Из чего состоит двс: Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Содержание

Автомобильный двигатель: конструкция, виды, характеристики

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

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

Классификация двигателей ВС

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

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

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

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

Поршневые моторы существуют в трех вариациях:

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

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

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

Роторный двигатель внутреннего сгорания

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

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

  1. впуска,
  2. сжатия,
  3. рабочего хода,
  4. выпуска.

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

Устройство поршневого двигателя автомобиля

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В конструкции классической ГБЦ есть:

  • распределительный вал (один или два),
  • клапана впускные и выпускные, приводящиеся в движение от кулачка распредвала.

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

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

Как работает 4-тактный автомобильный двигатель

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

  1. Впуск. Поршень в положении ВМТ. Опускаясь вниз, он создает разряжение, а впускной клапан открывается. Через впускной канал всасывается топливно-воздушная смесь, и когда поршень доходит до нижней точки, клапан закрывается.
  2. Сжатие. Поршень поднимается из нижней в верхнюю точку. Вследствие сжатия увеличивается давление и температура в цилиндре. Когда поршень добирается до верхней точки, свеча зажигания воспламеняет смесь, толкая его вниз. Это действие преобразует энергию тепловую в механическую, заставляя ДВС работать.
  3. Рабочий ход. Поршень из ВМТ опускается в НМТ, посредством расширения газов. В этот момент смесь должна максимально эффективно сгореть.
  4. Выпуск. Поршень начинает движение вверх, выпускной клапан открывается, и поршень в процессе движения выталкивает отработанные газы. Они, двигаясь по выпускной магистрали по коллектору, через выхлопную трубу выбрасываются наружу.

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

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Автор admin На чтение 6 мин. Просмотров 63

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

Немного истории

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


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

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

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

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

Как это работает

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


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

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

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


Два такта

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

Четыре такта

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

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

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

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

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


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

Виды ДВС

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

Рассмотрим три основных типа:

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

Бензиновые карбюраторные ДВС

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


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

Бензиновые инжекторные ДВС

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

Дизельные ДВС

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

Пути дальнейшего развития ДВС

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

Мне нравится1Не нравится
Что еще стоит почитать

Из чего состоит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля

Главным «органом» автомобиля, от которого зависит практически вся его работа, является двигатель. Он имеет сложную структуру, может работать на традиционном дизельном или бензиновом горючем, а также на более новых видах топлива – например, на природном газе.

Если двигательный агрегат заглох, можно считать, что автомобиль умер. При ряде других неисправностей до СТО можно добраться и на своих колесах, но при поломке ДВС это невозможно.

Поэтому неисправности, иногда возникающие в нем, обращают на себя особое внимание владельца автомобиля, требуя своевременной замены запчастей. Для крупногабаритного транспорта в большинстве случае оптимальны запчасти Deutz, поскольку чаще устанавливаются именно эти двигатели.

Для легковых авто это, как правило, General Motors, BMW, Ford EcoBoost и другие. Разберемся, какие детали и узлы входят в конструкцию двигателя.

Блок ДВС

Основным компонентом двигателя является блок ДВС. Благодаря ему приводится в движение весь автомобиль, поэтому деталям блока цилиндров уделяется особое внимание.

Цилиндры должны быть изготовлены из высококачественного чугуна. Обязательно они проходят качественную обработку на высокотехнологичных станках.

В последние годы для изготовления блока ДВС легковых автомобилей начали использовать алюминий (особенно для спортивных моделей), а для грузовых оставили в производстве чугунные.

Нередко встречаются и смешанные системы цилиндров, которые изготавливаются из алюминия и магния. Такие блоки двигателя внутреннего сгорания все чаще применяют на спортивных автомобилях, поскольку они дают возможность снизить общую массу транспортного средства, а это очень важно для таких моделей.

Клапаны

Клапаны в автомобиле играют одну из самых важных ролей. Они позволяют регулировать расход горюче-смазочных материалов. В производстве современных автомобилей применяют такие виды клапанов:

  1. Электромагнитные.
  2. Электрические.
  3. Механические.
  4. Дроссельные.
  5. Предохранительные или регулировочные.

Масляный фильтр

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

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

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

Приводной ремень

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

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

Прокладки

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

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

Сальники

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

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

Механизм газораспределения

Газораспределительный механизм автомобиля представляет собой систему клапанов, которые должны открываться и закрываться в определенной последовательности. Их работа заключается в том, чтобы своевременно выводить отработанные материалы.

Бензиновые двигатели и их устройство

Принцип работы бензинового силового агрегата состоит в следующем: небольшой объем топливной смеси поступает в камеру сгорания, там происходит ее воспламенение и взрыв, в результате которого высвобождается определенная энергия.

В двигателе внутреннего сгорания таких взрывов происходит несколько сотен за минуту.

Расширяющийся в камере сгорания газ давит на поршень (М), который при помощи шатуна (N) вращает коленвал (P).

Цикл работы бензинового двигателя состоит из следующих этапов:

• Впускной такт. В этот момент начинается движение поршня вниз, происходит открытие впускного клапана. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь.

• Сжатие. Поршень начинает двигаться вверх, тем самым сжимает смесь в цилиндрах, что необходимо для выделения большей энергии при последующем взрыве.

• Рабочий такт. Когда поршень поднимается до верхней мертвой точки в цилиндре, в работу включается свеча зажигания и поджигает топливную смесь. После взрыва поршень движется уже вниз.

• Выпускной такт. После достижения поршнем крайней нижней точки, происходит открытие выпускного клапана, через который продукты сгорания и уходят из камеры.

После выхода продуктов сгорания начинается новый цикл работы ДВС.

Результат работы силового агрегата – получение вращательного движения, которое оптимально подходит для проворота колес машины. Достигается это за счет использования коленчатого вала, который и преобразует линейную энергию во вращение. 

 

Устройство и основные детали бензиновых ДВС  

Цилиндр – важнейшая часть бензинового мотора, в котором происходит движение поршня, вызванное взрывом топливной смеси. В описанном выше примере речь идет об одном цилиндре. Такое устройство может иметь двигатель моторной лодки или сенокосилки. В моторах же автомобилей цилиндров больше – три, четыре, пять, шесть, восемь, двенадцать и более.

Расположение цилиндров в ДВС может быть следующим:

— рядным:

— V-образным:

— оппозитным (цилиндры горизонтально располагаются друг напротив друга):

Каждое расположение цилиндров имеет свои плюсы и минусы, из которых складывается характеристики тех или иных двигателей и затраты на их производство.

Поршень (М). Эта деталь выполнена в виде металлического цилиндра, двигается вверх-вниз внутри цилиндра уже двигателя.

Клапаны. Могут быть впускными (A) и выпускными (J). Открываются они в различные такты работы двигателя. Через впускные подается топливовоздушная смесь, через выпускные выходят выхлопные газы. В моменты сжатия и сгорания топлива все клапаны закрыты.

Свечи зажигания (К). С их помощью подается искра, которая необходима для воспламенения топлива. Правильная работа двигателя подразумевает точный момент подачи искры (раннее или позднее зажигание – неисправности). На каждый цилиндр двигателя приходится минимум одна свеча.

