Работа двс: Как работает двигатель внутреннего сгорания — Mafin Media

Содержание

Как работает двигатель внутреннего сгорания — Mafin Media

Ко всем статьям

Читатели Mafin Media уже знакомы с типами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и запросто отличат VR-образную «шестерку» от рядной «четверки» и вспомнят о недостатках и преимуществах роторно-поршневого двигателя. В новом материале расскажем простыми словами, как устроено «автомобильное сердце».

Механические самоходные транспортные средства активно разрабатывались еще в XVIII веке. Но именно в 1880-х годах немецкие конструкторы Готтлиб Даймлер и Карл Бенц установили первые бензиновые двигатели на мотоцикл и трехколесную коляску. Самоходный экипаж Бенца приводился в движение одноцилиндровым мотором мощностью 1,5 л. с. (традиционно мощность принято измерять в лошадиных силах и киловаттах).

За почти полтора столетия «самоходной» истории принцип работы ДВС кардинально не изменился: колеса приводятся в движение механической энергией, получаемой благодаря сгоранию топливно-воздушной смеси внутри двигателя.

«Коктейль» для двигателя

Топливно-воздушная смесь — это «коктейль» из собственно топлива и воздуха. Для бензинового двигателя рабочее соотношение в среднем составляет 1 к 15, то есть 1 единица топлива и 15 единиц воздуха. Если добавить больше горючего (обогатить смесь), пострадает экономичность, если меньше (обеднить) — мощность. Со слишком обедненной или обогащенной смесью мотор вообще может отказываться заводиться.

Готовиться смесь может по-разному. В устаревших карбюраторных двигателях горючее «готовится» в отдельном механизме авто — карбюраторе.

После смешивания воздуха с топливом смесь подается в двигатель и там сгорает. У карбюраторных моторов много минусов, а их ремонтопригодность сегодня уже не так востребованна. Поэтому самые популярные системы подачи топлива — инжекторные (от англ. inject — впрыскивать). В зависимости от конструкции мотора топливо подается либо во впускной коллектор — трубопровод, через который авто получает воздух из окружающей среды, — либо напрямую в цилиндры. Подобные решения сложнее, но позволяют экономить топливо и снижать количество вредных выбросов в атмосферу. Основная деталь инжекторного впрыска — форсунка. Именно она впрыскивает топливо:.

Компоненты двигателя: где и как сгорает смесь

Самое важное происходит в корпусе двигателя, который объединяет блок цилиндров (слева на фото) и головку блока цилиндров (справа на фото).

Блок цилиндров содержит полые внутри цилиндрические трубки, в которых размещаются поршни.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) монтируется на блок цилиндров и образует герметичные (т. е. непроницаемые для посторонних жидкостей и газов) камеры сгорания.

Внутри камеры сгорания устанавливаются поршни — детали цилиндрической формы, совершающие возвратно-поступательные движения под действием сгорания смеси.

Поршни — часть кривошипно-шатунного механизма (КВШ), комплекса деталей, который преобразует движения поршня во вращение коленчатого вала. Последний и двигает колеса автомобиля. Так выглядит КВШ вместе с поршнями двигателя:

В головке блока цилиндров находятся упомянутые выше форсунки — вместе со свечами зажигания (в бензиновом моторе) и клапанами. Свечи зажигания производят электрическую искру, предназначенную для воспламенения топливно-воздушной смеси.

! — Если автомобиль оснащен непосредственным впрыском топлива (в камеру сгорания), форсунки находятся в ГБЦ, а если впрыск распределительный — форсунки установлены во впускном коллекторе вблизи впускных клапанов.

Клапаны относятся к механизму газораспределения и внешне напоминают большие гвозди:

Такая форма дана им неслучайно: нижней, выпуклой частью они закрывают и открывают впускные и выпускные отверстия в камере сгорания, поочередно впуская подготовленную топливно-воздушную смесь или воздух и выпуская отработанные газы. Соответственно, в зависимости от своей роли клапаны бывают впускными и выпускными.

Обычно на один цилиндр приходится от двух до четырех клапанов. За то, чтобы «доступ» в камеру сгорания открывался вовремя, и отвечает механизм газораспределения (ГРМ), в который выходят клапаны. В зависимости от мотора ГРМ приводится в действие ремнем или цепью.

Рассмотрим цилиндр в разрезе:

Четыре такта

Любой двигатель функционирует согласно циклу, состоящему из нескольких тактов, то есть ходов (движений) поршня. Большинство автомобильных моторов — четырехтактные.

Рассмотрим такты бензинового двигателя:

  1. Впуск: открывается впускной клапан, в камеру сгорания попадает топливно-воздушная смесь, а поршень идет вниз.
  2. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идет вверх, сжимая и нагревая смесь.
  3. Рабочий ход: оба клапана закрыты, под действием электрической искры от свечи зажигания сжатая и разогретая топливно-воздушная смесь воспламеняется, образовавшиеся при этом газы толкают поршень вниз.
  4. Выпуск: выпускной клапан открыт, поршень идет вверх, выталкивая отработанные газы в сторону выхлопной трубы.

После этого цикл повторяется. У дизельного двигателя вместо свечи установлена форсунка, и смесь воспламеняется не при помощи искры, а от сжатия — впрыска дизельного топлива через форсунку под большим давлением. Впускной клапан при этом подает в камеру сгорания только воздух. Кстати, в некоторых современных бензиновых моторах форсунка тоже впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр.

А как запускается первый такт?

Каждый автомобиль обладает набором бортовой электроники — проводов, аккумулятора, стартера и т. д. Аккумулятор за время поездок накапливает достаточно энергии, чтобы при помощи специального механизма — стартера — раскрутить коленвал и завести мотор.

И что дальше?

Мощность от двигателя к колесам передается с помощью коробки передач, редуктора и приводных валов. Если мотор соединить с колесами напрямую, автомобиль после запуска начнет движение на одной-единственной передаче, с небольшой скоростью, а после торможения сразу заглохнет. Об этих передачах и о типах коробок (автоматах, вариаторах, механиках и т. д.) Mafin Media расскажет в следующем материале.

Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Обрати внимание!

Двигатель внутреннего сгорания — распространённый вид теплового двигателя, который работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или горючем газе.

 

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень \( 3\), соединённый при помощи шатуна \(4\) с коленчатым валом \(5\).

 

Два клапана, впускной \(1\) и выпускной \(2\), при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты.

  1. клапан для подачи горючей смеси;
  2. клапан для удаления отработанных газов;
  3. цилиндр;
  4. шатун;
  5. коленчатый вал;
  6. свеча для воспламенения горючих газов в цилиндре 3.

 

Рис. \(1\). Устройство двигателя

 

Ход поршня — расстояние между мёртвыми точками, крайними положениями поршня в цилиндре.

 

Такие двигатели называют четырёхтактными, т.к. рабочий цикл происходит за четыре хода или такта: впуск (а), сжатие (б), рабочий ход (в) и выпуск (г).

 

 

Рис. \(2\). Процесс работы двигателя

 

1 такт (впуск) — поршень «всасывает» горючую смесь.

 

 

2 такт (сжатие) — при сжатии температура смеси и давление повышаются. 

 

3 такт (рабочий ход) —  рабочая смесь воспламеняется от электрической искры свечи зажигания (поршень под действием этого давления начинает перемещаться к нижней мёртвой точке, создавая крутящий момент). 

 

 

4 такт (выпуск) — выброс отработанных газов.

 

 

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, всё повторяется.

Для того чтобы вращение вала было более равномерным, двигатель обычно делают многоцилиндровым: 2-, 3-, 4-, 6-, 8-цилиндровым и т.д.

Источники:

Рис. 1. Устройство двигателя. © ЯКласс.
Рис. 2. Процесс работы двигателя. © ЯКласс.
http://usauto.ucoz.ru/news/bilet_6/2011-04-26-4

http://autooboz.info/wp-content/uploads/2007/09/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-3.jpg

 

Принцип работы 2х тактного и 4х тактного двигателей

При выборе силового оборудования необходимо уделить особое внимание типу двигателя. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: 2-х тактный и 4-х тактный.

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания основан на использовании такого свойства газов, как расширение при нагревании, которое осуществляется за счет принудительного воспламенения горючей смеси, впрыскиваемой в воздушное пространство цилиндра.

Зачастую можно услышать, что 4-х тактный двигатель лучше, но чтобы понять, почему, необходимо более подробно разобрать принципы работы каждого.

Основными частями двигателя внутреннего сгорания, независимо от его типа, являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы, отвечающие за охлаждение, питание, зажигание и смазку деталей.

