Двигатель внутреннего сгорания в разрезе: Двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Двигатель в разрезе: описание, детали

Строение двигателя внутреннего сгорания известно широкой массе автолюбителей. Но, вот не все, зная какие детали установлены в моторе, знают их расположение и принцип работы. Чтобы полностью понять устройство автомобильного движка необходимо посмотреть разрез силового агрегата.

Работа двигателя в разрезе представлена в данном видеоматериале

Работа двигателя

Что понимать расположение деталей автомобильного двигателя и перед тем, как показать двигатель в разрезе необходимо понимать принцип работы мотора. Итак, рассмотрим, что приводит в движение колеса автомобиля.

Топливо, которое находиться в бензобаке при помощи топливного насоса подаётся на форсунки или карбюратор. Стоит отметить, что горючее проходит такой важный этап, как фильтрующий топливный элемент, который останавливает примеси и чужеродные элементы, что не должны попасть в камеру сгорания.

После нажатия педали акселератора электронный блок управления даёт команду подать горючее во впускной коллектор. Для карбюраторных ДВС — педаль газа привязана к карбюратору и чем больше давление идёт на педаль, тем больше топлива льётся в камеру сгорания.

Далее, со второй стороны подаётся воздух, проходя воздушный фильтр и дроссель. Чем больше открывается заслонка, тем большее количество воздуха поступит непосредственно во впускной коллектор, где образуется воздушно-топливная смесь.

В коллекторе воздушно-топливная смесь равномерно разделяется между цилиндрами и поочерёдно поступает через впускные клапана в камеры сгорания. Когда поршень движется в ВТМ, создаётся давление смеси и свеча зажигания образует искру, которая поджигает горючее. От данной детонации и взрыва поршень начинает двигаться вниз в НМТ.

Движение поршня передаётся на шатун, который прикреплён к коленчатому валу и приводит его в действие. Так, делает каждый поршень. Чем быстрее движутся поршни, тем больше обороты коленчатого вала.

После того, как воздушно-топливная смесь сгорела, открывается выпускной клапан, который выпускает отработанные газы в выпускной коллектор, а затем сквозь выхлопную систему наружу. На современных автомобилях, часть отработанных газов помогает работе двигателя, поскольку приводит в работу турбонаддув, который увеличивает мощность ДВС.

Также, стоит отметить, что на современных движках не обойтись без системы охлаждения, жидкость которой циркулирует через рубашку охлаждения и подкапотное пространство, чем обеспечивает постоянную рабочую температуру.

Двигатель в разрезе

Теперь можно рассмотреть, как выглядит ДВС в разрезе. Для большей наглядности и понятности рассмотрим двигатель ВАЗ в разрезе, с которым знакомы большинство автомобилистов.

На схеме представлен двигатель ВАЗ 2121 в продольном разрезе:

1. Коленчатый вал; 2. Вкладыш коренного подшипника коленчатого вала; 3. Звёздочка коленчатого вала; 4. Передний сальник коленчатого вала; 5. Шкив коленчатого вала; 6. Храповик; 7. Крышка привода механизма газораспределения; 8. Ремень привода насоса охлаждающей жидкости и генератора; 9. Шкив генератора; 10. Звёздочка привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 11. Валик привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 12. Вентилятор системы охлаждения; 13. Блок цилиндров; 14. Головка цилиндров; 15. Цепь привода механизма газораспределения; 16. Звёздочка распределительного вала; 17. Выпускной клапан; 18. Впускной клапан; 19. Корпус подшипников распределительного вала; 20. Распределительный вал; 21. Рычаг привода клапана; 22. Крышка головки цилиндров; 23. Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 24. Свеча зажигания; 25. Поршень; 26. Поршневой палец; 27. Держатель заднего сальника коленчатого вала; 28. Упорное полукольцо коленчатого вала; 29. Маховик; 30. Верхнее компрессионное кольцо; 31. Нижнее компрессионное кольцо; 32. Маслосъёмное кольцо; 33. Передняя крышка картера сцепления; 34. Масляный картер; 35. Передняя опора силового агрегата; 36. Шатун; 37. Кронштейн передней опоры; 38. Силовой агрегат; 39. Задняя опора силового агрегата.

Кроме рядного расположения цилиндров двигателя, как показано на схеме выше существуют ДВС с V- и W-образным расположением поршневого механизма. Рассмотри W-образный мотор в разрезе на примере силового агрегата Audi. Цилиндры ДВС располагаются так, что если смотреть на мотор спереди, то образуется английская буква W.

Данные движки обладают повышенной мощностью и используются на спорткарах. Данная система была предложена японским производителем Субару, но из-за высокого расхода горючего не получила широкого и массового применения.

V- и W-образные ДВС имеют повышенную мощность и крутящий момент, что делает их спортивной направленности. Единственным недостатком такой конструкции является то, что такие силовые агрегаты потребляют значительное количество топлива.

С развитием автомобилестроения компания General Motors предложила систему отключения половины цилиндров. Так, эти неработающие цилиндры приводятся в действие, только когда необходимо увеличить мощность или быстро разогнать автомобиль.

Такая система позволила значительно экономить топливо в повседневном использовании транспортного средства. Эта функция привязана к электронному блоку управления двигателем, поскольку, она регулирует, когда необходимо задействовать все цилиндры, а когда они не нужны.

Вывод

Принцип работы двигателя достаточно простой. Так, если посмотреть на разрез ДВС и понять расположение деталей можно легко разобраться с устройством движка, а также последовательности его процесса работы.

Вариантов расположения деталей мотора достаточно много и каждый автопроизводитель сам решает, как расположить цилиндры, сколько их будет, а также какую систему впрыска установить. Все это и даёт конструктивные особенности и характеристики мотора.

Как устроен и как работает двигатель внутреннего сгорания?

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

ДВС что это?

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

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

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.

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

Это интересно! Самые мощные в мире ДВС выпускает фирма Wartsila. Они предназначены для кораблей. Их мощность достигает 110 000 л.с., что равно 80 мВт.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

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

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

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

Впуск

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

Сжатие

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

Рабочий ход

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

Выпуск

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

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

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

Достоинства и недостатки

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

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

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

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Как работает двигатель внутреннего сгорания — Mafin Media

Ко всем статьям 13 августа 2021

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

Механические самоходные транспортные средства активно разрабатывались еще в XVIII веке. Но именно в 1880-х годах немецкие конструкторы Готтлиб Даймлер и Карл Бенц установили первые бензиновые двигатели на мотоцикл и трехколесную коляску. Самоходный экипаж Бенца приводился в движение одноцилиндровым мотором мощностью 1,5 л. с. (традиционно мощность принято измерять в лошадиных силах и киловаттах). За почти полтора столетия «самоходной» истории принцип работы ДВС кардинально не изменился: колеса приводятся в движение механической энергией, получаемой благодаря сгоранию топливно-воздушной смеси внутри двигателя.

«Коктейль» для двигателя

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

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

Компоненты двигателя: где и как сгорает смесь

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

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

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

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

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

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

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

Клапаны относятся к механизму газораспределения и внешне напоминают большие гвозди:

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

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

Рассмотрим цилиндр в разрезе:

Четыре такта

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

Рассмотрим такты бензинового двигателя:

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

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

А как запускается первый такт?

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

И что дальше?

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

Двигатель внутреннего сгорания | Физика

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3 %) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.

Наибольшее распространение среди них получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н. Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя — четырехтактный.

Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 г. немецким изобретателем Г. Даймлером. Примерно в это же время бензиновый двигатель был разработан и О. С. Костовичем в России. Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.

Современный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания изображен на рисунке 88. Поршни, находящиеся внутри цилиндров двигателя, соединены с коленчатым валом 1. На этом валу укреплен тяжелый маховик 2. В верхней части каждого цилиндра имеется два клапана: один из них называется впускным, другой — выпускным. Через первый из них горючая смесь попадает в цилиндр, а через второй продукты сгорания топлива уходят наружу.

Принцип действия одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания иллюстрирует рисунок 89.

1-й    такт — впуск. Открывается клапан 1. Клапан 2 закрыт. Движущийся вниз поршень 3 засасывает в цилиндр горючую смесь.
2-й    такт — сжатие. Оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
3-й    такт — рабочий ход. Оба клапана закрыты. Когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи 4. В результате сгорания смеси образуются раскаленные газы, давление которых составляет 3—6 МПа, а температура достигает 1600—2200 °С. Сила давления этих газов толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше по инерции, обеспечивая тем самым перемещение поршня и при последующих тактах.
4-й    такт — выпуск. Открывается клапан 2. Клапан 1 закрыт. Поршень движется вверх. Продукты сгорания топлива уходят из цилиндра и через глушитель (на рисунке не показан) выбрасываются в атмосферу.

Мы видим, что в одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается лишь во время третьего такта. В четырехцилиндровом двигателе (см. рис. 88) поршни укреплены таким образом, что во время каждого из четырех тактов один из них находится в стадии рабочего хода. Благодаря этому коленчатый вал получает энергию в 4 раза чаще. При этом увеличивается мощность двигателя и в лучшей степени обеспечивается равномерность вращения вала.

Частота вращения вала у большинства двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3000 до 7000 оборотов в минуту, а в некоторых случаях достигает 15 000 оборотов в минуту и более.

В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.

Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешевых видах топлива и имеют КПД 31—44 % (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30 %). В настоящее время они применяются на тракторах, тепловозах, теплоходах, танках, грузовиках, передвижных электростанциях.