Поршневые кольца (М). Являются скользящим уплотнением между поршнем и стенкой цилиндра.

С их помощью выполняются следующие функции:

• топливовоздушная смесь не проникает из камеры сгорания в картер во время работы ДВС;

• препятствуют проникновению моторного масла из картера в камеры сгорания.

В автомобилях, страдающих повышенным расходом масла, его угар в 90% случаев происходит из-за износа поршневых колец. Понять, что кольца изношены можно замеряв компрессию двигателя на СТО. Но, стоит понимать, что в случае закоксовки маслосъемных колец компрессионные кольца могут быть в порядке, а значит — и компрессия будет в норме, хотя кольца уже пора менять.

Коленчатый вал (Р). С его помощью поступательные движения поршней преобразуются во вращательное движение. К коленвалу крепится маховик, который необходим для запуска двигателя — бендикс стартера своими зубьями вращает именно его венец. К маховику крепится и корзина сцепления. На другом конце коленчатого вала находится шкив. Шкив вращает посредством ременной или цепной передачи привод ГРМ. Некоторые конструкции двигателей имеют дополнительные шкивы, которые используются для вращения навесного оборудования.

Картер (G). В нем находится коленвал и некоторое количество моторного масла.

Шатун (N). Служит для соединения между собой коленвала и поршня.

Распределительный вал (I). Его задача заключается в своевременном открытии и закрытии выпускных и впускных клапанов.

Гидравлические компенсаторы (на схеме не обозначены). Применяются не на всех моторах, служат для автоматической регулировки зазора между распределительным валом и клапанами. В случае же их отсутствия, зазор регулируется при помощи специальных шайб, и проводить эту процедуру необходимо на СТО на определенном пробеге двигателя.

Блок цилиндров (F). Самая большая часть двигателя, его основа. Может быть как чугунным, так и алюминиевым. Верхняя часть блока содержит головку (D) и клапанную крышку (B). Рабочие отверстия блока это и есть цилиндры двигателя. 

 

Навесное оборудование. 

На вышеуказанной схеме оно не обозначено, но стоит чуть подробнее описать его. Все навесное оборудование состоит из отдельных самостоятельных устройств или элементов различных систем. Это, прежде всего:

Генератор. Служит для превращения механической энергии в электрическую, необходимую для питания бортовой сети автомобиля и зарядки АКБ. Заведенный автомобиль питает свою электронику от генератора.

Стартер. Пуск автомобиль осуществляется с его помощью.

Инжектор или карбюратор. Эти устройства служат для приготовления топливовоздушной смеси. Карбюратор уже не используется на относительно новых автомобилях. Теперь производители используют топливную рампу с форсунками и инжектор.

ТНВД. Топливный насос высокого давления используется и на некоторых бензиновых двигателях. Его задача – нагнетать под давлением определенное количество топлива и регулировать момент и количество его подачи.

Турбокомпрессор (турбина). Осуществляет принудительную подачу воздуха в цилиндры, чем увеличивает его мощность.

Водяной насос (помпа) системы охлаждения. Отвечает за циркуляцию антифриза по системе. Стоит отметить и термостат системы охлаждения, который пускает антифриз по малому или большому кругу (в зависимости от степени нагрева ОЖ).

Компрессор кондиционера. Отвечает за циркуляцию хладагента в системе кондиционирования.

Насос ГУР (гидроусилителя руля). Перемещает жидкость ГУР по системе рулевого управления.

Различные датчики, регуляторы и устройства. Датчики давления масла, массового расхода воздуха (ДМРВ), РХХ (регулятор холостого хода), положения дроссельной заслонки, сама дроссельная заслонка, ДПКВ (датчик положения коленвала), ДПРВ (датчик положения распредвала) и т.д. Вышеуказанные устройства контролируют работу силового агрегата, корректируют подачу воздуха, передают информацию на различные ЭБУ и приборную панель.

  

Классификация бензиновых ДВС 

Кроме вышеуказанной классификации бензиновых автомобильных двигателей по расположению цилиндров они могут различаться и по:

• Способу смесеобразования (инжекторные и карбюраторные).

• По количеству цилиндров (четырех, восьми и т.д.).

• По степени сжатия (высокой или низкой степени).

• С турбонаддувом и без наддува.

• Роторные двигатели. Не получили распространения, употребляются на единичных моделях авто (например, автомобили Mazda серии RX).

Про разновидности компоновок двигателей можно узнать ЗДЕСЬ.

 

Срок службы и капитальный ремонт бензиновых моторов 

Чаще всего эти вопросом задаются автомобилисты, приобретающие машину на вторичном рынке. Никто не хочет «попасть» на скорый капремонт или вовсе на замену мотора в ближайшем будущем. Так какой же ресурс современного бензинового ДВС?

До сих пор на слуху многих автолюбителей информация о старых сверхнадежных импортных двигателях («миллионниках»), которые могут легко отходить до капитального ремонта 300-500 тысяч км, а после него – еще столько же.

Теперь же ситуация в корне поменялась. Современные производители (особенно бюджетных авто) не ставят своей целью максимального увеличения ресурса двигателя выпускаемых моделей. Да и цена автомобилей с такими силовыми агрегатами вышла бы из категории «бюджетной».

К тому же, многие недорогие ДВС не имеют ремонтных запчастей, а значит капитальный из ремонт с расточкой цилиндров, шлифовкой головы и т.д. провести не представляется возможным.

Ресурс современных бензиновых двигателей это 150-300 тысяч, после чего некоторые из них можно «капиталить», а некоторые придется и вовсе — менять.

На продолжительность работы ДВС не последнее влияние оказывает качество технического обслуживания и стиль вождения того или иного водителя (кто-то любит крутить холодный мотор до отсечки, кто-то подолгу греет двигатель на холостых оборотах, что также вредно и т.д.).

Современная тенденция увеличения мощности двигателя без изменения его объема привела к использованию турбонаддува. Небольшой легкий двигатель с турбонагнетателем работает постоянно с повышенной нагрузкой, что способствует его быстрому износу. Стоит понимать, что при прочих равных ресурс атмосферного ДВС выше, чем у такого же, но с турбиной. Роторные двигатели и вовсе служат всего 80-120 тысяч км. Одно можно сказать точно – чем меньше «лошадей» снято с кубического см мотора, тем больше его ресурс.

 

Устройство двигателя внутреннего сгорания в видео:

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Бензиновый двигатель внутреннего сгорания?

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Одним из видов дросселя является карбюраторная дроссельная заслонка, регулирующая поступление горючей смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Рабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда. В автомобилях управление дросселем производится с места водителя, причём обычно предусматривается двойная система привода: от руки рычажком или кнопкой и от ноги педалью. Их обычно связывают между собой так, что при нажатии водителем на педаль кнопка ручного управления остаётся неподвижной, а при вытягивании кнопки ручного управления педаль опускается. Дальнейшее открывание дросселя можно производить педалью. При отпускании педали дроссель остаётся в положении, установленном ручным управлением.