Передача полезной работы расширяющегося газа осуществляется через кривошипно-шатунный механизм, а за своевременный впрыск топливной смеси в цилиндр отвечает механизм газораспре6деления.

Четырехтактные двигатели — выбор компании Honda

Четырехтактные двигатели экономичные, при этом их работа сопровождается более низким уровнем шума, а выхлоп не содержит горючей смеси и значительно экологичней чем у двухтактного двигателя.  Именно поэтому компания Honda при изготовлении силовой техники использует только четырехтактные двигатели. Компания Honda уже многие годы представляет свои четырехтактные двигатели на рынке силовой техники и добилась высочайших результатов, при этом их качество и надежность ни разу не подвергались сомнению.

Но всё же, давайте рассмотрим принцип работы 2х и 4х тактных двигателей.

Принцип работы двухтактного двигателя

Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух этапов: сжатие и рабочий ход.

Сжатие. Основными положениями поршня являются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Двигаясь от НМТ к ВМТ, поршень поочередно перекрывает сначала продувочное, а затем выпускное окно, после чего газ, находящийся в цилиндре, начинает сжиматься. При этом через впускное окно в кривошипную камеру поступает свежая горючая смесь, которая будет использована в последующем сжатии.

Рабочий ход. После того, как горючая смесь максимально сжата, она воспламеняется при помощи электрической искры, образуемой свечой. При этом температура газовой смеси резко возрастает и объем газа стремительно растет, осуществляя давление, при котором поршень начинает движение к НМТ. Опускаясь, поршень открывает выпускное окно, при этом продукты горения горючей смеси выбрасываются в атмосферу.

Дальнейшее движение поршня приводит к сжатию свежей горючей смеси и открытию продувочного отверстия, через которое горючая смесь поступает в камеру сгорания.

Основным недостатком двухтактного двигателя является большой расход топлива, причем часть топлива не успевает принести пользу. Это связано с наличием момента, при котором продувочное и выпускное отверстие одновременно открыты, что приводит к частичному выбросу горючей смеси в атмосферу. Еще идёт постоянный расход масла, так как 2х тактные двигатели работают на смеси бензина и масла. Очередное неудобство — в необходимости постоянно готовить топливную смесь. Главными преимуществами двухтактного двигателя остаются его меньшие размеры и вес по сравнению с 4х тактным аналогом, но размеры силовой техники позволяют использовать на них 4х тактные двигатели и испытывать намного меньше хлопот в ходе эксплуатации. Так что уделом 2х тактных моторов осталось различное моделирование, в частности, авиамоделирование, где даже лишних 100г имеют значение.  

Принцип работы четырехтактного двигателя

Работа четырехтактного двигателя значительно отличается от работы двухтактного. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, что стало возможным за счет применения системы клапанов.

Во время впускного этапа поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь, которая при смешении с остатками отработанной смеси образует рабочую смесь.

При сжатии поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Чем выше поднимается поршень, тем выше давление и температура рабочей смеси.

Рабочий ход четырехтактного двигателя представляет собой принудительное движение поршня от ВМТ к НМТ за счет воздействия резко расширяющейся рабочей смеси, воспламененной искрой от свечи. Как только поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан.

Во время выпускного этапа продукты сгорания, вытесняемые поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ, выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан.

За счет применения системы клапанов четырехтактные двигатели внутреннего сгорания более экономичны и экологичны — ведь выброс неиспользованной топливной смеси исключен. В работе они значительно тише, чем 2х тактные аналоги, и в эксплуатации намного проще, ведь работают на обычном АИ-92, которым вы заправляете свою машину. Нет необходимости в постоянном приготовлении смеси масла и бензина, ведь масло в данных двигателях заливается отдельно в масляный картер, что значительно уменьшает его потребление. Вот именно поэтому компания Honda производит только 4х тактные двигатели и достигла в их производстве колоссальных успехов.

Как работает двигатель внутреннего сгорания, описание процессов

Цикл работы двигателя замкнутый. Возможна организация работы ДВС с кривошипно-шатунным механизмом по двух и четырехтактному циклу. Но подавляющее большинство автомобильных двигателей внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу. Рассмотрим, каким образом происходит эта работа.

Но для начала немного терминологии

Коленчатый вал вращается. Соединенный с ним поршень совершает в цилиндре движение вверх — вниз. Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Это верхняя мёртвая точка (сокращенно ВМТ) и нижняя мёртвая точка (НМТ).

Перемещение поршня от одного крайнего положения до другого называется тактом. Следовательно у четырехтактного двигателя цикл работы выполняется за четыре движения поршня вверх-вниз, что соответствует двум оборотам коленчатого вала.

Если умножить площадь торца (днища) поршня на расстояние между ВМТ и НМТ получим, так называемый, рабочий объем цилиндра, обозначаемый Vh.

Если умножить рабочий объем цилиндра на количество цилиндров в двигателе получается тот самый рабочий объем двигателя. Эта цифра в литрах всегда фигурирует среди технических параметров автомобиля. Многие автопроизводители гордо выносят эту цифру на шильдик, располагая его на задней части автомобиля (часто цифру привирают).

Цифра указывающая на рабочий объем двигателя

Объем над поршнем, когда он замер в ВМТ, называют объемом камеры сгорания (Vс). Именно в этом объеме начинается горение смеси паров топлива и воздуха. Сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра называется полным объемом цилиндра :Va = Vh + Vс.

Следующий важный параметр двигателя, это геометрическая степень сжатия. Обозначается ε. Она показывает, во сколько раз изменяется объем над поршнем, когда он перемещается от НМТ к ВМТ, ε = Va/Vc. Чем больше ε, тем выше температура и давление в смеси газов над поршнем при приближении его к ВМТ. Повышение степени сжатия делает двигатель экономичнее и увеличивает его мощность.

Но величина ε зависит от топлива, на которое рассчитан двигатель. Для двигателя, работающего на бензине ε = 6 – 10, для газовых ε = 7 – 9, для дизельных ε = 15 – 20. Отсюда видно, почему бензиновый двигатель легко переоборудовать для работы на газе. У дизелей такое высокое значение ε необходимо для того, чтобы обеспечить самовоспламенение топлива.

Ну а теперь непосредственно о рабочем цикле

Первый такт цикла носит название «впуск». Поршень движется от ВМТ к НМТ. Впускной клапан открыт, и через него в цилиндр поступают пары бензина смешанные с воздухом, так называемая горючая смесь (у дизельного двигателя – чистый воздух).

Второй такт – сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ, рабочая смесь (горючая смесь и остатки продуктов горения от предыдущего цикла) сжимается. Когда поршень приближается в ВМТ, у бензиновых двигателей между контактами свечи зажигания проскакивает электрическая искра для поджигания смеси.

Почему искра подается не в ВМТ, а раньше?

Дело в том, что перед началом горения должны пройти реакции, подготавливающие смесь к горению. Интенсивное горение смеси должно начаться только когда поршень достигнет ВМТ. Время на подготовительные реакции всегда одинаковое, а скорость перемещения поршня изменяется при изменении оборотов коленчатого вала. Поэтому приходиться изменять момент подачи искры, изменять, так называемый «угол опережения зажигания».

Меняется угол опережения зажигания

У дизельных двигателей при приближении поршня к ВМТ через специальную форсунку в надпоршневое пространство под высоким давлением впрыскивается топливо. Пока поршень дойдет до ВМТ, топливо должно испариться, перемешаться с воздухом, приготовиться к горению и начать гореть, когда поршень окажется в ВМТ.

Время на подготовку также постоянное, поэтому на высоких оборотах топливо впрыскивается раньше. Изменяется так называемый «угол опережения впрыска».

Третий такт – рабочий ход. Клапаны закрыты. Смесь интенсивно горит, её давление, и температура резко повышаются. Под действием давления поршень движется от ВМТ к НМТ и подталкивает коленчатый вал, подпитывая его энергией.

Четвертый такт – выпуск. Выпускной клапан открыт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и отработанные газы выдавливаются из цилиндра.

Цикл закончился и начинается следующий. Следует заметить, что подпитка энергией коленчатого вала происходит только во время такта рабочего хода. Во время всех остальных тактов поршень перемещается (так называемые насосные ходы) за счет энергии, накопленной коленчатым валом от предыдущих рабочих циклов.

Как работает двигатель внутреннего сгорания — видео:

То есть в течение двух оборотов коленчатого вала подпитка его энергией происходит только пол-оборота. Это одна из причин невысокого коэффициента полезного действия четырехтактных двигателей.

Загрузка…

Общее устройство и работа ДВС

Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.1).

