Четыре такта двигателя: Двигатель четырехтактный внутреннего сгорания: устройство и порядок работы

Четырёхтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом

из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Начиная с середины XX века — наиболее распространённая разновидность поршневого ДВС, особенно в двигателях средней и большой мощности.

Порядок работы

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя происходит за четыре такта, каждый из которых составляет один ход поршня между мертвыми точками, при этом двигатель проходит следующие фазы:

• Впуск. Длится от 0 до 180° поворота кривошипа. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается свежий заряд. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.
• Такт сжатия. 180—360° поворота кривошипа. Поршень движется к ВМТ, при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается бо́льшая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении (такого как двигатель Ленуара), за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД двигателя. В двигателях Отто любой конструкции сжимается горючая смесь, в дизелях — чистый воздух.

В конце такта сжатия происходит зажигание заряда в двигателях Отто или начало впрыска топлива в двигателях Дизеля.

• Рабочий ход 360—540° кривошипа — движение поршня в сторону нижней мёртвой точки под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу. В двигателе Отто при этом происходит процесс изохорного расширения, в дизеле за счёт продолжающегося горения рабочей смеси подвод теплоты продолжается столько, сколько длится впрыск порции топлива. Поэтому сгорание в дизеле обеспечивает процесс, близкий к адиабатному, расширение происходит при одинаковом давлении.
• Выпуск. 540—720° поворота кривошипа — очистка цилиндра от отработавшей смеси. Выпускной клапан открыт, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы.

В реальных двигателях фазы газораспределения подбираются таким образом, чтобы учитывалась инерция газовых потоков и геометрия трактов впуска и выпуска. Как правило, начало впуска опережает ВМТ от 15 до 25°, конец впуска отстает примерно на столько же от НМТ, так как инерция потока газов обеспечивает лучшее заполнение цилиндра. Выхлопной клапан опережает НМТ рабочего хода на 40 — 60°, при этом давление сгоревших газов к НМТ падает и противодавление на поршень при выхлопе оказывается ниже, что повышает КПД. Закрытие выхлопного клапана также относится за ВМТ впуска для более полного удаления выхлопных газов.

Так как процесс горения и распространение фронта пламени в двигателях Отто требуют определенного времени, зависящего от режима работы двигателя, а максимальное давление из соображений геометрии кривошипно-шатунного механизма желательно иметь от 40 до 45° от ВМТ начала рабочего хода, зажигание осуществляется с опережением — от 2 — 8° на холостом ходу до 25 — 30° на режимах полной нагрузки.

Рабочий процесс дизельного двигателя отличается от описанного выше тем, что заряд в камере сгорания — чистый воздух, нагретый от сжатия до температуры воспламенения. За некоторое время до ВМТ, называемое временем инициации, в камеру сгорания начинает впрыскиваться жидкое топливо, распыленное до капель, каждая из которых подвергается инициации, то есть нагревается, испаряясь с поверхности, при испарении вокруг каждой из капель образуется и воспламеняется в горячем воздухе горючая смесь. Время инициации для каждого дизеля стабильно, зависит от особенностей конструкции и изменяется только с его изнашиванием, поэтому, в отличие от момента зажигания, момент впрыска в дизеле задается раз и навсегда при его конструировании и изготовлении. Так как смесь во всем объёме камеры сгорания в дизеле не образуется, а факел распыла форсунки занимает небольшой объём камеры, количество воздуха на каждый объём впрыснутого топлива должно быть избыточным, в противном случае процесс горения протекает не до конца, а выхлопные газы содержат большое количество недогоревшего углерода в виде сажи. Само горение длится столько времени, сколько длится впрыскивание данной конкретной порции топлива — от нескольких градусов после ВМТ на холостом ходу до 45-50° на режимах полной мощности. В мощных дизелях цилиндр может снабжаться несколькими форсунками.

Главные особенности четырёхтактного двигателя

• Газообмен в цилиндре практически полностью обеспечивается перемещением рабочего поршня;
• Для переключения полости цилиндра на впуск и на выхлоп используется отдельный газораспределительный механизм;
• Каждая фаза газообмена выполняется во время отдельного полуоборота коленчатого вала;
• Привод систем газораспределения, зажигания и впрыска топлива должен вращаться с частотой вдвое меньшей, чем частота вращения коленчатого вала двигателя. Для этого могут применяться как шестерёнчатые редукторы, так цепная или ременная передача.

История

Цикл Отто

Четырёхтактный двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше (англ.) в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

Первым человеком, построившим первый практически используемый четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Поэтому четырёхтактный цикл известен как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, называется двигателем Отто.

Идеальный цикл Отто состоит из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В практическом четырёхтактном цикле Отто имеются также изобарическое сжатие (выхлоп) и изобарическое расширение (впуск), которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли ни в сообщении рабочему газу теплоты, ни в совершении газом работы.