Классификация бензиновых двигателей

  • По способу смесеобразования — карбюраторные и инжекторные;
  • По способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизированных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырёхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).;
  • По числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;
  • По расположению цилиндров — двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (т. н. «рядный» двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным),W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом (у V-образного двигателя 2 ряда цилиндров), звездообразные;
  • По способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;
  • По типу смазки смешанный тип(масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип(масло находится в картере)
  • По виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные [1];
  • По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия;
  • По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (атмосферные), у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разрежения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя;
  • По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;
  • По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
  • Практически не употребляемые виды моторов — роторно-поршневые Ванкеля (производились только фирмами Mazda (Япония) и ВАЗ (Россия)), с внешним сгоранием Стирлинга и т. д..

См. также: Классификация автотракторных двигателей

Рабочий цикл бензинового двигателя

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степень сжатия . Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством центробежным вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель. В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу.
4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработавшие газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх свежая порция рабочей смеси засасывается в кривошипную камеру.

Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

Преимущества 4-тактных двигателей

  • Больший ресурс.
  • Бо́льшая экономичность.
  • Более чистый выхлоп.
  • Не требуется сложная выхлопная система.
  • Меньший шум.
  • Не требуется добавление масла к топливу.

Преимущества двухтактных двигателей

  • Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения у двухтактных вариантов.
  • Бо́льшая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма.
  • Проще и дешевле в изготовлении.
  • Отсутствие блока клапанов и распределительного вала.

См. также: «Два такта и четыре. В чем отличия?»

Карбюраторные и инжекторные двигатели

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Одной из первых такие разработки внедрила в свои моторы корпорация OMC в 1997 году, выпустив двигатель, построенный с использованием технологии FICHT. В этой технологии ключевым фактором было использование специальных инжекторов, которые позволяли впрыскивать топливо непосредственно в камеру сгорания. Это революционное решение наряду с использованием современного бортового компьютера позволило точно дозировать топливо в тот момент, когда поршень при обратном движении перекроет все окна. Плюс в полость коленвала распыляется чистое масло, которое не смывается топливом — теперь его там нет! Топливо не смывает масло, что позволяет уменьшить его количество. Благодаря этому решению разработчики получили двухтактный двигатель с его совершенной динамикой разгона, великолепной кривой мощности и малым весом, но при этом имеющий уровни выброса и экономичности, как у карбюраторного четырехтактного двигателя.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (Система рециркуляции выхлопных газов).

Основные вспомогательные системы бензинового двигателя

Системы, специфические для бензиновых двигателей

  • Система зажигания — обеспечивает поджиг топлива в нужный момент. Она может быть контактной, бесконтактной или микропроцессорной. Контактная система включает в себя: прерыватель-распределитель, катушку, выключатель зажигания, свечи. Бесконтактная система включает то же самое оборудование, только вместо прерывателя стоит датчик Холла или индукционный датчик. Микропроцессорная система зажигания управляется специальным блоком-компьютером, она включает в себя датчик положения коленвала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи, датчик температуры двигателя. У инжекторного двигателя к этой системе добавляются датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха.
  • Система приготовления топливовоздушной смеси — карбюратор или же инжекторная система.

Некоторые особенности современных бензиновых двигателей

  • Для повышения надежности работы используется индивидуальная катушка зажигания для каждой свечи (например, в двигателе ЗМЗ-405.24 и многих современных японских двигателях).
  • Используется по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр вместо одного впускного и одного выпускного. Это связано с тем, что суммарная площадь отверстий клапанов в головках цилиндров современных двигателей значительно увеличена, а при использовании одного большого клапана на высоких оборотах заслонки клапанов не успевают закрыть отверстие к началу следующего цикла, ввиду своей относительно большой массы. Таким образом, имеет место «зависание» заслонок вокруг определенной позиции, в результате чего клапан получается постоянно открытым. Использование более жестких пружин не решает проблемы.
  • Для управления дроссельной заслонкой используется электропривод, а не тросик педали акселератора (например, в двигателе ЗМЗ-405.24 и многих современных иностранных двигателях, особенно тех, что оснащены системой cruise control).

Системы, общие для большинства типов двигателей

  • Система охлаждения
  • Система выпуска отработанных газов. Включает выпускной коллектор, каталитический конвертер (на современных машинах), и глушитель.
  • Система смазки — бывает с отдельным маслобаком (авиация) и без него (почти все современные автомобили).
  • Система запуска двигателя. Для приготовления двигателя к работе необходимо произвести хотя бы один оборот коленчатого вала, для того, чтобы в одном из цилиндров произошли такты впуска и сжатия. Для запуска четырёхтактного двигателя обычно применяется специальный электромотор — стартер, работающий от аккумулятора. Для запуска маломощных двухтактных бензиновых двигателей можно применять мускульную силу человека, например так работает кикстартер в мотоцикле.

См. также

Ссылки

Сайт о скутерах с 2х тактными двигателями

Виды автомобильных двигателей: описание, характеристики

Мало кто знает, что двигатель внутреннего сгорания был изобретён ещё 5 веков назад, легендарным инженером и конструктором Леонардо да Винчи. Но, после первого чертежа потребовалось ещё 300 лет, чтобы были созданы первые прототипы, которые могли полноценно работать.

Виды двигателей

Первый полноценный прототип двигателя внутреннего сгорания был сконструирован в далёком 1806 году, который принадлежал братьям Ньепсье. После этого важного исторического факта было недолгое затишье.

Но, в конце 19 века три легендарным немца положили старт автомобилестроению — Николас Отто, Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. После этого двигатели внутреннего сгорания получили много модификаций и вариантов, которые используются по сегодняшний день.

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

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

Паровая машина

Первым представителем полноценного двигателя внутреннего сгорания следует считать паровую машину, которая устанавливалась на все транспортные средства 19 века, до момента изобретения остальных видов моторов.

На то время паровыми движками оснащались паровозы, автомобили и даже примитивные трёхколёсные самоходные машины (напоминающие мотоциклы). Изобретение такого класса завоевало весь мир, но к концу 19 — начало 20 века стало неэффективное, поскольку транспортные средства на пару не могли развивать достаточно большую скорость.

Бензиновый двигатель

Бензиновый двигатель — это ДВС средством питания, которого является бензин. Горючее подаётся с топливного бака при помощи насоса (механического или электрического) на систему впрыска. Итак, рассмотрим, какие бывают типы бензиновых моторов:

  • С карбюратором.
  • Инжекторного типа.

Современный мир привык, что большинство автомобилей имеет электронную систему впрыска топлива (инжектор).

Карбюраторная система впрыска

Карбюратор — это тип впрыскового устройства горючего во впускной коллектор с дальнейшим распределением по цилиндрам. Первый примитивный карбюратор был разработан в Германии ещё в конце 19 века и имеет почти 100 летнюю историю развития.

Карбюраторы бывают — одно-, двух-, четырех- и шестикамерные. Кроме этого существует достаточно много прототипов.

Принцип работы карбюратора достаточно простой: бензонасос подаёт топливо в поплавковую камеру, где бензин проходит сквозь жиклёры механическим путём (количество впрыскиваемого топлива регулирует водитель при помощи педали акселератора), и подаётся во впускной коллектор. Недостатком карбюратора стало то, что он чувствительный к регулировкам, а также не соответствует экологическим международным нормам.

