства, как снижение износа и коэффициента трения, антикоррозионную стойкость, защиту поверхности в случае отсутствия смазки, а также снизить адгезию смазки к поверхностям трибосопряжений.
Соединения, обладающие способностью влиять на свойства поверхности, в дальнейшем «Модификатор», называются поверхностно-активными веществами и относятся к наноматериалам [4].
Важные значения для получения качественной защитной молекулярной пленки имеет концентрация «Модификатора» в смазочной среде.
Для этой цели были изготовлены растворы различной концентрации, где в качестве растворителя использовалось летучее вещество типа хладон.
В раствор были помещены металлические пластины, после выдержки и сушки были произведены замеры краевого угла смачивания. Результаты зависимости краевого угла смачивания для воды и масла представлены на рис. 1.
Рисунок 1 – Зависимость краевого угла смачивания от концентрации «Модификатора»
Как следует из приведенных на рисунке данных, при концентрации «Модификатора» 0,5÷1,0% происходит образование насыщенного молекулярного слоя.
Оценка прочности молекулярных пленок проводилась в соответствии с методикой НИИЧаспрома по величине краевого угла смачивания капли масла МН-60 ГОСТ 8781-71.
Порядок проведения эксперимента.
- Металлические пластины (3 шт.) с шероховатостью поверхности Rz 0,1 (материал — У10А) были промыты моющим средством «Арсек» ТУ 38.504-63-0292-92, просушены, затем были промыты трихлорэтиленом и просушены.
- На приготовленные пластины были нанесены капли масла МН-60 и замерены краевые углы смачивания. Краевой угол равен порядка 25°.
- На металлические пластины методом окунания согласно методике «НИИЧаспрома» были нанесены молекулярные пленки, после чего пластины были высушены в термошкафу при температуре 40°С в течение 30 минут.
- На каждую пластину были поставлены капли масла МН-60 маслодозировкой № 6 и измерены краевые углы смачивания.
- Оценивалось значение краевых углов смачивания после 5-ти кратной промывки трихлорэтиленом.
Результаты измерения краевых углов смачивания представлены в табл.1
Таблица 1 — Результаты измерения краевых углов смачивания.
Краевой угол смачивания Θ, среднее значение угла смачивания Θср., изменение угла смачивания ΔΘ, град.
| Непосредственно после нанесения пленки | После промывки | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | После 5-ой промывки | ||
| Θср | Θср | Θср | Θср | Θср | Θср | ΔΘ | |
| 50,6 | 49,7 | 52,9 | 54,9 | 48,7 | 49,6 | -1 | |
После 5-ти промывок угол практически не изменился, что свидетельствует о прочности молекулярной пленки.
Оценка влияния «Модификатора» на пусковые качества ДВС при отрицательных температурах заключалась в определении предельной температуры пуска дизельного и карбюраторного двигателей, а также величины тока в цепи стартера.
В качестве объектов испытаний были использованы силовые агрегаты автомобилей ЗИЛ-4331 и ЗИЛ-130.
Методика проведения испытаний.
Испытания проводились в соответствии с требованиями отраслевого стандарта ОСТ 37.001.052 87 «Требования к пусковым качествам автомобильных двигателей», инструкцией по эксплуатации автомобилей ЗИЛ-4331, ЗИЛ-130 и на основе рекомендаций производителя ЗАО «Автоконинвест» по вводу «Модификатора» в масла двигателей и трансмиссий.
В качестве моторного и трансмиссионного масел использовались товарные сорта, рекомендованные инструкциями по эксплуатации автомобилей в зимний период.
Для дизельного двигателя:
— моторное масло М8 Г2К;
— трансмиссионное масло ТСп-15К;
Для карбюраторного двигателя:
— моторное масло М6з/12В;
— трансмиссионное масло ТСп-14.
Испытания проводились в низкотемпературной камере.
Пуск дизельного двигателя проводился, от двух аккумуляторных батарей 6СТ-190 ТР заряженных на 75 % от номинальной емкости.
Пуск карбюраторного двигателя проводился от одной аккумуляторной батареи 6CT-90 заряженной на 75% от номинальной емкости.
Питание дизеля осуществлялось товарным зимним топливом марки «ДЗ», карбюраторного двигателя — товарным бензином А-76.
Система охлаждения двигателей заправлялась тосолом А-40.
Испытания проводились в три этапа.
I этап:
Проверка пусковых качеств испытуемых двигателей: дизельного при температуре -12°С (в соответствии с ОСТ.37.006052-87), карбюраторного при -15°С (в соответствии с инструкцией по эксплуатации автомобиля ЗИЛ-130, т.к. двигатель разработан и поставлен на производство до выхода данного ОСТа).
II этап:
Заливка в моторное и трансмиссионное масло «Модификатора» в количествах: 0,5 %.
Двигатели и КПП предварительно были прогреты до рабочих температур.
Обкатка двигателей на стенде в объеме 10 часов, причем обкатка дизеля производилась при его работе на холостом ходу, обкатка карбюраторного двигателя производилась от электробалансирной машины.
III этап:
Определение предельной температуры пуска двигателей после ввода «Модификатора» и производства обкатки.
Контролируемые параметры при испытаниях:
— температура окружающего воздуха в холодильной камере, °С;
— температура охлаждающей жидкости, °С;
— температура масла в поддоне двигателя, °С;
— температура масла в КПП, °С;
— температура электролита аккумуляторных батарей, °С;
— температура стенки цилиндра двигателя, °С;
— частота вращения двигателя стартером при пуске, об/мин;
— ток в цепи стартера, А.
Метрологическое обеспечение.
Для измерения контролируемых параметров использовались:
— подсистема измерения температуры:
тип 3487, фирма «YEW», способ измерения — хромель-копелевые ТХК-термопары; предел измерения: — 60÷ +150°С; точность измерения: ± 0,1°С;
Список термопар:
Т1 — охлаждающая жидкость;
Т3 — масло в поддоне двигателя;
Т5 — электролит аккумуляторных батарей;
Т7 — воздух в объеме холодильной камеры;
Т9 — стенка цилиндра двигателя.
Перед проведением испытаний все температуры выравнивались с точностью до 1 ÷ 1,5С;
— подсистема измерения частоты вращений двигателя и тока в цепи стартера: осциллограф Fotokorder 2932, индуктивный датчик, шунт 1000А.
Расчет времени (t), частоты вращения двигателя (n) и тока стартера (Iст) по ленте осциллографа производились по тарировочным формулам:
t = 0,6666 сек х 1 см (по оси абс.)
n = 20 об/мин х 1 мм (по оси орд.)
Iст = 60А х 1 см (по оси орд.)
Все приборы и датчики были предварительно оттарированы и отвечали
метрологическим требованиям.
Результаты испытаний дизельного двигателя ЗИЛ-645представлены на рис. 2-5.
Пуск двигателя без применения универсального модификатора производился при температурном состоянии холодильной камеры и двигателя, указанном на рис. 2.
Рисунок 2 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя
ЗИЛ-645 без применения «Модификатора» при температуре воздуха -12,4°С.
Скорость прокрутки двигателя стартером составила 152-157 об/мин, ток стартера составил 537А, двигатель пустился на первой попытке (рис. 2).
Скорость прокрутки двигателя стартером после введения «Модификатора» и обкатки при температуре -12°С увеличилась до 180 об/мин при практически не изменившемся токе стартера – 530А. Пуск двигателя при данной температуре не производился (рис. 3)
Рисунок 3 – Фрагменты осциллограмм прокрутки дизельного двигателя
ЗИЛ-645 стартером после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -13,5°С.
При температуре -17°С была произведена попытка пуска. Двигатель пустился на первых секундах стартования, при этом частота его вращения стартером составила 150 об/мин, максимальный ток стартера – 555А, при появлении активных вспышек значение тока – 488А с дальнейшим падением.
Уменьшение частоты вращения двигателя с возрастанием тока произошло из-за повышения, под влиянием температуры, вязкости масла и снижения стартовой емкости аккумуляторных батарей (рис. 4).
Рисунок 4 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя
ЗИЛ-645 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -17°С.
При температуре -20°С двигатель пустился на 19-й секунде стартования и достаточно быстро вышел на работу по всем цилиндрам, при этом частота вращения составила 140 об/мин, ток – 564А (рис. 5).
Рисунок 5 – Фрагменты осциллограмм пуска дизельного двигателя
ЗИЛ-645 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -20°С.
Таким образом введение «Модификатора» в моторное масло дизельного двигателя и в трансмиссионное масло КПП, с последующей обкаткой силового агрегата в течение 10 часов позволило снизить. предельную температуру пуска с -12°С (по ОСТу) до минус 20°С, при этом снижается нагрузка на электростартерную систему пуска двигателя.
Результаты испытаний карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 представлены на рис. 6-9.
Пуск двигателя без применения «Модификатора» производился при температуре воздуха в холодильной камере -15°С (рис. 6).
Рисунок 6 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя
ЗИЛ-130 без применения «Модификатора» при температуре воздуха -15°С.
Двигатель пустился со второй попытки, при этом скорость прокрутки двигателя стартером составила 90 об/мин, а ток стартера 240А (рис. 6).
После ввода «Модификатора» и обкатки двигателя, его пуск (при температуре -15°С) произошел на первой попытке, при этом частота вращения двигателя стартером составила 110 об/мин при токе стартера 215А (рис. 7).
Рисунок 7 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя
ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -15°С.
При температуре -20°С двигатель пустился на второй попытке при частоте вращения двигателя стартером 100 об/мин и величине тока 318-324А (рис. 8).
Рисунок 8 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя
ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -20,9°С.
При температуре воздуха -25°С (масло и электролит аккумуляторных батарей – -22°,8С и -23°С соответственно) двигатель пустился со второй попытки при частоте вращения двигателя стартером 80-84 об/мин и величине тока 360-372А (рис. 9). При дальнейшем снижении температур двигатель не пустился.
Рисунок 9 – Фрагменты осциллограмм пуска бензинового двигателя
ЗИЛ-130 после введения «Модификатора» и обкатки при температуре воздуха -25°С.