Газораспределительный механизм

Атрибутивный агрегат четырёхтактного двигателя, управляет газообменом при смене тактов, обеспечивая поочередное подключение полости цилиндра к впускному и выхлопному коллекторам.

Управление газораспределением может осуществляться:

МЕХАНИЧЕСКИ:

 — распределительным кулачковым валом или валами с клапанами;

 — цилиндрическими гильзовыми золотниками, движущимися возвратно-поступательно либо вращающимися в головке цилиндров;

МИКРОПРОЦЕССОРОМ. В этом случае привод клапанов осуществляется непосредственно мощными быстродействующими электромагнитами (БМВ) или с использованием гидропривода (ФИАТ).

В первом случае клапанами управляет распределительный вал, вращающийся вдвое медленнее коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачков, каждый из которых управляет одним впускным или выхлопным клапаном. От распредвалов часто приводятся дополнительные сервисные устройства двигателя — масляные, топливные насосы, распределитель зажигания, ТНВД, иногда — механические нагнетатели и др.

В разных двигателях используются один или несколько распределительных валов, расположенных возле коленвала, над рядом цилиндров или даже над каждым рядом клапанов. Привод распредвалов осуществляется от коленвала либо распределительными шестернями, либо пластинчато-роликовой цепью, либо зубчатым ремнем. В некоторых старых конструкциях использовались валики с коническими шестернями (В-2). В любом случае валы синхронизированы с частотами вращения 1 : 2.

В любом случае вал, расположенный рядом с коленчатым, называется нижним, в головке над или рядом с клапанами — верхним. Клапаны по расположению относительно камеры сгорания также могут быть верхними — расположенными над донышком поршня, или нижними — расположены рядом с цилиндрами сбоку. Нижние клапаны приводятся от нижнего вала через короткие стаканообразные толкатели. Привод верхних клапанов от нижнего вала осуществляется, как правило, штанговым механизмом, от верхнего либо через рокеры (коромысла), либо через стаканообразные толкатели. Во многих двигателях используются гидравлические толкатели, автоматически выбирающие зазоры в клапанных парах и делающие механизм газораспределения необслуживаемым.

Клапан представляет собой стержень с тарелкой, выполненной из жаростойких материалов. Стержень клапана совершает возвратно-поступательные движения в направляющей втулке, тарелка коническим герметизирующим пояском ложится на клапанное седло, также выполняемое из жаростойких материалов. И седло, и направляющая втулка являются контактными поверхностями, через которые осуществляется охлаждение клапана. Особено важно это положение для выхлопных клапанов, которые постоянно работают в потоках горячих газов (а при неправильной установке зажигания или момента впрыска — в потоке пламени) и нуждаются в интенсивном теплоотводе. Поэтому для улучшения охлаждения внутри стержня клапана может располагаться полость с теплопроводным материалом — с натрием, с медью. А сами контактирующие поверхности должны быть гладкими и иметь минимально возможные зазоры. Многие клапаны имеют механизмы поворота, обеспечивающие принудительное вращение вокруг продольной оси в процессе работы.

Открытие клапана осуществляет соответствующий кулачок, закрытие — либо возвратна клапанная пружина/пружины, либо особый десмодромный механизм (Даймлер-Бенц), позволяющий из-за отсутствия пружин достичь очень высоких скоростей перемещения клапанов и, соответственно, существенно поднять обороты двигателя без существенного повышения усилий в механизме распределения. Дело в том, что чем слабее клапанная пружина, тем медленнее возврат клапана в седло. Уже при работе на относительно невысоких оборотах слабые пружины позволяют клапанам «зависать» и соприкасаться с поршнями (двигатели ВАЗ без внутреннего ряда клапанных пружин — на 5500-6000 об/мин). Чем сильнее клапанные пружины, тем большие напряжения испытывают детали ГРМ и тем более качественное масло должно использоваться для его смазки. Десмодромный механизм позволяет перемещать клапана с такой скоростью, которая ограничена только моментом их инерции, то есть, существенно более высокой, чем достижимые для клапанов скорости в реальных двигателях.

Электромагнитное или электрогидравлическое управление с микропроцессором, сверх этого, позволяет легко корректировать фазы газораспределения двигателя, добиваясь наивыгоднейшей характеристики распределения на каждом режиме.

Некоторые ранние модели двигателей («Харлей-Дэвидсон», «Пежо») имели впускные клапаны со слабыми пружинами, обеспечивавшими «автоматическое» открывание клапана после начала впуска под действием вакуума над поршнем.

Для коррекции фаз газораспределения в ГРМ с распредвалами используются разного рода дифференцирующие механизмы, их конструкция зависит от компоновки двигателя и ГРМ (которая во многом определяет компоновку всего ДВС).

Системы смазки и охлаждения

Работа ДВС сопровождается выделением значительного количества теплоты из-за высоких температур рабочих газов и существенных контактных напряжений в трущихся деталях. Поэтому для обеспечения работы двигателя детали, образующие пары трения, необходимо охлаждать и смазывать, а из зазоров между ними вымывать продукты механического износа. Смазывающее масло, помимо обеспечения масляного клина в зазорах, отводит значительное количество тепла от нагруженных трущихся поверхностей. Для охлаждения гильз цилиндров и элементов головки двигателя дополнительно используется система принудительного охлаждения, которая может быть жидкостной и воздушной.

Система смазки двигателя состоит из ёмкости с маслом, в таком качестве часто используется поддон картера — в системе с масляным картером или отдельный масляный бак — в системе с сухим картером. Из ёмкости масло засасывается масляным насосом, шестерёнчатым или, реже, коловратным, и по каналам поступает под давлением к пáрам трения. В системе с масляным картером гильзы цилиндров и некоторые второстепенные детали смазываются разбрызгиванием, системы с сухим картером предусматривают наличие специальных лубрикаторов, обеспечивающих смазку и охлаждение этих же деталей. В двигателях средней и большой мощности в систему смазки включаются элементы масляного охлаждения поршней в виде залитых в донышки змеевиков или специальных форсунок, обливающих днище поршня со стороны картера. Как правило, система смазки содержит один или несколько фильтров для очистки масла от продуктов износа пар трения и осмоления собственно масла. Фильтры используются либо с картонной шторкой с определённой степенью пористости, либо центробежные. Для охлаждения масла часто применяют воздушно-масляные радиаторы или водомасляные теплообменники.

Система воздушного охлаждения в простейшем случае представлена просто массивным оребрением цилиндров и головок. Набегающий поток воздуха снаружи и масло изнутри охлаждает двигатель. Если обеспечить теплоотвод набегающим потоком невозможно, в систему включается вентилятор с воздуховодами. Наряду с таким неоспоримыми достоинствами, как простота двигателя и относительно высокая живучесть в неблагоприятных условиях, а также относительно меньшая масса, воздушное охлаждение имеет серьёзные недостатки:

— большое количество воздуха, продувающего двигатель, несёт большое количество пыли, которая оседает на оребрении, особенно при подтекании масла, неизбежном в эксплуатации, в результате эффективность охлаждения резко снижается;

— невысокая теплоёмкость воздуха заставляет продувать через двигатель существенные его объёмы, для чего требуется существенный отбор мощности для работы вентилятора охлаждения;

— форма деталей двигателя плохо соответствует условиям хорошего обтекания воздушным потоком, в связи с чем добиться равномерного охлаждения элементов двигателя очень трудно; из-за разницы рабочих температур в отдельных элементах конструкции возможны большие термические напряжения, что снижает долговечность конструкции.

Поэтому воздушное охлаждение применяется в ДВС нечасто и, как правило, либо на дешевых конструкциях, либо в тех случаях, когда работа двигателя протекает в особых условиях. Так, на транспортёре переднего края ЗАЗ-967 используется двигатель с воздушным охлаждением МеМЗ-968, отсутствие водяной рубашки, рукавов и радиатора охлаждения повышает живучесть транспортёра в условиях поля боя.

Жидкостное охлаждение имеет ряд преимуществ и применяется на ДВС в большинстве случаев. Преимущества:

— высокая теплоёмкость жидкости способствует быстрому и эффективному отводу тепла из зон теплообразования;

— гораздо более равномерное теплораспределение в элементах конструкции двигателя, что существенно снижает тепловые напряжения;

— использование жидкостного охлаждения позволяет быстро и эффективно регулировать поток тепла в системе охлаждения и, стало быть, быстрее и гораздо равномернее, чем в случае с воздушным охлаждением, прогревать двигатель до температур рабочего диапазона;

— жидкостное охлаждение позволяет увеличивать как линейные размеры деталей двигателя, так и его теплонапряжённость за счёт высокой эффективности теплоотведения; поэтому все средние и крупные двигатели имеют жидкостное охлаждение, за исключением ПДП-двухтактных двигателей, у которых зона продувочных окон гильз охлаждается продувочным воздухом из соображений компоновки;

— специальная форма водо-воздушного или водо-водяного теплообменника позволяет максимально эффективно передавать тепло двигателя в окружающую среду.

Недостатки водяного охлаждения:

— повышение веса и сложность конструкции двигателя из-за наличия водяной рубашки;

— наличие теплообменника/радиатора;

— снижение надёжности агрегата из-за наличия стыков рукавов, шлангов и патрубков с возможными течами жидкости;

— обязательное прекращение работы двигателя при потере хотя бы части охлаждающей жидкости.

Современные системы жидкостного охлаждения используют в качестве теплоносителя специальные антифризы, замерзающие при низких температурах и содержащие пакеты присадок разного назначения — ингибиторы коррозии, моющие, смазывающие, антипенные, а иногда и герметизирующие места возможных течей. С целью повышения КПД двигателя системы герметизируют, при этом повышая рабочий диапазон температур к области кипения воды. Такие системы охлаждения работают при давлении выше атмосферного, их элементы рассчитаны на поддержание повышенного давления. Этиленгликолевые антифризы имеют высокий коэффициент объёмного расширения. Поэтому в таких системах часто применяются отдельные расширительные бачки или радиаторы с увеличенными верхними бачками.

С целью стабилизации рабочей температуры и для ускорения прогрева двигателя в системы охлаждения устанавливают термостаты. Для воздушного охлаждения термостат — сильфон, заполненный церезином или этиловым спиртом в сочетании с обоймой и системой рычагов, поворачивающих заслонки, обеспечивающие переключение и распределение воздушных потоков. В системах жидкостного охлаждения точно такой же термоэлемент осуществляет открытие клапана или переключение системы клапанов, направляющих жидкость либо в радиатор, либо в специальный канал, обеспечивающий циркуляцию нагреваемой жидкости и равномерное прогревание двигателя.

Радиатор или теплообменник охлаждения имеет вентилятор, продувающий через него поток атмосферного воздуха, с гидростатическим или электрическим приводом.

Баланс энергии

Двигатели Отто имеют термический КПД около 40 %, что с механическими потерями дает фактический КПД от 25 до 33%.

Современные двигатели могут иметь уменьшенный КПД для удовлетворения высоких экологических требований.

КПД ДВС можно повысить с помощью современных систем процессорного управления топливоподачей, зажиганием и фазами газораспределения. Степень сжатия современных двигателей, как правило, имеет значения, близкие к предельным (спорный момент, см. Цикл Миллера).

Факторы, влияющие на мощность двигателя

Мощность поршневого двигателя зависит от объёма цилиндров, объёмным КПД, потерь энергии — газодинамических, тепловых и механических, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Мощность двигателя зависит также от пропускной способности тактов всасывания и выхлопа, а значит, от их проходных сечений, длины и конфигурации каналов, а также от диаметров клапанов, больше впускных. Это справедливо для любых поршневых двигателей. Максимальная мощность ДВС достигается при наивысшем наполнении цилиндров. Частота вращения коленвала в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают больши́е динамические нагрузки. На высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения поршневых колец, механический контакт клапанов с поршнями, что приводит к разрушению двигателя. Поршневые кольца вертикально колеблются в канавках поршней. Эти колебания ухудшают уплотнение между поршнем и гильзой, что приводит к потере компрессии, падении мощности и КПД в целом. Если коленвал вращается слишком быстро, клапанные пружины не успевают достаточно быстро закрывать клапана. Это может привести к контакту поршней с клапанами и вызывать серьёзные повреждения, поэтому на скоростных спортивных двигателях используют привод клапанов без возвратных пружин. Так, «Даймлер-Бенц» серийно выпускает моторы с десмодромным управлением клапанами (с двойными кулачками, один открывает клапан, другой прижимает его к седлу), БМВ использует электромагнитное управление клапанами. На высоких скоростях ухудшаются условия работы смазки во всех парах трения.

Совокупно с потерями на преодоление инерции возвратно-поступательно движущихся элементов ЦПГ, это ограничивает среднюю скорость поршней большинства серийных двигателей 10 м/с.

Применение

Четырёхтактные двигатели могут быть как бензиновыми, так и дизельными. Они находят самое широкое применение в качестве первичных двигателей на стационарных и транспортных энергоустановках.

Как правило, четырёхтактные двигатели используются в тех случаях, когда имеется возможность более или менее широко варьировать соотношение оборотов вала со снимаемой мощностью и крутящим моментом либо тогда, когда это соотношение не играет роли при работе машины. Например, двигатель, нагруженный электрогенератором, в принципе может иметь любую рабочую характеристику и согласуется с нагрузкой только по рабочему диапазону оборотов, которые в принципе могут быть любыми, приемлемыми для генератора. Использование промежуточных передач вообще делает четырёхтактный двигатель более адаптированным к нагрузкам в самых широких пределах. Они же являются более предпочтительными в тех случаях, когда установка длительное время работает вне установившегося режима — благодаря более совершенной газодинамике их работа в переходных режимах и режимах со снятием частичной мощности оказывается более устойчивой.

При работе на вал в заданном диапазоне оборотов, особенно тихоходный (гребной вал теплохода), предпочтительнее использование двухтактных двигателей, как имеющих более выгодные массово-мощностные характеристики на низких оборотах.

Примечания

Ссылки

• Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1960.

Четырехтактный двигатель — Four-stroke engine

Четырехтактный (также четыре цикла ) двигатель является внутренним сгорание (IC) , двигатель , в котором поршень заканчивает четыре отдельных штрихов при повороте коленчатого вала. Инсульт относится к полному ходу поршня вдоль цилиндра, в любом направлении. Четыре отдельные штрихи называются:

1. Впускной: Также известен как индукция или всасывания. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (ВМТ) и заканчивается в нижней мертвой точке (НМТ). В этом ходе впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень тянет воздушно-топливную смесь в цилиндр, производя давление вакуума в цилиндр через его движение вниз. Поршень двигается вниз, как воздух всасывается в нисходящем движении против поршня.
2. Сжатие: Этот ход начинается в НМТ, или просто в конце такта всасывания, и заканчивается в верхней мертвой точке такта В этом поршень сжимает воздушно-топливную смесь в ходе подготовки к зажигания во время рабочего хода (ниже). Как впускные и выпускные клапаны закрыты во время этой стадии.
3. Сгорание: Также известна как сила или воспламенения. Это начало второго оборота цикла четыре хода. На данный момент коленчатый вал завершил полный оборот на 360 градусов. В то время как поршень находится в верхней мертвой точке (конец такта сжатия) сжатой смеси воздух-топливо воспламеняется с помощью свечи зажигания (в бензиновый двигатель) или с помощью тепла , генерируемого высокой степенью сжатия (дизельные двигатели), принудительно возвращая поршень в НМТ Этот ход производит механическую работу от двигателя , чтобы повернуть коленчатый вал.
4. Выхлоп: Также известен как выпускное отверстие. Во время выхлопного хода, поршень, еще раз, возвращается из НМТ в ВМТ , а выпускной клапан открыт. Это действие выталкивает использованную воздушно-топливную смесь через выпускной клапан.

Эти четыре удара можно запомнить разговорной фразой «Suck, Squeeze, взрыв, удар».

история

Отто цикл

Николаус Август Отто , как молодой человек был коммивояжером для продуктового концерна. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания , построенным в Париже бельгийского экспатриантова Жан Жозеф Этьен Ленуар . В 1860 годе Ленуар успешно создал двойное действие двигатель , который работал на светильном газ с КПД 4%. 18 л Ленуар двигатель производится только 2 лошадиных сил. Двигатель Ленуара побежал светильный газ , сделанный из угля, который был разработан в Париже Филипп Лебон .

При тестировании реплики двигателя Ленуар в 1861 году Отто стало известно о влиянии компрессии на расхода топлива. В 1862 году, Отто попытался произвести двигатель, чтобы улучшить на низкой эффективности и надежности работы двигателя Ленуар. Он попытался создать двигатель, который будет сжимать топливную смесь перед воспламенением, но не так, что двигатель не будет работать не более чем за несколько минут до его разрушения. Многие другие инженеры пытались решить эту проблему, не имела успеха.

В 1864 году, Отто и Ойген Ланген основан первая внутреннего производство двигателя внутреннего сгорания компания, Н. А. Отто и Cie (Н. А. Отто и Company). Отто и Cie удалось создать успешный атмосферный двигатель в том же году. Завод побежал из космоса и был перенесен в город Дойцы , Германии в 1869 году, когда компания была переименована в Дойцах Gasmotorenfabrik AG (Deutz Gas Engine Manufacturing Company). В 1872 году Готлиб Даймлер был техническим директором и Вильгельм Майбах был главой конструкции двигателя. Daimler был оружейник , который работал на двигателе Ленуар. К 1876 году, Отто и Ланген удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания , который сжатый топливную смесь перед сгоранием за гораздо более высокой эффективностью , чем любой двигатель , созданный к этому времени.

Даймлер и Майбах покинули используют на Отто и Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Отто в 1883. В 1885 г. они произвели первый автомобиль , чтобы быть оснащен двигателем Отто. Даймлер Reitwagen использовал систему зажигания горячей трубки и топливо , известное как лигроин , чтобы стать первым в мире транспортное средство , приводимое в движение двигателем внутреннего сгорания. Он использовал двигатель четырехтактный , основанный на конструкции Отто. В следующем году Карл Бенц произвел четыре-тактный с двигателем автомобиля на который считается первым автомобилем.

В 1884 году, компания Отто, тогда известный как Gasmotorenfabrik Дойц (GFD), разработал электрический зажигание и карбюратор. В 1890 году Даймлер и Майбах создали компанию , известную как Daimler Motoren Gesellschaft . Сегодня эта компания Daimler-Benz .

Аткинсон цикл

Двигатель Аткинсон цикла представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания одного хода изобретена Джеймс Аткинсон в 1882 году Atkinson цикла предназначен для обеспечения эффективности за счет плотности мощности , и используется в некоторых современных гибридных электрических приложениях.

Оригинальный Аткинсон цикла поршневого двигателя позволило впуска, сжатия, мощность, и выхлопные штрихов цикла четырехтактного происходить в один оборот коленчатого вала, и был разработан, чтобы избежать нарушения определенных патентов, охватывающих Отто цикла двигателей.

Благодаря уникальному коленвал конструкции Аткинсон, его коэффициент расширения может отличаться от его степени сжатия и, с рабочим ходом дольше , чем такт сжатия, то двигатель может достичь большего теплового коэффициента полезного действия по сравнению с традиционным поршневым двигателем. В то время как оригинальный дизайн Аткинсона не больше , чем историческое любопытство, многие современные двигатели используют нетрадиционный фаз газораспределения , чтобы произвести эффект более короткий такт сжатия / длительный рабочий ход, таким образом , реализации экономии топлива улучшений цикл Аткинсона может обеспечить.

Дизельное цикл

Дизельный двигатель является техническим уточнением двигателя Отто цикла 1876. Там , где Отто понял , в 1861 году , что эффективность двигателя может быть увеличена путем сжатия первого топливной смеси до ее зажигания, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя , который может работать на гораздо более тяжелое топливо. Ленуар , Отто Атмосферные и двигатели Отто сжатия (как 1861 и 1876) были разработаны , чтобы работать на светильного газа (газ , уголь) . С той же мотивацией , как Отто, Дизель хотел создать двигатель , который дал бы небольшим промышленным предприятиям своего собственный источник питания , чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и как Отто, чтобы уйти от необходимости быть привязанными к муниципальной топливоподаче , Как Отто, потребовалось более десяти лет , чтобы произвести двигатель с высокой степенью сжатия , что может самовозгоранию топлива впрыскивается в цилиндр. Дизель используется воздушный спрей в сочетании с топливом в его первом двигателе.

Во время первоначальной разработки, один из двигателей взрыв чуть не убил Дизель. Он упорно и, наконец, создали успешный двигатель в 1893. с высокой степенью сжатия двигателя, который воспламеняет свое топливо за счет теплоты сжатия, теперь называют дизельный двигатель ли четырехтактного или двухтактного конструкции с.

Дизельный двигатель четырехтактный используется в большинстве тяжелых условий эксплуатации в течение многих десятилетий. Он использует тяжелое топливо, содержащие больше энергии и требует меньшего уточнения для производства. Самые эффективные Отто цикла двигатели работают вблизи тепловой КПД 30%.

Термодинамический анализ

Термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно упростить , если существенно используются стандартные допущения воздуха. В результате чего цикл, который очень напоминает фактические условия эксплуатации, является циклом Отто.

Во время нормальной работы двигателя, как воздух / топливная смесь сжимается, электрическая искра создается для воспламенения смеси. На низких оборотах это происходит близко к верхней мертвой точке (ВМТ). При повышении оборотов двигателя, скорость фронта пламени не меняется, так что точка искры продвигается в начале цикла, чтобы позволить большую часть цикла для заряда сжигани до того, как начинается рабочий ход. Это преимущество находит свое отражение в различных конструкциях двигателей Отто; атмосферный (без сжатия) двигатель работает с КПД 12%, тогда как сжатый заряд двигатель имеет операционную эффективность около 30%.

соображения Топливные

Проблема с сжатых зарядом двигателями является то, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное зажигание. Если это происходит в то время, и слишком энергичный, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти широко различной температуры вспышки (температуры, при которой топливо может самовозгоранию). Это необходимо учитывать в конструкции двигателя и топлива.

Тенденция к сжатой топливной смеси , чтобы воспламенить рано ограничивается химическим составом топлива. Есть несколько сортов топлива для размещения различных уровней производительности двигателей. Топлива изменяется , чтобы изменить его температуру самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Как двигатели разработаны с более высокими коэффициентами сжатия результатом является то , что предварительно зажигание гораздо более вероятно, произойдет , поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры до преднамеренного зажигания. Более высокая температура , более эффективно испаряется виды топлива , такие как бензин, что повышает эффективность работы двигателя сжатия. Более высокие коэффициенты сжатия также означает , что расстояние , на которое поршень может нажать , чтобы вырабатывать энергию больше (которая называется коэффициент расширения ).

Октановое число данного топлива является мерой сопротивления в топливе к самовозгоранию. Топливо с более высоким октановым числом численным обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в том же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания. Высокооктанового топлива также является более дорогим.

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительным зажиганием. Они имеют озабоченность , может ли быть запущенно сгорание. Описание того , как вероятно , Дизельное топливо для воспламенения называется цетановое. Поскольку дизельное топливо обладает низкой летучестью, они могут быть очень трудно начать , когда холодно. Различные методы используются для запуска холодного дизельного двигателя, наиболее распространенным является использование запальной свечи .