Инжектор

Инжекторный двигатель — это тип впрыскового устройства горючего в цилиндры двигателя. Инжекторный впрыск бывает моно и разделённым Данная система на сегодняшний день все больше совершенствуется, чтобы уменьшит выбросы СО2 в атмосферу. Для впрыска используются форсунки, которые ещё ранее начали использоваться на дизельных двигателях.

С переходом на данную систему транспортные средства стали оснащать электронными блоками управления двигателем, чтобы корректировать состав воздушно-топливной смеси, а также сигнализировать о неисправностях внутри системы.

Дизельные двигатели

Дизельный мотор — это вид двигателя, который расходует как горючее дизельное топливо. Основные системы и элементы движка идентичны бензиновому брату, различие состоит в системе впрыска и воспламенении смеси. В дизельном моторе отсутствуют свечи зажигания, поскольку воспламенение смеси от искры не нужно.

На моторах такого типа устанавливаются свечи накала, которые разогревают воздух в камере сгорания, который превышает температуру воспламенения. После этого через форсунки подаётся распылённое топливо, которое сгорает, чем создаёт достаточное давление для привода в движения поршня, который раскручивает коленчатый вал.

Дизель с турбонаддувом

Одним из подвидов дизельного ДВС считается турбодизель. На этом моторе установлена турбина, которая имеет вид улитки. При помощи турбины в мотор подаётся больше количество сжатого воздуха, который даёт больше детонационный эффект, за счёт чего движок можно быстрее разогнать.

Газовый двигатель

Газовые двигатели на сегодняшний день в автоиндустрии в чистом виде почти не используются, поскольку частые поломки моторов, стали причиной полного отказа от них. Вместо этого, газовые установки зачастую можно встретить на бензиновых автомобилях, что значительно экономит расход денег на горючее.

Газ с баллона подаётся на редуктор, который распределяет топливо по цилиндрам, а затем горючее попадает непосредственно в камеры сгорания. После этого с помощью свечей зажигания газ воспламеняется. Единственным недостатком использования газовой установки считается то, что мотор теряет 20% своего потенциального ресурса.

Электрические моторы

Николас Тесла впервые предложил использовать для автомобилей электроэнергию. Электрические моторы на сегодняшний день не распространены, поскольку заряда батареи хватает только до 200 км пути, а заправочных станций, которые могут предоставить услугу зарядки автомобиля — практически нет.

Известная мировая компания, производитель электрических автомобилей «Тесла» продолжает совершенствовать электродвигатели, и каждый год дарит потребителям новинки, которые имеют больший запас хода без дозарядки.

Гибриды

Наверное, самые желаемые двигатели на сегодняшний день. Это смесь бензинового двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Существует несколько вариантов работы такого движка.

  1. Мотор может работать на попеременном питании. Сначала движение производится на бензине, пока генератор заряжает батарею, а затем водитель может переключиться на электропитание.
  2. Двигатель и электромотор работают одновременно, что помогает сэкономить расход горючего на одно, и тоже расстояние с другими типами ДВС.

Роторно-поршневые ДВС

Роторно-поршневой силовой агрегат в автомобилестроении не нашёл широкого распространения, хотя можно встретить модели автомобилей, которые используют такой тип ДВС. Предложил создание такого мотора — конструктор Ванкель.

Движение осуществляется за счёт вращения трёхзубчатого ротора, который позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Данный мотор активно использовался в 80-е годы 20 ст.

Водородный мотор

НОУ-ХАУ современного мира считается водородный двигатель. В автомобиль устанавливается установка водородного типа. Отличие от бензиновых моторов заключается в подаче топлива. Если у бензина топливо подаётся вовремя возврата поршня к ВТМ, то у водородного силового агрегата в момент, когда поршень возвращается к НТМ.

В будущем планируется создать водородный двигатель закрытого типа, когда не будет требоваться выброс отработанных газов, а также на 500 км автолюбитель сможет забить о заправке автомобиле.

Стоит понимать, что автомобили с таким мотором будут стоить весьма не дёшево, пока они полностью не вытеснят бензинового брата.

Вывод

Двигатели внутреннего сгорания имеют достаточно большое количество видов и типов, на любой вкус. Так, самыми популярными, по мировой статистике, считают бензиновые, дизельные и гибридные силовые агрегата. Но, все движется к тому, что человек хочет отойти от использования бензина и его аналогов и перейти полностью на электрику.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Гленн
Исследовательский центр

В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты двигатели внутреннего сгорания превратить пропеллеры чтобы генерировать тяга. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов все еще с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель.На этой странице мы обсудим основы двигатель внутреннего сгорания с использованием Двигатель братьев Райт 1903 года, показанный на рисунке в качестве примера.

Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как механическая работа машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. Основная механическая конструкция двигателя Райта: замечательно похож на современный, четырехтактный, четыре цилиндра автомобильные двигатели. Как следует из названия, процесс горения двигателя внутреннего сгорания происходит в закрытом цилиндр .Внутри цилиндра движется поршень, который компрессы смесь топлива и воздуха перед сгоранием, а затем принудительно возвращается вниз по цилиндру после сгорания. На рабочий ход поршень вращает кривошип, который преобразует линейное движение поршень в круговое движение. Поворот коленчатый вал затем используется для поворота воздушного винта. В движение поршня повторяется в термодинамический цикл называется Цикл Отто который был разработан немецким доктором Н. А. Отто в 1876 г. и используется до сих пор.

Хотя есть некоторые важные различия между современными авиационные двигатели и двигатель Wright 1903, простота конструкции двигателя Райта делает его хорошей отправной точкой для студентов. Индивидуальные веб-страницы для всех основных систем и части предоставляются так, чтобы вы можете подробно изучить каждый пункт. Вот программа на Java, которую вы можете использовать, чтобы посмотреть на движок из разнообразие локаций:

На этой странице показан интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изменять вид авиационного двигателя 1903 года путем нажатия кнопок для остановки, шага или поворота изображение.

Вы можете загрузить свою собственную копию этого апплета, нажав следующую кнопку:

Программа скачивается в формате . zip. Вы должны сохранить файл на диск и затем «Извлеките» файлы. Нажмите на «Engine.html» для автономной работы программы.

Действия:
Экскурсии

Навигация ..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Система силовых цилиндров для двигателей внутреннего сгорания

1.Введение

Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горючего топлива в механическую энергию, которая перемещает поршень и, в конечном итоге, коленчатый вал. Этот процесс преобразования энергии происходит в системе силового цилиндра двигателя. Система силового цилиндра состоит из следующих компонентов: поршень, поршневые кольца, гильза цилиндра, палец на запястье и шатун.

Поршень — это основной компонент, который передает механическую энергию путем возвратно-поступательного движения.И это возвратно-поступательное движение передается во вращательное движение коленчатого вала для вывода мощности через шатун. Малый конец шатуна соединен с поршнем через штифт, а большой конец шатуна соединен с коленчатым валом. Горение происходит над поршнем в камере сгорания, которая уплотняется кольцевым пакетом, особенно при верхнем сжатии кольцевого пакета. На рисунке 1 показаны эти основные компоненты системы силового цилиндра.