Введение «Модификатора» в масло (две упаковки в двигатель и две в КПП) силового агрегата с карбюраторным двигателем ЗИЛ-130 позволило снизить предельную температуру пуска двигателя до — 23°С (по инструкции на автомобиль ЗИЛ-130 ниже температуры -15°С рекомендуется использовать предпусковой подогреватель).
Введение «Модификатора» в силовые агрегаты с дизельным и карбюраторным двигателем дает возможность улучшить их пусковые качества, очевидно за счет снижения момента сопротивления проворачивания двигателя стартером и повышения пусковых оборотов (момент сопротивления в процессе экспериментов не измерялся).
Литература
- Белицкий М.С. Основы эксплуатационной долговечности двигателя автомобиля. Новочеркасск. Ун. из-во, 1961 г. – 264с.
- Гурвич И.Б. Долговечность автомобильных двигателей. – М.: Машиностроение, 1967. – 103 с.
- Гайдар С.М. Применение нанотехнологий для повышения надежности машин и механизмов// Грузовик. – 2010. – №10. – с. 38-41.
- Рамбиди Н.Г., Березкин А.В. Физические и химические основы нанотехнологий. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 456 с.
- Испытания дизельного двигателя ЗИЛ – 645 и карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 с использованием «Универсального модификатора» на пусковые качества при отрицательных температурах. «Завод имени И.А. Лихачева» (АМО ЗИЛ). ИЗ. 37.105.02.149-94, КОНСТРУКТОРСКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО, 1994. – 15с.
Двигатель внутреннего сгорания — Oxford Reference
Тепловая машина, в которой топливо сжигается в камерах сгорания внутри двигателя, а не в отдельной печи (как в паровой машине). Первым работающим двигателем был четырехтактный двигатель Отто , произведенный в 1876 году Николаусом Отто (1832–91). В двигателях этого типа поршень опускается в цилиндр, всасывая топливо и воздух через впускной клапан; достигнув нижней точки своего хода, поршень поднимается в цилиндре с закрытыми клапанами и сжимает заряд; в верхней части своего хода или около нее заряд воспламеняется от искры, и возникающее в результате увеличение давления от взрыва заставляет поршень снова опускаться; при последующем ходе вверх выпускной клапан открывается, и дымовые газы выталкиваются из камеры сгорания.Затем цикл повторяется. В двигателе Отто в качестве топлива использовался газ; однако изобретение карбюратора и развитие нефтяной промышленности в конце 19-го века позволило двигателю Отто стать источником энергии для появляющегося легкового автомобиля. Разновидностью четырехтактного двигателя Отто является двухтактный двигатель, не имеющий сложной системы клапанов, при этом заряд взрывчатого вещества входит и выходит из цилиндра через отверстия в цилиндре, которые закрываются и открываются движущимся поршнем.
Альтернативой двигателю Отто, особенно для тяжелых транспортных средств, где вес не является проблемой, является двигатель с воспламенением от сжатия Дизельный двигатель , изобретенный Рудольфом Дизелем (1858–1913) примерно в 1896 году. свечи зажигания; вместо этого в цилиндре сжимается воздух, в результате чего его температура повышается примерно до 550 ° C. Затем масло распыляется в камеру сгорания и воспламеняется при контакте с горячим воздухом. В то время как бензиновый двигатель с искровым зажиганием обычно работает со степенью сжатия 8 или 9: 1, дизельный двигатель должен иметь степень сжатия от 15 до 25: 1.Для этого требуется гораздо более тяжелый и, следовательно, более дорогой двигатель. См. Также газовую турбину.
Двигатели внутреннего сгорания .
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель, который использует жидкое топливо для выработки энергии, такой как двигатель внутреннего сгорания, по сути, представляет собой большой воздушный насос. Холодный воздух втягивается, смешивается с выбранным топливом для создания энергии, а затем удаляется в виде горячего выхлопного газа. Чем эффективнее дышит этот «воздушный насос» двигателя, тем эффективнее он вырабатывает мощность.
В этой статье мы сосредоточимся на том, как именно автомобильный двигатель внутреннего сгорания преобразует воздух и топливо в энергию, чтобы двигать ваш автомобиль по дороге. В этой статье мы определяем некоторую терминологию для различных частей, однако вы можете найти нашу статью по теме Глоссарий внутренних деталей двигателя полезен, если вы хотите узнать о других компонентах, не упомянутых здесь.
Имейте в виду, что это сложная тема; Хотя мы сделали все возможное, чтобы объяснить это простым языком, некоторые концепции трудно продемонстрировать в двухмерном формате.Кроме того, некоторые описания функций двигателя были упрощены для ясности.
Какие основные части двигателя?
Типичный блок двигателя V8.Во-первых, давайте рассмотрим две основные части типичного двигателя внутреннего сгорания. Главный и самый большой кусок — это блок двигателя, составляющий нижнюю часть двигателя. Это дом для поршни, шатуны, коленчатый вал, масляный насос и распределительный вал, если двигатель имеет конструкцию с верхним расположением клапана.Поскольку эта секция содержит отверстия цилиндра, по которым перемещаются поршни, ее иногда называют блоком цилиндров.
Слева показана головка блока цилиндров, прикрепленная болтами к блоку двигателя. Справа и взломанная схема ГБЦ.К верхней части блока цилиндров привинчена головка (или головки) блока цилиндров. Они содержат выпускные и впускные клапаны, а также распределительные валы, если двигатель имеет конструкцию с верхним кулачком. Рядные двигатели (все цилиндры в один ряд) имеют только одну головку блока цилиндров.Двигатели V-образной или H-образной формы имеют две головки блока цилиндров, по одной на ряд цилиндров.
Типичная секция картера, которая крепится болтами, образуя нижнюю часть блока цилиндров.Как воздух попадает в герметичный блок двигателя?
Прежде чем мы рассмотрим этапы процесса внутреннего сгорания в двигателе, важно понять, как воздух попадает в герметичный блок двигателя.
Это происходит благодаря так называемому впускному коллектору.An Впускной коллектор, сделанный из металла или пластика, представляет собой узел, расположенный наверху двигателя, состоящий из ряда трубок, которые распределяют воздух и топливо в каждый цилиндр. (Подробнее о впускных коллекторах мы приглашаем вас прочитать наши статья по теме.)
Впускные коллекторы на V-образных двигателях обычно устанавливаются сверху между обоими рядами цилиндров.После того, как воздух сначала проходит через впускную трубку и очищается воздушным фильтром, он попадает во впускной коллектор.Карбюратор, дроссельная заслонка или топливные форсунки впрыскивают соответствующее количество топлива, которое смешивается с этим всасываемым воздухом. Идеальное соотношение для воздушно-топливной смеси составляет 14,7: 1, что означает 14,7 частей воздуха на 1 часть топлива. Теперь нам нужно подать эту топливно-воздушную смесь в каждый цилиндр. Это начало «4-тактного цикла» двигателя нашего автомобиля.
Каковы 4 этапа 4-тактного цикла?
Автомобильные двигатели описываются как «4-тактные», потому что в процессе сгорания участвуют 4 основных этапа.(Существуют «двухтактные» двигатели, но они не использовались в дорожных автомобилях в течение многих десятилетий, и это обсуждение выходит за рамки данной статьи.)
Итак, мы ясно видим: шаги, описанные ниже, должны выполняться в КАЖДОМ цилиндре двигателя. Для ясности мы опишем четыре хода, как они происходят в ОДНОМ цилиндре.
Первый шаг: ход впуска
Двигателю требуется топливно-воздушная смесь, чтобы попасть в закрытую зону цилиндра.Для этого впускной клапан перемещается из закрытого положения в открытое. Смесь поступает в цилиндр. Поршень, который находится в верхней части цилиндра, начинает двигаться вниз, создавая частичный вакуум, который способствует всасыванию смеси. Выпускной клапан остается закрытым на этом этапе.
- ВПУСКНОЙ ХОД:
- ДВИЖЕНИЕ ПОРШНЯ: ВНИЗ
- ВПУСКНОЙ КЛАПАН: ОТКРЫТЬ
- ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТО
- ДЕЙСТВИЕ: ВТЯНИЕ В СМЕСИ ВОЗДУХ / ТОПЛИВО
Второй этап: ход сжатия
После того, как поршень достигает нижней части цилиндра (известной как «нижняя мертвая точка»), впускной клапан закрывается, и поршень начинает двигаться вверх, что сжимает топливно-воздушную смесь.Под давлением смеси она воспламеняется с большей силой, чем если бы она не была сжата. Впускные и выпускные клапаны остаются закрытыми, чтобы смесь оставалась в стенках цилиндра. Полное сжатие достигается, когда поршень достигает максимальной точки своего хода (известной как «верхняя мертвая точка»).
- ХОД СЖАТИЯ:
- ДВИЖЕНИЕ ПОРШНЯ: ВВЕРХ
- ВПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТ
- ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТО
- ДЕЙСТВИЕ: СМЕСЬ СЖАТОГО ВОЗДУХА / ТОПЛИВА
Третий этап: рабочий ход
Этот ход начинается с поршня в верхней части цилиндра, при закрытых обоих клапанах и сжатой топливно-воздушной смеси.Это момент, когда загорается свеча зажигания, воспламеняя смесь и создавая давление (мощность), которое заставляет поршень опускаться. Оба клапана остаются закрытыми, чтобы сдерживать давление внутри стенок цилиндра.
- СИЛОВОЙ ХОД:
- ДВИЖЕНИЕ ПОРШНЯ: ВНИЗ
- ВПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТ
- ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТО
- ДЕЙСТВИЕ: ЗАЖИГАТЬ СМЕСЬ ВОЗДУХ / ТОПЛИВА
Четвертый этап: ход выхлопа
Поршень снова меняет направление и начинает двигаться вверх.Теперь двигатель должен удалить сгоревшие остатки топливно-воздушной смеси. Движение поршня вверх толкает этот выхлопной газ вверх, и выпускной клапан открывается, позволяя ему выйти из цилиндра в выпускной коллектор (и, в конечном итоге, в выхлопную трубу). Впускной клапан остается закрытым, так как двигатель хочет, чтобы все эти газы уходили через выхлопные трубы.