Судьба самого изобретателя нового двигателя оказалась трагической. 29 сентября 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Талантливый инженер бесследно исчез. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К- Бенца. Громоздкие и трудноуправляемые паровые автомобили стали вытесняться новыми машинами. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.
В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд (США). Через 11 лет его автомобили (рис. 90) были запущены в массовое производство.

В 1908 г. автомобили начали производить на Русско-Балтийском заводе в Риге. Один из первых русских автомобилей «Руссо-Балт» показан на рисунке 91.

Важную роль в развитии и распространении нового вида транспорта сыграли автомобильные гонки, которые стали устраиваться с 1894 г. В первой из них средняя скорость автомобилей составляла лишь 24 км/ч. Однако уже через пять лет она достигла 70 км/ч, а еще через пять лет— 100 км/ч.

После 1900 г. началось производство специальных гоночных автомобилей. С каждым годом их скорость возрастала. В 60-х гг. скорость автомобилей с поршневым двигателем превысила 600 км/ч, а после установки на автомобиле газотурбинного двигателя она перевалила за 900 км/ч. Наконец, в 1997 г. Э. Грин (Великобритания) на своем ракетном автомобиле «Траст SSC» достиг скорости 1227,985 км/ч, что превысило скорость звука в воздухе!

1. Опишите принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Из каких тактов состоит каждый его рабочий цикл? 2. Какую роль в двигателе играет маховик? 3. Чем отличается дизельный двигатель внутреннего сгорания от карбюраторного? 4. Кто создал первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?

Разрез двигателя внутреннего сгорания — Автомобили Premier

Содержание

• Работа двигателя
• Двигатель в разрезе
• Вывод

Строение двигателя внутреннего сгорания известно широкой массе автомобилистов. Но, вот не все, зная какие конкретно подробности установлены в моторе, знают их расположение и принцип работы.

Дабы всецело осознать устройство автомобильного движка нужно взглянуть разрез силового агрегата.

Работа двигателя в разрезе представлена в данном материале

Работа двигателя

Что осознавать размещение деталей автомобильного двигателя и перед тем, как продемонстрировать двигатель в разрезе нужно понимать принцип работы мотора. Итак, разглядим, что приводит в перемещение колеса автомобиля.

Горючее, которое пребывать в бензобаке при помощи топливного насоса подаётся на форсунки либо карбюратор. Необходимо подчеркнуть, что горючее проходит таковой ответственный этап, как фильтрующий топливный элемент, что останавливает примеси и чужеродные элементы, что не должны попасть в камеру сгорания.

По окончании нажатия педали акселератора электронный блок управления даёт команду подать горючее во впускной коллектор. Для карбюраторных ДВС — педаль газа привязана к карбюратору и чем больше давление идёт на педаль, тем больше топлива льётся в камеру сгорания.

Потом, со второй стороны подаётся воздушное пространство, проходя дроссель и воздушный фильтр. Чем больше раскрывается заслонка, тем большее количество воздуха поступит конкретно во впускной коллектор, где образуется воздушно-топливная смесь.

В коллекторе воздушно-топливная смесь равномерно разделяется между цилиндрами и поочерёдно поступает через впускные клапана в камеры сгорания. В то время, когда поршень движется в ВТМ, создаётся свеча зажигания и давление смеси образует искру, которая поджигает горючее.

От данной взрыва и детонации поршень начинает двигаться вниз в НМТ.

Перемещение поршня передаётся на шатун, что прикреплён к коленчатому валу и приводит его в воздействие. Так, делает любой поршень.

Чем стремительнее движутся поршни, тем больше обороты коленчатого вала.

По окончании того, как воздушно-топливная смесь сгорела, раскрывается выпускной клапан, что производит отработанные газы в выпускной коллектор, а после этого через выхлопную совокупность наружу. На современных машинах, часть отработанных газов оказывает помощь работе двигателя, потому, что приводит в работу турбонаддув, что увеличивает мощность ДВС.

Кроме этого, необходимо подчеркнуть, что на современных движках не обойтись без совокупности охлаждения, жидкость которой циркулирует через подкапотное пространство и рубашку охлаждения, чем снабжает постоянную рабочую температуру.

Двигатель в разрезе

Сейчас возможно разглядеть, как выглядит ДВС в разрезе. Для большей наглядности и понятности разглядим двигатель ВАЗ в разрезе, с которым привычны большая часть автолюбителей.

На схеме представлен двигатель ВАЗ 2121 в продольном разрезе:

1. Коленчатый вал; 2. Вкладыш коренного подшипника коленчатого вала; 3. Звёздочка коленчатого вала; 4. Передний сальник коленчатого вала; 5. Шкив коленчатого вала; 6. Храповик; 7. Крышка привода механизма газораспределения; 8. Ремень привода насоса охлаждающей жидкости и генератора; 9. Шкив генератора; 10. Звёздочка привода масляного насоса, распределителя зажигания и топливного насоса; 11.

Валик привода масляного насоса, распределителя зажигания и топливного насоса; 12. Вентилятор совокупности охлаждения; 13.

Блок цилиндров; 14. Головка цилиндров; 15.

Цепь привода механизма газораспределения; 16. Звёздочка распределительного вала; 17. Выпускной клапан; 18.

Впускной клапан; 19. Корпус подшипников распределительного вала; 20. Распределительный вал; 21. Рычаг привода клапана; 22. Крышка головки цилиндров; 23.

Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 24. Свеча зажигания; 25. Поршень; 26. Поршневой палец; 27.

Держатель заднего сальника коленчатого вала; 28. Упорное полукольцо коленчатого вала; 29. Маховик; 30. Верхнее компрессионное кольцо; 31. Нижнее компрессионное кольцо; 32.

Маслосъёмное кольцо; 33. Передняя крышка картера сцепления; 34. Масляный картер; 35. Передняя опора силового агрегата; 36. Шатун; 37.

Кронштейн передней опоры; 38. Силовой агрегат; 39. Задняя опора силового агрегата.

Не считая рядного размещения цилиндров двигателя, как продемонстрировано на схеме выше существуют ДВС с V- и W-образным размещением поршневого механизма. Разгляди W-образный мотор в разрезе на примере силового агрегата Audi. Цилиндры ДВС находятся так, что в случае если наблюдать на мотор спереди, то образуется британская буква W.

Эти движки владеют повышенной мощностью и употребляются на спорткарах. Эта совокупность была предложена японским производителем Субару, но из-за большого расхода горючего не взяла широкого и массового применения.

V- и W-образные ДВС имеют повышенную мощность и крутящий момент, что делает их спортивной направленности. Единственным недочётом таковой конструкции есть то, что такие силовые агрегаты потребляют большое количество горючего.

С развитием автомобилестроения компания Дженерал моторс внесла предложение совокупность отключения половины цилиндров. Так, эти неработающие цилиндры приводятся в воздействие, лишь в то время, когда нужно расширить мощность либо скоро разогнать автомобиль.

Такая совокупность разрешила существенно экономить горючее в повседневном применении транспортного средства. Эта функция привязана к электронному блоку управления двигателем, потому, что, она регулирует, в то время, когда нужно задействовать все цилиндры, а в то время, когда они не необходимы.

Вывод

Принцип работы двигателя достаточно простой. Так, в случае если взглянуть на разрез ДВС и осознать размещение подробностей возможно легко разобраться с устройством движка, а кроме этого последовательности его процесса работы.

Вариантов размещения подробностей мотора достаточно большое количество и любой автопроизводитель сам решает, как расположить цилиндры, сколько их будет, а кроме этого какую совокупность впрыска установить. Все это и даёт характеристики мотора и конструктивные особенности.

Замедленное в 150 раз воспроизведение работы двигателя внутреннего сгорания.

Похожие статьи, подобранные для Вас:

Oдноцилиндровый ДВС

Описание устройства простейшего двигателя

Чтобы сразу не смущать сложными терминами и громоздкими определениями, сначала рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на бензине, устройство которого представлено на рисунке 4.1.

Состоит этот двигатель из блока с цилиндрическим отверстием внутри – гильзой цилиндра. В гильзе находится поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом. Коленчатый вал, в свою очередь, связан с распределительным валом через цепь (эта связь постоянна и передаточное отношение (О том, что такое «передаточное отношение», будет рассказано в главе 5 «Трансмиссия») составляет 1 к 2, то есть распределительный вал делает один оборот за два оборота коленчатого вала).

Рисунок 4.1 Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.

Рисунок 4.2 Разрез бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 4.4 Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.

Распределительный вал вместе с клапанами расположен в головке блока цилиндров, которая установлена соответственно на блок цилиндров.

Теперь разложим все по частям.

Блок цилиндра — литая деталь из чугуна или из алюминиевого сплава. Блок цилиндров образует картер. По сути, это корпус, внутри которого находятся основные элементы кривошипно-шатунного механизма (о котором речь пойдет ниже). Этот корпус имеет двойные стенки (именуемые рубашкой блока). В полостях между стенками течет охлаждающая жидкость, если двигатель с жидкостным охлаждением. Если двигатель с воздушным охлаждением, то блок имеет одну стенку с многочисленными ребрами для отвода тепла, как показано на рисунке 4.3.

В блоке имеются гильза и масляные каналы для подвода смазки к трущимся деталям. Рабочая поверхность гильзы, с которой соприкасается поршень, называется зеркалом цилиндра.