Рисунок 1.

Система силовых цилиндров.

Полный цикл двигателя состоит из четырех различных тактов для четырехтактного двигателя вместе с возвратно-поступательным движением поршня. Эти четыре хода представляют собой такт впуска, такта сжатия, такта расширения и такта выпуска, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Четыре такта для полного цикла двигателя.

Что касается современного дизельного двигателя, который известен своей большей эффективностью по сравнению с его бензиновым аналогом, только около 40% энергии, производимой двигателем, преобразуется в выходную мощность двигателя.Около 4–15% этой энергии тратится на потери на механическое трение. А остальная часть энергии, которая составляет почти половину химической энергии, рассеивается в виде других форм, например, теплопередачи, утечки и т. Д., Как показано на Рисунке 3 из исследования Ричардсона [1].

Рисунок 3.

Распределение мощности для дизельных двигателей.

И примерно половина механических потерь на трение приходится на трение в системе силового цилиндра, включая поршень, кольцевой пакет и шатун, как показано на Рисунке 4 [1].Другая часть возникает из-за трения других компонентов, например, системы клапанного механизма, подшипников коленчатого вала и т. Д.

Рис. 4.

Распределение силы механического трения.

Распределение потерь на трение между поршнем, пакетом поршневых колец и шатуном для системы силового цилиндра можно найти на Рисунке 5 [1]. Как оказалось, поршень и кольцевой пакет имеют более высокие потери на трение, чем шатун.

Рис. 5.

Распределение силы трения в системе силового цилиндра.

1. 1. Поршень

Поршень двигателя внутреннего сгорания является основным компонентом для преобразования тепловой энергии в механическую. Газ под высоким давлением от сгорания топливно-воздушной смеси толкает поршень вниз, чтобы передать механическую энергию. Таким образом, рабочее состояние поршня тяжелое. Поршни в небольших двигателях изготовлены из алюминия, а в больших, менее скоростных, поршни — из чугуна [2]. Поскольку нагрузка на двигатели продолжает расти, особенно в тяжелой промышленности, в настоящее время широко используются стальные поршни.На рисунке 6 показан типичный поршень для дизельного двигателя с определениями основных геометрических фигур, показанными в таблице 1.

Рисунок 6.

Основные геометрические формы поршня.

третья паз
No. Определения
1 Головка поршня
2 Юбка поршня
3 9105
5 Верхняя канавка
6 Вторая и третья канавка

Таблица 1.

Определения основных геометрических фигур поршней.

Юбка поршня обычно имеет цилиндрический / параболический профиль, который способствует гидродинамической смазке за счет краевого эффекта (Рисунок 7). Этот профиль юбки необходимо оптимизировать, чтобы минимизировать трение поршня. Юбка поршня также вырастает наружу в радиальном направлении при высокой температуре во время работы двигателя.

Рис. 7.

Профиль юбки поршня.

Помимо цилиндрического / параболического профиля в осевом направлении, юбка поршня обычно имеет овальность и в направлении окружности.Овальность определяется как разница между диаметром оси тяги и диаметром оси пальца. Овальность используется для уменьшения износа и риска истирания. Разработки, связанные с динамикой поршня, трением, задирами и т. Д., Можно найти в ссылках разных исследователей [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

1.2. Пакет колец

Пакет колец обычно состоит из трех колец: двух компрессионных колец и одного маслосъемного кольца. Ниже перечислены основные функции пакета колец:

  1. Для уплотнения камеры сгорания вместе с площадками поршня и стенкой цилиндра, чтобы предотвратить утечку газа высокого давления в картер, который попадает в производящая мощность.

  2. Для предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания из-под поршня, а также для равномерного распределения смазочного масла по стенкам цилиндра.

  3. Для передачи тепла от поршня к стенке цилиндра и, в конечном итоге, к системе охлаждения. Поскольку головка поршня подвергается воздействию камеры сгорания, очень важно снизить температуру поршня, чтобы гарантировать рабочее состояние поршня.

На рисунке 8 показаны типичные кольцевые пакеты для современных бензиновых и дизельных двигателей.

Рис. 8. Кольцо двигателя

IC: (a) бензиновый двигатель и (b) дизельный двигатель.

1.2.1. Верхнее компрессионное кольцо

Верхнее компрессионное кольцо является первым кольцом и основным компонентом, уплотняющим камеру сгорания для управления продувкой двигателя. Верхнее кольцо также находится в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, поскольку оно подвергается прямому воздействию дымовых газов и обычно находится под высоким давлением и высокой температурой.

Верхние компрессионные кольца бензинового двигателя обычно имеют прямоугольное сечение.Однако при работе с дизельным двигателем верхние компрессионные кольца обычно представляют собой замковые кольца (Рисунок 9), которые способствуют разрушению отложений между кольцом и канавкой поршня, тем самым уменьшая возможность микросварки между поршневым кольцом и канавкой поршня. Верхнее компрессионное кольцо обычно имеет параболический или цилиндрический профиль на передней поверхности, чтобы улучшить гидродинамическую смазку между поверхностью кольца и границей стенки цилиндра (Рисунок 9).

Рис. 9.

Поперечное сечение верхнего компрессионного кольца.

Герметизирующая способность верхнего компрессионного кольца оказывает значительное влияние на продувку двигателя из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце. Продувка двигателя определяется как утечка газа под высоким давлением в картер через пакет колец. Таким образом, желательно, чтобы верхнее компрессионное кольцо равномерно прилегало к стенке цилиндра по окружности кольца. Кроме того, из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце верхнее кольцо большую часть времени во время цикла двигателя остается у нижней стороны канавки поршня.

1.2.2. Второе компрессионное кольцо

Второе кольцо представляет собой скребковое кольцо, которое на 80% очищает смазочное масло и 20% — для уплотнения камеры сгорания. Из-за эффекта клина скребковое кольцо способствует гидродинамической смазке во время тактов вверх (такты сжатия и выпуска) и соскребает масло во время тактов вниз (такты впуска и расширения). На рисунке 10 показаны два типа вторых колец: одно — скребковое, а другое — кольцо Напье.Для второго кольца статическое скручивание обычно создается путем отрезания материала кольца в одном из задних углов. Если нижний внутренний угол обрезан, кольцо является отрицательным статическим скрученным кольцом, а если верхний внутренний угол отрезан, кольцо имеет конфигурацию положительного статического скручивания.

Рис. 10.

Поперечное сечение второго компрессионного кольца.

Хотя градиент давления газа во втором компрессионном кольце намного ниже, чем у верхнего кольца, второе кольцо также оказывает заметное влияние на поток газа и газовую динамику.Из-за этого более низкого градиента давления во втором кольце инерционная сила кольца становится конкурентоспособной с силой давления газа. Сила инерции может поднимать второе кольцо вверх на позднем такте сжатия, так что второе кольцо остается напротив верхней поверхности канавки. Этот процесс может повторяться в зависимости от повышения давления над вторым кольцом, когда оно установлено сверху. Это неустойчивое осевое движение в канавке распознается как колебание кольца [12]. Когда происходит колебание кольца, открывается другой путь потока газа между сторонами кольца и канавки.В результате может увеличиться количество продувочного газа.