- ХОД ВЫПУСКА:
- ДВИЖЕНИЕ ПОРШНЯ: ВВЕРХ
- ВПУСКНОЙ КЛАПАН: ЗАКРЫТ
- ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН: ОТКРЫТЬ
- ДЕЙСТВИЕ: EXPEL СМЕСЬ ВОЗДУХ / ТОПЛИВО
Мы можем суммировать действия четырех штрихов на этой диаграмме:
Как клапаны знают, когда открываться и закрываться?
Здесь впускные и выпускные клапаны (показаны зеленым и красным) приводятся в действие отдельными распределительными валами.Эти клапаны выполняют важную функцию, и их движение точно рассчитано по времени.Назначение клапанов
Двигатель должен иметь как минимум один впускной клапан и один выпускной клапан для каждого цилиндра. Чтобы 4-тактный цикл был успешным, открытие и закрытие этих клапанов точно контролируется — синхронизируется с движением поршней, чтобы каждый клапан выполнял свою работу именно тогда, когда это необходимо. Этот точный контроль известен как «время».
Правильная синхронизация позволяет впускному клапану открываться и впускать топливно-воздушную смесь в цилиндр, когда поршень движется вниз во время такта впуска.А после того, как происходит сгорание, выпускной клапан открывается, так что сгоревшие газы могут выталкиваться из цилиндра, когда поршень движется обратно вверх.
Открытие и закрытие всех клапанов двигателя осуществляется распределительным валом. Каждый распределительный вал содержит несколько «выступов», которые представляют собой детали неправильной формы, расположенные на центральном валу. По мере вращения распределительного вала эти выступы, которые контактируют с другими компонентами, перемещают клапаны. Клапаны обычно закрыты и удерживаются в закрытом состоянии с помощью клапанных пружин.Лепестки должны преодолевать давление пружины, чтобы открыть клапаны. Поскольку лепесток продолжает вращаться, пружины снова закрывают клапаны. Эти лопасти имеют точную форму и обработаны таким образом, чтобы они вносили свой вклад в поддержание правильной синхронизации двигателя.
Распределительные валы видны в двигателе с верхним распределительным валом (слева) и в двигателе с верхним расположением клапанов (справа).В двигателях с верхним расположением клапанов распределительные валы расположены в блоке цилиндров и соединены с клапанами с помощью толкателей, толкателей и коромысел (в зависимости от конструкции двигателя).В двигателях с верхним расположением распредвала распредвалы находятся в головке блока цилиндров. По-прежнему существует механическое соединение с клапанами, но поскольку кулачок расположен ближе к клапанам, это более короткое и прямое соединение.
Клапаны и синхронизация двигателя
Без правильного выбора времени клапаны не открывались и не закрывались, когда они должны были. 4-тактный цикл не будет работать должным образом. Хорошее сгорание было бы трудным, если не невозможным, и двигатель не работал бы, потому что это, по сути, гигантский воздушный насос.
Синхронизация движения поршня и клапана достигается за счет механического соединения коленчатого и распределительного валов. Поршни соединены с коленчатым валом (более подробно описано ниже). Коленчатый вал соединяется с распределительным валом одним из трех способов: шестернями ГРМ, цепью ГРМ или ремнем ГРМ (обратите внимание на использование слова «синхронизация»).
Эти иллюстрации демонстрируют, как цепи ГРМ или ремни ГРМ синхронизируют работу коленчатого и распределительного валов.Для наших целей важно то, что малейшее вращательное движение коленчатого вала вызывает его вращение, в результате чего клапаны открываются или закрываются, в зависимости от положения лепестков. Пока синхронизация остается правильной, двигатель будет работать. Если, однако, ремень или цепь ГРМ выскакивает на шестерню или, что еще хуже, щелкает, механическое соединение не синхронизировано или полностью обрывается. Двигатель будет плохо работать или вообще не будет работать.
Количество клапанов зависит от двигателя
Общее количество клапанов в двигателе может быть разным.Старые двигатели имеют 1 впускной и 1 выпускной клапан на цилиндр. У 8-цилиндрового двигателя всего 16 клапанов (2 x 8). Некоторые двигатели имеют 2 впускных клапана и 1 выпускной клапан на цилиндр. 6-цилиндровый двигатель с такой установкой с 3 клапанами на цилиндр будет иметь 18 клапанов (3 x 6). Многие современные двигатели имеют 2 впускных и 2 выпускных клапана на каждый цилиндр. Четырехцилиндровый двигатель с 4 клапанами на цилиндр, конечно, будет иметь в общей сложности 16 клапанов (4 x 4).
Как вы можете видеть из этих примеров, общее количество клапанов НЕ говорит вам, сколько цилиндров в двигателе.
Конфигурации с одним распредвалом и двумя распредвалами
Все двигатели с верхним расположением клапанов (кулачок в блоке) имеют один распределительный вал для двигателя. Двигатели с верхним расположением кулачков с распределительными валами в головках могут иметь один цилиндр на головку или два на головку. Если их два, каждый распределительный вал предназначен для работы впускных или выпускных клапанов.
Терминология двигателя говорит нам, что двигатель с одним распредвалом НА ГОЛОВКУ является двигателем «SOHC» (с одним верхним распредвалом).Точно так же двигатель с двумя кулачками НА ГОЛОВКУ называется двигателем «DOHC» (с двумя верхними кулачками). Будьте осторожны при подсчете распредвалов! V-образный двигатель DOHC с двумя головками цилиндров имеет в общей сложности ЧЕТЫРЕ распредвала (по два на головку).
Как сила от поршней перемещает автомобиль?
Мы узнали, что на этапе 3 4-тактного цикла воспламенение топливно-воздушной смеси внутри цилиндра обеспечивает силу, толкающую поршень вниз. Теперь давайте посмотрим, как двигатель преобразует это движение вверх-вниз во вращательное движение, которое нам нужно для вращения коленчатого вала.
Здесь показан шатун с прилегающими элементами (слева) и сам по себе (справа).Поршень прикреплен к прочной металлической детали, известной как шатун. Шатуны могут поворачиваться в этой точке соединения на поршне.
Нижний конец шатуна крепится к коленчатому валу, который служит выходным валом для всего двигателя. Эта точка крепления на коленчатом валу смещена от средней линии коленчатого вала. Когда шатун перемещается вверх и вниз вместе с поршнем, он вращает коленчатый вал.
Чтобы наглядно представить себе это, представьте себе движения ног велосипедиста. Движение вверх-вниз в шарнирном колене очень похоже на то, что происходит с поршнем и верхней частью шатуна. Но голень и ступня велосипедиста вращают педаль велосипеда по кругу. Движение ноги велосипедиста вверх и вниз преобразуется во вращательное движение стопы, которое раскручивает кривошип велосипеда.
На рисунке выше показаны коленчатый вал, шатуны и поршни 4-цилиндрового двигателя.Каждый поршень совершает рабочий ход 4-тактного цикла в разное время. Это позволяет добиться нескольких целей: во-первых, он выравнивает импульсы мощности, чтобы двигатель работал более плавно. Во-вторых, поскольку все поршни соединены друг с другом через кривошип, рабочий ход одного поршня также создает такты впуска, сжатия и выпуска других поршней.
Присмотритесь к типичному коленчатому валу. Обратите внимание на отверстия, через которые проходит смазочное масло. Цапфы коренных подшипников предназначены для прилегания к изогнутым подшипникам картера.Противовесы сглаживают вращательные колебания.Регулярное срабатывание цилиндров создает мощность, необходимую для поддержания постоянного и равномерного вращения коленчатого вала с постоянным крутящим моментом.
Коленчатый вал, если смотреть снизу двигателя, со снятой секцией картера.Сам коленчатый вал находится в нижней части блока цилиндров. Поскольку коленчатый вал вынужден вращаться от мощности, производимой во время 4-тактного цикла, он создает крутящее движение или крутящий момент.Хвостовой конец кривошипа выходит из блока цилиндров сзади, и оттуда он соединяется с маховиком, трансмиссией, приводным и полуосевым валами, в конечном итоге достигая ведущих колес. Это сила, которая продвигает ваш автомобиль вперед.
В задней части двигателя, где коленчатый вал выходит из блока цилиндров, прикреплен маховик.Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, вы будете знать, какие виды капитального ремонта включают в себя определенные типы.И вы оцените ценность регулярного обслуживания, особенно замены масла, при котором все движущиеся части остаются должным образом смазанными.
Если вы хотите перейти на новый уровень, выполнив перестройку движка (или наняв кого-то для этого), мы рекомендуем прочитать нашу статью по теме ЧТО ВАМ НУЖНО ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ИЛИ ЗАМЕНЫ ДВИГАТЕЛЯ, чтобы получить представление об оборудовании и части, которые понадобятся для работы. У нас также есть полностью восстановленные двигатели, готовые к установке.
Если у вас есть какие-либо вопросы о запчастях, которые вам необходимо заказать, мы будем рады вашим запросам — наши компетентные представители находятся здесь семь дней в неделю!
Двигатель внутреннего сгорания | Encyclopedia.com
Принципы
Структура двигателя внутреннего сгорания
Ресурсы
Двигатель внутреннего сгорания — это любой тепловой двигатель, который получает механическую энергию путем сжигания химической энергии (топлива) в замкнутом пространстве (камере сгорания).Изобретение и разработка двигателя внутреннего сгорания в девятнадцатом веке оказали глубокое влияние на человеческую жизнь. Двигатель внутреннего сгорания представляет собой относительно небольшой и легкий источник той мощности, которую он производит. Использование этой мощности сделало возможным создание практичных машин, начиная от самой маленькой модели самолета и заканчивая самым большим грузовиком. Электроэнергия часто вырабатывается двигателями внутреннего сгорания. Газонокосилки, бензопилы и генераторы также могут использовать двигатели внутреннего сгорания.Важным устройством на базе ДВС является автомобиль.
Однако во всех двигателях внутреннего сгорания основные принципы остаются неизменными. Топливо сжигается внутри камеры, обычно в цилиндре. Энергия, создаваемая сгоранием или сгоранием топлива, используется для продвижения устройства, обычно поршня, через камеру. Прикрепив поршень к валу за пределами камеры, движение и сила поршня могут быть преобразованы в другие движения.
Горение — это сжигание топлива.Когда топливо сгорает, оно выделяет энергию в виде тепла, что приводит к расширению газа. Это расширение может быть быстрым и мощным. Сила и движение расширения газа могут быть использованы для толкания объекта. Взболтать банку с газировкой — это способ увидеть, что происходит, когда газ расширяется. Встряхивающее движение вызывает реакцию углекислого газа — шипение газировки, — которое при открытии банки выталкивает газированную жидкость из банки через отверстие.
Однако простое сжигание топлива не очень полезно для создания движения.Например, зажигание спички сжигает кислород в воздухе вокруг нее, но поднимаемое тепло теряется во всех направлениях и, следовательно, дает очень слабый толчок. Чтобы расширение газа, вызванное сгоранием, было полезным, оно должно происходить в ограниченном пространстве. Это пространство может направлять или направлять движение расширения; он также может увеличить свою силу.
Цилиндр — это полезное пространство для передачи силы сгорания. Круглая внутренняя часть цилиндра позволяет газам легко течь, а также увеличивает силу движения газов.Круговое движение газов также может способствовать втягиванию воздуха и паров в цилиндр или их повторному вытеснению. Ракета — простой пример использования внутреннего сгорания в цилиндре. В ракете нижний конец цилиндра открыт. Когда топливо внутри цилиндра взрывается, газы быстро расширяются к отверстию, давая толчок, необходимый для отталкивания ракеты от земли.
Эта сила может быть даже полезнее. Его можно заставить толкнуть объект внутри цилиндра, заставляя его двигаться через цилиндр.Пуля в пистолете — пример такого объекта. Когда топливо, в данном случае порох, взрывается, возникающая сила продвигает пулю через цилиндр или ствол пистолета. Это движение полезно для определенных вещей; однако его можно сделать еще более полезным. Закрыв концы цилиндра, можно управлять движением объекта, заставляя его двигаться вверх и вниз внутри цилиндра. Это движение, называемое возвратно-поступательным движением, затем можно использовать для выполнения других задач.
Двигатели внутреннего сгорания обычно используют возвратно-поступательное движение, хотя газовые турбины, ракетные и роторные двигатели являются примерами других типов двигателей внутреннего сгорания. Однако поршневые двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными и используются в большинстве автомобилей, грузовиков, мотоциклов и других машин с приводом от двигателя.
Самыми основными компонентами двигателя внутреннего сгорания являются цилиндр, поршень и коленчатый вал. К ним прикреплены другие компоненты, которые увеличивают эффективность возвратно-поступательного движения и преобразуют это движение во вращательное движение коленчатого вала.Топливо должно поступать в цилиндр, а выхлоп, образованный взрывом топлива, должен обеспечивать выход из цилиндра. Также необходимо произвести зажигание или зажигание топлива. В поршневом двигателе внутреннего сгорания это делается одним из двух способов.
Дизельные двигатели также называют двигателями с компрессором, поскольку они используют сжатие для самовоспламенения топлива. Воздух сжимается, то есть выталкивается в небольшое пространство цилиндра. Сжатие вызывает нагревание воздуха; когда топливо попадает в горячий сжатый воздух, топливо взрывается.Давление, создаваемое сжатием, требует, чтобы дизельные двигатели были более прочными и, следовательно, тяжелее, чем бензиновые двигатели, но они более мощные и требуют менее дорогостоящего топлива. Дизельные двигатели обычно используются в больших транспортных средствах, таких как грузовики и тяжелая строительная техника, или в стационарных машинах, но в 2000-х годах они находят свое применение в автомобилях, поскольку технологии совершенствуются и возникает потребность в менее дорогих видах топлива.
Бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием, потому что они зависят от искры электричества, вызывающей взрыв топлива в цилиндре.Газовый двигатель легче дизельного двигателя и требует более очищенного топлива (следовательно, более дорогостоящего).
В двигателе цилиндр расположен внутри блока цилиндров, достаточно прочного, чтобы сдерживать взрывы топлива. Внутри цилиндра находится поршень, который точно соответствует цилиндру. Поршни обычно имеют куполообразную форму вверху и полую внизу. Поршень прикреплен через шатун, установленный в полой нижней части, к коленчатому валу, который преобразует движение поршня вверх и вниз в круговое движение.Это возможно, потому что коленчатый вал не прямой, а имеет изогнутую часть (по одной на каждый цилиндр), называемую кривошипом.
Аналогичная конструкция приводит в движение велосипед. При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека похожа на поршень. От колена до ступни нога действует как шатун, который прикрепляется к коленчатому валу с помощью кривошипа или педального узла велосипеда. Когда сила прикладывается к верхней части ноги, эти части начинают двигаться. Возвратно-поступательное движение голени преобразуется во вращательное или вращательное движение коленчатого вала.
Обратите внимание, что при езде на велосипеде нога делает два движения, одно вниз и одно вверх, чтобы завершить цикл вращения педалей. Это так называемые удары. Поскольку двигатель также должен всасывать топливо и снова выпускать топливо, большинство двигателей используют четыре хода для каждого цикла, который совершает поршень. Первый ход начинается, когда поршень оказывается в верхней части цилиндра, называемой головкой цилиндра. Когда он опускается, в цилиндре создается вакуум. Это потому, что поршень и цилиндр образуют герметичное пространство.Когда поршень опускается, пространство между ним и головкой блока цилиндров увеличивается, а количество воздуха остается прежним. Этот вакуум помогает подавать топливо в цилиндр, подобно действию легких. Поэтому этот ход называется тактом впуска.
Следующий ход, называемый тактом сжатия, происходит, когда поршень снова подталкивается вверх внутри цилиндра, сжимая или сжимая топливо в более тесное и тесное пространство. Сжатие топлива в верхней части цилиндра вызывает нагревание воздуха, что также нагревает топливо.Сжатие топлива также облегчает воспламенение и делает взрыв более мощным. У расширяющихся газов взрыва меньше места, а это означает, что они будут сильнее давить на поршень, чтобы уйти.
В верхней части такта сжатия топливо воспламеняется, вызывая взрыв, который толкает поршень вниз. Этот ход называется рабочим ходом, и это ход, при котором вращается коленчатый вал. Последний ход, такт выпуска, снова поднимает поршень вверх, который вытесняет выхлопные газы, образовавшиеся в результате взрыва, из цилиндра через выпускной клапан.Эти четыре удара также обычно называют «сосать, сжимать, хлопать и дуть». Двухтактные двигатели исключают такты впуска и выпуска, комбинируя их с тактами сжатия и увеличения мощности. Это позволяет создать более легкий и мощный двигатель — по сравнению с размером двигателя — требующий менее сложной конструкции. Однако двухтактный цикл — менее эффективный метод сжигания топлива. Остаток несгоревшего топлива остается внутри цилиндра, что препятствует сгоранию. Двухтактный двигатель также воспламеняет топливо в два раза чаще, чем четырехтактный двигатель, что увеличивает износ деталей двигателя.Поэтому двухтактные двигатели используются в основном там, где требуется двигатель меньшего размера, например, на некоторых мотоциклах и с небольшими инструментами.
Для горения требуется присутствие кислорода, поэтому для воспламенения топливо необходимо смешать с воздухом. В дизельных двигателях топливо подается непосредственно для реакции с горячим воздухом внутри цилиндра. Однако двигатели с искровым зажиганием сначала смешивают топливо с воздухом вне цилиндра. Это делается либо через карбюратор, либо через систему впрыска топлива. Оба устройства испаряют бензин и смешивают его с воздухом в соотношении примерно 14 частей воздуха на каждую часть бензина.Дроссельная заслонка в карбюраторе регулирует количество воздуха, смешиваемого с топливом; на другом конце дроссельная заслонка контролирует, сколько топливной смеси будет отправлено в цилиндр.
Вакуум, создаваемый при движении поршня вниз по цилиндру, втягивает топливо в цилиндр. Поршень должен точно входить в цилиндр, чтобы создать этот вакуум. Резиновые компрессионные кольца, вставленные в канавки поршня, обеспечивают герметичность посадки. Бензин поступает в цилиндр через впускной клапан.Затем бензин сжимается в цилиндр следующим движением поршня в ожидании воспламенения.
Двигатель внутреннего сгорания может иметь от одного до двенадцати или более цилиндров, которые действуют вместе в точно рассчитанной по времени последовательности для привода коленчатого вала. Велосипедиста на велосипеде можно описать как двухцилиндровый двигатель, в котором каждая нога помогает другой создавать мощность для управления велосипедом и подтягивать друг друга в цикле движений. Автомобили обычно имеют четырех-, шести- или восьмицилиндровые двигатели, хотя также доступны двух- и двенадцатицилиндровые двигатели.Количество цилиндров влияет на рабочий объем двигателя; то есть общий объем топлива, прошедшего через цилиндры. Больший рабочий объем позволяет сжигать больше топлива, создавая больше энергии для привода коленчатого вала.
Искра попадает через свечу зажигания, расположенную в головке блока цилиндров. Искра вызывает взрыв бензина. Свечи зажигания содержат два металлических конца, называемых электродами, которые входят в цилиндр. У каждого цилиндра своя свеча зажигания. Когда электрический ток проходит через свечу зажигания, ток переходит от одного электрода к другому, создавая искру.
Этот электрический ток возникает в батарее. Однако ток батареи недостаточно силен, чтобы вызвать искру, необходимую для воспламенения топлива. Поэтому он пропускается через трансформатор, который значительно увеличивает его напряжение или силу. Затем ток можно направить на свечу зажигания.
Однако в случае двигателя с двумя или более цилиндрами искра должна направляться в каждый цилиндр по очереди. Последовательность срабатывания цилиндров должна быть рассчитана таким образом, чтобы, пока один поршень находился в рабочем такте, другой поршень находился в такте сжатия.Таким образом, сила, действующая на коленчатый вал, может поддерживаться постоянной, что позволяет двигателю работать плавно. Количество цилиндров влияет на плавность работы двигателя; чем больше цилиндров, тем постояннее усилие на коленчатом валу и тем плавнее будет работать двигатель.
Время срабатывания цилиндров регулируется распределителем. Когда ток поступает в распределитель, он направляется к свечам зажигания через провода, по одному на каждую свечу зажигания. Механические распределители — это, по сути, вращающиеся роторы, которые по очереди подают ток в каждый провод.Электронные системы зажигания используют компьютерные компоненты для выполнения этой задачи.
В самых маленьких двигателях используется аккумулятор, который при разряде просто заменяется. Однако в большинстве двигателей предусмотрена возможность перезарядки батареи, используя движение вращающегося коленчатого вала для выработки тока обратно в батарею.
Поршень или поршни толкают коленчатый вал вниз и вверх, вызывая его вращение. Это преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала возможно, потому что для каждого поршня коленчатый вал имеет кривошип, то есть секцию, расположенную под углом к движению вверх-вниз.На коленчатом валу с двумя или более цилиндрами эти кривошипы также установлены под углом друг к другу, что позволяет им работать согласованно. Когда один поршень толкает кривошип вниз, второй кривошип толкает его поршень вверх.
Большое металлическое колесо, похожее на маховик, прикреплено к одному концу коленчатого вала. Он поддерживает постоянное движение коленчатого вала. Это необходимо для четырехтактного двигателя, поскольку поршни совершают рабочий ход только один раз на каждые четыре хода.Маховик обеспечивает импульс, переносящий коленчатый вал во время его движения, пока он не получит следующий рабочий ход. Он делает это с помощью инерции, то есть принципа, согласно которому движущийся объект будет стремиться оставаться в движении. Как только маховик приводится в движение поворотом коленчатого вала, он продолжает двигаться и вращать коленчатый вал. Однако чем больше цилиндров в двигателе, тем меньше ему нужно будет полагаться на движение маховика, потому что большее количество поршней будет поддерживать вращение коленчатого вала.
Когда коленчатый вал вращается, его движение можно адаптировать для самых разных целей, прикрепив шестерни, ремни или другие устройства. Колеса можно заставить вращаться, пропеллеры можно заставить вращаться, или двигатель можно использовать просто для выработки электроэнергии. К коленчатому валу также прикреплен дополнительный вал, называемый распределительным валом, который открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра в последовательности с четырехтактным циклом поршней. Кулачок — это колесо, имеющее форму яйца, с длинным и коротким концом.К распределительному валу крепится несколько кулачков в зависимости от количества цилиндров двигателя. Сверху кулачков установлены толкатели, по два на каждый цилиндр, которые открывают и закрывают клапаны. Когда распределительный вал вращается, короткие концы позволяют толкателям отойти от клапана, заставляя клапан открываться; длинные концы кулачков толкают стержни назад к клапану, снова закрывая его. В некоторых двигателях, называемых двигателями с верхним расположением кулачка, распределительный вал опирается непосредственно на клапаны, что устраняет необходимость в узле толкателя.Двухтактные двигатели, поскольку впуск и выпуск достигаются за счет движения поршня над портами или отверстиями в стенке цилиндра, не требуют распределительного вала.
Коленчатый вал может приводить в действие еще два компонента: системы охлаждения и смазки. Взрыв топлива создает сильное тепло, которое быстро приведет к перегреву двигателя и даже к расплавлению, если он не будет должным образом рассеян или отведен. Охлаждение достигается двумя способами: через систему охлаждения и, в меньшей степени, через систему смазки.
Есть два типа систем охлаждения. В системе жидкостного охлаждения используется вода, которая часто смешивается с антифризом для предотвращения замерзания. Антифриз снижает температуру замерзания, а также повышает температуру кипения воды. Вода, которая очень хорошо собирает тепло, прокачивается вокруг двигателя через ряд каналов, содержащихся в рубашке. Затем вода циркулирует в радиаторе, который состоит из множества трубок и тонких металлических пластин, увеличивающих площадь поверхности воды. Вентилятор, прикрепленный к радиатору, пропускает воздух по трубке, дополнительно снижая температуру воды.И насос, и вентилятор приводятся в действие движением коленчатого вала.
В системах с воздушным охлаждением для отвода тепла от двигателя используется воздух, а не вода. В большинстве мотоциклов, многих небольших самолетов и других машин, движение которых создает сильный ветер, используются системы воздушного охлаждения. В них металлические ребра прикреплены к внешней стороне цилиндров, создавая большую площадь поверхности; когда воздух проходит через ребра, тепло, передаваемое к металлическим ребрам от цилиндра, уносится воздухом.
Смазка двигателя жизненно важна для его работы. Движение деталей друг относительно друга вызывает сильное трение, которое вызывает нагревание и вызывает износ деталей. Смазочные материалы, например масло, образуют тонкий слой между движущимися частями. Прохождение масла
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
Инерция — Тенденция движущегося объекта оставаться в движении, а тенденция покоящегося объекта оставаться в покое.
Возвратно-поступательное движение —Движение, при котором объект перемещается вверх и вниз или назад и вперед.
Вращательное движение —Движение, при котором объект вращается.
через двигатель также помогает отводить часть выделяемого тепла.
Коленчатый вал в нижней части двигателя упирается в картер. Он может быть заполнен маслом, или отдельный масляный поддон под картером служит резервуаром для масла. Насос подает масло по каналам и отверстиям к различным частям двигателя. Поршень также оснащен резиновыми маслосъемными кольцами в дополнение к компрессионным кольцам для перемещения масла вверх и вниз по внутренней части цилиндра.В двухтактных двигателях масло используется в составе топливной смеси, что обеспечивает смазку двигателя и устраняет необходимость в отдельной системе.
КНИГИ
Кроул, Дэниел А. Понимание взрывов . Нью-Йорк: Центр безопасности химических процессов, Американский институт инженеров-химиков, 2003.
Ниссен, Уолтер, Р. Процессы сжигания и сжигания . Нью-Йорк: Марсель Деккер, 2002.
Политцер, Питер и Джейн С. Мюррей, ред. Энергетические материалы . Амстердам, Нидерланды и Бостон, Массачусетс, США: Elsevier, 2003.
M. L. Cohen
The Gale Encyclopedia of Science Cohen, M.
[Четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания, разработанный Николаусом А. Отто]
Подробнее об авторских правах и других ограничениях
Для получения рекомендаций по составлению полных цитат обратитесь к Ссылаясь на первоисточники.
- Консультации по правам : Нет известных ограничений на публикацию.
- Номер репродукции : LC-USZ62-110412 (ч / б пленка, копия негр.)
- Телефонный номер : Illus. в TJ770 .N85 [Общие коллекции]
- Консультации по доступу : —
Получение копий
Если изображение отображается, вы можете скачать его самостоятельно.(Некоторые изображения отображаются только в виде эскизов вне Библиотеке Конгресса США из-за соображений прав человека, но у вас есть доступ к изображениям большего размера на сайт.)
Кроме того, вы можете приобрести копии различных типов через Услуги копирования Библиотеки Конгресса.
- Если отображается цифровое изображение: Качество цифрового изображения частично зависит от того, был ли он сделан из оригинала или промежуточного звена, такого как копия негатива или прозрачность.Если вышеприведенное поле «Номер воспроизведения» включает номер воспроизведения, который начинается с LC-DIG …, то есть цифровое изображение, сделанное прямо с оригинала и имеет достаточное разрешение для большинства целей публикации.
- Если есть информация, указанная в поле «Номер репродукции» выше: Вы можете использовать номер репродукции, чтобы купить копию в Duplication Services. Это будет
составлен из источника, указанного в скобках после номера.
Если указаны только черно-белые («черно-белые») источники, и вы хотите, чтобы копия показывала цвет или оттенок (если они есть на оригинале), вы обычно можете приобрести качественную копию оригинал в цвете, указав номер телефона, указанный выше, и включив каталог запись («Об этом элементе») с вашим запросом.
- Если в поле «Номер репродукции» выше отсутствует информация: Как правило, вы можете приобрести качественную копию через Службу тиражирования.Укажите номер телефона перечисленных выше, и включите запись каталога («Об этом элементе») в свой запрос.
Прайс-листы, контактная информация и формы заказа доступны на Веб-сайт службы дублирования.
Доступ к оригиналам
Выполните следующие действия, чтобы определить, нужно ли вам заполнять квитанцию о звонках в Распечатках. и Читальный зал фотографий для просмотра оригинала (ов). В некоторых случаях суррогат (замещающее изображение) доступны, часто в виде цифрового изображения, копии или микрофильма.
Оцифрован ли элемент? (Уменьшенное (маленькое) изображение будет видно слева.)
- Да, товар оцифрован. Пожалуйста, используйте цифровое изображение вместо того, чтобы запрашивать оригинал. Все изображения могут быть
смотреть в большом размере, когда вы находитесь в любом читальном зале Библиотеки Конгресса. В некоторых
случаях доступны только эскизы (маленькие) изображения, когда вы находитесь за пределами библиотеки
Конгресс, потому что права на товар ограничены или права на него не оценивались.
ограничения.
В целях сохранности мы обычно не обслуживаем оригинальные товары, когда цифровое изображение доступен. Если у вас есть веская причина посмотреть оригинал, проконсультируйтесь со ссылкой библиотекарь. (Иногда оригинал слишком хрупкий, чтобы его можно было использовать. Например, стекло и пленочные фотографические негативы особенно подвержены повреждению. Их также легче увидеть в Интернете, где они представлены в виде положительных изображений.) - Нет, товар не оцифрован. Перейдите к # 2.
- Да, товар оцифрован. Пожалуйста, используйте цифровое изображение вместо того, чтобы запрашивать оригинал. Все изображения могут быть
смотреть в большом размере, когда вы находитесь в любом читальном зале Библиотеки Конгресса. В некоторых
случаях доступны только эскизы (маленькие) изображения, когда вы находитесь за пределами библиотеки
Конгресс, потому что права на товар ограничены или права на него не оценивались.
ограничения.
Указывают ли указанные выше поля с рекомендациями по доступу или Номер вызова, что существует нецифровой суррогат, типа микрофильмов или копий?
- Да, существует еще один суррогат. Справочный персонал может направить вас к этому суррогат.
- Нет, другого суррогата не существует. Пожалуйста, перейдите к # 3.
- Если вы не видите миниатюру или ссылку на другого суррогата, заполните бланк звонка. Читальный зал эстампов и фотографий. Во многих случаях оригиналы могут быть доставлены в течение нескольких минут. Другие материалы требуют записи на более позднее в тот же день или в будущем. Справочный персонал может посоветуют вам как заполнить квитанцию о звонках, так и когда товар может быть подан.
Чтобы связаться со справочным персоналом в Зале эстампов и фотографий, воспользуйтесь нашей Спросите библиотекаря или позвоните в читальный зал с 8:30 до 5:00 по телефону 202-707-6394 и нажмите 3.
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы
Глава 3d — Первый закон — Закрытые системы — Двигатели с циклом Отто (обновлено 22 апреля 2012 г.)Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы
г) Цикл Отто стандарта воздуха (искровое зажигание) Двигатель
The Air Стандартный цикл Отто — идеальный цикл для Искровое зажигание (SI) двигатели внутреннего сгорания, впервые предложенные Николаус Отто более 130 лет назад, и который в настоящее время используется чаще всего автомобили.Следующая ссылка на Kruse Технологическое партнерство представляет Описание четырехтактного двигателя Операция цикла Отто , включая короткую история Николауса Отто. И снова у нас отличная анимация производство Matt Keveney представляет как 4-тактный и двухтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием операция
Анализ цикла Отто очень похож на цикл дизельного двигателя, который мы проанализировали в предыдущей версии . Раздел .Мы воспользуемся идеалом «стандартное» допущение в нашем анализе. Таким образом, рабочий жидкость — это фиксированная масса воздуха, совершающего полный цикл, который относился во всем как к идеальному газу. Все процессы идеальны, сгорание заменяется добавлением тепла к воздуху, а выхлоп — заменен процессом отвода тепла, который восстанавливает воздух в начальное состояние.
Самое существенное отличие идеального Цикл Отто и идеальный дизельный цикл — это метод зажигания топливно-воздушная смесь.Напомним, что в идеальном дизельном цикле чрезвычайно высокая степень сжатия (около 18: 1) позволяет воздуху достигать температура воспламенения топлива. Затем впрыскивается топливо так, чтобы процесс воспламенения происходит при постоянном давлении. В идеале Отто цикл: топливно-воздушная смесь вводится во время такта впуска и сжат до гораздо более низкой степени сжатия (около 8: 1) и является затем воспламеняется от искры. Возгорание приводит к внезапному скачку давление, в то время как объем остается практически постоянным.В продолжение цикла, включая расширение и выхлоп процессы практически идентичны идеальным дизельным двигателям. цикл. Считаем удобным разработать аналитический подход идеальный цикл Отто через следующую решенную задачу:
Решенная задача 3.7 — An идеальный двигатель с воздушным стандартным циклом Отто имеет степень сжатия 8. При начало процесса сжатия рабочая жидкость на 100 кПа, 27 ° C (300 K) и 800 кДж / кг тепла во время процесс добавления тепла с постоянным объемом.Аккуратно нарисуйте давление-объем [ P-v ] диаграмму для этого цикла, и используя значения удельной теплоемкости воздуха при типичная средняя температура цикла 900K определяет:
а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса
б) сеть производительность / цикл [кДж / кг], и
c) тепловой КПД [η th ] этого цикла двигателя.
Подход к решению:
Первым шагом является построение диаграммы P-v полный цикл, включая всю необходимую информацию.Мы замечаем что ни объем, ни масса не указаны, поэтому диаграмма и решение будет в конкретных количествах.
Мы предполагаем, что топливно-воздушная смесь представлена чистый воздух. Соответствующие уравнения состояния, внутренней энергии и адиабатический процесс для воздуха:
Напомним из предыдущего раздела, что номинальный Значения удельной теплоемкости, используемые для воздуха при 300K, составляют C v = 0,717 кДж / кг · K ,, и k = 1,4. Однако все они функции температуры, а также с чрезвычайно высокой температурой диапазон, испытанный в двигателях внутреннего сгорания, можно получить существенные ошибки.В этой задаче мы используем типичный средний цикл температура 900К взята из таблицы Удельная Теплоемкость воздуха .
Теперь мы проходим все четыре процесса, чтобы определить температуру и давление в конце каждого процесса, как а также о проделанной работе и тепле, передаваемом во время каждого процесса.
Обратите внимание, что давление P 4 (а также P 2 выше) также можно оценить из уравнения адиабатического процесса.Мы делаем это ниже в качестве проверки действительности, но мы находим это больше По возможности удобно использовать уравнение состояния идеального газа. Оба метода подходят.
Мы продолжаем последний процесс определения отклонено тепло:
Обратите внимание, что мы применили уравнение энергии к все четыре процесса, позволяющие нам два альтернативных способа оценки «чистая производительность за цикл» и термический КПД, следующим образом:
Обратите внимание, что при использовании постоянных значений удельной теплоемкости более цикла мы можем определить тепловой КПД непосредственно из коэффициент удельных теплоемкостей k по формуле:
где r — степень сжатия
Quick Quiz: Использование тепла и уравнения энергии работы, полученные выше, выводят это соотношение
Задача 3.8 — Это является расширением Решенной задачи 3.7, в котором мы хотим использовать во всех четырех процессах номинальная стандартная удельная теплоемкость значения емкости для воздуха при 300К. Используя значения C v = 0,717 кДж / кг · К и k = 1,4, определите:
а) температура и давление воздуха в конце каждого процесса [P 2 = 1838 кПа, Т 2 = 689К, Т 3 = 1805K, P 3 = 4815 кПа, P 4 = 262 кПа, Т 4 = 786 КБ]
б) сеть выход / цикл [451.5 кДж / кг], и
c) тепловой КПД этого цикла двигателя. [η th = 56%]
______________________________________________________________________________________
Инженерная термодинамика, Израиль
Уриэли под лицензией Creative
Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Соединенные Штаты
Лицензия
| glue-it.com
Существует так много различных конфигураций двигателей внутреннего сгорания, которые были разработаны на протяжении истории двигателей, что я подумал, что попробую перечислить их в некотором расплывчатом порядке — исходя из увеличения количества цилиндров и сложности:
Одноцилиндровый горизонтальный двигательОдноцилиндровый горизонтальный
Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми и в основном стационарными.
Горизонтальный одноцилиндровый двигатель основан на простых технологиях литья и конструкции.
Используется для выработки электроэнергии или ременных приводов на заводах.
Ранние горизонтальные двигатели, как видно на изображении слева, имели открытый картер.
Рядный Твин
Рядный двухцилиндровый двигатель со свечами накаливанияДанный двигатель представляет собой модель двухтактного двигателя со свечами накаливания.
Он был разработан для использования в радиоуправляемых авиамоделях. Задний цилиндр рядного двигателя с воздушным охлаждением имеет тенденцию к перегреву.В этом отношении плоский сдвоенный двигатель имеет преимущество перед рядным двигателем, так как его легче организовать, чтобы обеспечить одинаковый поток воздуха через оба цилиндра.
На линейном чертеже показано сечение рядного двойника и хорошо видно, что один поршень находится в нижней части своего хода, а другой — в верхней части его хода.
Это движение массы поршня и шатуна друг относительно друга создает качательное или качательное движение двигателя в целом.
Противоположный сдвоенный или плоский сдвоенный номер
Модель двигателя, построенная Роном Лейном.Авиадвигатель с воздушным охлаждением. На разрезе двухцилиндрового двигателя, расположенного напротив друг друга, видно, что оба поршня находятся в верхней части хода вместе, а в нижней — вместе — это расположение естественным образом уравновешивает силы, создаваемые движением поршней и шатунов, существует небольшая сила, поскольку Поршни немного смещены вдоль коленчатого вала, так как требуются две перемычки и штифт.
В Твин
Двухцилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в форме буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.
На чертеже показан двухцилиндровый двигатель с одной шатунной шейкой.
I3
Рядный 3-цилиндровый двигатель.
V3
Ряды цилиндров напоминают букву W, если смотреть вниз по линии кривошипа, например Honda NS500 Grand Prix двигатель гоночного мотоцикла .
W3
3-цилиндровый Anzani — очень ранний авиадвигатель, использовавшийся в моноплане Bleriot.
3-цилиндровый радиальный
Anzani Y-Type 3-цилиндровый радиальный — конфигурация самого маленького цилиндра для радиального двигателя, опять же, это была популярная конфигурация двигателя в очень ранней авиации.
I4
Четырехцилиндровый рядный авиадвигатель Gypsy Major с цилиндрами в разном состоянии. Крайняя слева отсутствует головка цилиндра, цилиндр и поршень, вторая слева показывает поршень, крайняя правая показывает весь цилиндр с установленной головкой и клапанным механизмом.
Рядный 4-цилиндровый двигатель является наиболее распространенной конфигурацией двигателей в автомобилях, работающих как на бензине, так и на дизельном топливе.
Квартира 4
Горизонтально-оппозитный четырехцилиндровый двигатель.На изображении показана модель двигателя, построенная Роном Лейном. Плоская четверка — это по своей сути хорошо сбалансированный и плавно работающий двигатель.
V4
Четырехцилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 2, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.
W4
Ряды цилиндров напоминают букву W, если смотреть вниз по линии кривошипа.
I5
Рядный 5-цилиндровый двигатель.
V5
Пятицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными так, что имеется один ряд из 3 цилиндров и один ряд из 2 цилиндров, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.