Поршень имеет вид перевернутого стакана, обычно отлит из алюминиевого сплава. В цилиндр поршень устанавливается с очень небольшим зазором (обычно сотые доли миллиметра). Чтобы газы, образовавшиеся при сгорании топлива, через этот зазор не прорвались в картер блока цилиндров, поршень уплотнен кольцами. Обычно устанавливают два компрессионных кольца (они воспринимают основную нагрузку при перемещении поршня) и одно маслосъемное (оно состоит из нескольких элементов), необходимое для снятия со стенок цилиндра моторного масла. Поршень, шарнирно, то есть через палец соединен с верхней головкой шатуна, а шатун, в свою очередь, шарнирно соединен с коленчатым валом. Шатун вместе с коленчатым валом и называют кривошипно-шатунным механизмом. Благодаря шатуну поступательное движение поршня вверх и вниз преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Примечание
Уважаемый читатель может подумать, что пропустил целый раздел, ведь на рисунке 4.1 отсутствует и палец, и верхняя головка шатуна, но это не так — вышеприведенное описание дано для общего представления о двигателе внутреннего сгорания, а вот устройство каждого из элементов подробно рассмотрено в разделе 4.7 «Блок цилиндров и кривошипно-шатунный механизм».

Головка блока цилиндра — по сути, это корпус (обычно из алюминиевого сплава), в котором, в зависимости от конструкции (Слова «в зависимости от конструкции» означают, что не всегда распределительный вал или валы располагают в головке блока. Об этом подробнее будет рассказано в главе 4.6 «Головка блока цилиндров»), находится распределительный вал (или валы), а также клапаны – впускной и выпускной. Распределительный вал и клапаны называют газораспределительным механизмом (ГРМ). Распределительный вал необходим для своевременного открытия впускных и выпускных клапанов. Клапаны плотно прилегают к головке блока цилиндра и прижимаются с помощью клапанных пружин.

Вот и весь четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Сложного ничего нет.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактным двигатель называется потому, что полный рабочий процесс разбит на четыре промежутка – такта. Из этих тактов только один рабочий, то есть тот, во время которого происходит перемещение поршня под действием газов, выделяющихся при сгорании топливовоздушной смеси. Каждый такт приходится (приблизительно) на один полуоборот коленчатого вала.

Примечание
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее положение поршня в верхней части цилиндра.
Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее положение поршня в нижней части цилиндра.
Расстояние от ВМТ до НМТ называется ходом поршня.

Наверняка, у каждого в детстве был велосипед. И, если спускала шина, то ее необходимо было подкачать насосом. Так вот, хотя и отдаленно, но этот насос для накачивания шин напоминает нам наш одноцилиндровый двигатель. Внутри цилиндрического корпуса насоса тоже есть клапаны и так же двигается поршень. Когда вы тяните ручку поршня на себя, через клапан в корпусе всасывается воздух, когда двигаете поршень вниз — клапан на впуске закрывается и воздух выходит через клапан на выпуске в трубку, попадая в шину колеса велосипеда. Теперь мысленно представим перевернутый насос, у которого мы начали перемещать поршень вниз, набирая при этом внутрь корпуса воздух, так же мысленно закрываем выпускное отверстие, например, пальцем, и начинаем перемещать поршень насоса вверх – воздух при этом начнет сжиматься, так как деваться ему некуда. Доведя поршень насоса до упора, мы возьми и подожги засыпанный до начала этого действа порох в корпусе. Сгорая, этот порох будет выделять большое количество газа, который, в свою очередь, повысит давление внутри корпуса и начнет перемещать поршень, только уже без нашего участия – самостоятельно. Когда порох полностью выгорит, а поршень дойдет до самой нижней точки, мы откроем выпускное отверстие, и начнем снова перемещать поршень вверх, выталкивая из корпуса насоса уже отработавшие свое газы. Вытолкнув продукты горения наружу, мы снова закрываем пальцем выпускное отверстие насоса и начинаем повторять все вышеперечисленное в той же последовательности. Вот так же приблизительно работает любой четырехтактный бензиновый двигатель. Поместите корпус насоса в блок, клапаны установите в головку, которую в свою очередь смонтируйте на блок, а поршень соедините через шатун с коленвалом и получите наш простейший одноцилиндровый двигатель.

Есть такое понятие, как «рабочий цикл». Это совокупность процессов, происходящих последовательно в цилиндре двигателя при вращении коленчатого вала на два полных оборота (720^o). Рабочий цикл состоит из тактов.

Примечание
Читая далее описание процессов, вспомните о насосе, который был описан перед этим.

Собственно, ничего сложного. Практически все четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива бензин, работают по такому принципу.

Первый такт. Впуск воздуха, смешанного с топливом

Коленвал, вращаясь, перемещает поршень вниз из ВМТ. В этот момент открыт впускной клапан, через него в цилиндр всасывается воздух вперемешку с распыленным топливом (в виде очень мелких капелек). Далее поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается

Второй такт. Сжатие

Коленвал продолжает вращаться, а поршень начинает от НМТ перемещаться вверх, сжимая при этом топливовоздушную смесь, дополнительно более тщательно смешивая топливо с воздухом, чтобы смесь была максимально однородная. Оба клапана закрыты

Третий такт. Рабочий ход

Поршень в ВМТ, в камере сгорания сжатая и нагретая до высокой температуры смесь, в этот момент возникает разряд между электродами свечи, который поджигает топливо. Сгорая, топливовоздушная смесь выделяет газы, которые, к слову, разогреты до 800 градусов Цельсия, создается высокое давление, под действием которого поршень перемещается вниз, толкая коленчатый вал. Весь процесс протекает до НМТ

Четвертый такт. Выпуск

Газы свое дело сделали, теперь от них необходимо избавиться, чтобы подготовить цилиндр для следующей порции топливовоздушной смеси. После НМТ, открывается выпускной клапан, поршень под действием силы инерции поднимается вверх, выталкивая отработанные газы. После того, как поршень достигнет ВМТ и будут удалены все отработанные газы, весь процесс повторится заново.

4.2. Двигатели внутреннего сгорания / КонсультантПлюс

4.2.1. Подготовка и проведение работ по техническому обслуживанию и ремонту главных или вспомогательных двигателей производятся под руководством лица, ответственного за заведование, или руководителя работ.

В его обязанности входят: обеспечение согласованных действий специалистов, занятых работами по ТО, подготовка специнструмента, а также установка необходимых временных ограждений и вывешивание предупредительных знаков безопасности (табличек с соответствующими предупредительными надписями).

4.2.2. На весь период работ по ТО на неработающем двигателе должно быть введено в зацепление валоповоротное устройство (или установлено другое стопорное устройство), должны быть вывешены соответствующие предупредительные таблички. Необходимо перекрыть топливные, масляные, воздушные клапаны и клапаны системы охлаждения.

На судах с двумя двигателями, работающими на общий гребной вал через гидромуфту, двигатель, на котором будут производиться работы, должен быть надежно отключен от гидромуфты и должно быть включено валоповоротное или другое стопорное устройство.

После окончания работ валоповоротное устройство (или стопорное) должно быть отключено.

4.2.3. Люки картера двигателей внутреннего сгорания следует открывать через промежуток времени, устанавливаемый инструкцией завода-изготовителя (в случае остановки из-за перегрева деталей ЦПГ время до снятия люков увеличивается).

После открытия картера должна быть обеспечена его вентиляция, а также вентиляция машинных помещений. Для производства каких-либо работ в картере используются светильники или фонари во взрывобезопасном исполнении напряжением не более 12 В.

4.2.4. При демонтаже крышек цилиндров, форсунок, предохранительных и пусковых клапанов двигателей в случае их пригорания в посадочных стаканах для их подрыва следует применять съемные приспособления.

Перед демонтажом пусковых, впускных и выпускных клапанов, форсунок, предохранительных клапанов на неработающем двигателе следует открыть индикаторный кран для снятия давления в цилиндре.

4.2.5. Опрессовка форсунок главных и вспомогательных двигателей должна производиться в специально выделенных для этой цели помещениях с вытяжной вентиляцией, оборудованных испытательными стендами с предохранительными прозрачными колпаками.

(в ред. извещения по охране труда Минтранса РФ от 18.04.1995 N 1-95)

(см. текст в предыдущей редакции)

4.2.6. После демонтажа цилиндровых крышек отверстия цилиндров двигателей должны быть закрыты деревянными крышками.

4.2.7. При спуске в цилиндр двигателя для выполнения замеров и других работ необходимо пользоваться изготовленным для этих целей трапом.

Ступеньки трапа должны быть выполнены из металлического четырехгранного прутка, поставленного на ребро. При работах в продувочных, выхлопных ресиверах запрещается просовывать руки в продувочные и выпускные окна.

Через отверстия снятых выпускных клапанов в крышках двигателей с прямоточно-клапанной продувкой разрешается производить предварительный осмотр полостей цилиндров.

4.2.8. Запрещается подтягивание резьбовых соединений топливных трубопроводов во время работы двигателя. При отыскании места разрывов в форсуночных трубках не допускается ощупывание трубки рукой.

4.2.9. Во избежание возможного скопления в воздухопроводах главных и вспомогательных двигателей паров масла взрывоопасной концентрации их надо продувать сжатым воздухом.