Второе кольцо также может двигаться внутрь в радиальном направлении. Это радиальное движение известно как радиальное коллапс кольца [12]. Когда происходит радиальное сжатие кольца, газ над кольцом может проходить мимо кольца непосредственно между поверхностью кольца и стенкой цилиндра к нижней поверхности. В этом состоянии разрушения кольца может произойти серьезный прорыв двигателя. Это зависит от конструкции кольца и поршня, какое из этих двух условий имеет место: колебание кольца или разрушение кольца.Также возможно, что эти два условия возникают одновременно.

Было обнаружено, что статическое скручивание оказывает значительное влияние на колебание и радиальное коллапс второго кольца. Второе кольцо с отрицательной статической скрученностью более вероятно, чем второе кольцо с положительной статической скруткой. Однако, если второе кольцо приподнято к верхней поверхности канавки, конфигурация положительного статического скручивания будет более склонна к разрушению, чем конфигурация отрицательного скручивания. Это будет обсуждаться в разделе «Динамика кольца» далее в этой главе.

1.2.3. Маслосъемное кольцо

Масляное контрольное кольцо используется для дозирования и распределения смазочного масла по стенкам цилиндра. Обычно существует два типа маслосъемных колец: двухкомпонентное маслосъемное кольцо и трехкомпонентное маслосъемное кольцо (Рисунок 11). Двухкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из корпуса кольца с двумя направляющими и винтовой пружины на задней стороне, обеспечивающей силу натяжения кольца. Трехкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из двух сегментов и расширителя между ними.Расширитель обеспечивает радиальное усилие для прилегания кольца к стенке цилиндра, а также осевое усилие, прижимающее кольцо к верхней и нижней сторонам канавки. Маслосъемное кольцо представляет собой двухстороннее скребковое кольцо, которое соскабливает масло как при движении вверх, так и при движении вниз. Во время хода вниз нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло прямо обратно в картер. Верхняя направляющая / сегмент соскребает масло обратно в канавку через расширитель масляного кольца. Как правило, отверстия в задней части канавки масляного регулировочного кольца могут быть обнаружены по окружности, чтобы позволить маслу стекать в картер. В некоторых конструкциях поршня, вместо использования этих отверстий в задней части канавки, литые пазы вводятся на нижнем крае канавки для слива масла в качестве более простого решения. Во время движения вверх нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло в канавку через расширитель. Улавливание масла, очищенного верхней направляющей / сегментом во время этих движений вверх, зависит от внешней силы, действующей на верхнюю направляющую / сегмент. Иногда внешняя осевая сила на маслосъемном кольце превышает усилие расширителя. В результате между маслосъемным кольцом и сторонами канавки образуется щель для потока масла, которая позволяет маслу стекать в канавку и, в конечном итоге, обратно в картер.

Рисунок 11.

Маслосъемное кольцо: двухкомпонентное маслосъемное кольцо (слева), трехкомпонентное маслосъемное кольцо (справа).

1,3. Цилиндр

Цилиндр поршневого двигателя — это часть, через которую перемещается поршень. Цилиндр может быть с рукавами или без рукавов в зависимости от металла, используемого для блока цилиндров. Например, чугунный блок цилиндров обычно не требует гильзы цилиндра, потому что чугун достаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и стенкой цилиндра.Однако для блоков цилиндров из алюминиевого сплава, которые можно встретить почти во всех автомобилях с повседневной ездой, требуются гильзы цилиндров, поскольку алюминиевый сплав недостаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и поверхностью раздела стенки цилиндра.

Гильзы цилиндров, или гильзы цилиндров, в настоящее время производятся с использованием процесса центробежного литья. Процесс центробежного литья относится к технике литья, при которой постоянная форма вращается непрерывно вдоль своей центральной линии с постоянной скоростью.В то же время расплавленный металл заливается в форму и выбрасывается к внутренней стенке формы. Затем расплавленный металл затвердевает после охлаждения. Ориентация прядения литейной машины может быть горизонтальной или вертикальной, в зависимости от деталей, которые она производит. Горизонтальное вращение предпочтительно для длинного и тонкого цилиндра, а вертикальное вращение — для коротких и широких цилиндров. Также встречаются алюминиевые двигатели без гильз. На алюминиевые цилиндры нанесено покрытие из никелевого силиконового сплава или другое плазменное покрытие, которое помогает снизить износ цилиндров.Исследователи также изучили другие методы снижения трения двигателя. Один из методов заключается во введении углублений в середине хода на стенках цилиндра [13]. Это помогает уменьшить трение, потому что в середине хода поршневые кольца обычно подвергаются гидродинамическому трению при высокой скорости поршня. За счет введения углублений на стенку цилиндра эффективная площадь контакта между поверхностями колец и стенкой цилиндра была уменьшена. Это приводит к уменьшению вязкого трения, как заявлено.

Типичная шероховатость поверхности гильзы цилиндра составляет 0,4–0,5. Эта шероховатость была значительно уменьшена, что могло помочь снизить расход моторного масла. Более шероховатые стенки цилиндра могут помочь удерживать смазочное масло на поверхности гильзы между микроволнами, что похоже на гильзу с ямками [13]. В результате трение между кольцом / стенкой цилиндра и стыками между юбкой поршня и стенкой цилиндра может быть уменьшено за счет смазочного масла в микрополостях. Однако это масло, удерживаемое в микроволинах, не соскребает с гильзы во время опускания двигателя и может оставаться открытым для высокотемпературных газов.В результате испаряется больше масла и увеличивается расход масла.

Гильзы цилиндров больше не имеют круглой формы, когда двигатель работает. Деформация возникает в результате механической деформации в результате прикручивания блока цилиндров к головке цилиндра, термической деформации, когда тепловая нагрузка на гильзу неравномерна, механической нагрузки, когда поршень ударяется о гильзу, нагрузки давления в результате сгорания и т. Д. . Деформация цилиндра измеряется исследователями в ходе эксперимента [14].Для моделирования деформация отверстия цилиндра обычно определяется рядом Фурье [4, 5]:

δR = ∑i = 0i = 4 (Aicos (iθ) + Bisin (iθ)) E1

где δR — отклонение от округлости, Ai и Bi — это коэффициенты Фурье, а i — порядок ряда.

Порядки деформации указаны в Таблице 2.

Нулевой порядок Изменение диаметра отверстия
Первый порядок Эксцентриситет отверстия
Второй порядок Деформация
Третий порядок Трехлепестковая деформация
Четвертый порядок Четырехлепестковая деформация

Таблица 2.

Деформация внутреннего отверстия цилиндра.

2. Динамика пакета колец

Динамика поршневых колец тесно связана с их функциями, особенно для контроля газа и масла. Хотя верхнее кольцо является наиболее важной частью газового уплотнения, в то время как кольцо контроля масла имеет наибольшее влияние на регулирование потока и расхода масла, второе кольцо также имеет значительное влияние на регулирование как газа, так и масла. В этом разделе обсуждается кольцевая динамика второго компрессионного кольца. Теории также могут быть применены к верхнему компрессионному кольцу и маслосъемному кольцу, а детали моделей динамики кольца можно найти в работах.[15, 16, 17, 18, 19, 20].