Принципы проектирования и инженерных

Выходная мощность ограничения

Максимальное количество электроэнергии , вырабатываемой двигателем, определяется максимальным количеством воздуха внутрь. Количество электроэнергии , вырабатываемой с помощью поршневого двигателя связана с его размера (объема цилиндра), является ли это двухтактный двигатель или конструкция , четырехтактный, объемный КПД , потери, соотношение воздух-топливо, теплотворная из топлива, содержание кислорода в воздухе и скорости ( оборотов в минуту ). Скорость, в конечном счете ограничивается прочностью материала и смазкой . Клапаны, поршни и шатуны страдают серьезные силы ускорения. При высокой частоте вращения двигателя, физическое повреждение и поршневых колец флаттера может произойти, что приводит к потере мощности или даже к разрушению двигателя. Поршневые кольца флаттер происходит , когда кольца колеблются по вертикали в поршневых канавках они находятся в. Кольце флаттер ставит под угрозой уплотнения между кольцом и стенкой цилиндра, что приводит к потере давления в цилиндре и мощности. Если двигатель вращается слишком быстро, клапанные пружины не могут действовать достаточно быстро , чтобы закрыть клапаны. Это обычно называют как « клапан поплавка », и это может привести к поршню к клапану контакт, серьезно повредить двигатель. На высоких скоростях смазки поршня интерфейса стенки цилиндра имеет тенденцию ломаться. Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей до около 10 м / с.

Впускной поток / выпускное отверстие

Выходная мощность двигателя зависит от способности потребления (воздушно-топливной смеси) и выхлопа, чтобы быстро перемещаться через порты клапанов, как правило , расположены в головке блока цилиндров . Для увеличения выходной мощности двигателя , в, нарушение в впускных и выпускных путях, такие как литейные дефекты, может быть удалено, и, с помощью к скамейке воздушного потока , радиусы порта клапана поворачивается и седло клапана конфигурация может быть изменена , чтобы уменьшить сопротивление. Этот процесс называется портированием , и это может быть сделано вручную или с ЧПУ станка.

Отходы рекуперации тепла из двигателя 12 IC

Двигатель IC в среднем способен преобразовывать только 30-40% от подводимой энергии в механическую работу. Большая часть энергии отходов в виде тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, плавники и т.д. Если бы мы могли как-то восстановить отработанного тепла мы можем улучшить производительность двигателя. Было обнаружено, что даже если 6% от полностью впустую тепла извлекают это может увеличить эффективность работы двигателя значительно.

Многие методы были разработаны для того , чтобы извлечь избыточное тепло от выхлопа двигателя и использовать его дальше , чтобы извлечь некоторую полезную работу, уменьшение выхлопных загрязняющих веществ в то же самое время. Использование цикла Ренкина, турбонаддув и термоэлектрического поколения может быть очень полезным в качестве утилизаторов системы.

Хотя система рекуперации тепла отходов в настоящее время часто используются среди всех устройств, но все еще некоторые вопросы, как их низкой эффективность при более низких скоростях подачи тепла и высоких насосных потерях по-прежнему вызывает озабоченность у исследователей.

Наддув

Одним из способов увеличения мощности двигателя, чтобы заставить больше воздуха в цилиндр таким образом , что больше мощности может быть получена от каждого рабочего хода. Это может быть сделано с помощью какого — то типа устройства сжатия воздуха , известное как нагнетатель , который может питаться от коленчатого вала двигателя.

Наддув увеличивает выходную мощность пределы внутреннего двигателя внутреннего сгорания по отношению к его смещению. Чаще всего, нагнетатель всегда работает, но были проекты, которые позволяют ему быть вырезаны или работать с разной скоростью (относительно скорости вращения двигателя). С механическим приводом нагнетателя имеет тот недостаток, что некоторые из выходной мощности используются для привода нагнетателя, в то время как сила впустую в выхлопных газах высокого давления, как воздух был сжат в два раза, а затем получает более потенциальный объем в камере сгорания, но это только расширяется в одну стадию.

турбонаддув

Турбокомпрессора является нагнетатель , который приводится в движение выхлопными газами двигателя, с помощью турбины . Турбонагнетатель встроен в выхлопной системе транспортного средства, чтобы использовать исключенного выхлопных газов. Он состоит из двух частей, высокоскоростной турбинной сборки с одной стороны , который сжимает всасываемый воздух, а с другой стороны , который питается от оттока выхлопных газов в.

Когда на холостом ходу, так и при низких до умеренных скоростей, турбина производит мало энергию из небольшого объема выхлопных газов, турбокомпрессор имеет небольшой эффект, и двигатель работает почти в безнаддувной образе. Когда требуется гораздо больше выходной мощности, частоты вращения двигателя и открытия дроссельной заслонки увеличивается до тех пор, выхлопные газы не являются достаточными, чтобы «золотник вверх» турбину турбонагнетателя, чтобы начать сжатия гораздо больше воздуха, чем обычно во впускной коллектор. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) выталкиваются через функцию этой турбины.

Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя , поскольку он приводится в движение давлением выхлопных газов , которые бы в противном случае ( в основном) впустую, но есть ограничение дизайн известный как турбо лаг . Увеличенная мощность двигателя не сразу доступна в связи с необходимостью резко увеличить обороты двигателя, чтобы создать давление и раскручивает турбин до турбо начинает делать какое — либо полезное сжатие воздуха. Увеличение потребления приводит к увеличению объема выхлопных газов и спины турбо быстрее, и так далее до тех пор , устойчивая работа высокой мощности не будет достигнута. Другая трудность состоит в том , что чем выше давление выхлопных газов приводит к тому , отработавший газ передать больше своего тепла механических частей двигателя.

Род и отношение поршня к инсульту

Отношение стержня к инсульту является отношением длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный стержень уменьшает бочком давления поршня на стенки цилиндра и сил напряжения, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и двигатель роста и веса.

А «квадратный двигатель» представляет собой двигатель с диаметром отверстия , равным длине хода. Двигателя , где диаметр канала больше , чем его длина хода является oversquare двигатель, наоборот, двигатель с диаметром отверстия , который меньше , чем его длина хода является undersquare двигателя.

клапан поезд

Клапаны обычно работает с помощью распределительного вала вращающегося на половине скорости коленчатого вала . Он имеет ряд кулачков вдоль его длины, каждый из которых предназначен , чтобы открыть клапан , при соответствующей части впускного или выпускного хода. Толкателя между клапаном и кулачком является контактной поверхностью , на которой кулачок скользит , чтобы открыть клапан. Многие системы используют один или несколько распределительных валов «выше» строку (или каждый ряд) цилиндров, как показано на рисунке, в котором каждый кулачок , непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В конструкции другого двигателя распредвал находится в картере , в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с Шатуном , который контактирует с коромыслом , который открывает клапан, или в случае плоского двигателя толкатель не нужен. Верхний кулачок конструкция , как правило , обеспечивает скорость двигателя выше , так как она обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Клапанный зазор

Клапанный зазор относится к небольшому зазору между подъемником клапана и штоком клапана, который гарантирует, что клапан полностью закрывается. На двигателях с механическим регулированием клапана, чрезмерный зазор вызывает шум поезда клапана. Слишком малый зазор клапана может привести клапаны не закрывается должным образом, это приводит к потере производительности и, возможно, перегрев выпускных клапанов. Как правило, зазор необходимо подрегулировать каждые 20000 миль (32000 км) с щупом.

Большинство современных производственных двигатели используют гидрокомпенсаторы для автоматической компенсации износа компонентов клапанного механизма. Грязное моторное масло может привести к отказу подъемного приспособления.

Энергетический баланс

Двигатели Отто примерно на 30% эффективнее; Другими словами, 30% энергии , вырабатываемой за счет сгорания преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, в то время как оставшаяся часть потери из — за отходов тепла, трение и двигатель аксессуары. Есть несколько способов , чтобы восстановить часть энергии теряется впустую тепла. Использование Турбокомпрессор в дизельных двигателях является очень эффективным путем повышения давления входящего воздуха и , по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности , как наличие большего количества перемещений. Компания Mack Truck, несколько десятилетий назад, была разработана система турбины , которая преобразуется отработанное тепло в кинетическую энергию , что она подается обратно в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявили о разработке в turbosteamer , двухступенчатую систему рекуперации тепла , аналогичной системе Mack , что восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность работы двигателя Отто на 15%. В противоположность этому , шесть-тактный двигатель может снизить расход топлива на целых 40%.

Современные двигатели часто намеренно построены , чтобы быть немного менее эффективными , чем они могли бы быть иначе. Это необходимо для контроля выбросов , таких , как системы рециркуляции выхлопных газов и каталитических нейтрализаторов , которые снижают смога и других загрязняющих веществ в атмосферу. Снижение эффективности может быть нейтрализовано с блоком управления двигателем с использованием постного методов ожога .

В Соединенных Штатах, в корпоративной средней экономии топлива мандатов , что транспортные средства должны достичь в среднем 34,9 миль на галлон _-US (6,7 л / 100 км; 41,9 миль на галлон _-imp ) по сравнению с текущим стандартом 25 миль на галлон _-US (9,4 л / 100 км ; 30,0 миль на галлон _-imp ). Как автопроизводители смотрят , чтобы удовлетворить эти стандарты к 2016 году, новые способы инженерного традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , должны быть рассмотрены. Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых мандатов включают стрельбу после того, как поршень находится дальше от коленчатого вала, известного как верхней мертвой точке , и применяя цикл Миллера . В совокупности это реконструкция может значительно снизить потребление топлива и NO _х выбросов.

Смотрите также

Рекомендации

Общие источники

• Гарденберг, Хорст О. (1999). Средневековье из двигателей внутреннего сгорания . Общество инженеров автомобильной (SAE). ISBN  978-0-7680-0391-8 .
• scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
• Cengel, Юнус А; Майкл Boles; Yaling Он (2009). Термодинамика Инженерный подход. Np . The McGraw Hill Companies. ISBN  978-7-121-08478-2 .
• Бенсон, Том (11 июля 2008). «4 тактный двигатель внутреннего сгорания» . п. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 5 May 2 011 .

внешняя ссылка