Существуют еще электромобили, но их мы рассматривать не будем.

Рис.  2.1. Внешний вид двигателя внутреннего сгорания

В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.

При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

ПРИМЕЧАНИЕ

В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипношатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

? питания;

? выпуска отработавших газов;

? зажигания;

? охлаждения;

? смазки.

Основные детали ДВС:

? головка блока цилиндров;

? цилиндры;

? поршни;

? поршневые кольца;

? поршневые пальцы;

? шатуны;

? коленчатый вал;

? маховик;

? распределительный вал с кулачками;

? клапаны;

? свечи зажигания.

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Рис. 2.2. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:

а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (? — угол развала)

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).

Рис. 2.3. Поршень

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.

Рис. 2.4. Поршень с шатуном:

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна; 3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.5).

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 2.3). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис. 2.3). А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Рис. 2.5. Коленчатый вал с маховиком:

1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливо-воздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт.

Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливо-воздушной смеси.

В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис.  2.6), в дизельных — от сжатия.

Рис. 2.6. Свеча зажигания

При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.

Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.

А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.

Повторим, первое действие — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливо-воздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор. Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.

При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его.

Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).

Первый такт — впуск

Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол-оборота.

Второй такт — сжатие

После того как топливо-воздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.

Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °C.

Рис. 2.7. Процесс работы четырехтактного двигателя:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт рабочего хода; г — такт выпуска

Третий такт — рабочий ход

Третий такт — самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис. 2.8). Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает двигаться вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800–2000 °C, а давление — до 2,5–3,0 МПа.

Рис. 2.8. Искра между электродами свечи

Обратите внимание, что главная цель создания самого двигателя — это как раз и есть третий такт (рабочий ход). Поэтому остальные такты называют вспомогательными.

Четвертый такт — выпуск

Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод). Далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известная часть которой — глушитель, отработавшие газы уходят в атмосферу (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Фрагмент глушителя

Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом.

Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия от рабочего цикла бензинового. В нем во время такта впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух.

Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце первого такта, когда поршень приближается к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, — под большим давлением впрыскивается дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают.

При этом выделяется большое количество тепла и температура в цилиндре повышается до 1700–2000 °C, а давление — до 7–8 МПа.

Под действием давления газов поршень перемещается вниз, и происходит рабочий ход.

Такт выпуска дизельного двигателя аналогичен такту выпуска бензинового двигателя.

Вспомогательные такты (первый, второй и четвертый) совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя — маховика, о котором также шла речь выше. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал передает запас инерции маховику. Инерция помогает ему осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. Из этого следует, что при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень ходит в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается таким образом, чтобы рабочий ход хотя бы одного поршня помогал осуществлять вспомогательные такты и плюс ко всему вращал маховик.

А теперь подведем итоги: совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.

Порядок работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя: 1-3-4-2. Пятицилиндрового, как правило, — 1-2-4-3-5.

Устройство двс, технические термины (ликбез), работа двс. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Невзирая на тот факт, что двигатель внутреннего сгорания в современных автомобилях состоит из множества частей, его принцип работы предельно прост. Давайте подробнее рассмотрим, что же такое ДВС, и как он функционирует в автомобиле.

ДВС что это?

Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение.

ДВС разделяются на категории по рабочим циклам: двух- и четырёхтактные. Также их различают по способу приготовления топливно-воздушной смеси: с внешним (инжекторы и карбюраторы) и внутренним (дизельные агрегаты) смесеобразованием. В зависимости от того, как в двигателях преобразовывается энергия, их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные и комбинированные.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания состоит из огромного количества элементов. Но есть основные, которые характеризуют его производительность. Давайте рассмотрим строение ДВС и основных его механизмов.

1. Цилиндр – это самая важная часть силового агрегата. Автомобильные двигатели, как правило, имеют четыре и более цилиндров, вплоть до шестнадцати на серийных суперкарах. Расположение цилиндров в таких двигателях может находиться в одном из трёх порядков: линейно, V-образно и оппозитно.


2. Свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания. Чтобы двигатель работал «как часы», искра должна подаваться точно в положенное время.

3. Клапаны впуска и выпуска также функционируют только в определённые моменты. Один открывается, когда нужно впустить очередную порцию топлива, другой, когда нужно выпустить отработанные газы. Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

4. Поршень представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. Движение поршня осуществляется вверх-вниз внутри цилиндра.


5. Поршневые кольца служат уплотнителями скольжения внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Их использование обусловлено двумя целями:

Они не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

Они не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Многие автомобили, которые сжигают масло, оборудованы старыми двигателями, и их поршневые кольца уже не обеспечивают должного уплотнения.

6. Шатун служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.


8. Картер располагается вокруг коленчатого вала. В его нижней части (поддоне) собирается определённое количество масла.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В предыдущих разделах мы рассмотрели назначение и устройство ДВС. Как вы уже поняли, каждый такой двигатель имеет поршни и цилиндры, внутри которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Это, в свою очередь, заставляет автомобиль двигаться. Данный процесс повторяется с поразительной частотой – по несколько раз в секунду. Благодаря этому, коленчатый вал, который выходит из двигателя, непрерывно вращается.

Рассмотрим подробнее принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Смесь топлива и воздуха попадает в камеру сгорания через впускной клапан. Далее она компрессируется и воспламеняется искрой от свечи зажигания. Когда топливо сгорает, в камере образуется очень высокая температура, которая приводит к появлению избыточного давления в цилиндре. Это заставляет двигаться поршень к «мёртвой точке». Он таким образом совершает один рабочий ход. Когда поршень двигается вниз, он посредством шатуна вращает коленчатый вал. Затем, двигаясь от нижней мёртвой точки к верхней, выталкивает отработанный материал в виде газов через клапан выпуска далее в выхлопную систему машины.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Совокупность таких тактов, которые повторяются в строгой последовательности и за определённый период – это рабочий цикл ДВС.

Впуск

Впускной такт является первым. Он начинается с верхней мёртвой точки поршня. Он движется вниз, всасывая в цилиндр смесь из топлива и воздуха. Этот такт происходит, когда клапан впуска открыт. Кстати, существуют двигатели, у которых присутствует несколько впускных клапанов. Их технические характеристики существенно влияют на мощность ДВС. В некоторых двигателях можно регулировать время нахождения впускных клапанов открытыми. Это регулируется нажатием на педаль газа. Благодаря такой системе количество всасываемого топлива увеличивается, а после его возгорания существенно возрастает и мощность силового агрегата. Автомобиль в таком случае может существенно ускориться.

Сжатие

Вторым рабочим тактом двигателя внутреннего сгорания является сжатие. По достижении поршнем нижней мертвой точки, он поднимается вверх. За счёт этого попавшая в цилиндр смесь во время первого такта сжимается. Топливно-воздушная смесь сжимается до размеров камеры сгорания. Это то самое свободное место между верхними частями цилиндра и поршня, который находится в своей верхней мертвой точке. Клапаны в момент этого такта плотно закрыты. Чем герметичнее образованное пространство, тем более качественное сжатие получается. Очень важно, какое состояние у поршня, его колец и цилиндра. Если где-то присутствуют зазоры, то о хорошем сжатии речи быть не может, а, следовательно, и мощность силового агрегата будет существенно ниже. По величине сжатия определяется то, насколько изношен силовой агрегат.

Рабочий ход

Этот третий по счёту такт начинается с верхней мёртвой точки. И такое название он получил не случайно. Именно во время этого такта в двигателе происходят те процессы, которые двигают автомобиль. В этом такте подключается система зажигания. Она отвечает за поджог воздушно-топливной смеси, сжатой в камере сгорания. Принцип работы ДВС в этом такте весьма прост – свеча системы дает искру. После возгорания топлива происходит микровзрыв. После этого оно резко увеличивается в объёме, заставляя поршень резко двигаться вниз. Клапаны в этом такте находятся в закрытом состоянии, как и в предыдущем.

Выпуск

Заключительный такт работы двигателя внутреннего сгорания – выпуск. После рабочего такта поршнем достигается нижняя мёртвая точка, а затем открывается выпускной клапан. После этого поршень движется вверх, и через этот клапан выбрасывает отработанные газы из цилиндра. Это процесс вентиляции. От того, насколько чётко работают клапан, зависит степень сжатия в камере сгорания, полное удаление отработанных материалов и нужное количество воздушно-топливной смеси.

После этого такта всё начинается заново. А за счёт чего вращается коленвал? Дело в том, что не вся энергия уходит на движение автомобиля. Часть энергии раскручивает маховик, который под действием инерционных сил раскручивает коленчатый вал ДВС, перемещая поршень в нерабочие такты.