Как обсуждалось в разделе 1, существует два типа кольцевой динамики: колебание кольца и радиальное схлопывание кольца. Колебание поршневого кольца — это осевое перемещение вследствие дисбаланса внешней силы, особенно между силой давления газа и силой инерции. Другие нагрузки, действующие на кольцо, в том числе сила трения, сила сжатия масляной пленки и т. Д., Относительно невелики по сравнению [6]. Следует отметить, что, хотя трение второго кольца относительно низкое, силы трения масляного кольца и верхнего кольца во время высокого давления в цилиндре могут быть большими.Кроме того, здесь описывается только флаттер и схлопывание второго кольца, которые возникают в условиях срабатывания верхней мертвой точки (ВМТ). Этот регион также считается наиболее важным для коллапса и коллапса кольца из-за его значимости для прорыва и расхода масла.

Другое явление, радиальное сжатие, может возникнуть, если кольцо поднять и установить напротив верхней части кольцевой канавки. Когда кольцо находится на верхней стороне кольцевой канавки, сила давления не только толкает кольцо вниз, но также действует на переднюю поверхность кольца, толкая его внутрь.Кольцо перекрывает давление газа сверху, а это значит, что давление за кольцом может быть намного ниже. Когда сила давления на поверхность кольца превышает натяжение кольца и силу давления за кольцом, происходит схлопывание кольца. Как только он схлопнется, газы будут выходить за поверхность кольца и уравновешивать все вокруг колец. Опять-таки, на кольцо не будет никакого чистого давления газа, и упругое натяжение кольца заставит кольцо снова выйти к стенке цилиндра. Как и следовало ожидать, между поверхностью кольца и стенкой цилиндра нет уплотнения.В результате газовый поток может проходить через поверхность кольца, что приводит к сильной продувке. Обрушение кольца — одно из нестабильных свойств кольца.

Это будет зависеть от конструкции кольца и поршня, а также от условий эксплуатации, если кольцо может дрожать или разрушаться. Также возможно, что и флаттер, и коллапс кольца происходят одновременно. В любом случае второе кольцо теряет свою герметизирующую способность, позволяя газам течь либо вокруг кольца (в случае колебания), либо мимо поверхности кольца (в случае сжатия кольца).

Сама конструкция кольца также оказывает значительное влияние на его устойчивость, например, статическое скручивание кольца. Второе кольцо с отрицательной скрученностью образует уплотнение внешней кромки между нижними сторонами кольца и канавки, когда кольцо находится на дне боковой поверхности. Это позволяет газам проходить под кольцом, что приводит к очень низкому общему давлению газа, направленному вниз. В этом случае кольцо можно легко поднять за счет силы инерции, действующей на кольцо (рис. 12а). С другой стороны, для второго кольца с положительной статической скрученностью уплотнение между кольцом и дном канавки происходит во внутреннем нижнем углу. Это предотвращает перемещение газа под более высоким давлением между дном кольца и дном канавки, что приводит к более высокому давлению, направленному вниз. Поднять кольцо с помощью силы инерции непросто. На рис. 12а в упрощенном виде показаны силы давления газа, действующие на стороны колец.

Рис. 12.

Устойчивость кольцевой посадки: (a) устойчивость нижней посадки и (b) устойчивость верхней посадки.

Точно так же устойчивость верхней посадки кольца (рисунок 12b) может быть объяснена так же, как и для условия нижней посадки.Однако следует отметить, что, поскольку кольцо с отрицательной скрученностью легче сдвинуть вниз, вероятность его коллапса снижается. И наоборот, кольцо с положительной скрученностью будет труднее надавить; следовательно, кольцо будет с большей вероятностью разрушиться в радиальном направлении внутрь, поскольку давление над кольцом может стать выше. Таким образом, конфигурация с положительным статическим скручиванием имеет тенденцию к увеличению силы давления, удерживающей второе кольцо вниз, и обеспечения устойчивости второго кольца. Это кольцо с положительной закруткой также более подвержено разрушению.Напротив, конфигурация с отрицательной статической закруткой будет способствовать дрожанию кольца. Однако радиальное разрушение кольца менее подвержено возникновению.

Когда второе кольцо трепещет или сжимается, прорыв, как правило, выше. Это потому, что кольцо не закрывает газы, и газы проходят мимо кольца. Хотя это может вызвать сильный прорыв, давление на второй площадке будет очень низким. Это предотвратит обратную продувку, которая способствует расходу масла. Дополнительные дискуссии о динамике кольцевых пакетов можно найти в [17, 18, 19, 20].

В настоящее время промышленные и академические исследователи разрабатывают трехмерную (3D) модель динамики кольцевого уплотнения, чтобы уловить изменение по окружности кольца с учетом деформации внутреннего диаметра гильзы цилиндра. Кроме того, влияние вторичного движения поршня также может быть реализовано для лучшего понимания поведения кольцевого уплотнения. Это позволит уловить поток газа в окружном направлении, на что современные коммерческие двухмерные (2D) модели не способны.В результате динамика колец, расход масла, трение и износ пакета колец могут быть лучше смоделированы и поняты для руководства при проектировании. Следующий раздел представляет собой введение в работу по 3D-моделированию кольцевой упаковки.

Двухмерная модель динамики пакета колец до сих пор широко используется в автомобилестроении и тяжелой промышленности при разработке продукта, учитывая опыт и надежность, основанные на этом подходе. Некоторые меры по улучшению включают реализацию модели износа на торце и стороне кольца на основе различного механизма износа, модели расхода масла из-за испарения масла, выброса масла, возврата масла в зону сгорания и т. Д.Кроме того, трехмерные модели динамики кольцевых упаковок разрабатываются с использованием различных подходов, включая полное МКЭ с шестигранным элементом, дискретизацию кольца с использованием пространственных балочных элементов и т. Д. С разным успехом. Подход с использованием 3D-модели будет обсуждаться более подробно в следующем разделе.

3. Взаимодействие между кольцом и канавкой поршня и гильзой цилиндра

При разработке системы силового цилиндра двигателя использование инструмента CAE стало стандартным подходом к проектированию и оптимизации системы.Традиционные инструменты CAE являются двухмерными (2D), которые учитывают движение кольца вдоль оси цилиндра и скручивание. Однако предполагается, что отклонение по окружности кольца одинаковое. Требование лучшего понимания системы силового цилиндра требует трехмерных (3D) инструментов CAE для моделирования изменений по окружности кольца. Исследователи приступили к 3D-моделированию. Одним из вариантов по окружности кольца является контактное давление между поверхностью кольца и границей отверстия цилиндра, а также поверхностью кольца и стороной канавки поршня.Взаимодействия обсуждаются в этом разделе.