5-цилиндровый радиальный
Модель 5-цилиндрового радиального двигателя, построенная Роном Лейном. Вы должны увидеть, как здесь развивается тема, поскольку Рон спроектировал и изготовил ряд двигателей различной конфигурации с одинаковой конструкцией цилиндра, головки и поршня.
5-цилиндровый поворотный
Двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.
6-цилиндровый радиальный
Анзани 6 цилиндров радиально.
Квартира 6
Горизонтально-оппозитный шестицилиндровый двигатель.
I6
Rolls Royce Hawk, рядный шестицилиндровый двигатель.
V6
Шестицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 3 цилиндра, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.
7-цилиндровый радиальный
7-цилиндровый радиальный двигатель модели.
7-цилиндровый поворотный
Двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.
I8
Рядный 8-цилиндровый двигатель.
V8
Восьмицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 4 цилиндра, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.В данном случае это модель V8 с отдельными цилиндрами, на которых четко видно расположение.
Квартира 8
Горизонтально-оппозитный восьмицилиндровый двигатель.
W8
Ряды цилиндров напоминают букву W, если смотреть вниз по линии кривошипа.
9-цилиндровый поворотный
Четвертьмасштабные Bentley RotaryRotary двигатели широко использовались в первых самолетах.
Двигатель вращается вместе с гребным винтом, а коленчатый вал остается прикрепленным к переборке самолета.Это увеличивает инерцию вращения, а на ранних двигателях означает, что вам не нужен маховик — малый вес был ключевым параметром конструкции первых авиадвигателей.
Bentley Rotary Radial, четверть шкалы, сделанная по чертежам Лью Блэкмора несколько лет назад.
Первоначальные проблемы с прорезанием зубцов были связаны с заеданием поршней из-за слишком мелкой канавки поршневых колец. Строитель запускает и запускает этот двигатель один раз в месяц, чтобы детали оставались смазанными.
9-цилиндровый радиальный
Alvis Leonides 9 цилиндров радиально.
I10
Рядный десятицилиндровый двигатель.
V10
Десятицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 5 цилиндров, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала.
10-цилиндровый радиальный
Очень необычное расположение цилиндров. Это радиальный двигатель Anzani 1913 года с воздушным охлаждением, имеющий несколько различных версий мощностью от 100 до 125 л.с.
Этот конкретный двигатель был протестирован в Фарнборо в 1914 году и теперь является частью коллекции Музея науки.
V12
Двенадцатицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 6 цилиндров, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленчатого вала. На фотографии изображен Daimler Double Six .
Квартира 12
Двенадцатицилиндровый двигатель с горизонтальной опорой.
I12
Рядный двенадцатицилиндровый двигатель.
W12
Ряды цилиндров напоминают букву W, если смотреть вниз по линии кривошипа.
14 Цилиндр Радиальный
1850л.с. Wright R-2600-29 Cyclone 14-цилиндровый радиальный.Обратите внимание, что это фактически два 7-цилиндровых радиальных ряда, расположенные вплотную друг к другу, причем задний ряд цилиндров поворачивается на половину цилиндра на расстояние между цилиндрами.
I14
Рядный четырнадцатицилиндровый двигатель.
Квартира 16
Горизонтально-оппозитный шестнадцатицилиндровый двигатель.
V16
Шестнадцатицилиндровый двигатель с цилиндрами, расположенными в двух рядах по 8 цилиндров, и имеет форму буквы V, если смотреть вдоль линии коленвала.
х26
Базовая конструкция — это два плоских горизонтально расположенных друг против друга 8-цилиндровых двигателя, работающих на общем валу.
18-цилиндровый радиальный
Обратите внимание, что это фактически два 9-цилиндровых радиальных ряда, расположенные вплотную друг к другу, при этом задний ряд цилиндров поворачивается на половину расстояния между цилиндрами.
Pratt & Witney R2800 Double Wasp рабочий объем 46 литров, мощность двигателя 2400 л.с. при 2800 об / мин с впрыском воды. Это действительно компактный радиальный авиадвигатель.
W18
Изотта Фрашини W18. Ряды цилиндров напоминают букву W, если смотреть вниз по линии кривошипа.
V20
V-образный двигатель с 20 цилиндрами, расположенными в двух рядах по 10 цилиндров.
х34
Napier Sabre III, двадцатичетырехцилиндровый двигатель с жидкостным охлаждением, горизонтально-оппозитный, Н-образный двигатель с золотниковым клапаном, 2250 л.с. при 4000 об / мин, диаметр цилиндра 127 мм, ход 121 мм, вес 1066 кг. Базовая конструкция представляет собой конструкцию двух плоских горизонтально противоположных 12-цилиндровых двигателей, работающих на общем валу.
V24
V-образный двигатель с 24 цилиндрами, расположенными в двух рядах по 12 цилиндров.
X24
Если смотреть на торец коленчатого вала, цилиндры образуют ‘X’. Примером такого двигателя является 24-цилиндровый двигатель Rolls-Royce Vulture, который имеет четыре ряда по шесть цилиндров.
28 Цилиндр Радиальный
Иногда известный как кукурузный початок , так как он состоит из 4-х рядов 7-цилиндровых радиальных двигателей.
36 Цилиндр Радиальный
4 ряда по 9 цилиндров, расположенных вокруг центрального кривошипа, например Лайкоминг Р-7755 .
Все о клапанах двигателя
Изображение предоставлено: Максим Вивцарук / Shutterstock.ком
Клапаны двигателя — это механические компоненты, используемые в двигателях внутреннего сгорания, чтобы разрешать или ограничивать поток жидкости или газа в камеры сгорания или цилиндры и из них во время работы двигателя. Функционально они работают аналогично многим другим типам клапанов в том, что они блокируют или пропускают поток, однако они представляют собой чисто механическое устройство, которое взаимодействует с другими компонентами двигателя, такими как коромысла, для открытия и закрытия в правильной последовательности и с правильный выбор времени.
Термин «клапан двигателя» может также относиться к типу обратного клапана, который используется для впрыска воздуха в составе систем контроля выбросов и рециркуляции выхлопных газов в транспортных средствах. Этот тип клапана двигателя не рассматривается в этой статье.
Клапаны двигателей являются общими для многих типов двигателей внутреннего сгорания, независимо от того, работают ли они на таком топливе, как бензин, дизельное топливо, керосин, природный газ (СПГ) или пропан (LP). Типы двигателей различаются количеством цилиндров, которые представляют собой камеры сгорания, вырабатывающие энергию от воспламенения топлива.Они также различаются типом работы (2-тактный или 4-тактный) и конструктивным размещением клапанов внутри двигателя [верхний клапан (OHV), верхний кулачок (OHC) или клапан в блоке (VIB)]. .
В этой статье кратко описывается работа клапанов двигателя в типичных двигателях внутреннего сгорания, а также представлена информация о типах клапанов, их конструкции и материалах. Дополнительную информацию о других типах клапанов можно найти в нашем соответствующем руководстве «Общие сведения о клапанах».
Номенклатура клапанов двигателя
Большинство клапанов двигателя сконструированы как клапаны тарельчатого типа из-за их толкающего движения вверх и вниз и имеют головку клапана с коническим профилем, которая прилегает к механически обработанному седлу клапана, чтобы перекрыть проход жидкостей или газов. Их также называют грибовидными клапанами из-за характерной формы головки клапана. На рисунке 1 показана номенклатура различных элементов типичного клапана двигателя.
Рисунок 1 — Номенклатура стандартного тарельчатого клапана двигателя.
Изображение предоставлено: https://dieselnet.com
Двумя основными элементами являются шток клапана и головка клапана. Головка содержит галтель, ведущий к поверхности седла, которая обрабатывается под определенным углом, чтобы соответствовать механической обработке седла клапана, с которым она будет соответствовать. Посадка поверхности клапана на седло клапана — это то, что обеспечивает уплотнение клапана против давления сгорания.
Шток клапана соединяет клапан с механическими элементами в двигателе, которые приводят в действие клапан, создавая силу для перемещения штока против давления в седле, создаваемого пружиной клапана.Стопорная канавка используется для удержания пружины в нужном положении, а кончик штока клапана многократно контактирует с коромыслом, толкателем или толкателем, приводящим в действие клапан.
Работа двигателя
В четырехтактных или четырехтактных двигателях внутреннего сгорания используются два основных типа клапанов — впускной и выпускной. Впускные клапаны открываются, чтобы позволить потоку воздушно-топливной смеси в цилиндры двигателя перед сжатием и воспламенением, в то время как выпускные клапаны открываются, чтобы обеспечить удаление выхлопных газов из процесса сгорания после воспламенения.
При нормальной работе коленчатый вал двигателя, к которому прикреплены поршни, привязан к распределительному валу как часть механизма клапана для двигателя. Движение коленчатого вала передает движение распределительному валу через цепь привода ГРМ, ремень привода ГРМ или другой зубчатый механизм. Синхронизация и совмещение между положением коленчатого вала (которое определяет положение поршня в цилиндре) и положением распределительного вала (которое определяет положение клапанов для цилиндра) имеют решающее значение не только для максимальной производительности двигателя, но и для предотвращения столкновения поршней и клапанов в двигателях с высокой степенью сжатия.
В цикле впуска поршень впускного цилиндра опускается вниз при открытии впускного клапана. Движение поршня создает отрицательное давление, которое помогает втягивать топливно-воздушную смесь в цилиндр. Сразу после того, как поршень достигает самого нижнего положения в цилиндре (известного как нижняя мертвая точка), впускной клапан закрывается. В цикле сжатия впускной клапан закрывается, чтобы изолировать цилиндр, когда поршень поднимается в цилиндре в наивысшее положение (известное как верхняя мертвая точка), что сжимает топливно-воздушную смесь до небольшого объема.Это действие сжатия служит для обеспечения более высокого давления на поршень при воспламенении топлива, а также для предварительного нагрева смеси, чтобы способствовать эффективному сгоранию топлива. В энергетическом цикле воздушно-топливная смесь воспламеняется, что создает взрыв, который заставляет поршень вернуться в самое нижнее положение и передает химическую энергию, высвобождаемую при сжигании топливно-воздушной смеси, во вращательное движение коленчатого вала. В цикле выпуска поршень снова поднимается вверх в цилиндре, в то время как впускной клапан остается закрытым, а выпускной клапан теперь открыт.Давление, создаваемое поршнем, помогает вытеснять выхлопные газы из цилиндра через выпускной клапан в выпускной коллектор. К выпускному коллектору подсоединены выхлопная система, набор труб, который включает глушитель для снижения акустического шума и систему каталитического нейтрализатора для управления выбросами при сгорании двигателя. Как только поршень достигает верха цилиндра в цикле выпуска, выпускной клапан начинает закрываться, а впускной клапан начинает открываться, начиная процесс снова.Обратите внимание, что давление в цилиндре на впуске помогает держать впускной клапан открытым, а высокое давление в цикле сжатия помогает удерживать оба клапана закрытыми.
В двигателях с несколькими цилиндрами одни и те же четыре цикла повторяются в каждом из цилиндров, но в определенной последовательности, чтобы двигатель демонстрировал плавную мощность и сводил к минимуму шум и вибрацию. Последовательность движения поршня, клапана и зажигания достигается за счет точной механической конструкции и электрического времени сигналов зажигания к свечам зажигания, которые воспламеняют топливно-воздушную смесь.
Движение клапана двигателя
Движение клапанов двигателя приводится в действие распределительным валом двигателя, который содержит ряд кулачков или кулачков, которые служат для создания линейного движения клапана за счет вращения распределительного вала. Количество кулачков на распределительном валу равно количеству клапанов в двигателе. Когда распределительный вал находится в головке блока цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним распредвалом (OHC); когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, двигатель называется конструкцией с верхним расположением клапана (OHV).Независимо от конструкции двигателя, основное движение клапанов двигателя происходит за счет движения кулачка против подъемника или толкателя, который создает силу, которая давит на шток клапана и сжимает пружину клапана, тем самым снимая натяжение пружины, которое удерживает клапан в закрытое положение. Это движение штока клапана поднимает клапан над седлом в головке цилиндра и открывает клапан. Как только распределительный вал поворачивается дальше и кулачок перемещается так, что эксцентрическая часть больше не находится в непосредственном контакте с толкателем или толкателем, давление пружины закрывает клапан, поскольку шток клапана перемещается по центральной части кулачка.
Поддержание надлежащего зазора клапана между штоком клапана и коромыслом или кулачком чрезвычайно важно для правильной работы клапанов. Необходим некоторый минимальный зазор для расширения металлических деталей при повышении температуры двигателя во время работы. Конкретные значения зазора варьируются от двигателя к двигателю, и несоблюдение надлежащего зазора может иметь серьезные последствия для работы и производительности двигателя. Если зазор клапана слишком велик, то клапаны откроются позже, чем оптимально, и закроются раньше, что может снизить производительность двигателя и увеличить шум двигателя.Если зазор клапана слишком мал, клапаны не закроются полностью, что может привести к потере сжатия. Гидравлические подъемники клапана являются самокомпенсирующимися и могут устранить необходимость в регулировке зазора клапана.
В современных двигателях внутреннего сгорания может использоваться различное количество клапанов на цилиндр в зависимости от конструкции и области применения. Меньшие двигатели, такие как те, которые используются в газонокосилках, могут иметь только один впускной клапан и один выпускной клапан. В двигателях больших транспортных средств, таких как 4-, 6- или 8-цилиндровые двигатели, может использоваться четыре клапана на цилиндр, а иногда и пять.
Материалы клапанов двигателя
Клапаны двигателя являются одним из компонентов двигателей внутреннего сгорания, которые подвергаются высоким нагрузкам. Необходимость надежной работы двигателя диктует, что клапаны двигателя должны быть способны проявлять устойчивость к многократному и непрерывному воздействию высокой температуры, высокого давления из камеры сгорания, а также механических нагрузок и напряжений, обусловленных динамикой двигателя.
Впускные клапаны двигателей внутреннего сгорания подвергаются меньшим тепловым нагрузкам из-за охлаждающего воздействия поступающей воздушно-топливной смеси, которая проходит через клапан во время впускного цикла.Выхлопные клапаны, напротив, подвергаются более высоким уровням термической нагрузки, поскольку находятся на пути выхлопных газов во время выхлопного цикла двигателя. Кроме того, тот факт, что выпускной клапан открыт во время цикла выпуска и не контактирует с головкой блока цилиндров, означает, что меньшая тепловая масса поверхности сгорания, а головка клапана имеет больший потенциал для быстрого изменения температуры.
Впускные клапаны из-за более низких рабочих температур обычно изготавливаются из таких материалов, как хром, никель или вольфрамовая сталь.В выпускных клапанах с более высокими температурами могут использоваться более жаропрочные металлы, такие как нихром, кремний-хром или кобальт-хромовые сплавы.
Поверхности клапана, которые подвергаются воздействию более высоких температур, иногда становятся более долговечными за счет приваривания к поверхности клапана стеллита, который представляет собой сплав кобальта и хрома.
Другие типы материалов, используемых для изготовления клапанов двигателя, включают нержавеющую сталь, титан и сплавы трибалой.
Кроме того, для улучшения механических свойств и характеристик износа клапанов двигателя могут применяться покрытия и обработка поверхности.Примеры этого включают хромирование, фосфатирование, нитридное покрытие и завихрение.
Типы клапанов двигателя
Помимо характеристики клапанов двигателя по функциям (впускной или выпускной), существует несколько конкретных типов клапанов двигателя, которые существуют в зависимости от конструкции и материалов. К основным типам клапанов двигателя относятся:
- Монометаллические клапаны двигателя
- Биметаллические клапаны двигателя
- Полые клапаны двигателя
Монометаллические клапаны двигателя, как следует из их названия, изготавливаются из единого материала, который образует как шток клапана, так и головку клапана.Эти типы клапанов двигателя обладают как высокой термостойкостью, так и хорошими антифрикционными свойствами.
Биметаллические клапаны двигателя, также известные как биметаллические клапаны двигателя, изготавливаются путем соединения двух разных материалов вместе с использованием процесса сварки трением для создания клапана с аустенитной сталью на головке клапана и мартенситной сталью для штока клапана. Свойства каждой из этих сталей служат оптимальному назначению: аустенитная сталь на головке клапана обеспечивает жаропрочность и коррозионную стойкость, а мартенситная сталь для штока клапана обеспечивает высокую прочность на растяжение и стойкость к абразивному износу.
Полые клапаны двигателя — это специальный биметаллический клапан, который содержит полую полость, заполненную натрием. Натрий сжижается при повышении температуры клапана и циркулирует за счет движения клапана, что помогает рассеивать тепло от более горячей головки клапана. Полая конструкция обеспечивает лучшую теплопередачу через шток, чем у сплошных клапанов, поскольку мартенситный материал штока является лучшим проводником тепла, чем аустенитный материал головки. Полые клапаны особенно подходят для использования в современных двигателях, которые обеспечивают большую мощность за счет более компактных и плотных двигателей, которые имеют более высокие температуры выхлопных газов, с которыми твердые клапаны не справляются.Эти более высокие температуры выхлопных газов являются результатом нескольких условий, в том числе:
- Стремление к процессу сжигания обедненной смеси, который сокращает выбросы парниковых газов
- Конструкции двигателей с более высокой степенью сжатия и более высоким давлением сгорания, которые обеспечивают более высокий КПД
- Интегрированные конструкции коллектора, поддерживающие турбокомпрессоры для повышения производительности двигателей меньших размеров
Есть несколько других типов конструкций клапанов двигателя.Так называемые золотниковые клапаны состоят из трубки или втулки, которая находится между стенкой цилиндра и поршнем и которая скользит или вращается с приводом от распределительного вала, как и другие клапаны двигателя. Перемещение золотникового клапана приводит к тому, что отверстия, прорезанные во втулке, выравниваются с соответствующими отверстиями в стенке цилиндра в различных точках цикла двигателя, таким образом, функционируя как простой впускной и выпускной клапан двигателя без сложностей, связанных с коромыслами и подъемниками.
Характеристики клапана двигателя
Типовые клапаны двигателя соответствуют параметрам, указанным ниже.Обратите внимание, что эти данные предназначены для информационных целей, и имейте в виду, что параметры, используемые для определения клапанов двигателя, могут варьироваться от производителя к производителю. Понимая спецификации, покупатели получают больше возможностей для обсуждения своих конкретных потребностей с поставщиками клапанов двигателя.
- Диаметр стержня — диаметр стержня клапана двигателя
- Длина штока — расстояние от наконечника штока до головки клапана
- Угол седла — угол среза седла головки клапана, измеренный в угловых градусах, типичные значения находятся в диапазоне 20 o — 60 o
- Материалы клапана — описывает материал или материалы, используемые для изготовления клапана
- Покрытия — обозначает любые покрытия или обработки поверхности, нанесенные на основной материал клапана, такие как хромирование, нитрид, PVD или керамика, например
Сводка
В этой статье представлен краткий обзор клапанов двигателя, включая их сущность, ключевую номенклатуру, принцип их работы, работу клапана, материалы, типы и характеристики.Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.
Источники:
- https://www.theengineerspost.com/engine-valves-types/
- https://www.aopa.org/training-and-safety/air-safety-institute/valve-safety
- https://www.howacarworks.com/basics/the-engine-how-the-valves-open-and-close
- http: // ground-mag.com
- https://dieselnet.com
- http://www.federalmogul.com/en-US/OE/Products/Pages/Product-Details.aspx?CategoryId=48&SubCategoryId=191&ProductId=840
- http://www.ijmerr.com/uploadfile/2015/0409/2015040
- 51873.pdf
- https://www.eaton.com/us/en-us/catalog/engine-valvetrain/engine-valves.html
- http://www.nextech.co.in
- https://aviamech.blogspot.com/2013/02/piston-engine-valves.