А знаете ли вы? Дизельный двигатель тяжелее, чем бензиновый, из-за более высокого механического напряжения. Поэтому конструкторы используют более массивные элементы. Зато ресурс таких двигателей выше бензиновых аналогов. Кроме того, дизельные автомобили возгораются значительно реже бензиновых, так как дизель нелетучий.

Достоинства и недостатки

Мы с вами узнали, что представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, а также каково его устройство и принцип работы. В заключение разберём его основные преимущества и недостатки.

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

Интересный факт! Самый маленький двигатель спроектирован в Кембридже. Его габариты составляют 5*15*3 мм, а его мощность 11,2 Вт. Частота вращения коленвала составляет 50 000 об/мин.

Подписывайтесь на наши ленты в

Однако светильный газ годился не только для освещения.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару . Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневой ДВС

Роторный ДВС

Газотурбинный ДВС

  • Поршневые двигатели — камера сгорания содержится в цилиндре , где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма .

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

  1. впуска,
  2. сжатия заряда,
  3. рабочего хода и
  4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения . Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW , Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ ) до 20-30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20-30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД . В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил , увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20-30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия . Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля , в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

См. также

  • Филипп Лебон — французский инженер , получивший в 1801 году патент на двигатель внутреннего сгорания со сжатием смеси газа и воздуха.
  • Роторный двигатель: конструкции и классификация
  • Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

Примечания

Ссылки

  • Бен Найт «Увеличиваем пробег» //Статья о технологиях, которые уменьшают расход топлива автомобильным ДВС

Достаточно простые, несмотря на множество деталей, из которых он состоит. Рассмотрим это более подробно.

Общее устройство ДВС

Каждый из моторов имеет цилиндр и поршень. В первом происходит превращение тепловой энергии в механическую, которая способна вызвать движение автомобиля. Всего лишь за одну минуту этот процесс повторяется несколько сот раз, благодаря чему коленчатый вал, который выходит из мотора, вращается непрерывно.

Двигатель машины состоит из нескольких комплексов систем и механизмов, преобразующих энергию в механическую работу.

Ее базой являются:

Помимо этого, в нем работают следующие системы:

  • зажигания;

  • охлаждения;

Кривошипно-шатунный механизм

Благодаря ему возвратно-поступательное движение коленвала превращается во вращательное. Последнее передается всем системам легче, чем циклическое, тем более что конечным звеном передачи являются колеса. А они работают посредством вращения.

Если бы автомобиль не был колесным транспортным средством, то этот механизм для передвижения, возможно, не был бы необходимым. Однако в случае с машиной кривошипно-шатунная работа полностью оправдана.

Газораспределительный механизм

Благодаря ГРМ рабочая смесь или воздух поступает в цилиндры (в зависимости от особенностей образования смеси в моторе), затем удаляются отработавшие уже газы и продукты сгорания.

При этом обмен газов происходит в назначенное время в определенном количестве, организуясь с тактами и гарантируя качественную рабочую смесь, а также получение наибольшего эффекта от выделяемой теплоты.

Система питания

Смесь воздуха с топливом сгорает в цилиндрах. Рассматриваемая система регулирует их подачу в строгом количестве и пропорции. Бывает внешнее и внутреннее смесеобразование. В первом случае воздух и топливо перемешиваются вне цилиндра, а в другом — внутри него.

Систему питания с внешним образованием смеси имеет специальное устройство под названием карбюратор. В нем топливо распыляется в воздушной среде, а затем поступает в цилиндры.

Автомобиля с системой внутреннего смесеобразования называется инжекторным и дизельным. В них происходит заполнение цилиндров воздухом, куда впрыскивается топливо посредством специальных механизмов.

Система зажигания

Здесь происходит принудительное воспламенение рабочей смеси в моторе. Дизельным агрегатам это не нужно, так как у них процесс осуществляется через высокую воздуха, который становится фактически раскаленным.

В основном в двигателях применяется искровый электрический разряд. Однако, помимо этого, могут использоваться запальные трубки, которые воспламеняют рабочую смесь горящим веществом.

Она может поджигаться и другими способами. Но самым практичным на сегодняшний день продолжает оставаться электроискровая система.

Пуск

Данной системой достигается вращение коленвала мотора при запуске. Это необходимо для начала функционирования отдельных механизмов и самого двигателя в целом.

Для запуска в основном используется стартер. Благодаря ему, процесс осуществляется легко, надежно и быстро. Но возможен и вариант пневматического агрегата, который работает на запасе в ресиверах либо обеспеченного компрессором с электрическим приводом.

Самой простой системой является заводная рукоятка, через которую в моторе проворачивается коленвал и начинается работа всех механизмов и систем. Еще недавно все водители возили ее с собой. Однако ни о каком удобстве в этом случае речи быть не могло. Поэтому сегодня все обходятся без нее.

Охлаждение

В задачу этой системы входит поддержание определенной температуры работающего агрегата. Дело в том, что сгорание в цилиндрах смеси происходит с выделением теплоты. Узлы и детали мотора нагреваются, и им необходимо постоянно охлаждаться, чтобы работать в штатном режиме.

Наиболее распространенными являются жидкостная и воздушная системы.

Для того чтобы двигатель охлаждался постоянно, необходим теплообменник. В моторах с жидкостным вариантом его роль исполняет радиатор, который состоит из множества трубок для ее перемещения и отдачи тепла стенкам. Отвод еще больше увеличивается через вентилятор, который установлен рядом с радиатором.

В приборах с воздушным охлаждением используется оребрение поверхностей самых нагретых элементов, из-за чего площадь теплообмена существенно возрастает.

Эта система охлаждения является низкоэффективной, а поэтому на современных автомобилях она устанавливается редко. В основном ее используют на мотоциклах и на небольших ДВС, для которых не нужна тяжелая работа.

Система смазки

Смазывание деталей необходимо для сокращения потерь механической энергии, которая происходит в кривошипно-шатунном механизме и ГРМ. Помимо этого, процесс способствует уменьшению износа деталей и некоторому охлаждению.

Смазка в двигателях автомобилей в основном используется под давлением, когда масло подается через трубопроводы посредством насоса.

Некоторые элементы смазываются путем разбрызгивания или окунания в масло.

Двухтактные и четырехтактные моторы

Устройство двигателя автомобиля первого вида в настоящее время применяется в довольно узком диапазоне: на мопедах, недорогих мотоциклах, лодках и бензокосилках. Его недостатком является потеря рабочей смеси во время удаления выхлопных газов. Кроме этого, принудительная продувка и завышенные требования к термической устойчивости выхлопного клапана служат причиной роста цены мотора.

В четырехтактном двигателе указанных недостатков нет благодаря наличию газораспределительного механизма. Однако и в этой системе имеются свои проблемы. Наилучший режим работы мотора будет достигнут в очень узком диапазоне оборотов коленчатого вала.

Развитие технологий и появление электронных БУ позволило решить эту задачу. Во внутреннее устройство двигателя теперь входит электромагнитное управление, при помощи которого выбирается оптимальный режим газораспределения.

Принцип работы

ДВС работает следующим образом. После того как рабочая смесь попадает в камеру сгорания, она сжимается и воспламеняется от искры. При сжигании в цилиндре образуется сверхсильное давление, которое приводит в движение поршень. Он начинает продвигаться к нижней мертвой точке, что является третьим тактом (после впуска и сжатия), называющимся рабочим ходом. В это время благодаря поршню начинает вращаться коленвал. Поршень, в свою очередь, перемещаясь к верхней мертвой точке, выталкивает отработанные газы, что является четвертым тактом работы двигателя — выпуском.

Вся четырехтактная работа происходит довольно просто. Чтобы легче было понять как общее устройство двигателя автомобиля, так и его работу, удобно посмотреть видео, наглядно демонстрирующее функционирование мотора ДВС.

Тюнинг

Многие автовладельцы, привыкнув к своей машине, хотят получить от нее больше возможностей, чем она способна дать. Поэтому нередко для этого делают тюнинг двигателя, увеличивая его мощность. Это можно реализовать несколькими способами.

Например, известен чип-тюнинг, когда путем компьютерного перепрограммирования мотор настраивают на более динамичную работу. У этого способа есть как сторонники, так и противники.

Более традиционным методом является тюнинг двигателя, при котором осуществляются некоторые его переделки. Для этого производится замена с подходящими под него поршнями и шатунами; устанавливается турбина; проводятся сложные манипуляции с аэродинамикой и так далее.

Устройство двигателя автомобиля не такое уж сложное. Однако в связи с огромным количеством элементов, в него входящих, и необходимости согласования их между собой, для того чтобы любые переделки возымели желаемый результат, требуется высокий профессионализм того, кто их будет осуществлять. Поэтому, прежде чем решаться на это, стоит потратить усилия для поиска настоящего мастера своего дела.

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

  • Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
  • карбюраторные , в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные , в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные , в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
  • Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
  • Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

  • блок цилиндров , внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
  • кривошипно-шатунный механизм , который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
  • газораспределительный механизм , который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
  • система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси ;
  • система удаления продуктов горения (выхлопных газов).

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

  • Такт первый, впуск . Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
  • Такт второй, сжатие . При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2-1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
  • Такт третий, расширение . Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
  • Такт четвёртый, выпуск . Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры , воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

  • Источник питания . Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
  • Включатель, или замок зажигания . Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
  • Накопитель энергии . Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
  • Распределитель зажигания (трамблёр) . Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

  • Воздухозаборник . Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
  • Воздушный фильтр . Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
  • Дроссельная заслонка . Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
  • Впускной коллектор . Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси. В состав топливной системы входят:

  • Топливный бак — ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
  • Топливопроводы — комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
  • Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор — специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
  • Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском — в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
  • Топливный насос — электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
  • Топливный фильтр — расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.

Схема топливной системы ДВС

— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла ; удаление продуктов нагара и износа ; защита металла от коррозии . Система смазки ДВС включает в себя:

  • Поддон картера — резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
  • Масляный насос — качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
  • Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
  • Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

  • Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
  • Приёмная труба — изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
  • Резонатор , или, говоря народным языком, «банка» глушителя — ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
  • Катализатор — устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
  • Глушитель — ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

  • Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
  • Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
  • Водяной насос (помпа) — «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
  • Термостат — специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор — при прогретом двигателе.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

Прежде, чем рассматривать вопрос, как работает двигатель автомобиля , необходимо хотя бы в общих чертах разбираться в его устройстве. В любом автомобиле установлен двигатель внутреннего сгорания, работа которого основана на преобразовании тепловой энергии в механическую. Заглянем глубже в этот механизм.

Как устроен двигатель автомобиля – изучаем схему устройства

Классическое устройство двигателя включает в себя цилиндр и картер, закрытый в нижней части поддоном. Внутри цилиндра находится с различными кольцами, который перемещается в определенной последовательности. Он имеет форму стакана, в его верхней части располагается днище. Чтобы окончательно понять, как устроен двигатель автомобиля, необходимо знать, что поршень с помощью поршневого пальца и шатуна связывается с коленчатым валом.

Для плавного и мягкого вращения используются коренные и шатунные вкладыши, играющие роль подшипников. В состав коленчатого вала входят щеки, а также коренные и шатунные шейки. Все эти детали, собранные вместе, называются кривошипно-шатунным механизмом, который преобразует возвратно-поступательное перемещение поршня в круговое вращение .

Верхняя часть цилиндра закрывается головкой, где расположены впускной и выпускной клапаны. Они открываются и закрываются в соответствии с перемещением поршня и движением коленчатого вала. Чтобы точно представить, как работает двигатель автомобиля, видео в нашей библиотеке следует изучить также подробно, как и статью. А пока мы попытаемся выразить его действие на словах.

Как работает двигатель автомобиля – кратко о сложных процессах

Итак, граница перемещения поршня имеет два крайних положения – верхнюю и нижнюю мертвые точки. В первом случае поршень находится на максимальном удалении от коленчатого вала, а второй вариант представляет собой наименьшее расстояние между поршнем и коленчатым валом. Для того чтобы обеспечить прохождение поршня через мертвые точки без остановок используется маховик, изготовленный в форме диска.

Важным параметром у двигателей внутреннего сгорания является степень сжатия, напрямую влияющая на его мощность и экономичность.

Чтобы правильно понять принцип работы двигателя автомобиля, необходимо знать, что в его основе лежит использование работы газов, расширенных в процессе нагревания, в результате чего и обеспечивается перемещение поршня между верхней и нижней мертвыми точками. При верхнем положении поршня происходит сгорание топлива, поступившего в цилиндр и смешанного с воздухом. В результате температура газов и их давление значительно возрастает.

Газы совершают полезную работу, благодаря которой поршень перемещается вниз. Далее через кривошипно-шатунный механизм действие передается на трансмиссию, а затем на автомобильные колеса. Отработанные продукты удаляются из цилиндра через систему выхлопа, а на их место поступает новая порция топлива. Весь процесс, от подачи топлива до вывода отработанных газов, называется рабочим циклом двигателя.

Принцип работы двигателя автомобиля – различия в моделях

Существует несколько основных видов двигателей внутреннего сгорания. Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Расположенные в один ряд, они составляют в целом определенный рабочий объем. Но постепенно некоторые производители отошли от такой технологии изготовления к более компактному варианту.

А ты и твой автомобиль готовы к наступившей зиме? Современные гаджеты помогут с комфортом пережить зиму:

Штрафы за пересечение стоп-линии и превышение скорости больше не побеспокоят!

Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

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

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

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

  • принципиально проще (нет парокотельного агрегата),

  • компактнее,

  • легче,

  • экономичнее,

  • требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества.

Типы двигателей внутреннего сгорания


По назначению:

  • транспортные, 

  • стационарные, 

  • специальные.

По роду применяемого топлива:

  • легкие жидкие (бензин, газ), 

  • тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

По способу образования горючей смеси:

  • внешнее (карбюратор),

  • внутреннее (в цилиндре ДВС).

По способу воспламенения:

  • с принудительным зажиганием, 

  • с воспламенением от сжатия, 

  • калоризаторные.

По расположению цилиндров:

  • рядные, 

  • вертикальные, 

  • оппозитные с одним и с двумя коленвалами, 

  • V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, 

  • VR-образные и W-образные, 

  • однорядные и двухрядные звездообразные, 

  • Н-образные, 

  • двухрядные с параллельными коленвалами, 

  • «двойной веер», 

  • ромбовидные, 

  • трехлучевые и др.

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

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

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

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. 

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

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

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

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

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

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

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

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

Этот новый двигатель может спасти внутреннее сгорание от кучи металлолома

На данный момент почти каждый автопроизводитель работает над созданием электрического будущего на батареях. До этого еще далеко, но это не мешает автопроизводителям выпускать новые электромобили и медленно прекращать разработку двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Тем не менее, у ICE может быть будущее, хотя оно будет отличаться от того, что мы знаем сегодня. Astron Aerospace представила Omega 1, революционный двигатель с необычным дизайном.

Omega 1, предназначенный для работы на различных видах топлива, является компактным и мощным с очень низким уровнем выбросов или вообще без них. В нем отсутствуют смещенный коленчатый вал, возвратно-поступательные поршни и эксцентриковый вал, как в роторном двигателе Ванкеля. Тем не менее, конструкция Omega 1 позволяет обойти по крайней мере одну проблему с двигателями Ванкеля — перекрытие выхлопных газов.

В конструкции Omega one имеется пара камер с предкамерой, отделяющей холодный всасываемый воздух от горячего выхлопного газа. В Omega используются четыре ротора, установленные на двух валах, работающих попарно.Передняя пара отвечает за впуск и сжатие, а другая отвечает за сгорание и выпуск. Уложенные друг на друга роторы соединены синхронизирующими шестернями, поэтому они вращаются в противоположном направлении с одинаковой скоростью. Astron также говорит, что конструкция Omega не имеет таких проблем с уплотнением, и это полностью линейный блок.

Конструкция двигателя позволяет кому-то складывать несколько штук вместе, увеличивая производительность. Стандартный двигатель Omega 1 весит всего 35 фунтов и может развивать мощность 160 лошадиных сил (119 кВт) и крутящий момент 170 фунт-футов (230 Нм).Компания утверждает, что у нее есть работающий прототип, так что, возможно, двигатель внутреннего сгорания еще не умер.

Будет ли достаточно эволюции, чтобы сохранить жизнь ICE? Вероятно, не в том виде, в каком мы его знаем сегодня, но в нашем электрифицированном будущем все еще могут быть приложения, в которых ICE все еще может играть роль. Развивающиеся страны будут бороться с электромобилями без масштабных инвестиций в инфраструктуру, а тем временем этим людям нужно будет передвигаться. Этот двигатель может помочь значительно сократить выбросы уже сегодня, пока строится эта инфраструктура.

Новый двигатель внутреннего сгорания производит почти нулевые вредные выбросы

Мир все больше отказывается от использования транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), но некоторые компании стремятся перепрофилировать проверенную и надежную технологию, чтобы позволить ей жить в гармонии наряду с требованиями к изменению климата.

Одним из примеров является компания Astron Aerospace, которая представила Omega 1, двигатель, предназначенный для того, чтобы дать новую жизнь внутреннему сгоранию в условиях увеличения потребления ископаемого топлива, согласно отчету Motor1.ком .

Omega 1 был разработан для работы на нескольких видах топлива, и его создатели утверждают, что он может работать с очень низким уровнем выбросов. На своем веб-сайте Astron Aerospace сообщает, что Omega 1 производит «чрезвычайно низкий или нулевой уровень вредных выбросов» и что он является «максимальным расширителем диапазона».

Компания заявляет, что у нее есть работающий прототип двигателя, и что в ближайшем будущем будет опубликована дополнительная информация. В то же время выяснилось, что, как и двигатель Ванкеля, Omega 1 не имеет смещенного коленчатого вала, эксцентрикового вала или возвратно-поступательных поршней.Однако, в отличие от двигателей Ванкеля, Omega 1 поставляется с предкамерой, соединенной с парой камер, которая отделяет холодный всасываемый воздух от выхлопных газов, устраняя проблему перекрытия выхлопных газов.

Первый в мире двигатель с активной линейной передачей мощности

Согласно Astron Aerospace, все это делает Omega 1 первым в мире двигателем с активной линейной передачей мощности. «По мере вращения двигателя Omega 1, — говорится на сайте компании, — вся мощность передается через единственный вращающийся приводной вал.Фирма также заявляет, что Omega 1 не требует ротационных уплотнений из-за жестких допусков и таких высоких оборотов, что для утечки воздуха недостаточно времени.

Astron Aerospace заявляет, что Omega 1 «изменит мир к лучшему, обеспечивая новый, меньший по размеру, более мощный двигатель при гораздо меньшем потреблении топлива». Компания заявляет, что ее новое творение «будет производить значительно меньше парниковых газов, повышая крутящий момент и мощность в невероятно компактном корпусе».

Один стандартный двигатель Omega 1 весит всего 35 фунтов (16 кг) и развивает мощность 160 лошадиных сил 170 фунт-футов крутящего момента.Компания заявляет, что инновационная конструкция ее двигателя также позволяет устанавливать несколько двигателей друг на друга, увеличивая мощность. Хотя эта конструкция вряд ли помешает продолжающемуся стремлению к электрификации — Канада и Норвегия, например, недавно объявили о запрете автомобилей с ДВС, — она вполне может помочь технологии внутреннего сгорания, которая была столь надежной на протяжении более века, остаться на плаву. просто немного дольше.

Этот беспоршневой двигатель с частотой вращения 25 000 об/мин демонстрирует, что у системы сгорания может быть будущее

Омега 1 — роторный двигатель без уплотнений, почти без движущихся частей и почти без потерь в цикле сгорания

Как бы мы ни любили поршневые двигатели, они ужасно неэффективны.Вы теряете стеки энергии из-за тепла, трения и многого другого, тратя впустую большой потенциал этого взрывающегося топлива. Однако одна новая конструкция двигателя направлена ​​​​на устранение почти всех потерь, связанных с внутренним сгоранием.

Это «Омега 1» от компании Astron Aerospace. Изобретенный Мэтью Райли, это роторный двигатель, но он работает совсем не так, как Ванкеля. Во-первых, нет апексных уплотнений. Или вообще много печатей, если уж на то пошло.

Четырехтактный цикл сгорания разделен на две части.На одной половине двигателя у нас есть два «лопастных ротора», отвечающих за впуск и сжатие, и еще одна пара с другой стороны для сгорания и выпуска. Через двигатель и эти роторы проходят два вращающихся в противоположных направлениях вала, каждый из которых синхронизирован большими шестернями.

Эти шестерни и их подшипники являются единственными контактными точками во всем двигателе, поэтому единственные детали, требующие смазки. Очень жесткие допуски являются ключом к отсутствию уплотнений ротора, как и высокие обороты, поскольку «недостаточно времени для утечки воздуха во время работы», — говорит Астрон.

Также имеется воздухозаборник с наддувом, работающий под чрезвычайно высоким давлением, который, как говорят, является «неотъемлемой частью процесса сгорания».По сравнению с обычным нагнетателем, который может работать с давлением около 15 фунтов на квадратный дюйм на серийном автомобиле, Omega 1 нагнетает воздух со скоростью от 200 до 300 фунтов на квадратный дюйм.

См. также: Новый двухтактный дизельный двигатель объемом 10,6 л имеет 3 цилиндра и 6 поршней

Еще одним интересным элементом является функция «пропустить огонь». Пока вы разгоняетесь, двигатель будет срабатывать при каждом обороте, но на крейсерской скорости он будет сгорать только при необходимости — «каждые пять, 10, 50 оборотов или сколько угодно».В результате этого и в целом эффективного характера двигателя Omega 1, как говорят, предлагает «чрезвычайно низкие» выбросы.

А теперь самое интересное.Подобно двигателю Ванкеля, система Omega является модульной, поэтому теоретически вы можете выстроить в линию любое количество узлов. Например, стек с двумя двигателями будет весить около 150 кг и производить более 300 л.с. и 340 фунт-фут крутящего момента при очень небольшом расходе топлива. О, и он будет вращаться до 25 000 об / мин. Предлагаемые области применения включают генераторы, морские, аэрокосмические и да, транспортные средства для отдыха.

В то время как автомобильная промышленность стремится к электрификации, проекты, подобные этому, показывают, что двигатели внутреннего сгорания в автомобилестроении могут иметь будущее в некоторых условиях.Мы должны предостеречь Omega 1, сказав, что идея, кажется, находится на довольно ранней стадии, но, тем не менее, за этим стоит наблюдать с интересом.

Hyundai прекращает разработку двигателей и переводит инженеров на электромобили

Увеличить / Научно-исследовательский центр Hyundai в Намьянге, 2003 г.

Hyundai

Прошлый год был сложным по многим причинам, но 2021 год был не совсем плохим.Несмотря на пандемию и нехватку чипов, это был отличный год для новых аккумуляторных электромобилей. Настолько, что более половины наших 10 лучших приводов года были BEV. Это хорошо для потребителей, ищущих новую машину, при условии, что они могут найти ее в наличии.

Списки топ-10 на конец года крайне субъективны, и никто не должен придавать им слишком большое значение. Но если вам нужны доказательства надвигающегося исчезновения двигателей внутреннего сгорания, подумайте вот о чем: 23 декабря Hyundai Motor Group (материнская компания Hyundai, Kia и Genesis) закрыла свое подразделение по исследованиям и разработкам двигателей внутреннего сгорания, сообщает The Korea. Экономический Ежедневник.

Пак Чон Кук, новый глава отдела исследований и разработок Hyundai, объяснил в электронном письме сотрудникам Hyundai Motor Group, что «наша собственная разработка двигателя — большое достижение, но мы должны изменить систему, чтобы создавать будущие инновации на основе большого актива от прошлое. »

Вместо разработки новых бензиновых или дизельных двигателей исследователи и инженеры будут работать над электрическими силовыми установками — область, в которой Hyundai уже чрезвычайно конкурентоспособна.

Ранее Volvo объявила, что она также прекращает разработку двигателей внутреннего сгорания, но компания, похоже, съела свой пирог, но все еще ест его.В 2021 году она передала всю свою деятельность по производству двигателей, включая будущие исследования и разработки и производство, новому совместному предприятию со своей материнской компанией Geely.

Не я один вижу надпись на стене. Bloomberg предвидит потенциальное падение остаточной стоимости более дорогих бензиновых автомобилей, предупреждая, что, «хотя в 2028 году все еще может существовать устойчивый рынок для подержанных автомобилей Honda Accord, он, вероятно, будет более слабым рынком для подержанных седанов с бензиновым двигателем стоимостью 40 000 долларов и внедорожники, поскольку люди в этом сегменте переходят на электромобили. »

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия Нового Света

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

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

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

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

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

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

История

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

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, а работали на той воздушно-топливной смеси, которую можно было всосать или вдуть во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современными двигателями внутреннего сгорания и ранними конструкциями заключается в использовании сжатия и, в частности, внутрицилиндрового сжатия.

  • 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не подразумевать, что идея исходила от него или что она была построена на самом деле.)
  • 1673: Кристиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. [1]
  • 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взрывала смесь воздуха и водорода, выбивая пробку из конца пистолета.
  • Семнадцатый век: английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох для привода водяных насосов.
  • 1794: Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип работы которого доминировал почти столетие.
  • 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
  • 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый промышленный двигатель внутреннего сгорания. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, в то время уже устарел.Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области, где стандарты еще не были установлены, досталось лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.
  • 1824: Французский физик Сади Карно создал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. Это научно установило необходимость сжатия для увеличения разницы между верхней и нижней рабочими температурами, но неясно, знали ли об этом конструкторы двигателей до того, как сжатие уже стало широко использоваться.Это могло ввести в заблуждение дизайнеров, которые пытались подражать циклу Карно бесполезными способами.
  • 18:26 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель» без сжатия.
  • 1838: Уильяму Барнету был выдан патент (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, по-видимому, не осознавал его преимуществ, но его цикл был бы большим достижением, если бы он был достаточно развит.
  • 1854: Итальянцы Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали в Лондоне первый работающий экономичный двигатель внутреннего сгорания (pt.номер 1072), но в производство с ним не пошёл. По концепции он был похож на успешный непрямой двигатель Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
  • 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) создал газовый двигатель внутреннего сгорания, очень похожий по внешнему виду на горизонтальный паровой лучевой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ в основном место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания.Его первый двигатель с компрессией развалился на части.
  • 1862: Николаус Отто разработал свободнопоршневой двигатель непрямого действия без сжатия, чья большая эффективность завоевала поддержку Langen, а затем и большей части рынка, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей, работающих на зажигательном газе.
  • 1870: В Вене Зигфрид Маркус поместил первый передвижной бензиновый двигатель на ручную тележку.
  • 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный двигатель с четырехтактным циклом (цикл Отто).Однако немецкие суды не получили его патент на все двигатели с компрессией в цилиндре или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения компрессия в цилиндре стала универсальной.
  • 1879: Карл Бенц, работая независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, ставших первыми серийными автомобилями.
  • 1882: Джеймс Аткинсон изобрел циклический двигатель Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с различными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
  • 1891: Герберт Акройд Стюарт оформляет свои права на лизинг нефтяных двигателей в Хорнсби в Англии для производства двигателей. Они строят первые двигатели с холодным пуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением обеспечивает самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
  • 1892: Рудольф Дизель разрабатывает свой двигатель типа тепловой машины Карно, работающий на пылевидной угольной пыли.
  • 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
  • 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, таким образом уравновешивая друг друга по инерции.
  • 19:00: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель на Всемирной выставке (Всемирная выставка) 1900 года, использующий арахисовое масло (биодизель).
  • 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft, в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека, который потребовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Приложения

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

Операция

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

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

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

Процесс зажигания бензина

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

Процесс зажигания дизельного двигателя

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

Энергия

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

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

Запчасти

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

Детали двигателя различаются в зависимости от типа двигателя. Для четырехтактного двигателя ключевыми частями двигателя являются коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя вместо системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива.В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократное движение поршня вверх или вниз по цилиндру называется тактом, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, называется рабочим тактом.

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

В двигателе Bourke используется пара поршней, встроенных в кулисный механизм, который передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск происходят при каждом ходе этого хомута.

Классификация

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

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

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

Принцип работы

Поршневой:

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

Роторный:

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

Непрерывное горение:

  • Газовая турбина
  • Реактивный двигатель
  • Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два такта (один вверх, один вниз) на каждый рабочий такт. Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для продувки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления в картере свежего заряда, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей выходной мощности) и очень простые механически. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, машины для уборки сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы.К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо больше загрязняют окружающую среду, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших кораблях. Эти двигатели используют принудительную индукцию для продувки цилиндров. двухтактные двигатели менее экономичны, чем двигатели других типов, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного канала вместе с ранее израсходованным топливом.Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, что потребует от многих небольших двигателей, таких как газонокосилки, использовать четырехтактные двигатели, а в некоторых юрисдикциях — двухтактные двигатели меньшего размера должны быть оснащены каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

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

Пятитактный

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

Двигатель Бурка

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

Двигатель внутреннего сгорания с регулируемым двигателем

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

Ванкель

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

Газовая турбина

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

Вышедшие из употребления методы

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

Типы топлива и окислителя

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

Основные ограничения для топлива заключаются в том, что топливо должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании, чтобы сделать использование двигателя практичным.

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

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее при более низких скоростях, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной экономичности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах.Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем стали широко распространены с 1990-х годов, составляя около 40 процентов рынка. Как бензиновые, так и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Двигатели, работающие на парафине и тракторном масле (ТВО), больше не видны.

Водород

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

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров, обычно число от одного до двенадцати, хотя использовалось до 36 (Lycoming R-7755). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: во-первых, двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшими отдельными совершающими возвратно-поступательное движение массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрация в результате движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, при большем рабочем объеме и большем количестве поршней может быть сожжено больше топлива и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих тактов) за заданный период времени, а это означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трется о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать эффективность использования топлива и лишать двигатель части его мощности.Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (таких как двигатели, применяемые в современных автомобилях), по-видимому, существует точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя и есть исключения. такие как двигатель W16 от Volkswagen существуют.

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

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на эффективность и мощность ДВС.Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя максимальное давление горючей смеси должно достигаться, когда коленчатый вал находится в положении 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для воспламенения смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не соприкасался с опускающейся головкой поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, возникает порозовение или стук.Более обедненные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более опережающего опережения зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система подогрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания в патенте США 609250 (PDF) «Электрический воспламенитель для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Топливные системы

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

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

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

Двигатели, работающие на газе (СНГ), используют либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.

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

Конфигурация двигателя

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

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нуждаются в головке цилиндра, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с оппозитным поршнем. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, по одному на каждом конце одного ряда цилиндров, и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров. цилиндры расположены равносторонним треугольником с коленчатыми валами по углам.Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и продолжает использоваться в судовых двигателях, как для силовых установок, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Объем двигателя

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

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

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

Системы смазки

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

Загрязнение двигателя

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

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

  • Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, вызывая кислотные дожди.
  • Высокая температура горения приводит к увеличению содержания оксидов азота (NOx), которые опасны как для растений, так и для животных.
  • Чистое производство двуокиси углерода не является необходимой характеристикой двигателей, но, поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит. Если двигатели работают на биомассе, то чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа во время роста.
  • Водородные двигатели должны производить только воду, но когда в качестве окислителя используется воздух, также образуются оксиды азота.

Эффективность двигателя внутреннего сгорания

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

Система впрыска водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает топливную экономичность двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть экономию топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого во впускной воздушно-топливный заряд, увеличивает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, что позволяет двигателю работать с более опережающим опережением зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной смесью воздуха. топливной смеси, чем это возможно в противном случае.Результатом является меньшее загрязнение окружающей среды при большей мощности и повышении эффективности. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для производства используемого водорода. Также можно использовать небольшой резервуар с водородом под давлением, но этот метод требует повторного заполнения.

Также обсуждались новые типы двигателей внутреннего сгорания, такие как двигатель с разделенным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и наиболее сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания).Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Примечания

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

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

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

  • Знакомство с автомобильными двигателями — изображения в разрезе и хороший обзор двигателя внутреннего сгорания
  • Библия о топливе и двигателе — хороший ресурс по различным типам двигателей и видам топлива
  • youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
  • .
  • youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Кредиты

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания: изобретатель и история

Изображение коленчатого вала

Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?

В то время как ряд ученых и инженеров проложили путь к изобретению двигателя внутреннего сгорания, первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания был изобретен Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром . Он родился в 1822 году в Мюсси-ла-Виль, который тогда был в Люксембурге, а теперь является частью Бельгии.В начале 1850-х он иммигрировал в Париж, Франция, где работал инженером, экспериментируя с электричеством.

Жан Жозеф Этьен Ленуар

В 1860 году он запатентовал газовый одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, который он установил на трехколесном экипаже. Хотя он работал достаточно хорошо, он не отличался экономичностью, издавал много шума и часто перегревался. Двигатель полностью остановился бы, если бы для его охлаждения не применялась вода, и для этого требовался бак для хранения газообразного топлива.

В 1863 году он построил трехколесную повозку, работавшую на бензине. На демонстрации в Париже карета преодолела расстояние в 7 миль примерно за 3 часа, что соответствует средней скорости 2 мили в час. Совсем не быстро! Что было такого впечатляющего в экипаже, чем он двигался так медленно? Что ж, тот факт, что он приводился в движение двигателем, а не лошадью или мулом, делал его настоящим нововведением. Его двигатели на самом деле имели относительно хороший успех, всего было построено около 500 штук, но они явно оставляли место для многих улучшений.

Ленуар стал гражданином Франции в 1870 году за помощь французам во время франко-прусской войны. В 1881 году он получил орден Почетного легиона за выдающиеся достижения в области телеграфии. Несмотря на то, что Ленуар практически изобрел автомобиль, в последние годы жизни он был беден. Он умер во Франции в 1900 году.

Что случилось после Ленуара?

Изобретателем, действительно поднявшим двигатель внутреннего сгорания на новый уровень, был Николаус Отто .Он родился в 1832 году в Хольцхаузене, Германия. Он потерял отца в очень молодом возрасте, и его воспитывала мать, которая планировала, что он получит техническое образование. Хотя он так и не получил техническое образование, которого она хотела, его интерес к техническим вопросам остался с ним.

Николаус сделал много улучшений в технологии внутреннего сгорания, которые сделали конструкцию Ленуара устаревшей. Его конструкция работала на жидком топливе, бензине. В 1864 году он встретил Ойгена Лангена , который вложил деньги, необходимые для постройки первого двигателя.

В 1867 году он изобрел четырехтактный двигатель внутреннего сгорания . В этом двигателе бензин и воздух втягиваются в цилиндр за счет толкания поршня назад. Затем поршень движется вперед и сжимает смесь. Эта смесь воспламеняется от искры, вызывая взрыв. Взрыв толкает поршень вперед, обеспечивая мощность и силу. Затем поршень оттягивается назад, чтобы вытолкнуть выхлопные газы из цилиндра.

Этот четырехтактный двигатель, также известный как цикл Отто, станет основой для двигателей, используемых в автомобилях.Четырехтактный двигатель обеспечивает мощность только во время одного такта, что инженеры в то время считали нелогичным. Двигатели Ленуара обеспечивали мощность при каждом такте, но двигатели Отто оказались более экономичными.

История создания автомобиля

Партнерство Отто и Лангена привело к созданию двигателя, который стал настолько популярен, что они не могли удовлетворить спрос. Ланген собрал гораздо больше капитала и нанял Готлиба Даймлера для управления производственным предприятием. Даймлер привел с собой молодого немецкого инженера, Вильгельма Майбаха , который тесно сотрудничал с Отто над разработкой двигателей, которые в конечном итоге использовались в первых автомобилях.

Даймлер и Майбах поссорились с Лангеном и Отто и открыли собственное производство. Компания, которую они основали, продолжила производство первого автомобиля Daimler с четырехтактным двигателем Отто. В 1890 году был продан первый автомобиль Daimler. Хотя многие приписывают изобретение автомобиля Даймлеру, без двигателя Отто автомобиль никогда бы не отправился в путь.

Краткий обзор урока

История коммерческих двигателей внутреннего сгорания началась с Жана Жозефа Этьена Ленуара в 1860 году и завершилась автомобилем Daimler тридцать лет спустя.Попутно Николаус Отто значительно усовершенствовал двигатель, сделав его пригодным для массовых перевозок. Хотя Готлиб Даймлер приходит на ум, когда речь заходит об изобретении автомобиля, именно Ленуар и Отто проложили путь к производству автомобилей такими, какими мы их знаем.

Двигатель внутреннего сгорания – обзор

1 Введение

Спрос на энергию растет в связи с ростом населения, технологическим прогрессом и урбанизацией.Прогнозируется, что к 2100 году мировой спрос на энергию будет в пять раз выше, чем сегодня [1,2]. Мы также наблюдаем постоянную тенденцию к росту цен на энергоносители. Государственные учреждения и исследователи изучают различные варианты восполнения надвигающегося энергетического дефицита, вызванного увеличением спроса на душу населения, ростом населения и необходимостью сдерживания выбросов парниковых газов (ПГ) от традиционных источников энергии. Среди этих вариантов биомасса уникальна тем, что она основана на углероде и обеспечивает топливо, сравнимое с ископаемым топливом [3].Использование ресурсов биомассы для производства энергии уже стало очень значительным: в настоящее время биомасса обеспечивает примерно 13 % мировых поставок первичной энергии и более 75 % мировой возобновляемой энергии [4,5]. Действительно, по оценкам, к 2050 году биоэнергетика может составлять 25–33% мирового энергоснабжения [4]. В недавнем отчете Мирового энергетического совета прогнозируется, что нынешнее расширение будет продолжаться в течение нескольких десятилетий [6]. Дальнейшее внедрение биомассы потребует эффективных путей преобразования и предотвращения конкуренции с продуктами питания и клетчаткой [7,8].

Пиролиз может преобразовывать биомассу из различных источников, включая сельскохозяйственные и лесные отходы, в жидкие, твердые и газообразные формы. Все три выходных фракции потенциально могут использоваться в качестве топлива (непосредственно или после модернизации) в различных типах первичных двигателей для транспорта, производства электроэнергии, комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) или комбинированного охлаждения тепла и электроэнергии (ПТЭЦ). Пиролизная жидкость (ЖЖ) перспективна для использования как в двигателях внутреннего, так и внешнего сгорания, особенно в двигателях внутреннего сгорания (ВДС) с воспламенением от сжатия (ВК).Твердый уголь полезен для отопления, совместного сжигания на угольных электростанциях, а также в качестве удобрения и кондиционера почвы, благодаря чему он также обеспечивает некоторое связывание атмосферного углерода. Уголь также можно использовать для производства синтез-газа с помощью методов газификации [2]. Пиролизный газ (PG) может использоваться в газовых котлах, газовых турбинах, двигателях с искровым зажиганием (SI) или двухтопливных двигателях. В недавних отчетах подчеркиваются возможности производства устойчивого топлива для двигателей внутреннего сгорания путем пиролиза биомассы [9,10]. Кроме того, британский фонд Carbon Trust определил пиролиз биомассы как интересный вариант для обеспечения будущего транспортного топлива [11].

Двигатели внутреннего сгорания, особенно двигатели внутреннего сгорания, широко используются во всем мире для различных энергетических услуг, таких как транспорт, судоходство, рыболовные суда, ирригация, производство электроэнергии, ТЭЦ и ТЭЦ. Скорее всего, они останутся популярными на десятилетия благодаря высокому КПД (как при полной, так и при частичной нагрузке) и вариациям масштаба (от очень малого до очень большого), высокому соотношению мощности и массы, низким капитальным и эксплуатационным затратам, расходу топлива. гибкость [12]. В 2005 году общий расчетный объем выбросов парниковых газов в мире составил 44 153 МтCO 90 533 2 90 534 экв.из которых 66,5% были связаны с энергетическими услугами. Доля транспорта, электроэнергии и тепла составляла только 39,2 % (от общего объема выбросов) и 59 % (от общего объема выбросов, связанных с энергетикой) [13], причем главными двигателями служили в основном двигатели внутреннего сгорания (включая газовые турбины) и паровые турбины. Поэтому очень большое сокращение выбросов ПГ возможно за счет замены ископаемого топлива, предназначенного для двигателей внутреннего сгорания, возобновляемыми альтернативами, такими как топливо из пиролиза биомассы.

Несмотря на то, что существует несколько обзоров методов пиролизной конверсии, параметров и вариантов продуктов [14–20], относительно немногие из них посвящены применению пиролизного топлива [21,22].Кьярамонтиа и др. [22] рассмотрели использование быстрых PL в двигателях внутреннего и внешнего сгорания для выработки электроэнергии, но не рассмотрели использование PG в двигателях внутреннего сгорания. Пиролиз биомассы и его применение все еще находятся на ранних стадиях разработки [8,23]. Для ускорения прогресса важно консолидировать и распространять результаты передовых исследований. Таким образом, цель этого обзора состоит в том, чтобы представить текущее состояние и будущие перспективы исследований и разработок PL и PG в качестве альтернативных видов топлива в двигателях внутреннего сгорания для исследователей, занимающихся производством и модернизацией пиролизного топлива.Это исследование также заинтересует тех, кто занимается испытаниями и разработкой двигателей, включая производителей двигателей и компонентов. Конкретные цели заключаются в том, чтобы (i) описать основные методы пиролиза и типы реакторов, используемых для производства этого топлива; (ii) рассмотреть свойства PL по сравнению со стандартным ископаемым дизельным топливом; (iii) рассмотреть технический опыт, связанный с двигателями с воспламенением, работающими на сыром и модернизированном PL, по сравнению со стандартным дизельным топливом; (iv) рассмотреть техническую осуществимость использования PG в двигателях SI (и двухтопливных); и (v) рассмотреть методы повышения качества PL и оценить улучшенные свойства PL по сравнению с сырым PL.

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.