3.1. Контакт кольцо-отверстие цилиндра

Когда кольцо в свободном состоянии установлено в гильзу цилиндра, оно ограничивается на своей передней поверхности стенкой цилиндра. Необходимо отслеживать каждую точку на передней поверхности кольца, контактирует ли она со стенкой цилиндра или нет. Однако из-за времени и ресурсов вычислений это невозможно с существующим вычислительным инструментом. И самое главное, как распределяется контактное усилие / давление по окружности кольца.Таким образом, в этом разделе кольцо ограничено 13 различными точками поперечного сечения по окружности [21, 22, 23]. Конформность кольца моделируется методом конечных элементов (МКЭ) [24, 25] для кольца сжатия трапецеидального искажения. Подход к решению проблемы основан на оптимизации на основе метода штрафов, которая минимизирует энергию деформации поршневого кольца [26, 27, 28, 29, 30].

Как показано на Рисунке 13, среднее ограничение находится на задней стороне кольца (напротив кольцевого зазора) передней поверхности.Остальные ограничения симметричны относительно задней части кольца и распределяются с шагом около 30 °. Кольцевая сетка произвольной формы и деформированная кольцевая сетка без температурной компенсации показаны на Рисунке 13.

Рисунок 13.

Кольцевые ячейки произвольной формы и деформированные.

Зеленая сетка, показанная на рисунке 13, представляет кольцо произвольной формы, а красная сетка представляет форму деформированного кольца под ограничениями внутреннего диаметра цилиндра без температурной компенсации. Очевидно, что кольцо из свободного состояния выталкивается внутрь.Силы ограничения, которые толкают кольцо в его деформированное положение, показаны на рисунке 14. Синие и красные полосы представляют собой силы ограничения в определенном месте окружности в верхнем и нижнем углах на поверхности кольца. Зеленые и пурпурные точки показывают разделительные зазоры между поверхностью кольца и отверстием цилиндра.

Рис. 14.

Ограничивающая сила и разделительный зазор.

Из рисунка 14 видно, что две контактные силы при одном и том же поперечном сечении идентичны, поскольку кольцо имеет симметричное поперечное сечение и на кольце отсутствует крутящий момент.График также показывает, что сила сдерживания на заднем кольце максимальна. В поперечных сечениях, расположенных примерно на 30 ° от задней части кольца, наименьшие силы ограничения обнаруживаются для участков, которые контактируют со стенкой цилиндра. Силы ограничения на концах колец исчезают, так что кольцо отделяется от стенки цилиндра на его передней поверхности на двух концах. Разделительный зазор определяется как радиальное расстояние между внутренним диаметром стенки цилиндра и наружным диаметром наконечника кольца. Разделительный зазор 34 мкм обнаружен для этого конкретного кольца из модели FEA.

3.2. Результат бокового контакта кольцевого цилиндра и канавки

В этом разделе приведен другой пример бокового контакта кольцевого цилиндра и канавки с использованием скребкового кольца с положительным статическим скручиванием. Скребковое кольцо имеет коническую поверхность и срезается во внутреннем верхнем углу кольца, что способствует положительному скручиванию при установке кольца в канавку поршня. Поперечное сечение скребкового кольца показано на рисунке 15.

Рисунок 15.

Ограничения на поперечное сечение кольца.

Как показано на рисунке 15, четыре узла поперечного сечения в заданном положении по окружности рассматриваются для взаимодействия со стороны канавки кольца и поршня и пронумерованы как узел 1, узел 2, узел 3 и узел 4, как показано. Эти четыре узла ограничены канавкой в ​​осевом направлении. Это означает, что узлы 1 и 2 должны оставаться в контакте или выше нижней стороны канавки, а узлы 3 и 4 должны оставаться в контакте или ниже верхней стороны канавки. Два узла на передней поверхности кольца ограничены отверстием цилиндра в радиальном направлении на верхней и нижней кромках передней грани соответственно.Канавка имеет нулевые углы на верхней и нижней сторонах. Номинальный зазор между канавкой и осевой толщиной кольца составляет 0,1 мм.

Основные параметры, описывающие кольцо, приведены в таблице 3.

004 Коэффициент Пуассона
Материал кольца Сталь
Модуль упругости 200,0 ГПа
Диаметр цилиндра108. 0 мм
Коэффициент теплового расширения 13.0E ‐ 6 / ° C
Теплопроводность 45 Вт / м K
Кольцевой / газоконвективный коэффициент 25 Вт / м 2 K
Кольцо / коэффициент конвекции масляной пленки 100 Вт / м 2 K

Таблица 3.

Основные параметры кольца.

Места ограничения по окружности кольца расположены на одинаковом расстоянии примерно 30 ° от одного торца к другому.Обнаружено, что количество ограничительных положений может отражать схему распределения силы контакта / давления на стороне кольца / гильзы цилиндра / канавки, а также экономить время расчета. Увеличение количества ограничивающих местоположений приведет к экспоненциальному увеличению времени вычисления, в то время как уменьшение ограничивающих местоположений может привести к тому, что схема контактного усилия / давления не сможет быть хорошо представлена.

Форма деформированного кольца показана на Рис. 16 после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.Смещение в направлении z (осевое направление) усиливается в 100 раз, чтобы отчетливо проиллюстрировать деформацию кольца.

Рисунок 16.

Форма кольца деформировалась после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.

В этом случае задняя часть кольца и торцы кольца находятся в контакте с нижней стороной канавки, в то время как кольцо касается верхней стороны канавки под углом примерно 60 ° от торцевого зазора (120 ° от задней стороны кольца). Сдерживающие силы между кольцом и сторонами канавки поршня важны, поскольку они определяют форму контакта, которая в конечном итоге повлияет на боковой износ кольцевой канавки.Более подробную информацию о взаимодействии кольца, гильзы цилиндра и канавки поршня можно найти в работах. [22, 23].

В конечном счете, взаимодействие между поверхностью раздела торцевого кольца и отверстия гильзы и поверхностью контакта стороны кольца и стороны канавки поршня используется для моделирования износа между ними [17], а также динамики пакета колец, который сильно влияет на расход моторного масла, чтобы дополнительно оптимизировать конструкцию кольцевого пакета и силового цилиндра и повысить долговечность подсистемы.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

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

Двигатели внутреннего сгорания используются в самых разных областях, от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт до ручных инструментов, мощность которых составляет менее 100 Вт. Это означает, что размеры и характеристики современных двигателей широко варьируются между от крупных дизелей с диаметром цилиндра более 1000 мм, совершающего возвратно-поступательное движение со скоростью до 100 об / мин, до небольших бензиновых двухтактных двигателей с диаметром цилиндра около 20 мм. К этим двум крайностям относятся среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели для тяжелых условий эксплуатации, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели.Среди всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются крупнейшими производимыми двигателями в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

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

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

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

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

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

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

Преимущества, присущие дизельному двигателю с точки зрения эффективности, проистекают из его обедненных общих соотношений компонентов смеси, высоких степеней сжатия двигателя, обеспечиваемых из-за отсутствия воспламенения (детонации) отходящих газов и более высоких степеней расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческих применений, таких как корабли / катера, энергогенераторы, локомотивы и пути, и в течение последних 20 лет или около того. , легковые автомобили, особенно в Европе.

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

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

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

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

Таблица 1. Европейские стандарты выбросов для 1996 г.

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

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

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

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

ССЫЛКИ

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

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

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

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

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

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *