Двигатель внутреннего сгорания что это такое: Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня.

По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

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

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

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

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.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

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

Роторно-поршневой

Предложен 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 один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

  • RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

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

Примечания

Ссылки

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

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

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

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

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.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

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

Роторно-поршневой

Предложен 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 один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

  • RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

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

Примечания

Ссылки

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

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

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

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

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.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

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

Роторно-поршневой

Предложен 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 один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

  • RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

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

Примечания

Ссылки

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

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

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

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

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.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

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

Роторно-поршневой

Предложен 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 один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

  • RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

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

Примечания

Ссылки

Двигатель внутреннего сгорания — что это такое, как работает и какие у него перспективы

Все тепловые машины внутреннего сгорания (ДВС) преобразуют какую-нибудь (в нашем случае — тепловую) энергию в работу. Двигатели бывают разные – электрические, гидравлические, тепловые и т.д., в зависимости от того, какой вид энергии они преобразуют в работу. ДВС — двигатель внутреннего сгорания, это тепловой двигатель, в котором в полезную работу преобразуется теплота сгорающего в рабочей камере топлива, внутри двигателя. Также существуют двигателя с внешним сгоранием — это реактивные двигатели самолётов, ракет и т.д. в этих двигателях сгорание внешнее, поэтому они называются двигателями с внешним сгоранием.

Но простой обыватель чаще сталкивается с двигателем автомобиля и понимают под двигателем именно поршневой двигатель внутреннего сгорания. В поршневом ДВС, сила давления газов, возникающая при сгорании топлива в рабочей камере, воздействует на поршень, который совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре двигателя и передаёт усилие на кривошипно-шатунный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Но это очень упрощенный взгляд на ДВС. На самом деле, в ДВС сосредоточены сложнейшие физические явления, пониманию которых посвятили себя многие выдающиеся ученые. Чтобы ДВС работал, в его цилиндрах, сменяя друг друга, происходят такие процессы, как подача воздуха, впрыск и распыление топлива, его смешивание с воздухом, воспламенение образовавшейся смеси, распространение пламени, удаление отработавших газов. На каждый процесс отводится несколько тысячных долей секунды. Добавьте к этому процессы, которые протекают в системах ДВС: теплообмен, течение газов и жидкостей, трение и износ, химические процессы нейтрализации отработавших газов, механические и тепловые нагрузки. Это далеко не полный перечень. И каждый из процессов должен быть организован наилучшим образом. Ведь из качества протекающих в ДВС процессов складывается качество двигателя в целом — его мощность, экономичность, шумность, токсичность, надежность, стоимость, вес и размеры.

Двигателя внутреннего сгорания бывают разные: 2-х танктные, 4-х тактные, дизельные, бензиновые, со смешенным питанием, карбюраторные, инжекторные и т.д. и это далеко не полный список! Как видите, вариантов двигателей внутреннего сгорания очень много, но если стоит затронуть классификацию ДВС, то для подробного рассмотрения всего объёма материала понадобится минимум 20-30 страниц — большой объём, не так ли? И это только классификация…

Принципиальный ДВС автомобиля НИВА

1 — Щуп для замера уровня масла в картере
2 — Шатун
3 — Маслозаборник
4 — Насос шестеренчатый
5 — Ведущая шестерня насоса
6 — Приводной вал НШ
7 — Подшипник скольжения (вкладыш)
8 — Вал коленчатый
9 — Манжета хвостовика коленчатого вала
10 — Болт для крепления шкива
11 — Шкив, служит для привода генератора, насоса водяного охлаждения
12 — Ремень клиноременной передачи
13 — Ведущая звездочка КШМ
14 — Звездочка привода НШ
15 — Генератор
16 — Лобовая часть ДВС
17 — Натяжитель цепи
18 — Вентилятор
19 — Цепь привода ГРМ
20 — Клапан впускной
21 — Клапан выпускной


22 — Звездочка распределительного вала
23 — Корпус распределительного вала
24 — Вал распределительный ГРМ
25 — Пружина клапана
26 — Крышка ГРМ
27 — Крышка заливная
28 — Толкатель
29 — Втулка клапан
30 — Головка блока цилиндров
31 — Пробка системы охлаждения
32 — Свеча зажигания
33 — Прокладка головки блока цилиндров
34 — Поршень
35 — Корпус манжеты
36 — Манжета
37 — Полукольцо от осаго смещения
38 — Крышка опоры коленчатого вала
39 — Маховик
40 — Блок цилиндров
41 — Крышка картера сцепления
42 — Поддон картера

Ни одна область деятельности несравнима с поршневыми ДВС по масштабам, количеству людей занятых в разработке, производстве и эксплуатации. В развитых странах деятельность четверти самодеятельного населения прямо или косвенно связана с поршневым двигателестроением. Двигателестроение, как исключительно наукоемкая область, определяет и стимулирует развитие науки и образования. Общая мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания составляет 80 — 85% мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, строительстве, средствах малой механизации, ряде других областей, поршневой ДВС как источник энергии пока не имеет должной альтернативы. Мировое производство только автомобильных двигателей непрерывно увеличивается, превысив 60 миллионов единиц в год. Количество производимых в мире малоразмерных двигателей также превышает десятки миллионов в год. Даже в авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности, количеству моделей и модификаций и количеству установленных на самолеты двигателей. В мире эксплуатируется несколько сотен тысяч самолетов с поршневыми ДВС (бизнес-класса, спортивных, беспилотных и т.д.). В США на долю поршневых двигателей приходится около 70% мощности всех двигателей, установленных на гражданских летательных аппаратах.

Ознакомьтесь с работами по тепловому и динамическому расчету ДВС

Но со временем всё меняется и скоро мы увидим и будем эксплуатировать принципиально другие типы двигателей, которые будет иметь высокие эксплуатационные показатели, высокий КПД, простота конструкции и главное — экологичность. Да, всё верно, главным минусом двигателя внутреннего сгорания является его экологическая характеристика. Как бы не оттачивали работу ДВС, какие бы системы не внедряли, он всё равно оказывается существенное влияние на наше здоровье. Да, теперь можно с уверенностью сказать, что существующая технология моторостроения чувствует «потолок» — это такое состояние, когда та, или иная технология полностью исчерпала свои возможность, полностью выжато, всё что можно было сделать — уже сделано и с точки зрения экологии принципиально НИЧЕГО уже не изменить в существующих типах ДВС. Стоит вопрос: нужно полностью менять принцип работы двигателя, его энергоноситель (нефтяные продукты) на что-то новое, принципиально иное (водород, электричество, энергия атома, гравитацию, инерцию и т.д.). Но, к сожалению, это дело не одного дня или даже года, нужны десятилетия…

Пока ещё не одно поколение ученых и конструкторов будут исследовать и совершенствовать старую технологию постепенно подходя всё ближе и ближе к стенке, через которую уже будет невозможно перескочить. Еще очень долго ДВС будет давать работу тем, кто его производит, эксплуатирует, обслуживает и продает. Почему? Всё очень просто, но в то же время эту простую истину далеко не все понимают и принимают. Главная причина замедления внедрения принципиально иных технологий — капитализм. Да, как бы это странно не звучало, но именно капитализм, та система, которая как кажется должна быть заинтересована в новых технологиях, тормозит развитие человечества. Всё очень просто — нужно зарабатывать больше, а вкладывать меньше. Как же быть с теми нефтяными вышками, нефтезаводами и доходами? Никак. К сожалению, все измерятеся деньгами.

ДВС «хоронили» неоднократно. В разное время на смену ему приходили электродвигатели на аккумуляторах, топливные элементы на водороде и многое другое. ДВС неизменно побеждал в конкурентной борьбе. И даже проблема исчерпания запасов нефти и газа – это не проблема ДВС. Существует неограниченный источник топлива для ДВС. По последним данным, нефть может восстанавливаться, а что это значит для нас ?

Тепловая и динамическая характеристика ДВС

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Статьи по теме:
1. Краткий обзор основных видов конструкций и тенденций развития бензиновых двигателей;
2. Альтернативное топливо — топливо будущено и настоящего.


Двигатель внутреннего сгорания

ДВС или двигатель внутреннего сгорания — это механизм, который принадлежит к тепловым машинам. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания — преобразование тепловой энергии, получаемой от сгорания жидкого топлива, в механическую.

Поршни и шатуны

Простейший ДВС состоит из блока двигателя — чугунной или алюминиевой детали, в которой вырезается рабочий цилиндр. По цилиндру, совершая возвратно-поступательные движения движется поршень. Поршень, как правило, сделан из легкого и прочного сплава, поскольку должен длительное время выдерживать значительные нагрузки и температуры, при этом не разрушаясь и не деформируясь.

С одной стороны поршень соединен с шатуном. Это узел, обеспечивающий связь поршня с коленчатым валом. Представляет из себя цельнолитую деталь со сквозным неразъемным отверстием со стороны поршня и сквозным разъемным кольцом со стороны коленчатого вала. Шатун, соединенный с поршнем называется поршневой группой, поскольку сами по себе они практически бесполезны.

Коленчатый вал

Коленчатый вал — это вторая по массивности деталь двигателя. Представляет собой сложный вал, разбитый на условные сектора, некоторые из которых смещены относительно центра вращения вала. Каждый такой сектор отполирован до зеркальной поверхности и называется шейкой. Каждая шейка коленчатого вала — создана для того, чтобы работать в скользящей паре «шейка — шатун» или «шейка — опорный подшипник». Подшипники, на которых лежит коленвал, как правило скольжения. Он отполирован до зеркального состояния. На противоположной стороне колена, называемого шейкой, обычно делается наплыв для балансировки вала. Такая система называется кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Вал, соединенный с поршнем через шатун, создает жесткую структуру, которая обеспечивает преобразование вращательных движений коленвала в возвратно-поступательные движения поршня в цилиндре и наоборот.

Сверху блок цилиндров закрывается головкой двигателя, в которой находится распределительнй вал, клапана и каналы впуска-выпуска. Распредвал жестко связан с коленвалом посредством цепной или ременной передачи. Распредвал открывает и закрывает впускные и выпускные клапана. Такая конструкция применяется в четырехтактном двигателе Отто. Этот механизм ДВС называется газораспределительный механизм (ГРМ). Он обеспечивает отвод выхлопных газов из цилиндра, впуск топливовоздушной смеси в цилиндр перед тактом сжатия, обеспечивает герметичность камеры во время сжатия и сгорания топливной смеси.

Система запускается с помощью стартера. Стартер представляет собой либо механический привод, например педаль в мопедах и некоторых мотоциклах, или шнур в мотопилах или газонокосилках. В четырехтактных двс используется, как правило электрический стартер, который приводится в движение с помощью аккумуляторной батареи.

Двигатель внутреннего сгорания может быть двух, четырех и даже шести тактным.

Такты ДВС

Каждый такт поршневого двигателя внутреннего сгорания обозначает завершенное действие. Например в двухтактном двигателе тактов два — первый — рабочий, когда топливо засасывается, одновременно с выходом наружу отработанных газов, второй — когда топливо сжимается и происходит его сгорание. В двухтактном двигателя каналы впуска и выпуска входят прямо в цилиндр, но расположены на разному ровне, что позволяет отработанным газам выходить раньше, чем поршень открывает второй, впускной канал.

Четырехтактный двигатель, соответственно, имеет четыре этапа действия.

Первый — поршень идет вниз, при этом открыт впускной клапан открыт — в рабочий объем засасывается порция топливно-воздушной смеси (ТВС).

Второй такт — оба клапана закрыты, поршень идет вверх, сжимая ТВС. Когда поршень доходит до верхней мертвой точки (ВМТ), второй такт заканчивается.

Начинается третий такт — поршень проходит ВМТ, коленвал при этом поворачивается примерно на два-три градуса и происходит запал ТВС путем мощной искры из свечи зажигания. ТВС воспламеняется и начинает расширяться, активно сгорая. Поршень уходит вниз. В нижней мертвой точке НМТ, заканчивается третий такт.

Четвертый такт — поршень идет вверх, открывается выпускной клапан цилиндра — отработанные газы выходят в выхлопной коллектор.

Преимуществом четырехтактного двигателя является высокий коэффициент наполнения во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала, низкая чувствительность к падению давления в выпускной системе, возможность управления кривой наполнения путем подбора фаз газораспределения и конструкцией впускной системы. Почти все автомобильные двигатели это четырехтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания. Они обладают множеством характеристик – такие как крутящий момент, мощность, степень сжатия, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных особенностей.

Любой ДВС — это по сути насос, который способен черпать энергию из прокачиваемого топлива, сгораемого в нем в процессе прокачки.

Из чего состоит двигатель?

Привод от двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизели) являются одним из основных видов привода самоходных строительных машин. Дизели для привода строительных машин применяются чаще, чем карбюраторные двигатели: они более экономичны, их к. п. д. равен 25—37%, тогда как у карбюраторных двигателей он не превышает 18— 25%; расход топлива у дизелей на 40—50% ниже, чем у карбюраторных двигателей.

В двигателях внутреннего сгорания недопустимы перегрузки, поэтому двигатели подбирают по максимальной нагрузке. Чтобы облегчить запуск двигателя под нагрузкой и приостановить работу механизмов машины без остановки двигателя, снизить динамические нагрузки в системе и предохранить двигатель от перегрузки, между двигателем и трансмиссией машины устанавливаются фрикционные или гидравлические муфты.

Гидравлическая муфта более надежно предохраняет двигатель от перегрузки. Гидравлическая муфта состоит из насосного колеса, сидящего на ведущем валу, и турбинного колеса, сидящего на ведомом валу, заключенных в общий кожух, заполненный маслом. Между насосным и турбинным колесом имеется зазор. При вращении приводного вала масло насосным колесом подается на лопатки колеса турбины и приводит его во вращение с числом оборотов, всегда несколько меньшим, чем число оборотов приводного вала. Коэффициент полезного действия гидромуфты увеличивается пропорционально увеличению числа оборотов турбинного колеса; максимальное его значение равно 0,95 при числе оборотов турбинного колеса, приблизительно равном числу оборотов насосного колеса.

Рис. 1. Схема гидравлической муфты

Рис. 2. Схема гидротрансформатора

К недостаткам двигателей внутреннего сгорания относятся: невозможность реверсирования (изменения направления вращения вала) и значительного изменения величины крутящего момента без применения сложных механизмов реверса и коробок скоростей, а также сравнительно малый срок службы. Моторесурс двигателя до капитального ремонта составляет 2000—2500 ч.

Для автоматического регулирования крутящего момента ведомого вала, более надежнбй защиты двигателя от перегрузки и сокращения времени холостых ходов в машинах с двигателем внутреннего сгорания применяют гидротрансформаторы.

Гидротрансформатор состоит из насосного колеса, сидящего на ведущем валу, направляющего аппарата, турбинного колеса, закрепленного на ведомом валу.

Насосное и турбинное колеса и направляющий аппарат турботранс-форматора имеют лопатки определенной формы. Направляющий аппарат увеличивает скорость жидкости, поступающей из насоса в турбину, и меняет ее направление.

При возрастании нагрузки на рабочем органе скорость ведомого вала уменьшается, а крутящий момент вследствие динамического воздействия жидкости, подаваемой насосным колесом, увеличивается. При полном стопорении ведомого вала крутящий момент на нем будет в 2,5 раза больше, чем на ведущем валу; при этом нагрузка на двигатель и скорость вращения его вала почти не изменяются. Крутящие моменты на турбинном и насосном колесах будут равными при примерно одинаковом числе их оборотов. На холостом ходу, когда нагрузка снижается, ведомый вал гидротрансформатора автоматически увеличивает скорость вращения в полтора раза по сравнению со скоростью ведущего вала. При этом время холостых ходов сокращается и, следовательно, повышается производительность машины.

Двигатели внутреннего сгорания находят широкое применение в передвижных строительных машинах. Достоинствами их являются: независимость от внешнего источника энергии, постоянная готовность к работе и небольшой вес, приходящийся на единицу мощности. К недостаткам их относятся: невозможность изменения направления вращения вала двигателя (реверсирования), малая способность к перегрузке, сложность пуска в зимнее время и сравнительно малый срок службы.

Рис. 3. Схема двигателей
а — карбюраторного; б — дизельного

Для привода строительных машин применяют главным образом дизельные двигатели, работающие на соляровом масле или дизельном топливе. Такие двигатели расходуют на 1 л. с. в час на 30—40% меньше топлива, чем карбюраторные (бензиновые), причем это топливо значительно дешевле бензина.

В двигателе внутреннего сгорания тепловая энергия, сюрытая в топливе, преобразуется в пределах 18—37% в механическую энергию вращающегося коленчатого вала. При сгорании топлива в цилиндре двигателя происходит нагревание газов, которые, расширяясь, давят на поршен, передающий усилие/через шатун на коленчатый вал.

В состав двигателя внутреннего сгорания входят:
1) шатунно-кривошипный механизм, передающий усилие на коленчатый вал и преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала
2) распределительный механизм, обеспечивающий своевременное открывание и закрывание всасывающих и выхлопных клапанов;
3) система питания, подающая горючее в цилиндры. Система питания карбюраторного двигателя включает в себя топливный бак, топливопроводы, фильтры, топливный насос, а также карбюратор, в котором происходит приготовление смеси топлива с воздухом. В систему питания дизельного двигателя кроме бака, топливопроводов, фильтров и подкачивающего насоса входят топливный насос высокого давления и форсунки, через которые дизельное топливо впрыскивается в рабочее пространство цилиндров, заполненное нагретым и сжатым воздухом;
4) система смазки, подающая масло из картера к трущимся поверхностям деталей. В систему смазки входят шестеренный масляный насос, фильтры грубой и тонкой очистки, редукционные клапаны, маслопроводы и контрольные приборы;
5) система охлаждения, обеспечивающая охлаждение наиболее нагретых деталей двигателя. Большинство двигателей имеет жидкостное охлаждение. Цилиндр и головка блока охлаждаются водой, циркулирующей внутри полостей — водяных рубашек. Трущиеся поверхности цилиндров, поршней, коленчатого вала и шатунов охлаждаются маслом системы смазки. В систему охлаждения входят рубашки двигателя, радиатор, шланги и водяной насос. Для лучшего охлаждения воды в радиаторе служит вентилятор;
6) система зажигания горючей смеси в цилиндре карбюраторного двигателя. Дизельные двигатели не имеют системы зажигания, так как топливо в их цилиндрах воспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. В состав системы зажигания входят свечи, между электродами которых в определенный момент появляется электрическая искра, источник высокого напряжения — 1200 в (магнето или индукционная катушка, прерыватель, распределитель, генератор) и соединяющие их провода.

Двигатели внутреннего сгорания характеризуются номинальной (паспортной) мощностью в лошадиных силах, числом оборотов коленчатого вала в минуту и удельным расходом топлива. Последний определяется делением часового расхода топлива в граммах на развиваемую двигателем (эффективную) мощность в лошадиных силах. Удельный расход топлива имеет размерность г/э. л. с.: ч.

Главными конструктивными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются диаметр цилиндра, ход поршня, число оборотов коленчатого вала, рабочий объем цилиндров, степень сжатия, габаритные размеры двигателя и его вес.

Ходом поршня называется расстояние между положениями поршня в верхней мертвой точке (В. М. Т.) и в нижней мертвой точке (Н. М. Т.).

Рабочий объем цилиндра—пространство, освобождаемое в цилиндре при перемещении поршня от В. М. Т. до Н. М. Т. Рабочий объем цилиндра и объем пространства сжатия в сумме образуют полный объем цилиндра. Отношение полного объема цилиндра к объему пространства сжатия называется степенью сжатия. Для карбюраторных двигателей обычно она составляет 4,6—6,2, а для дизелей 14—22.

Рис. 4. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя

Различают двигатели внутреннего сгорания двухтактные, где рабочий процесс совершается в течение двух ходов поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, и четырехтактные, где рабочий процесс в одном цилиндре повторяется через каждые четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала.

Рабочий процесс карбюраторного двигателя включает следующие такты: I — впуск, наполнение цилиндра смесью паров бензина и воздуха; II — сжатие горючей омеси и зажигание ее в конце такта сжатия электрической искрой; III — расширение продуктов сгорания горючей смеси; IV — выпуск отработанных газов из цилиндра.

Работа одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя, изображенного на рис. 32, происходит в следующем порядке. Поршень движется от В. М. Т. к Н. М. Т. и создает в полости цилиндра разрежение. При этом открывается впускной клапан и горючая смесь из карбюратора по впускной трубе поступает в цилиндр. Давление в цилиндре составляет 0,7—0,95 кГ/см2, температура смеси 80—130 °С. Смесь нагревается от соприкосновения с нагретыми стенками деталей двигателя и смешивается с остатками отработанных газов.

По окончании такта впуска поршень движется от Н. М. Т. к В. М. Т. и сжимает горючую смесь; клапаны при этом закрыты. Величина давления зависит от степени сжатия и достигает 6—9 кГ/см2, температура смеси повышается до 300 °С. Увеличение давления и температуры смеси повышает мощность и экономичность двигателя, но увеличение степени сжатия ограничивается температурой самовоспламенения рабочей смеси и детонацией — горением взрывного характера. Предельное значение степени сжатия выбрано таким, чтобы температура смеси в конце сжатия не достигала температуры самовоспламенения.

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, появляющейся между электродами свечи. Горение смеси сопровождается выделением большого количества тепла, резким повышением температуры до 1800— 2000 °С и давления до 30—40 кГ/см2. Под давлением газов поршень движется вниз и через шатун передает усилие на коленчатый вал, осуществляя рабочий ход. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан 6, и отработанные газы по выхлопному трубопроводу через глушитель удаляются в атмосферу. При движении поршня вверх выпускной клапан остается открытым и поршень выталкивает из цилиндра отработанные газы. Давление в цилиндре составляет 1,05— 1,1 кГ/см2, а температура отработанных газов снижается до 700—800°С.

В четырехтактном двигателе только один из четырех тактов является рабочим. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала служит массивный маховик. Более равномерно работают двигатели с числом цилиндров 4—6, выполненных в одном корпусе-блоке.

Своевременное открывание и закрывание клапанов обеспечивается вращающимся распределительным кулачковым валом. Кулачки распределительного вала приподнимают толкатели, которые, смещая вверх клапаны, открывают выпускные или впускные отверстия. Для прижатия клапанов к седлам служат пружины. Шестерня распределительного вала имеет в два раза больше зубьев, чем шестерня коленчатого вала. За два оборота коленчатого вала распределительный вал поворачивается один раз. Это нужно для того, чтобы клапаны открывались только один раз за рабочий цикл двигателя.

Процесс работы дизеля отличается от процесса работы карбюраторного двигателя методом образования и воспламенения смеси. Рабочий процесс дизеля включает следующие такты: I — впуск, наполнение цилиндров воздухом; II—сжатие воздуха и впрыск топлива в конце такта сжатия; III — расширение продуктов сгорания горючей смеси; IV — выпуск отработанных газов из цилиндра. Для воспламенения впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Степень сжатия в дизелях колеблется от 14 до 22; давление составляет 30—40, а при наддуве — 70 кГ/см2 температура воздуха в конце такта сжатия 500—600 °С.

Топливо впрыскивается в цилиндры дизеля через форсунки топливным насосом при давлении (150—200 кГ/см2), значительно большем, чем давление сжатого в цилиндре воздуха. Такое давление обеспечивает лучшее использование калорийности топлива и снижает его расход. Механическое распыление топлива форсунками позволяет применять трудно испаряющиеся, безопасные в пожарном отношении сорта топлива. Дизели не требуют устройств для принудительного воспламенения топлива.

Дизели имеют больший вес, чем карбюраторные двигатели такой же мощности, и их запуск в зимнее время более сложен.

Категория: — Строительные машины и их эксплуатация

Двигатель внутреннего сгорания — Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math].Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (Рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ. Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также быстрее заводятся. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и способность работать на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная
Рис. 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа сделана), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. В камеру впрыскивается топливо.
  2. Загорается топливо (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и диоксид углерода. Могут присутствовать и загрязнители, такие как окись углерода от неполного сгорания.

Двигатель двухтактный

главная
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на Рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

  1. Топливно-воздушная смесь добавляется и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

на главную
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа есть ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора , создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons «, Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Дата обращения: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Двигатели внутреннего сгорания | Анимация, Достоинства, Недостатки

Двигатель — это механическое устройство, которое используется для преобразования одной формы энергии в другую.Тип двигателя, о котором мы собираемся изучить в этой статье, преобразует тепло в работу.

По месту фактического сгорания топлива двигатели можно разделить на два типа.

Один из них — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), другой — двигатель внешнего сгорания.

В этой статье мы ограничимся обсуждением двигателей внутреннего сгорания.

Что такое двигатель внутреннего сгорания?

Из названия вполне очевидно, что в двигателях внутреннего сгорания топливо сжигается внутри двигателя.В отличие от двигателей внешнего сгорания, в которых топливо сжигается вне двигателя.

Самый популярный тип двигателя внутреннего сгорания, который мы видим сегодня, — это двигатель, который мы используем в наших автомобилях и мотоциклах.

Мы можем легко заметить, что мы заливаем топливо в эти двигатели, и что топливо сгорает внутри цилиндра. Двигатель преобразует энергию топлива в мощность и выпускает выхлопные газы процесса сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания Рабочая анимация

На анимации выше мы можем легко понять, как работает двигатель внутреннего сгорания.

Здесь синим цветом обозначено топливо, а коричневым цветом обозначены выхлопные газы.

Наиболее распространенными видами внутреннего сгорания являются

  • Газовая турбина открытого цикла
  • Поршневой двигатель внутреннего сгорания
  • Двигатель Ванкеля и т. Д.

Преимущества двигателей внутреннего сгорания

  1. Размер двигателя намного меньше по сравнению с двигателями внешнего сгорания
  2. Отношение мощности к массе высокое
  3. Отлично подходит для приложений с малым энергопотреблением
  4. Обычно более портативны, чем их аналоги двигателей внешнего сгорания
  5. Безопаснее работать
  6. Время пуска очень меньше
  7. Более высокий КПД по сравнению с двигателем внешнего сгорания
  8. Нет шансов утечки рабочих жидкостей
  9. Требуется меньше обслуживания
  10. Расход масла меньше по сравнению с двигателями внешнего сгорания
  11. В случае поршневого внутреннего сгорания общая рабочая температура низкая, поскольку пиковая температура достигается только в течение небольшого периода времени (только при детонации топлива).

Недостатки двигателей внутреннего сгорания

  1. Разнообразие видов топлива, которые можно использовать, ограничено газообразным и жидким топливом очень хорошего качества
  2. Используемое топливо очень дорогое, как бензин или дизельное топливо
  3. Выбросы двигателя в целом высокие по сравнению с двигателем внешнего сгорания
  4. Не подходит для крупномасштабной энергетики
  5. При возвратно-поступательном движении внутреннего сгорания возникает шум из-за детонации топлива

Типы и области применения двигателей внутреннего сгорания

  1. Бензиновые двигатели: они используются в автомобильной, морской и авиационной промышленности.
  2. Газовые двигатели: используются для промышленных целей
  3. Дизельные двигатели: они используются в автомобильной, железнодорожной, энергетической и морской промышленности.
  4. Газовые турбины: они используются в энергетических, авиационных, промышленных, морских целях.

Источник изображения: Зефирис — собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10896588

Категория: Двигатели внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

двигатель внутреннего сгорания тепло двигатель, в котором горит топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания.Этот экзотермический реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давление, которым разрешено расширяться. Определяющая черта внутреннего двигатель внутреннего сгорания заключается в том, что полезную работу выполняет расширяющийся горячий газы, непосредственно вызывающие движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже путем нажатия и перемещения всего двигателя сам.

Это контрастирует с внешним двигатели внутреннего сгорания, такие как паровые двигатели, которые используют процесс сгорания для нагрева отдельной рабочей жидкость, обычно вода или пар, который, в свою очередь, работает для например, нажав на поршень, приводимый в действие паром.

Карл Benz

термин Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) почти всегда используется для обозначения ответных действий двигатели, Ванкель двигатели и аналогичные конструкции с прерывистым сгоранием. Однако двигатели непрерывного внутреннего сгорания, такие как Jet двигатели, большинство ракет и много газа турбины также определенно являются двигателями внутреннего сгорания.

ИСТОРИЯ

Без сжатия

Леонардо да Винчи в 1509 г. и Христиан Гюйгенс в 1673 году описал двигатели постоянного давления. (Леонардо описание не может подразумевать, что идея исходила от него или что она был фактически построен.)

Английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох приводить водяные насосы в 17 век.В 1794 году Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип действия которого будет доминировать почти столетие.

запатентован первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения. Самуэль Брауна в 1823 году. Он был основан на том, что Харденберг называет «Цикл Леонардо», который, как следует из названия, уже вышел даты в то время. Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области там, где стандарты еще не были установлены, ходили к лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.

Итальянцы Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовал первую работающую и эффективную систему внутреннего сгорания. двигатель в 1854 г. в Лондоне (ч. № 1072), но в производство не поступил. с этим. Он был похож на концепцию успешного Отто Лангена. непрямой двигатель, но не очень детально проработанный.

В 1860, Жан Джозеф Этьен Ленуар (1822-1900) произвел газовый внутренний двигатель внутреннего сгорания по внешнему виду не отличается от паровой балки двигатель.Это очень похоже на горизонтальный пар двойного действия. двигатель, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в котором газ, по сути, занял место пара. Это был первый двигатель внутреннего сгорания будет производиться в цифрах.

Американец Сэмюэл Мори получил патент в апреле 1, 1826 г. для «газа или пара Двигатель ».

Его первый (1862 г.) двигатель со сжатием, разошедшийся на части, Николаус Отто разработал двигатель непрямого действия со свободным поршнем без сжатия. чья большая эффективность получила поддержку Лангена, а затем и большинства рынок, который в то время был в основном для небольших стационарных двигателей заправляется осветительным газом.В 1870 году в Вене Зигфрид Маркус поставил первый мобильный бензиновый двигатель на тележку.

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)

Сжатие

наиболее существенное различие между современных двигателей внутреннего сгорания двигатели и ранние разработки используют компрессию и, в частности, компрессии в цилиндрах.Термодинамический Теория идеализированных тепловых двигателей была основана Сади Карно во Франции в 1824 году. Это научно доказало необходимость для сжатия, чтобы увеличить разницу между верхним и нижним рабочих температур, но неясно, были ли конструкторы двигателя знали об этом до того, как сжатие уже стало широко использоваться. На самом деле это могли ввести в заблуждение дизайнеров, которые пытались подражать циклу Карно в способы, которые не были полезны.

первым зарегистрированным предложением компрессии в цилиндре был патент предоставлен Уильяму Барнету (англичанин) в 1838 году. осознают его преимущества, но его цикл был бы большим достижением, если бы достаточно развит.

Николаус Отто работает с Готлибом Даймлер и Вильгельм Maybach в 1870-х разработал практичный четырехтактный двигатель. Цикл (цикл Отто) двигатель.Немец суды, однако, не удержали его патент, чтобы покрыть все цилиндры компрессионные двигатели или даже четырехтактный цикл, а после этого Решение внутрицилиндрового сжатия стало универсальным.

Карл Бенц, работающий самостоятельно, получил патент В 1879 г. его двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный о конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц разработал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, которые стали первыми автомобилями в производстве.

В 1896 г., Карл Бенц изобрел боксер . двигатель , также известный как горизонтально-оппозитный двигатель, в котором соответствующие поршни одновременно достигают верхней мертвой точки, таким образом уравновешивают друг друга по импульсу.

Приложения

Внутренний двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в мобильных силовых установках.В мобильных сценариях внутреннее сгорание является преимуществом, поскольку оно может обеспечивают высокое соотношение мощности и веса вместе с отличным топливом плотность энергии. Эти двигатели появились почти во всех автомобилях, мотоциклах, много лодок, и в самых разных самолетах и локомотивы. Там, где требуется очень большая мощность, например, струйный самолеты, вертолеты и большие корабли, они появляются в основном в виде газа турбины. Они также используются для электрических генераторы и по отраслям.

Для маломощные мобильные и многие немобильные приложения электрическое мотор — конкурентоспособная альтернатива. В будущем электродвигатели также может стать конкурентоспособным для большинства мобильных приложений. Однако высокая стоимость, вес и низкая удельная энергия свинцово-кислотной аккумуляторы и даже NiMH аккумуляторы и отсутствие доступных по цене бортовых электрогенераторов, например, топливных клетки в значительной степени ограничили их использование для специализированных приложений.Однако недавние улучшения в легких литий-ионных аккумуляторах и литий-полимерный химии обеспечивают безопасность, удельную мощность, срок службы и стоимость в пределах приемлемых или даже желаемых уровней. Например недавно аккумулятор электромобили начали демонстрировать дальность действия 300 миль на Литий, теперь повышенная мощность, делает их привлекательными для подключения гибридные электромобили, запас хода на которых менее критичен имеющий внутреннее сгорание для неограниченного диапазона ..

Внутренний механика горения

Картофельная пушка использует основной принцип, лежащий в основе любого возвратно-поступательного внутреннего двигатель внутреннего сгорания: если вы добавите небольшое количество высокоэнергетического топлива (например, бензин) в небольшом замкнутом пространстве и воспламените его, невероятное количество энергии высвобождается в виде расширяющегося газа. Вы можете использовать это энергия, чтобы продвинуть картофель на 500 футов.В этом случае энергия равна переводится в картофельное движение. Вы также можете использовать его для более интересных целей. Например, если вы можете создать цикл, который позволяет вам установить от таких взрывов сотни раз в минуту, и если вы можете использовать эту энергию полезным способом, то, что у вас есть, является ядром машины двигатель!

Почти все автомобили в настоящее время используют так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразовать бензин в движение.Четырехтактный подход также известен как цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. четыре штриха показаны на рисунке 1. Это:

Впускной ход

Сжатие ход

Горение ход

Выхлоп ход

Операция

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермических химический процесс горения: реакция топлива, обычно с воздухом, хотя другие окислители, такие как закись азота оксид может быть использован.Также см. Стехиометрию.

наиболее распространенные виды топлива, используемые сегодня, состоят из углеводородов и получены из нефти. К ним относятся топливо, известное как дизельное топливо, бензин. и сжиженный нефтяной газ. Большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для бензин может работать на природном газ или сжиженные углеводородные газы без изменений, кроме компоненты подачи топлива. Жидкое и газообразное биотопливо, такие как этанол также можно использовать.Некоторые могут работать на водороде, но это может быть опасный. Водород горит бесцветным пламенем, и модификации блок цилиндров, головка цилиндра и прокладка головки необходимы для уплотнения на фронте пламени.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь средства зажигания для ускорения горения. В большинстве двигателей используется либо электрический или компрессия система зажигания отопления. Системы электрического зажигания обычно полагаются на свинцово-кислотном аккумулятор и индукция катушка для создания электрической искры высокого напряжения для зажигания воздушно-топливная смесь в цилиндрах двигателя.Эту батарею можно перезаряжать во время работы от генератора приводится в движение двигателем. Системы зажигания с компрессионным обогревом, например, дизельные двигатели и HCCI двигатели полагаются на тепло, создаваемое в воздухе за счет сжатия в цилиндры двигателя для воспламенения топлива.

Однажды успешно воспламеняются и сгорают продукты сгорания, горячие газы, иметь больше доступной энергии, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (который имел более высокий химический энергия).Доступная энергия проявляется как высокая температура и давление что может быть переведено в работу двигателем. В поршневом двигателе продукт высокого давления газы внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

Однажды доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы сброшены (часто открывая клапан или обнажая выпускной патрубок), и это позволяет поршню вернуться в его предыдущее положение (ВМТ — ВМТ).Тогда поршень может перейти к следующей фазе его цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любая жара не переведено в работу является отходом и удаляется из двигатель с воздушной или жидкостной системой охлаждения.

Изображение нескольких ключевых компонентов

в типовой четырехтактный двигатель

Детали

части двигателя различаются в зависимости от типа двигателя.Для четырехтактного двигатель, ключевые части двигателя включают коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распредвалов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя, вместо система клапанов. В обоих типах двигателей имеется один или несколько цилиндров (серый и зеленый) и для каждого цилиндра есть искра пробка (тёмно-серая), поршневой (желтый) и кривошип (фиолетовый). Однократный ход цилиндра поршнем вверх или движение вниз известно как ход, а движение вниз, которое происходит непосредственно после воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре называется рабочий ход.

А Ванкель двигатель имеет треугольный ротор, вращающийся по эпитроихоидной (фигура 8) камера вокруг эксцентрикового вала. Четыре этапа работа (впуск, сжатие, мощность, выпуск) осуществляется отдельно места, а не одно место, как в поршневом двигателе.

А Бурк В двигателе используется пара поршней, встроенная в скотч. Хомут, передающий возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма.Впуск, компрессия, мощность, и выхлоп все происходит при каждом движении этого ярма.

Классификация

Там широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их множество разнообразных приложений. Точно так же существует множество способов классифицируйте двигатели внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигатель» и «мотор».»Когда-то слово «двигатель» (от латинского, через Старый Французский, ingenium , «способность») означал любую часть оборудования. «Мотор» (от лат. мотор , «движитель») — любое машина, производящая механическую энергию. Традиционно электрические двигатели не упоминаются как «двигатели», но сгорание двигатели часто называют «моторами».

Принципы операции

Поршневой:

  • Двухтактный цикл

  • Четырехтактный двигатель

  • Рукав клапан четырехтактный

  • Сырая нефть масляный двигатель

  • Предлагается

Поворотный:

  • Продемонстрировано:

  • Предложено:

    • Орбитальный двигатель

    • Квазитурбина

Непрерывный сжигание:

  • Газ турбина

  • Джет двигатель

  • Ракета двигатель

Двигатель цикл

Двигатели на базе двухтактного цикл используйте два хода (один вверх, один вниз) для каждого рабочего хода.Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, альтернатива методы должны использоваться для очистки цилиндры. Наиболее распространенный метод двухтактных двигателей с искровым зажиганием: использовать движение поршня вниз для повышения давления свежего заряда в картере, который затем продувается через цилиндр через отверстия в цилиндре. стены. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием небольшие и легкие (за счет своей мощности вывод), и механически очень просто.Общие приложения включают снегоходы, газонокосилки цепные пилы, струйные лыжи, мопеды, подвесные моторы моторы и некоторые мотоциклы. К сожалению, они обычно громче, менее эффективны и загрязняют больше, чем их четырехтактные аналоги, и они не хорошо масштабируется до больших размеров. Интересно, что самый крупный Двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивы и большие корабли. Эти двигатели используют принудительную индукция для продувки цилиндров.

Двигатели на базе четырехтактного цикл или цикл Отто имеют один рабочий ход на каждые четыре хода (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и много легких самолетов. Как правило, они тише, эффективнее и крупнее своих двухтактные аналоги. Есть несколько вариантов этих циклы, в первую очередь Аткинсона и Миллер циклы. В большинстве дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой зажигания с подогревом от сжатия возможно отдельно поговорим о дизеле цикл.

Ванкель двигатель работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без ходов поршня, правильнее было бы называется четырехфазным двигателем), так как фазы происходят в отдельных места в двигателе; однако, как и двухтактный поршневой двигатель, он обеспечивает один рабочий ход на оборот на ротор, что дает аналогичный компактность и весовая эффективность. Бурк фаза горения цикла более точно приближается к постоянной объемного сгорания по сравнению с четырехтактным или двухтактным циклом.Он также использует меньше движущихся частей, следовательно, необходимо преодолевать меньшее трение. чем у двух других возвратно-поступательных типов. Кроме того, его большая расширение соотношение также означает, что больше тепла от его фазы сгорания используется, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

1906 бензиновый двигатель

Топливо и окислители типов

Топливо б / у включают бензин (Британский термин: бензин), сжиженный нефтяной газ, испаренный нефтяной газ сжатый природный газ, водород, дизельное топливо топливо, JP18 (авиакеросин), полигон газ, биодизель, арахис масло, этанол, метанол (метиловый или древесный спирт).Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества видели какое-то применение. Двигатели, в которых в качестве топлива используются газы, называются газовыми. двигатели и двигатели, использующие жидкие углеводороды, называются масляными двигателями. Тем не менее, бензиновые двигатели, к сожалению, также часто используются в разговорной речи. называемые «газовыми двигателями».

основные ограничения на топливо заключаются в том, что топливо должно быть легко транспортируемым. через топливо система сгорания камеры, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании сделать использование двигателя практичным.

окислителем обычно является воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится внутри автомобиля, увеличивая удельную мощность. Воздух может, однако быть сжатым и перевозиться на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначен для переноса чистого кислорода или водород перекисью, чтобы сделать их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили перевозят закись азота оксид как окислитель. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, имеют замечено экспериментальное использование; но в основном непрактичны.

Дизель двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее при меньших скорости, чем бензин двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще за их повышенную топливную эффективность по сравнению с бензиновыми двигателями), корабли, железные дороги локомотивы и легкий самолет. Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобили, мотоциклы и мопеды.Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем получили широкое распространение с тех пор, как 1990-е, что составляет около 40% рынка. И бензин, и дизель двигатели производят значительные выбросы. Также есть двигатели, которые работают на водороде, метаноле, этаноле сжиженный нефтяной газ (LPG) и биодизель. Парафин и трактор Двигатели с испаряющимся маслом (TVO) больше не встречаются.

Некоторые предположили, что в будущем водород может заменить такое топливо.Кроме того, с введением водородного топлива клеточная технология, использование двигателей внутреннего сгорания может быть прекращено. Преимущество водорода в том, что при его сгорании образуется только вода. Это не похоже на сжигание углеводородов, при котором также образуется углерод. диоксид, основная причина глобального утепление, а также уголь монооксид, образующийся в результате неполного сгорания. Большой недостаток водорода во многих ситуациях является его место хранения.Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз ниже чем вода и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень большой емкости. Хотя водород имеет более высокую удельную энергии, объемный запас энергии по-прежнему примерно в пять раз больше ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. («Водород по запросу» процесс, разработанный Стивеном Амендола, создает водород по мере необходимости, но здесь есть и другие проблемы, например, относительно дорогие.)

Одноместный цилиндр бензиновый двигатель c. 1910

Цилиндры

Внутренний двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с номерами от одного до двенадцати — обычное дело, хотя целых 30 были использовал. Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: Первый.двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшим индивидуальным возвратно-поступательные массы (то есть масса каждого поршня может быть меньше) таким образом сделать двигатель более плавным (поскольку двигатель имеет тенденцию вибрировать, как результат движения поршней вверх и вниз). Во-вторых, с большим рабочий объем и больше поршней, можно сжечь больше топлива и быть больше событий сгорания (то есть больше ходов мощности) в данном период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент чем аналогичный двигатель с меньшим количеством цилиндров.Обратная сторона большего количества поршней заключается в том, что в целом двигатель имеет тенденцию весить больше и иметь тенденцию для создания большего внутреннего трения, поскольку большее количество поршней трутся против внутренней части их цилиндров. Это снижает расход топлива. эффективность и лишить двигатель части его мощности. Для высокой производительности бензиновые двигатели с использованием современных материалов и технологий (таких как двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, есть точка излома около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общий ущерб производительности и эффективности, хотя есть исключения например двигатель W-16 от Volkswagen существовать.

  • Мост автомобильные двигатели имеют от четырех до восьми цилиндров, с некоторыми высокими характеристиками. автомобили, имеющие десять, двенадцать или даже шестнадцать, и некоторые очень маленькие автомобили и грузовики с двумя или тремя. В предыдущие годы некоторые довольно крупные автомобили, такие как DKW и Saab 92, имел двухцилиндровые, двухтактные двигатели.

  • Радиальный самолет двигатели, ныне устаревшие, имели от пяти до 28 цилиндров.Строка содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель.

  • Мотор циклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, с несколькими высокими модели производительности, имеющие шесть.

  • Снегоходы обычно имеют два цилиндра. Некоторые более крупные (не обязательно высокопроизводительных, но еще и универсальных машин) их четыре.

  • Маленький переносные приборы, такие как бензопилы, генераторы и домашний газон косилки чаще всего имеют один цилиндр, хотя бензопилы существуют.

Зажигание система

Внутренний двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их зажиганию. система. Сегодня в большинстве двигателей используется электрический или сжатие система обогрева на розжиг. Однако за пределами пламя и горячая трубка системы использовались исторически. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическое зажигание. система с U.С. Патент 609250, « Электрический воспламенитель для газовых двигателей », на 16 Август 1898 г.

Топливо системы

Часто для более простых поршневых двигателей карбюратор используется для подачи топлива в цилиндр. Однако точный контроль правильное количество топлива, подаваемого в двигатель, невозможно.

Больше бензиновые двигатели, которые используются в автомобилях, в основном перешли на топливо системы впрыска.В двигателях, работающих на сжиженном нефтяном газе, используется смесь систем впрыска топлива. и карбюраторы с замкнутым контуром. Дизель в двигателях всегда используется впрыск топлива.

Другое двигатели внутреннего сгорания, такие как реактивные в двигателях используются горелки, а в ракетных двигателях используются различные идеи. включая ударные струи, сдвиговые устройства для газа / жидкости, форсажные камеры и многое другое идеи.

Двигатель конфигурация

Внутренний двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации что влияет на их физические размеры и плавность хода (с более плавными двигателями производит меньше вибрации).Общие конфигурации включают прямой или встроенная конфигурация, более компактный V конфигурация и более широкая, но более гладкая квартира или боксерской конфигурации. Авиационные двигатели могут также иметь радиальный конфигурация, которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Более необычный конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W» также использовались.

Вал коленчатый конфигурации не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров, но могут вместо этого имейте поршень на каждом конце цилиндра, называемый противоположным поршневая конструкция.Эта конструкция использовалась в Юнкерсе. Дизельный авиационный двигатель Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, один на на обоих концах одного ряда цилиндров, и что особенно заметно в Napier Дизельные двигатели Deltic, в которых использовалось три коленчатых вала для обслуживания трех ряды двусторонних цилиндров, расположенных в равностороннем треугольнике с коленчатые валы по углам. Также использовался в монобанке локомотивных двигателей, и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для силовой установки и для вспомогательных генераторов.Гном Роторный двигатель, который использовался в нескольких ранних самолетах, имел стационарный коленчатый вал и вращающийся вокруг него ряд радиально расположенных цилиндров.

Двигатель вместимость

An мощность двигателя — это рабочий объем или прокатился объем поршнями двигателя. Обычно измеряется в литрах. или кубических дюймов для более крупных двигателей и кубических дюймов сантиметры (сокращенно cc’s) для двигателей меньшего размера.Двигатели с большие мощности обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент на более низких оборотах, но и потребляет больше топлива.

Apart от разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Первый — удлинить ход и второй — увеличить диаметр поршня. В любом случае это может необходимо внести дополнительные изменения в подачу топлива двигатель для обеспечения оптимальной производительности.

An заявленная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга чем инженерная. Моррис Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Все Sprite Mark II имели двигатели с одинаковым ходом поршня и диаметром цилиндра. в соответствии с их спецификациями, и были от того же производителя. Однако Объем двигателя был заявлен как 1000cc, 1100cc и 1098cc соответственно. в торговой литературе и на значках транспортных средств.

Двигатель загрязнение

Обычно двигатели внутреннего сгорания, в частности поршневые двигатели внутреннего сгорания двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполное сгорание углеродсодержащего топлива, приводящее к образованию оксида углерода и немного сажи вместе с оксидами азота и серы и некоторыми несгоревшие углеводороды в зависимости от условий эксплуатации и соотношение топливо / воздух.

Дизель двигатели выделяют широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли многих мелкие частицы, которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека.

Электрический Транспортные средства предлагают наиболее многообещающее решение для очистки автомобилей. это надеялись, что мгновенная заправка электромобиля через замену картриджа ускорится прием электромобилей. Увидеть Blueplanet Ecostar — электрический гоночный автомобиль с рекордной скоростью на суше со встроенным заправка картриджа за каждый запуск.

  • Многие топливо содержит серу приводящий к сере оксиды (SOx) в выхлопных газах, повышающие кислотность дождь.

  • высокая температура горения создает большую долю азота оксиды (NOx), опасные как для растений, так и для здоровье животных.

  • нетто Производство углекислого газа не является обязательной функцией двигателей, но поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит.Если двигатели работают на биомассе, тогда чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа при росте.

  • Водород двигатели должны производить только воду, но когда воздух используется в качестве окислители оксидов азота также производятся.

Библиография

  • Певица, Чарльз Джозеф; Рэпер, Ричард, История техники: Двигатель внутреннего сгорания , отредактированный Чарльзом Сингером… [et др.], Clarendon Press, 1954–1978. стр.157-176 [1]

  • Харденберг, Хорст О., Средние века двигателя внутреннего сгорания , Общество инженеров автомобильной промышленности (SAE), 1999

ССЫЛКИ

СТАТЬИ

ДАННЫЕ

Все о двигателе внутреннего сгорания

Подписаться
Подкасты Apple | Подкасты Google | Spotify | Amazon
Castbox | брошюровщик | Республика подкаст | RSS | Патреон


Стенограмма подкаста

Одной из технологий, которые помогли создать современный мир, является двигатель внутреннего сгорания.Без него мир сегодня был бы совсем другим.

Однако это не была технология, которая выглядела полностью сформированной. Он разрабатывался постепенно более века. Чтобы довести его до уровня жизнеспособности для использования в транспортных средствах, потребовалось множество инноваций.

Узнайте больше о двигателе внутреннего сгорания, о том, как он был разработан, и обо всех проблемах, которые необходимо было решить, в этом выпуске Everything Everywhere Daily.


Этот выпуск спонсируется Audible.com.

Моя рекомендация по аудиокниге сегодня — Мы уже там? Американское автомобильное прошлое, настоящее и беспилотный Дэн Альберт

В крестовых походах против автомобилей нет ничего нового. Его появление вызвало боевые действия за уличное пространство, в которых массы были настроены против миллионеров, терроризирующих пешеходов. Когда массы обзавелись собственными автомобилями, они тоже полюбили вождение.

Во время Второй мировой войны Вашингтон национализировал Детройт, и послевоенные американцы восприняли машину и страну как одно целое.Затем последовали энвайронментализм 1960-х и энергетический кризис 1970-х.

Многие предсказывали и даже приветствовали гибель автомобиля. Но многие другие встали на его защиту. Они приняли культуру водителей грузовиков и обратились к радиостанциям Citizen Band, требуя достаточно бензина, чтобы держать свои большие лодки на плаву. С 1980-х годов автомобильная культура восторжествовала, и теперь мы проезжаем больше миль, чем когда-либо прежде.

Вы можете получить бесплатную месячную пробную версию Audible и 2 бесплатных аудиокниг, перейдя на сайт audibletrial.com/EverythingEverywhere или щелкнув ссылку в примечаниях к шоу.


Я думаю, что хорошее место для начала этого обсуждения — определение двигателя. Двигатель — это то, что превращает сгорание в работу. Он отличается от двигателя, преобразующего электричество в работу. Хотя эти термины часто используются как синонимы, моторы и двигатели — это очень разные вещи.

Первыми двигателями были паровые машины. Паровая машина была основана на создании тепла через дерево, уголь или другое горючее вещество и кипящую воду.Затем пар вращал турбину, которая вращала кривошип, который мог работать.

Ключом к созданию паровой машины было создание тепла для кипячения воды. То, что сжигалось для создания тепла, зависело от того, что было доступным и дешевым.

Двигатель внутреннего сгорания работает иначе. Двигатель внутреннего сгорания основан на сгорании топлива и последующем расширении образующегося горячего газа. Горение должно быть заключено в пространство, чтобы улавливать давление расширяющегося газа, или, другими словами, оно должно быть внутренним.

По этой причине двигатель внутреннего сгорания спроектировать гораздо сложнее, чем паровой. Основы паровой машины были впервые построены в Древней Греции. Однако двигатель внутреннего сгорания не был разработан до второй половины XIX века.

Первый двигатель внутреннего сгорания был разработан бельгийским инженером Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром в 1859 году. Его двигатель был довольно грубым, поскольку представлял собой паровой двигатель, который был преобразован для сжигания угольного газа.

Создателем современного двигателя внутреннего сгорания считается немецкий инженер Николаус Отто, определивший цикл Отто в 1877 году и построивший первый многоходовой двигатель.


Что такое цикл Отто? Цикл Отто описывает четырехступенчатый процесс сжигания топлива в двигателе.

Я кратко объясню это здесь, потому что это основа всего будущего. Так работает типичный четырехтактный двигатель в большинстве автомобилей мира.Существуют вариации этого процесса, и в более мелких двигателях, таких как газонокосилки, используется двухтактный процесс. Но для целей этого эпизода я собираюсь поговорить о четырехтактном процессе.

Все это происходит в цилиндре с подвижным поршнем в нижней части цилиндра, с воздухозаборниками и воздухозаборниками, а также выпускным отверстием наверху, которое можно включать и выключать.

Первый ход называется тактом впуска. Здесь поршень будет тянуть вниз, создавая всасывание, которое втягивает топливно-воздушную смесь через открытый впускной клапан.

Второй ход — это ход сжатия. Теперь, когда цилиндр заполнен топливно-воздушной смесью, впускной клапан закрывается, и поршень перемещается вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. На этом этапе все клапаны закрыты.

Третий ход — такт сгорания. Искра воспламеняет сжатую топливно-воздушную смесь в цилиндре, создавая небольшой взрыв, и сила взрыва толкает цилиндр обратно вниз.

Четвертый такт — такт выпуска.В этом такте поршень поднимается вверх по цилиндру, выталкивая выхлоп из выпускного клапана.

Поршень, который толкается вверх и вниз, соединен с другими поршнями через коленчатый вал, который гарантирует, что, когда один поршень опускается, другой поршень поднимается. Вот почему в двигателях всегда будет четное количество поршней и цилиндров. Большинство современных автомобилей имеют 6- или 8-цилиндровые двигатели, но есть небольшие автомобили с 4-мя цилиндрами и некоторые мощные высококлассные автомобили, которые могут иметь даже 10 или 12 цилиндров.

Коленчатый вал, соединяющий поршни, также является движущей силой любой работы, которая должна выполняться двигателем. В случае с автомобилем это будет трансмиссия.

Все, что я только что описал, не обязательно так сложно понять, по крайней мере теоретически. Однако на практике это создает массу проблем.

Если вы вспомните мой эпизод об электромобилях, паровые и электрические автомобили были на самом деле так же популярны, как автомобили с двигателями внутреннего сгорания, примерно до 1910 года.Что в конечном итоге сделало автомобили с двигателями внутреннего сгорания доминирующими, так это решение многих связанных с ними проблем.

Итак, исходя из того, что я только что описал для четырехтактного цикла, давайте рассмотрим все инженерные проблемы, которые необходимо решить.

Первый — это топливно-воздушная смесь, которая поступает в цилиндр. Нельзя просто залить в баллон кучу сжиженного бензина. Жидкости плохо сжимаются. Его нужно опустить в туман и смешать с воздухом.Раньше это делалось с помощью устройства, известного как карбюратор. Процесс смешения воздуха и топлива называется карбюрацией. Сегодня большинство автомобилей будет делать то же самое, что и устройство, называемое топливным инжектором.

Воздух должен выходить извне двигателя. Кроме того, воздух должен быть чистым, поэтому для удаления твердых частиц требуется воздушный фильтр. По этой же причине автомобиль будет глохнуть, если он находится под водой. У некоторых специальных транспортных средств есть трубка, которая помещает воздухозаборник над крышей, чтобы они могли пересекать реки.

Как только топливно-воздушная смесь окажется в цилиндре, ее необходимо поджечь. Это делается с помощью свечи зажигания, которая позволяет электричеству создавать искру между зазором в верхней части свечи. Искра должна быть синхронизирована с максимальным сжатием топливовоздушной смеси.

Поршень и цилиндр сделаны из металла, и металлы не трются друг о друга. Это означает, что вам нужна какая-то смазка между поршнем и цилиндром, в который входит моторное масло.Без моторного масла трение между поршнем и цилиндром привело бы к их застреванию и заклиниванию всего двигателя.

В такте выпуска должны быть удалены отходы сгорания, и они должны куда-то уйти. Это все, что касается выхлопной трубы. В некоторых автомобилях есть каталитический нейтрализатор, который преобразует определенные токсичные газы.

Ход сгорания представляет собой небольшой взрыв, а взрывы — шумные. Автомобили могут быть довольно шумными, но они будут создавать гораздо больше шума без устройства для уменьшения звука, называемого глушителем.Если вы когда-либо водили машину без глушителя, вы знаете, насколько громкой может быть машина. Глушитель — это, по сути, акустическое устройство.

Цикл — это процесс, который повторяется снова и снова. Вопрос в том, как начинается цикл? В действительно старых автомобилях был кривошип, который нужно было физически повернуть, чтобы запустить цикл. В конце концов, это было заменено на электродвигатель, названный стартером.

Электрический стартер, как и свеча зажигания, требует наличия электрической системы, обеспечивающей работу двигателя.Для этого требуется аккумулятор для хранения электричества, а также генератор для производства электричества. Механическая энергия двигателя используется для выработки электроэнергии. В современных автомобилях это называется генератором переменного тока, потому что он создает переменный ток.

Итак, это объясняет поступление топлива и воздуха, выход выхлопных газов и смазку поршня и цилиндров. Однако есть еще одна огромная проблема.

Двигатели внутреннего сгорания на самом деле очень неэффективны. Эффективность определяется как то, сколько энергии топлива передается в движение.Наиболее эффективные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД всего 40%, а большинство автомобилей могут иметь КПД около 20%.

Если только 20% энергии топлива преобразуется в работу, куда уходит остальное? Он превращается в тепло.

Тепло — огромная проблема. Тепло заставляет металл расширяться, что на самом деле не очень хорошо, если есть движущиеся части, и это может привести к растрескиванию и деформации металла. Если вы когда-либо клали руку на двигатель или рядом с ним после того, как остановили машину, вы имеете представление о том, насколько сильно он может нагреться.

Готовить еду можно буквально на двигателе. В сети есть много видеороликов, на которых люди готовят пищу, завернутую в фольгу, на двигателе автомобиля. Если вы когда-либо оказывались в ситуации, подобной отключению электричества, и у вас нет средств для приготовления пищи, это неэффективный, но эффективный способ приготовления.

Это означает, что в двигатель должна быть встроена система охлаждения.

В большинстве двигателей через камеры в блоке двигателя проходит жидкость, отводящая тепло. Затем жидкость проходит через устройство, называемое радиатором, который имеет большую площадь поверхности, и воздух обдувается радиатором для охлаждения жидкости.


Для всей системы охлаждения двигателя требуется жидкость, насос для перемещения жидкости, трубки и шланги для подачи жидкости и, наконец, ремни для работы вентилятора.

Все, что я только что рассмотрел, необходимо для работы двигателя. Если выйдет из строя смазка, воздухозаборник, охлаждение, впрыск топлива или электрическая система, все это просто остановится. Если вы достаточно долго владеете автомобилем, велика вероятность, что одна или несколько из этих вещей вышли из строя.

Чем больше вы думаете обо всей системе, она действительно кажется устройством Руба Голдберга … и я даже не разбирался в других жизненно важных системах автомобиля, таких как трансмиссия, тормоза и подвеска.

Тем не менее, за десятилетия инженеры очень хорошо научились заставлять все работать. Все эти части двигателя работали должным образом и вместе, что сделало возможным создание автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.


Ассоциированными продюсерами Everything Everywhere Daily являются Тор Томсен и Питер Беннетт.

Сегодняшний обзор предоставлен слушателем Ambiverbal на Apple Podcasts в США. Пишут:

Гэри добился успеха

В Everything Everywhere Daily Гэри преследует то, что для него наиболее важно… и, к счастью, также большое количество людей, интересующихся жизнью в мире, как исторической, так и современной. Избавившись от ненужного жира, Гэри создал питательный и содержательный подкаст, который можно употреблять каждый день всего за несколько минут.Пять звезд.

Спасибо, Амбивербал! Вы будете рады узнать, что Everything Everywhere является частью сбалансированной медиа-диеты. Он содержит 100% рекомендуемой суточной нормы фактов и информации.

Помните, что если вы оставите отзыв или зададите вопрос, вы тоже можете прочитать его на шоу.

Сколько времени потребуется электромобилям для замены двигателей внутреннего сгорания?

На прошлой неделе я был у одного из формовщиков автомобилей, когда наш разговор перешел на электрификацию.Крупные автопроизводители делают большие ставки на электромобили. Они разрабатывают новые модели, улучшенные аккумуляторы, больше станций с более быстрой зарядкой и даже творческие способы продавать то, что в настоящее время является довольно дорогой технологией.

Но электромобили по-прежнему остаются нишевым продуктом. Кейт Крейн, председатель нашей материнской компании Crain Communications и главный редактор Automotive News , недавно написал, что электромобили составляют менее 2 процентов продаж новых автомобилей, согласно недавнему исследованию J.D. Power.Большинство из них пришло от Tesla.

По данным центра обработки данных Automotive News , в 2020 году автопроизводители продали в США чуть более 300000 аккумуляторных электромобилей. Это на 19 процентов больше, чем в 2019 году, но это все еще довольно небольшая доля рынка. Для сравнения: AN сообщил, что это примерно такое же количество автомобилей Honda CR-V, проданных в Соединенных Штатах.

Но электромобили должны быть волной будущего. Потребители в Китае и Европе пожирают их, и обозреватели автомобильной промышленности считают, что более строгие федеральные и государственные экологические нормы будут способствовать увеличению продаж электромобилей в Соединенных Штатах.

Но пока не выбрасывайте эту кредитную карту заправочной станции. Формовщик, которого я посетил, указал, что некоторые американские автопроизводители все еще разрабатывают новый двигатель внутреннего сгорания для будущих моделей. Это означает, что они делают ставку на то, что у ICE все еще есть как минимум десятилетие крупносерийного нового производства, а может быть и больше.

Колонка мистера Крейна на самом деле не касалась электромобилей. Он оплакивал кончину другой «старомодной» автомобильной технологии — стандартной трансмиссии.

«Возможно, я единственный, кто помнит, как учился водить машину с механической коробкой передач», — написал он. «Моя первая машина, Ford ’51, была с механической коробкой передач, как и несколько последующих машин».

Вы не последний, мистер Крейн. Я научился водить ужасный Ford Fairmont 1970-х годов с четырехступенчатой ​​механической коробкой передач, которой едва хватало мощности для достижения скоростей на шоссе.

Первой моей машиной был автобус VW 1960-х годов с механической коробкой передач. Второй был Toyota Tercel 1980-х годов с пятиступенчатой ​​коробкой передач.У него лучший расход бензина, чем у всех, на которых я ездил с тех пор. От себя лично я также научил свою жену водить машину на той Тойоте, и мы до сих пор женаты. Но не думаю, что смогу убедить ее купить еще одну машину со сцеплением.

И мы не одни. Сегодня только около 1% новых автомобилей имеют стандартные коробки передач.

Итак, за всю свою жизнь покупкой автомобиля я увидел серьезный сдвиг во вкусовых предпочтениях потребителей — от стандартных трансмиссий к автоматическим. Когда мы купили нашу последнюю машину несколько лет назад, я сказал, когда мы выезжали со стоянки, что это может быть последний неавтономный автомобиль с бензиновым двигателем, который мы когда-либо купим.

Моя жена думала, что я был неправ, и похоже, что она будет права. Мы еще не готовы к электромобилю.

Пластмассы и ископаемое топливо тесно связаны на протяжении десятилетий. Некоторые производители нефти отказываются от бензина в пользу пластмасс и химикатов, делая ставку на более долгое и устойчивое будущее.

Возможно, действия правительства ускорит переход от внутреннего сгорания к электромобилям. Согласно Automotive News , в ходе кампании 2020 года нынешний президент Джо Байден пообещал построить 550 000 зарядных станций для электромобилей и создать более 1 миллиона рабочих мест за счет инвестиций в исследования в области экологически чистой энергии.

Автопроизводители, такие как General Motors, предвкушают будущее электричества. Федеральная политика может склонить чашу весов в этом направлении. Но не ждите, что изменения произойдут в одночасье. Мне кажется, что мы увидим на рынке как электромобили, так и двигатели внутреннего сгорания как минимум еще десять или два года.

Лоэпп — редактор Plastics News и автор блога Plastics. Следуйте за ним в Twitter @donloepp .

Plastics News редакционная карикатура Рича Уильямса.Мультфильмы доступны для покупки на сайте www.plasticsnews.com/data-lists/cartoons

Audi прекратит разработку двигателей внутреннего сгорания

В настоящий момент Audi предлагает впечатляющий список двигателей внутреннего сгорания, в том числе 4,0-литровый V-8 с твин-турбонаддувом мощностью 591 л.с., который вы видите выше, приводящий в движение потрясающий суперкар RS 6 Avant. И давайте не будем забывать о звучном атмосферном двигателе V-10 в среднемоторном R8. Но, по словам генерального директора компании, автопроизводитель не будет разрабатывать какие-либо новые двигатели внутреннего сгорания, а начнет постепенно отказываться от существующих бензиновых и дизельных двигателей и заменять их электрическими силовыми агрегатами.

В интервью немецкоязычному информационному агентству Automobilwoche генеральный директор Audi Маркус Дюсманн подтвердил это решение. «Мы больше не будем разрабатывать новый двигатель внутреннего сгорания, а адаптируем наши существующие двигатели внутреннего сгорания к новым нормам выбросов», — сказал Дюсманн изданию (в переводе Google).

Дюсманн сослался (и проигнорировал) в своем решении растущими проблемами, связанными с нормами выбросов. «Планы ЕС по еще более строгому стандарту выбросов Евро-7 представляют собой огромную техническую проблему и в то же время не приносят большой пользы для окружающей среды», — сказал он в интервью.«Это чрезвычайно ограничивает двигатель внутреннего сгорания».

В рамках крупномасштабного поворота Volkswagen Group к электрификации, частично предпринятого в результате мошенничества автогиганта с выбросами дизельного топлива, Audi планирует предложить 20 моделей электромобилей в следующие 5 лет. Кроссовер E-Tron и спортивный седан E-Tron GT уже начали этот рывок; электрическая версия небольшого внедорожника Q4 появится позже в этом году. Ранее Дюсманн подтвердил, что к 2030 году A4 и A6 станут полностью электрическими; поколения, которые выйдут до этой даты, будут использовать адаптированные версии текущих двигателей Audi.

Как сообщает Motor1, до того, как Audi завершит поворот к электрификации, мы можем ожидать появления нескольких моделей с двигателем внутреннего сгорания, в том числе ультра-роскошного представительского седана A8 «Horch» с легендарным двигателем W-12.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Свет на приборной панели мигает красным — будущее двигателей внутреннего сгорания — POLITICO

Нажмите кнопку воспроизведения, чтобы прослушать эту статью

Массовая популярность дизельного двигателя вряд ли доживет до своего 150-летия.

Впервые разработанный в 1893 году, его некролог, скорее всего, будет написан к 2035 году вместе с его бензиновым двойником. Это связано с обязательством ЕС сократить выбросы углерода от транспорта на 90 процентов к 2050 году.

«С точки зрения климата, мы не можем позволить себе отложить полный переход на электромобили до 2035 года», — сказал Питер Мок, управляющий директор Международного совета по чистому транспорту. «Большинство производителей поняли и уже приняли или собираются принять свои планы по выпуску продукции.«

Становится очень неудобно для обеих технологий.

Как сообщает POLITICO, законодатели ЕС рассматривают возможность установления 100-процентного сокращения выбросов CO2 для новых автомобилей к 2035 году, фактически запретив бензин, дизельное топливо и другие виды топлива, в которых используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Идея состоит в том, что если продажи новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания прекратятся к 2035 году, это даст 15 лет, чтобы избавиться от старых автомобилей до установленного в середине века срока климатической нейтральности.

Многие города, страны и производители автомобилей этого блока начинают устанавливать конечные даты для автомобилей, работающих на ископаемом топливе, путем расширения городских зон с низким уровнем выбросов и введения национальных запретов на регистрацию новых автомобилей, загрязняющих окружающую среду.

Семь стран ЕС установили дату прекращения производства бензина и дизельного топлива: Словения, Швеция, Ирландия и Нидерланды увеличат объемы потребления до 2030 года, Дания — до 2035 года, а страны-производители автомобилей Испания и Франция остановятся на 2040 году. Между тем, коалиция из девяти стран настаивает на Европейская комиссия установила дату окончания для двигателя внутреннего сгорания.

Гигант автомобилестроения ЕС тоже меняется. Министр транспорта Германии Андреас Шойер заявил ранее в этом году, что дата окончания 2035 года может работать для бензина и дизельного топлива, если будут вложены инвестиции в создание мощностей для альтернативных видов топлива, которые позволят ДВС — инженерной специальности для крупнейшей экономики Европы — работать. .

Это послание слышно даже в помешанном на машинах Брюсселе, где драконовские налоги побуждают предприятия вознаграждать работников служебными автомобилями, а не денежными премиями. В пятницу городские власти заявили, что хотят исключить дизельные автомобили с 2030 года, а бензиновые к 2035 году.

Автопроизводители приходят в движение. К наиболее агрессивным относятся Volkswagen, Ford и Volvo, объявившие о прекращении использования автомобилей на ископаемом топливе на определенных рынках в ближайшие годы.

Что будет дальше?

Наиболее вероятным кандидатом на замену ДВС является электромобиль с аккумуляторной батареей, поэтому промышленность призывает к массовому увеличению количества точек зарядки, чтобы успокоить опасения клиентов по поводу дальности пробега.

Но сторонники двигателей внутреннего сгорания по-прежнему ведут арьергардную борьбу.

Выступая на мероприятии POLITICO «Пристегни ремни безопасности», Сигрид де Врис, управляющая лобби поставщиков автопроизводителей CLEPA, сказала, что введение 100-процентного сокращения выбросов к 2035 году потребует от электромобилей и ограничит усилия по разработке альтернатив, таких как синтетическое топливо или водород.

«Запрет двигателей внутреннего сгорания — это упущенная возможность», — сказал Джон Купер из лобби завода FuelsEurope в Брюсселе, утверждая, что разработка альтернативных видов топлива также окупится в авиации и судоходстве.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.