Открыть полный текст документа

Двигатель внутреннего сгорания — обзор

1.6 ДВИГАТЕЛИ С ПРЯМЫМ ВПРЫСКОМ, ДВУХТАКТНЫЕ И ДИЗЕЛЬНЫЕ

Помимо четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (SI) широко используются два других двигателя внутреннего сгорания: двухтактный бензиновый двигатель и дизель. На транспорте двухтактный бензиновый двигатель используется в развивающихся странах для привода велосипедов, небольших мотороллеров и мотоциклов из-за его небольшого размера и веса, а также низкой стоимости. Дизель доминирует на рынке двигателей для грузовиков, поскольку его эффективность значительно выше, чем у двигателя с искровым зажиганием.Во многих странах дизельное топливо захватило значительную долю рынка автомобильных двигателей по аналогичным причинам, особенно в странах, где цены на топливо высоки и где дизельное топливо облагается меньшим налогом, чем бензин. Хотя основы процессов образования загрязняющих веществ аналогичны в этих двух других двигателях, детали значительно отличаются, и с дизельным двигателем возникает новая проблема — частицы выхлопных газов.

Двухтактный двигатель выпускает сгоревшие газы из цилиндра в основном за счет вдувания свежего воздуха в течение примерно одной трети каждого оборота коленчатого вала, когда кривошип проходит через свое нижнее положение.Чтобы сделать этот процесс продувки эффективным, значительная часть свежего воздуха, поступающего в цилиндр через перекачивающие каналы в нижней части гильзы цилиндра, неизбежно выходит прямо из выпускных отверстий (обычно расположенных на другой стороне гильзы). В простейших, небольших двухтактных двигателях SI с карбюратором бензин смешивается с воздухом перед поступлением в цилиндр. Таким образом, это короткое замыкание воздуха непосредственно через цилиндр приводит к соответствующей потере топлива.Это существенный штраф за экономию топлива (до 25 процентов) и приводит к очень значительным выбросам углеводородов. Таким образом, в городах с большим количеством мотоциклов, мотороллеров, мотоциклов и трехколесных такси двухтактный двигатель является важным источником выбросов.

В результате значительных усилий по развитию за последние 15 лет был изучен потенциал использования прямого впрыска бензина в цилиндр, чтобы избежать потери топлива во время продувки. Эти усилия были нацелены на автомобильный, морской и мотоциклетный секторы.На рис. 1.10 показана одна из наиболее многообещающих технологий прямого впрыска, разработанная Orbital Engine Company для двухтактных двигателей с продувкой картера. Необходимый контроль выбросов с помощью этой концепции достигается путем непосредственного впрыска бензина в цилиндр с помощью инжектора с подачей воздуха, который обеспечивает хорошее рассеивание топлива с очень маленькими размерами капель после того, как поднимающийся поршень закрывает выпускные отверстия. Дополнительное управление продувкой достигается с помощью устройства управления потоком выхлопных газов (показано на рисунке), настроенной выхлопной системы с низкой термической инерцией и тесно связанного катализатора окисления для достижения быстрого отключения для управления HC и CO.NO _x контроль достигается внутри цилиндра. При двухтактном процессе продувки внутри цилиндра остается значительно больше сгоревших газов, смешанных со свежим воздухом, чем при четырехтактном процессе газообмена. Этот дополнительный остаточный сгоревший газ в топливно-воздушной смеси в цилиндрах значительно снижает пиковые температуры сгоревшего газа и скорость образования NO.

Рис. 1.10. Характеристики двухтактного бензинового двигателя SI

с непосредственным впрыском топлива (любезно предоставлено Orbital Engine Co.).

Будет ли эта новая технология с прямым впрыском и двухтактным циклом значительно проникнуть на рынок небольших двигателей / мотоциклов, будет зависеть от стоимости этих систем впрыска топлива. Получит ли она широкое распространение на автомобильном рынке, будет зависеть от того, в какой степени ее долговечность и стоимость могут быть улучшены в достаточной степени, чтобы оправдать усилия по разработке, необходимые для того, чтобы сделать возможным массовое производство этой технологии.

Дизель — наиболее эффективный из имеющихся в настоящее время двигателей и, следовательно, широко используется в транспорте (грузовые автомобили, автобусы, железные дороги и легковые автомобили), когда особенно важна экономия топлива.В наиболее эффективной форме дизельного топлива топливо впрыскивается с помощью системы впрыска под высоким давлением в камеру сгорания или чашу в верхней части поршня ближе к концу процесса сжатия, как показано на рисунке 1.11. Впрыснутое жидкое топливо распыляется, образует спрей, испаряется, смешивается с высокотемпературным воздухом и самовоспламеняется вскоре после впрыска. Как только начинается горение, оно продолжается, поскольку дополнительное топливо смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Выбросы углеводородов и окиси углерода в дизельном топливе низкие, поскольку сгорание почти завершено, а двигатель всегда работает на обедненной смеси с избытком воздуха.Однако выбросы NO _x высоки из-за высоких температур сжигаемого газа. Технология трехкомпонентного катализатора, используемая для хорошего эффекта в стандартном бензиновом двигателе, не может использоваться для снижения уровней NO _x в выхлопных газах дизельных двигателей, поскольку выхлопные газы бедные, а не стехиометрические. Кроме того, процесс смешивания топлива с воздухом во время сгорания приводит к образованию частиц сажи в богатых участках каждой топливной струи. Некоторая часть этой сажи выживает в процессе сгорания несгоревшей и поглощает высокомолекулярные углеводороды из масла и топлива, а также серу в виде сульфата в выхлопных газах с образованием твердых частиц.

Рис. 1.11. (a) Современное малое высокоскоростное дизельное топливо с прямым впрыском и турбонаддувом с четырьмя клапанами на цилиндр (b) Распыление топлива и характеристики камеры сгорания типа «чаша в поршне» (два клапана, наклонная топливная форсунка вне оси, глубокая чаша, высокая завихрение) и усовершенствованные (четырехклапанный, осевой инжектор, неглубокий резервуар, более высокое давление впрыска — 1600 бар, меньшее завихрение) технологии дизельных систем сгорания с непосредственным впрыском

(любезно предоставлено Ford Motor Co.), (любезно предоставлено Mercedes-Benz AG ).

Существенный контроль выбросов NO _x , особенно твердых частиц, от дизельных двигателей был достигнут путем модификации процесса сгорания.Использование оборудования для впрыска топлива с очень высоким давлением впрыска жидкого топлива (~ 2000 бар) и тщательное согласование геометрии камеры сгорания «чаша в поршне», движения воздуха и геометрии распыления значительно снизили образование сажи за счет увеличения количества топлива и воздуха. скорости смешивания. Более тщательный контроль поведения смазочного материала позволил снизить содержание высокомолекулярных углеводородных твердых частиц, которые абсорбируются сажей. Использование топлива с низким содержанием серы уменьшило сульфатный компонент твердых частиц.Катализаторы окисления в выхлопных газах дизельного топлива все чаще используются для дальнейшего снижения содержания растворимого органического компонента в твердых частицах. На сегодняшний день сокращение NO _x было достигнуто за счет тщательного контроля температуры воздуха на входе в двигатель (например, в двигателях с турбонаддувом используется дополнительный охладитель для достижения низкого уровня выбросов NO _x ), а также за счет существенного замедления впрыска, чтобы задержать большую часть процесса сгорания до ранняя часть хода расширения. Последняя стратегия, конечно же, снижает расход топлива на несколько процентов.

В то время как дизель добился прогресса в сокращении выбросов (примерно в 3–4 раза для твердых частиц и в 2–3 раза для NO _x ), что делает этот двигатель, который является наиболее эффективным из доступных двигателей, более Экологичность — важная задача для разработчиков и конструкторов двигателей. Достижение существенного снижения выбросов NO _x является основной задачей. Часть этого сокращения может быть получена за счет рециркуляции выхлопных газов, а меньшая — за счет улучшения топлива.Что действительно необходимо, так это системы каталитического нейтрализатора выхлопных газов для снижения NO _x в среде выхлопных газов дизельного топлива с низким содержанием топлива и при низких температурах. Также потребуются более низкие уровни твердых частиц.

В дополнение к этим двухтактным и высокоскоростным дизельным двигателям потенциально привлекательной новой технологией является четырехтактный двигатель с искровым зажиганием с прямым впрыском. Этот бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива уже производится в Японии, ⁶ обеспечивает повышенную экономию топлива и, следовательно, является одним из способов сокращения выбросов CO ₂ автомобиля.Однако выбросы выхлопных газов этого двигателя не лучше, чем у стандартного двигателя с искровым зажиганием, и, поскольку он обычно работает на обедненной смеси при небольшой нагрузке, он требует новой технологии катализатора для снижения NO _x .

№ 2969: Октановое число

Сегодня обычный или премиум? Инженерный колледж Хьюстонского университета представляет серию статей о машинах, которые заставляют нашу цивилизацию работать, и людях, чья изобретательность создала их.

Каждый раз, когда вы останавливаетесь, чтобы купить бензин для своей машины, вы сталкиваетесь с вопросом: какой сорт бензина покупать? Обычный или один из премиальных? Если вы похожи на меня, вы, вероятно, полагаетесь на обычные, потому что это дешевле.В конце концов, в наши дни газ — это значительная статья расходов. Так в чем же выгода от покупки премиум-класса?

Для ответа нам нужно немного понять, как работают газ и двигатели. В двигателе автомобиля мощность создается путем воспламенения газа, смешанного с воздухом, для создания управляемого взрыва. Физика говорит нам, что мы можем получить более мощный взрыв, сначала сжав газ. Фактически, если мы сжимаем газ достаточно сильно, он взрывается, не зажигая его. На этом принципе построены дизельные двигатели. Двигатели газовые нет.Им нужна свеча зажигания, чтобы начать взрыв.

Поршни двигателя внутреннего сгорания, частичный разрез (Mj-bird / Wikipedia)

Пока все в порядке. Но вот в чем поворот. Слишком сильно выжимайте газ в двигателе автомобиля, и, как и в дизельном топливе, газ может взорваться, не зажигая его. Это не годится для двигателя, работающего на газе. Вы хотите, чтобы свеча зажигания произвела красивый плавный взрыв. При возникновении нежелательных взрывов сжатия можно услышать стук. Автомобиль плохо работает, и двигатель может быть поврежден.Как остановить эти нежелательные взрывы сжатия? Подбирая подходящий газ для конкретной машины. Число на каждой кнопке бензонасоса — 87, 89, 91 или что-то подобное — указывает на то, насколько газ подвержен этим нежелательным взрывам. Число называется октановым числом. Чем выше октановое число, тем сильнее можно сжать газ без взрыва.

АЗС насос с пятью октановыми числами (изображение из Википедии)

Теперь мы смогли ответить на наш первоначальный вопрос: в чем выгода от покупки газа высшего сорта? Для большинства людей ничего.Нет никакой пользы, если смотреть только на октановое число.

Автомобильные двигатели предназначены только для сжатия газа. Роскошные и высокопроизводительные автомобили сильно сжимают газ, чтобы добиться таких вещей, как более быстрое ускорение. Однако большинство автомобилей сконструированы таким образом, чтобы сжимать газ гораздо меньше. Они прекрасно справляются с обычным газом. Премиум, обладающий повышенной устойчивостью к нежелательным взрывам сжатия, не помогает. Это решает проблему, которой нет у большинства автомобилей.

BMW 650i кабриолет (изображение из Википедии)

Ford Fusion сзади (изображение из Википедии)

Конечно, октановое число — это только один показатель газа.Разные бензины содержат разные присадки, обеспечивающие чистоту и бесперебойную работу двигателей. Что на самом деле находится в газе, зависит от компании, которая его производит, и значительные исследования были направлены на создание еще более совершенных присадок. Компании гордятся своими достижениями. Но, в отличие от прошлого, весь газ содержит присадки для очистки двигателя, соответствующие стандартам EPA. Независимо от того, что вы используете, ваши двигатели получают определенный уровень защиты.

Так какой газ покупать? Прочтите руководство по эксплуатации и убедитесь, что у вас правильное октановое число.Просто помните, что более высокое октановое число само по себе не помогает.

Я Энди Бойд из Хьюстонского университета, где интересовался тем, как работают изобретательные умы.

(Музыкальная тема)

Патент США на двигатель внутреннего сгорания (Патент № 10,590,834, выданный 17 марта 2020 г.)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка относится к предварительной заявке на патент США сер.№ 62/501 295 от 4 мая 2017 г .; и предварительная заявка на патент США сер. № 62/479 013, подана 30 марта 2017 г .; и предварительная заявка на патент США сер. № 62/4, подана 28 апреля 2017 г .; Заявка на патент США сер. № 15/903 636, подана 23 февраля 2018 г .; Заявка на патент США сер. № 15/934 625, подана 23 марта 2018 г .; и заявка на патент США сер. № 15/934,742, поданной 23 марта 2018 г.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом относится к двигателям внутреннего сгорания и способам их работы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих двигателях внутреннего сгорания используются совместные цилиндр двигателя и поршневые устройства для выработки энергии с использованием перекачивающего движения. Цилиндр двигателя и поршневые устройства могут использоваться для всасывания или продувки топливовоздушной смеси или строго воздушного заряда (в двигателях с впрыском топлива) для сгорания и удаления отработавших выхлопных газов в многоцикловых операциях, таких как, например, в 2-тактных и 4-тактных двигателях. -цикловые операции. Хотя варианты осуществления настоящего изобретения в основном используются для работы 4-тактного двигателя, формула изобретения, определяющая изобретение, не ограничивается 4-тактными двигателями, если такое ограничение явно не указано в формуле изобретения.

Кроме того, следует понимать, что ссылка в данном документе на «цилиндр» двигателя не ограничивается камерой сгорания, имеющей цилиндрическую форму или круглое поперечное сечение. Вместо этого термин «цилиндр» относится к любой камере сгорания или полости любой формы, которая принимает поршень, имеющий внешнюю форму, приспособленную для эффективного уплотнения (т.е. для обеспечения приемлемого уровня утечки) с боковой стенкой цилиндра. Уплотнение должно действовать, поскольку поршень возвратно-поступательно скользит в цилиндре двигателя в качающем движении.

Цилиндры двигателя могут включать в себя одно или несколько впускных отверстий и одно или несколько выпускных отверстий, которые в совокупности позволяют газам поступать в цилиндр двигателя и из него соответственно. Клапаны двигателя, такие как тарельчатые клапаны, могут использоваться для выборочного открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий. Выборочно синхронизированное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов в сочетании с перекачивающим движением поршней двигателя и подачей топлива может обеспечить подачу воздуха / топлива в цилиндр двигателя для сгорания и удаления отработавших отработавших выхлопных газов. из цилиндра после сгорания.

Существующие поршни двигателей внутреннего сгорания, используемые, например, для цикла Отто или дизельного цикла, как правило, обычно имеют цилиндрическую форму. Более конкретно, типичный поршень двигателя Отто или дизельного двигателя может иметь в целом гладкую юбку цилиндрической формы с круглым поперечным сечением, которое включает в себя периферийные выемки для приема одного или нескольких уплотнительных поршневых колец. Поршень и поршневое кольцо в сборе могут перемещаться возвратно-поступательно внутри цилиндра между положениями верхней мертвой точки и нижней мертвой точки.Контакт поршневых колец со стенкой цилиндра можно смазывать, например, моторным маслом.

Эффективность конкретной конструкции двигателя может зависеть от многих факторов. Среди прочего, эти факторы включают соотношение веса двигателя к мощности, а также пространство над головой, доступное для размещения впускных, выпускных клапанов, вспомогательных клапанов, свечей зажигания, свечей накаливания, топливных форсунок и водяных форсунок. Мощность двигателя часто зависит, по крайней мере частично, от рабочего объема цилиндра.Вес двигателя является функцией, по крайней мере частично, пространства, необходимого для размещения поршней двигателя, которое является функцией цилиндра двигателя и формы поршня. Поршни двигателя цилиндрической формы требуют определенного пространства на единицу объема рабочего объема, и это необходимое пространство зависит от диаметра юбки поршня. Пространство над головой, доступное для размещения впускных клапанов, выпускных клапанов, вспомогательных клапанов, свечей зажигания, свечей накаливания, топливных форсунок и водяных форсунок в поршнях двигателя цилиндрической формы, также ограничено (т.е., функция диаметра юбки поршня. Соответственно, цилиндры и поршни двигателя с круглым поперечным сечением могут быть менее желательными с точки зрения моторного пространства, веса и пространства над головой, чем поршни и цилиндры с некруглым поперечным сечением, для данного рабочего объема двигателя и номинальной мощности.

Компания Honda разработала один известный пример поршня двигателя некруглого поперечного сечения для двигателя мотоцикла. Двигатель внутреннего сгорания Honda с овальным поршнем описан в патенте США No. № 4383508, Irimajiri et al.Honda использовала овальные поршни для увеличения рабочего объема цилиндра и увеличения площади над головой, доступной для клапанов, свечей зажигания и форсунок. Однако поршневой двигатель Хонды овальной формы не был оптимальным и требовал использования двух шатунов между каждым поршнем и коленчатым валом, что увеличивало вес и размер всего двигателя. Овальные поршни Honda также требовали использования специальной технологии, чтобы поршни двигались параллельно стенкам блока цилиндров, что увеличивало вес и сложность двигателя.Соответственно, существует потребность в двигателях с цилиндрами и поршнями некруглого поперечного сечения, которые улучшают реализацию Honda с точки зрения веса, требуемого пространства и размещения впускных клапанов, выпускных клапанов, вспомогательных клапанов, свечей зажигания, свечей накаливания. , топливные форсунки и водяные форсунки.

Два дополнительных фактора, влияющих на эффективность двигателя, — это распространение фронта пламени при сгорании топлива и эффективная передача силы от расширения газов сгорания поршню, используемому для выработки энергии.Поршни, имеющие верхний конец или головку полусферической или куполообразной формы, известны своими эффективными свойствами распространения фронта пламени и эффективной передачей силы газообразных продуктов сгорания на поршень. Однако полусферические поршни не использовались в двигателях с цилиндрами и поршнями некруглого поперечного сечения. Соответственно, существует потребность в поршнях с полусферическими или куполообразными головками для использования в двигателях с цилиндрами и поршнями некруглого поперечного сечения.

Объем двигателя и вес также зависят от конструкции коленчатого вала и соединительной тяги.Как уже отмечалось, для двигателя Honda, использующего поршни с конкретным овальным поперечным сечением, требовалось два соединительных стержня на поршень, что увеличивало вес и сложность двигателя. Соответственно, существует потребность в компактных узлах коленчатого вала и соединительной тяги для использования с поршнями некруглого поперечного сечения, в частности, и для всех двигателей в целом, что является оптимальным с точки зрения веса, требуемого пространства, стоимости и / или надежности.

Стоимость изготовления и стоимость ремонта также являются факторами, которые необходимо учитывать при коммерциализации двигателей.Узлы коленчатого вала обычно требуют использования шлицевых элементов для соединения вместе составляющих элементов, таких как валы и кривошипы. Для изготовления шлицевых элементов могут потребоваться относительно дорогие производственные процессы, а их относительно сложно и дорого ремонтировать. Кроме того, для некоторых двигателей желательно, чтобы центральный вал коленчатого вала в сборе полностью отделялся от других элементов, с которыми он соединен, во время отказа двигателя. Элементы коленчатого вала, соединенные с помощью шлицев, не очень хорошо подходят для разрыва друг друга во время отказа двигателя, и, если бы они были предназначены для этого, ремонт, вероятно, был бы трудным и дорогостоящим.Соответственно, существует потребность в узлах коленчатого вала, которые не требуют шлицевых элементов для соединения составных частей узлов вместе.

Двигатели внутреннего сгорания почти всегда нуждаются в жидкой смазке, такой как моторное масло, для смазки поверхности раздела между поршнем и цилиндром, внутри которого он движется вперед и назад в возвратно-поступательном движении. Системы смазки обычно критически важны, и отказ системы смазки может иметь катастрофические последствия. Потребность в смазке для поршней влечет за собой множество недостатков.Смазка со временем изнашивается и загрязняется, поэтому требует замены, что увеличивает расходы и создает неудобства для работы двигателя. Для многих смазочных материалов требуются насосы и каналы для повторного нанесения смазки на движущиеся части, такие как поршни двигателя. Насосы и каналы, а также другие элементы активной системы смазки должны работать правильно и требовать уплотнений между взаимосвязанными элементами. Утечки в системе смазки возникают естественным образом, поскольку уплотнения со временем изнашиваются, а насосы протекают и изнашиваются, что приводит к дополнительным расходам на техническое обслуживание и неудобствам для работы двигателя.Утечки также могут привести к попаданию смазки в камеру сгорания, препятствуя сгоранию и засоряя форсунки и свечи зажигания или накаливания. Смазка в камере сгорания также может привести к нежелательным выбросам выхлопных газов. Утечки также могут привести к загрязнению смазочного материала побочными продуктами сгорания. Все вышеперечисленные проблемы связаны с использованием смазываемых поршней, и все они добавляют режимы отказов и затраты на техническое обслуживание. Соответственно, существует потребность в двигателях внутреннего сгорания, которые в меньшей степени зависят или совсем не зависят от смазки поршней.

КПД и мощность двигателя также могут зависеть от массы воздуха в камере сгорания. Масса воздуха, которая может быть загружена в камеру сгорания, является функцией разницы давлений между камерой сгорания и источником всасываемого воздуха (например, коллектором) во время цикла впуска, а также эффективным размером и характеристиками потока впускного канала. , и продолжительность события цикла приема. Увеличение любого одного или нескольких из давления всасываемого воздуха, эффективного размера и / или профиля потока всасывающего канала и / или эффективной продолжительности цикла всасывания будет иметь тенденцию к увеличению массы воздуха в камере сгорания и, таким образом, к повышению эффективности и мощности. .Соответственно, существует потребность в двигателях и способах работы двигателя, которые увеличивают и / или улучшают давление всасываемого воздуха, размер и расход впускного отверстия и / или продолжительность события всасывания.

Помимо улучшения переноса воздушной массы в цилиндр двигателя для сгорания, повышение эффективности и мощности двигателя также может быть результатом оптимального завихрения и турбулентности всасываемого воздуха или топливно-воздушной смеси в зонах сжатия цилиндра. Завихрение и турбулентность, возникающие в зонах сжатия, являются функцией многих факторов, в том числе формы верхнего конца поршня и головки блока цилиндров, определяющих камеру сгорания.Соответственно, существует потребность в поршнях и цилиндрах двигателя, форма которых способствовала бы оптимальному завихрению и турбулентности в зонах сжатия камеры сгорания.

КПД и мощность двигателя, возникающие в результате передачи воздушной массы в цилиндр двигателя для сгорания, например, также могут быть функцией времени открытия и закрытия впускных клапанов двигателя. Время открытия и закрытия выпускных и вспомогательных клапанов также может влиять на эффективность и мощность. Обычное срабатывание клапана с фиксированным временем может быть установлено оптимальным для одного набора параметров работы двигателя (например,g., температура окружающей среды, давление, вид топлива и состав смеси, частота вращения и нагрузка двигателя и т. д.). Срабатывание клапана с фиксированным временем может быть неоптимальным для всех других комбинаций условий работы двигателя. Чтобы обеспечить повышенную эффективность и мощность, двигатели снабжены приводами регулируемых клапанов (VVA), однако управление существующими системами VVA может быть сложным и дорогостоящим. Соответственно, существует потребность в системах приведения в действие впускных, выпускных и вспомогательных регулируемых клапанов, которые обеспечивают регулируемые фазы газораспределения без необходимости в чрезмерно сложных или дорогих компонентах.

Для некоторых транспортных средств и других машин с приводом от двигателя могут использоваться двигатели, имеющие низкий центр масс относительно транспортного средства или конструкции машины. Например, низкий центр масс может улучшить характеристики управляемости. Известные двигатели внутреннего сгорания имеют центры масс, по крайней мере частично, из-за необходимости размещать тяжелые головки цилиндров и связанные с ними компоненты в верхней части двигателей. Расположение головок цилиндров в верхней части двигателей обусловлено необходимостью смазывать поршни таким образом, чтобы ограничить количество смазочного масла, попадающего в камеры сгорания.Соответственно, существует потребность в двигателях с инновационными решениями для смазки поршней. Новые системы смазки, методы и / или заменители могут устранить необходимость размещения тяжелых головок цилиндров и связанных с ними компонентов в верхней части двигателя, что позволяет проектировать двигатели с более низким центром масс по сравнению с другими двигателями сопоставимого веса, мощности и стоимости. .

ОБЪЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение двигателей и способов работы двигателя, которые уменьшают объем пространства, необходимого для двигателя заданного рабочего объема и / или номинальная мощность при использовании поршней двигателя некруглого поперечного сечения.Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение двигателей и способов работы двигателя, которые уменьшают вес двигателя с заданным рабочим объемом и / или номинальной мощностью за счет использования поршней двигателя с некруглым поперечное сечение. Двигатели с цилиндрами и поршнями некруглого поперечного сечения могут производить ту же мощность, что и двигатель с цилиндрами с круглым поперечным сечением, с меньшими затратами пространства, поскольку поршни расположены ближе друг к другу, тем самым уменьшая вес двигателя и эффективно увеличивая мощность по отношению к весу. передаточное отношение двигателя.В частности, двигатели с прямоугольным поперечным сечением со скругленными углами или вытянутым овалом могут обеспечить улучшенное соотношение веса и мощности.

Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей с увеличенным пространством над головой для размещения впускных клапанов, выпускных клапанов, вспомогательных клапанов, свечей зажигания, свечей накаливания, топливных форсунок и водяных форсунок. . Цилиндры с некруглым поперечным сечением могут иметь большую площадь поверхности головки, чем цилиндры с круглым поперечным сечением в двигателях сравнимого веса.

Также целью некоторых, но не обязательно всех, вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, которые позволяют расположить свечу зажигания, свечу накаливания, водяную форсунку и / или топливную форсунку по центру над поршень в зоне сжатия и / или турбулентности. Располагая инжектор рядом с центром поршня рядом с искрой или свечой накаливания и в более турбулентной зоне сжатия и завихрения, можно впрыскивать топливо в соответствующее время вокруг верхней мертвой точки с соответствующим смешиванием со сжатыми газами, тем самым позволяя смесь с улучшенным соотношением или локализованная бедная смесь сжатой загрузки.Это может позволить более радикальную синхронизацию клапанов для достижения продувки камеры без неизрасходованных потерь топлива через выпускное отверстие и позволить более мелкий ход сжатия, позволяя некоторой части всасываемого воздуха возвращаться во впускное отверстие перед закрытием впускного клапана, тем самым создавая сравнительно более длинный ход расширения.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения также является создание двигателей и способов работы двигателя, в которых используются совместные формы головки поршня двигателя и цилиндра, которые включают в себя верхнюю поверхность, которая не является плоской, предпочтительно изогнутой. или куполообразной, более предпочтительно полусферической и еще более предпочтительно включающей одно или несколько углублений.В этом отношении целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание головки поршня двигателя и формы цилиндра, которые способствуют завихрению и турбулентности в цилиндре двигателя.

Целью некоторых, но не обязательно всех, вариантов осуществления настоящего изобретения является обеспечение двигателей, способов изготовления двигателей и способов работы двигателя, которые способствуют оптимальному и / или сокращенному распространению фронта пламени во время сгорания.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения также является создание двигателей и способов работы двигателя, которые устраняют необходимость смазывать интерфейс поршень-цилиндр, тем самым снижая сложность двигателя, стоимость и требования к техническому обслуживанию.В связи с этим в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут использоваться поршни и стенки цилиндра совместной формы, которые имеют поверхностные элементы, которые образуют эффективный эквивалент уплотнения между ними, без необходимости использования поршневых колец или смазки.

Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, которые уменьшают вес двигателя с заданным рабочим объемом и / или номинальной мощностью за счет использования поршней двигателя для наддува. давление всасываемого воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя для сгорания.В этом отношении герметичная полость под поршнем может использоваться в двухтактном процессе, чтобы действовать как компрессор и повышать давление на впуске, как нагнетатель. Это позволяет более эффективно использовать ранее недостаточно используемое пространство для увеличения мощности двигателя. Размещение «нагнетателя» непосредственно внутри двигателя может снизить связанные с этим потери мощности из-за перекачивания и передачи мощности по сравнению с расположенными снаружи нагнетателями, приводимыми в действие шкивами, ремнями или шестернями от выхода коленчатого вала.

Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, в которых камеры сгорания и нагнетатель масштабируются с использованием смазочного материала (например,g., масло), транспортируемый через поршень для непосредственной заливки, повышения давления и смазки этих уплотнений.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, в которых избыточная утечка между камерой сгорания и камерой наддува рециркулирует в камеру сгорания посредством процесса нагнетания, как возврат заряда и / или рециркуляция выхлопных газов для снижения выбросов. Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является уменьшение утечки из камеры сгорания в картер, поскольку камера нагнетателя может действовать как буфер для разбавления между камерой сгорания и картером.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, которые ограничивают или предотвращают проникновение масла в камеры сгорания и наддува, тем самым снижая нежелательные выбросы. За счет удаления масла из системы, где это практически возможно, масляные аэрозоли удаляются из выхлопных газов, тем самым предотвращая накопление масла и побочных продуктов масла на клапанах, форсунках, свечах зажигания, турбонагнетателях, каталитических нейтрализаторах и других компонентах системы двигателя.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения также является создание двигателей и способов работы двигателя, которые ограничивают или предотвращают проникновение продуктов сгорания и побочных продуктов в масло, которые могут вводить частицы углерода. , неизрасходованные углеводороды и другие твердые частицы, которые могут загрязнять и изменять pH масла. Уменьшение или устранение этих источников загрязнения маслом может предотвратить коррозию масляной системы и продлить срок службы масла, тем самым снижая необходимые затраты на техническое обслуживание и уменьшая вспомогательные расходы на транспортировку, хранение и переработку масла.

Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя с более компактными и легкими узлами коленчатого вала, шатуна и крейцкопфа. Также целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является предоставление двигателей и способов работы двигателя с коленчатым валом, шатуном и узлами крейцкопфа, сконфигурированными для использования с цилиндрами двигателя и поршнями с некруглыми поперечинами. разделы.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения также является создание двигателей и способов работы двигателя с отламывающимися компонентами двигателя, такими как кривошипы на коленчатом валу. С этой целью некоторые компоненты двигателя, такие как валы и кривошипы, могут быть соединены с помощью нескольких серийно выпускаемых штифтов или ключей без использования шлицевых элементов, что обычно требует дорогостоящих производственных процессов. Множественные штифты или шпонки могут создавать заменяемую шлицевую конструкцию для передачи крутящего момента и энергии вращения, которая будет сдвигать в ненормальных условиях эксплуатации, чтобы сохранить двигатель, допуская лишь минимальное повреждение двух соединенных элементов.После выхода из строя обрезанные штифты или ключи можно быстро заменить, чтобы сократить время простоя.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения также является создание двигателей и способов работы двигателя с многоступенчатым телескопическим тарельчатым клапаном. Используя многоступенчатый тарельчатый клапан, заданный объем воздуха может быть загружен в цилиндр двигателя быстрее и с меньшими ограничениями, что может снизить насосные потери и улучшить работу в диапазонах высоких оборотов. Конструкция многоступенчатого тарельчатого клапана может позволить открыть часть площади внутренней поверхности клапана для потока воздуха.В фиксированном варианте эта конструкция может позволить удалить некоторую движущуюся массу тарельчатого клапана из клапанного механизма, позволяя клапану открываться немного быстрее и поддерживать управление без плавания при немного более высоких оборотах. Эта конструкция клапана может использоваться с дополнительным клапаном (например, независимым кулачком, коромыслом или VVA), позволяя отдельным внутренним и внешним клапанам приводиться в действие независимо. Это может создать многоступенчатый клапан с регулируемой апертурой, внутренняя и внешняя секции которого могут управляться с помощью регулируемых фаз газораспределения в зависимости от условий двигателя.Стратегия управления может также позволить этой конструкции клапана заменить отдельную дроссельную заслонку, поскольку сам клапан может действовать как управляемое компьютером ограничение переменной на впускном тракте двигателя.

Целью некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения является создание двигателей и способов работы двигателя, в которых двигатель обычно работает в перевернутой ориентации или ориентации головки поршня вниз. Двигатели, в которых поршни и головки цилиндров расположены ниже коленчатого вала (т.е.е., ближе к центру местного гравитационно-доминирующего земного тела) может иметь сравнительно более низкий центр масс, чем двигатели с традиционной ориентацией. Этот более низкий центр масс может обеспечить преимущества для работы двигателя, а когда двигатель установлен на транспортном средстве, преимущества для работы транспортного средства.

Эти и другие преимущества некоторых, но не обязательно всех вариантов осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В ответ на вышеуказанные проблемы заявитель разработал инновационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий: цилиндр двигателя, имеющий стенку цилиндра; поршень, расположенный в цилиндре двигателя, причем указанный поршень имеет юбку и головку; камеру сгорания, примыкающую к головке поршня, ограниченную стенкой цилиндра; камеру нагнетателя, образованную, по меньшей мере, частично пространством между юбкой поршня и частью цилиндра двигателя, удаленной от головки поршня; первое отверстие в камере нагнетателя, второе отверстие в камере нагнетателя; канал для рабочей текучей среды, проходящий от второго отверстия к камере сгорания, первый односторонний клапан расположен в первом отверстии, указанный первый односторонний клапан выполнен с возможностью пропускания потока из источника свежего воздуха в камеру нагнетателя; и второй односторонний клапан, расположенный во втором отверстии, указанный второй односторонний клапан выполнен с возможностью пропускания потока из камеры нагнетателя в канал для рабочей жидкости.

Заявитель дополнительно разработал инновационный способ наддува цилиндра двигателя, включающий следующие этапы: совершение возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре двигателя, причем указанный цилиндр двигателя включает в себя камеру нагнетателя и камеру сгорания, расположенную на противоположных концах поршня; всасывание воздуха в камеру нагнетателя через первый односторонний клапан в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре двигателя, вытеснение воздуха из камеры нагнетателя через второй односторонний клапан в результате возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре двигателя , и направление воздуха, вытесняемого из камеры нагнетателя, в камеру сгорания.

Следует понимать, что как предшествующее общее описание, так и последующее подробное описание являются только примерными и пояснительными и не ограничивают заявленное изобретение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чтобы облегчить понимание этого изобретения, теперь будет сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к аналогичным элементам. Чертежи являются только иллюстративными и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

РИС. 1 представляет собой частичный вид в разрезе с торца цилиндра двигателя внутреннего сгорания, поршня, картера и масляного поддона в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 2 — вид сбоку коленчатого вала, шатуна и крестовины в сборе в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 3 — частичный вид в разрезе цилиндра двигателя внутреннего сгорания, поршня и впускного нагнетателя / промежуточного охладителя в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 4А — изометрический вид прямоугольного поршня в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 4B — вид сверху прямоугольного поршня, показанного на фиг. 4А.

РИС. 4С — вид сбоку в частичном разрезе прямоугольного поршня, показанного на фиг. 4А.

РИС. 5А — изометрический вид прямоугольного поршня для использования в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения.

РИС. 5B — вид сверху прямоугольного поршня, показанного на фиг.5А.

РИС. 5C — вид сбоку в частичном разрезе прямоугольного поршня, показанного на фиг. 5А.

РИС. 6 — покомпонентный вид кривошипа, коленчатого вала и соединительных элементов в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 7A — изометрический вид отдельных внешних и внутренних элементов, соответственно, многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 7В — изометрический вид с частичным разрезом многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана, состоящего из внешних и внутренних элементов, показанных на фиг.7A в закрытом положении клапана.

РИС. 7C — изометрический вид с частичным разрезом многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана, показанного на фиг. 7B в открытом положении клапана.

РИС. 7D — вид сбоку многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана по фиг. 7Б.

РИС. 7E — вид в разрезе многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана, показанного на фиг. 7D.

РИС. 7F — изометрический вид отдельных внешних и внутренних элементов, соответственно, многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 7G — вид сбоку многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана, состоящего из внешнего и внутреннего элементов, показанных на фиг. 7F в закрытом положении клапана.

РИС. 7H — вид сбоку многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана по фиг. 7G в открытом положении клапана.

РИС. 7I — вид в разрезе многоступенчатого телескопического тарельчатого клапана, показанного на фиг. 7H.

РИС. 8А — вид сбоку тарельчатого клапана, показанного на фиг. 7A-7E, и система приведения в действие клапана для тарельчатого клапана в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 8B — вид сбоку тарельчатого клапана, показанного на фиг. 7A-7E, и система приведения в действие клапана для тарельчатого клапана в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 8C — вид сбоку системы приведения в действие клапана, показанной на фиг. 8A, используемый с тарельчатым клапаном, показанным на фиг. 7F-7I.

РИС. 9 — вид сбоку двигателя внутреннего сгорания с обратной ориентацией в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 10А — изометрический вид с частичным разрезом двигателя внутреннего сгорания с обратной ориентацией в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения.

РИС. 10B — вид с торца в разрезе двигателя внутреннего сгорания по фиг. 10А.

РИС. 10С — вид сбоку поршня двигателя и коленчатого вала со смазкой, показанных на фиг. 10А и 10Б.

РИС. 10D — вид сверху поршня двигателя, показанного на фиг. 10C.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будет сделана подробная ссылка на варианты осуществления настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.Со ссылкой на фиг. 1 представлен частичный вид с торца в разрезе поршня двигателя 36 , головки блока цилиндров 37 , блока цилиндров 38 , картера двигателя 39 и масляного резервуара 45 в соответствии с первым воплощение изобретения. Двигатель может быть ориентирован так, чтобы головка 37, блока цилиндров находилась на верхнем конце, то есть с центром масс головки блока цилиндров дальше от центра тяжести местного земного тела с преобладающей силой тяжести (например,г., Земля), чем центр масс блока цилиндров 38 .

Головка блока цилиндров 37 может быть уплотнена с блоком двигателя 38 . Верхние стенки головки блока цилиндров 37 и блока цилиндров 38 определяют камеру сгорания 21 над поршнем 36 . Уплотнение между головкой блока цилиндров 37 и блоком двигателя 38 предотвращает или ограничивает выход воздуха или других газов из камеры сгорания 21 .Головка , 37, цилиндров может иметь множество отверстий, предусмотренных в ней для приема различных компонентов двигателя. Первое отверстие может обеспечивать впускной канал, который может выборочно блокироваться и разблокироваться впускным тарельчатым клапаном , 26, . Второе отверстие может обеспечивать выпускной канал, который может выборочно блокироваться и разблокироваться выпускным тарельчатым клапаном 32, . Третье отверстие может принимать свечу зажигания 53, для двигателей с искровым зажиганием или свечу накаливания для дизельных двигателей.Четвертое отверстие может принимать непосредственный топливный инжектор , 54, . Дополнительные отверстия могут быть предусмотрены в головке 37, цилиндров для дополнительных впускных клапанов, выпускных клапанов, вспомогательных клапанов, свечей зажигания, свечей накаливания, топливных форсунок и / или водяных форсунок. Предпочтительно, впускной тарельчатый клапан (ы) 26 , выпускной тарельчатый клапан (ы) 32 , свеча (и) зажигания 53 , прямой топливный инжектор (ы) 54 и водяной инжектор (не показаны), предусмотрены в центральных местах головки блока цилиндров 37 или рядом с ними.

Удлиненные штоки впускного тарельчатого клапана 26 и выпускного тарельчатого клапана могут быть смещены к их соответствующим кулачковым толкателям 29 с помощью клапанных пружин 27 . Толкатели кулачков 29 могут поворачиваться вокруг гидравлических подъемников 30 под действием кулачков 28 . Гидравлические подъемники , 30, могут управляться для обеспечения регулируемого срабатывания клапана, хотя это не требуется, и в этом случае гидравлические подъемники могут использоваться для простой регулировки зазора клапана.Пружины клапана 27, могут смещать впускные и выпускные тарельчатые клапаны 26, и 32 в закрытые положения, когда их соответствующие кулачки 28 находятся на основной окружности относительно толкателей кулачков 29 . Понятно, что описанная выше конструкция клапанного механизма может быть изменена без отклонения от предполагаемого объема настоящего изобретения. Различные комбинации механических, электрических и / или гидравлических компонентов могут использоваться для приведения в действие впускных и выпускных тарельчатых клапанов.

Поршень 36 может располагаться с возможностью скольжения в блоке двигателя 38 под головкой цилиндра 37 . Поршень 36 может иметь головку 22 поршня на верхнем конце, нижнем конце и боковую стенку или юбку 35 поршня, проходящую между верхним концом и нижним концом поршня. Юбка , 35, поршня может иметь, как правило, нецилиндрическую форму, а головка 22 поршня может иметь куполообразную форму вместе с верхней торцевой стенкой камеры сгорания 21 .Одно или несколько углублений 23 могут быть образованы в головке поршня 22 . Если смотреть сверху на камеру сгорания 21 , внешние периметры юбки поршня , 35, и головки поршня 22 могут иметь некруглую форму поперечного сечения, предпочтительно прямоугольную форму с закругленными углами. углы. Цилиндр может иметь соответствующую форму поперечного сечения. Термин «прямоугольный» относится к форме с четырьмя прямыми краями, соединенными четырьмя закругленными углами под углом девяносто градусов, при этом имеется по крайней мере две противоположные пары прямых краев одинаковой длины, разделенных закругленными углами, или все четыре прямых края одинаковой длины (квадрат), разделенные закругленными углами под углом девяносто градусов.Размер закругленных углов может варьироваться, и в некоторых вариантах осуществления может занимать доминирующую часть стороны прямоугольника.

Кривизна внешней поверхности головки поршня 22 может быть предпочтительно полусферической или полусферической и может иметь по существу постоянный радиус кривизны. Верхний купол головки 22 поршня может проходить между диаметрально противоположными краями юбки 35 поршня, и, таким образом, диаметры юбки 35 поршня и верхнего купола могут быть по существу одинаковыми.Верхний купол может иметь самый верхний венец или вершину, которая может быть расположена в точке, разнесенной или совпадающей с исходной осевой осевой линией, проходящей через центры верхнего купола и юбки 35 поршня. Другими словами, вершина может быть смещена от центра и проксимальнее той стороны цилиндра двигателя, в которой расположен поршень , 36, , или может быть по центру относительно цилиндра двигателя.

Со ссылкой на фиг. 1 и 2, поршень 36 может быть прикреплен к траверсе 34 , которая скользит по верхней направляющей крейцкопфа 33 и нижней направляющей крейцкопфа 43 .Верхняя направляющая крейцкопфа 33 и нижняя направляющая крейцкопфа 43 ограничивают поперечину 34 чисто линейным движением. Нижняя часть крейцкопфа 34, может проходить за нижнюю направляющую крейцкопфа 43 в масляный резервуар 45 . Быстрое погружение и опускание крейцкопфа 34 в масляный резервуар 45 может вызвать разбрызгивание масла, которое смазывает компоненты двигателя в картере 39 .Верхняя направляющая крейцкопфа 33 может образовывать барьер, который предотвращает попадание масла в нижнюю камеру (нагнетателя) 51 из картера 39 , и который предотвращает попадание газов из нижней камеры в картер. Один или несколько дренажных каналов 44 могут проходить между картером 39 и масляным резервуаром 45 .

Продолжая ссылаться на фиг. 1 и 2, поперечина 34 может быть шарнирно соединена с двумя шатунами 42 с помощью пальца для запястья 31 , расположенного между верхней направляющей траверсы 33 и нижней направляющей траверсы 43 .Каждый шатун , 42, выровнен параллельно другому шатуну и жестко соединен с ним пальцем для запястья 31 . Шатун 42 и штифт 31 для запястья могут быть соединены, например, с помощью сварки, штифта, прессовой посадки, фиксации формы или стопорных винтов. Палец , 31, для запястья может иметь осевой размер, который параллелен осевому размеру коленчатого вала 41 , но на расстоянии от него. Две шатуны , 42, могут быть расположены на противоположных сторонах крейцкопфа , 34, .Концы шатунов , 42, , удаленные от пальца 31, , могут быть шарнирно соединены с соответствующими кривошипами 40 , расположенными на противоположных сторонах траверсы 34 . Каждый из кривошипов , 40, может быть соединен с разъемным коленчатым валом, состоящим из двух соосных секций 41 коленчатого вала, расположенных на противоположных сторонах траверсы 34 . Каждый кривошип 40 может иметь смещение (то есть расстояние между (i) точкой поворота кривошипа 40 и шатуном 42 и (ii) осью коленчатого вала 41 ), равное половине подходящая длина хода поршня 36 .

РИС. 6 иллюстрирует предпочтительный способ соединения кривошипа 40 с секцией 41 коленчатого вала. Отверстие, предусмотренное в кривошипе 40 для приема коленчатого вала 41 , может иметь множество замочных отверстий 67 кривошипа, сформированных в боковой стенке отверстия. Коленчатый вал , 41, может иметь соответствующий набор замочных отверстий 68, коленчатого вала, образованных по внешней окружности одного конца коленчатого вала. Штифты / шпонки 58 могут быть вставлены либо в замочные отверстия коленвала 67 , либо в замочные скважины коленчатого вала 68 , после чего кривошип 40 и коленчатый вал 41 могут быть запрессованы вместе, чтобы образовать жестко соединенные кривошип и коленчатый вал. сборка.Число, размер, форма и материал штифтов / ключей , 58, могут быть выбраны таким образом, чтобы штифты / ключи могли срезаться с приемлемым повреждением, если узел подвергается вредным уровням ускорения, замедления, некруглого движения или превышение предельного крутящего момента. Срезные штифты / шпонки , 58, могут позволить соединенному кривошипу 40 и коленчатому валу 41 выйти из зацепления и предотвратить передачу неприемлемых усилий другим компонентам двигателя и трансмиссии. Срезные штифты / шпонки 58 могут упростить ремонт узла с помощью недорогих деталей после отказа.

Следует понимать, что двигатель, показанный на фиг. 1 может включать обычные впускные и выпускные тарельчатые клапаны. Однако фиг. На фиг.7А-7Е включительно показан альтернативный многоступенчатый тарельчатый клапан двигателя для использования в качестве впускного тарельчатого клапана (ов) 26 и / или выпускного тарельчатого клапана (ов) 32 в различных вариантах осуществления настоящего изобретения. Со ссылкой на фиг. 7A, многоступенчатый тарельчатый клапан может включать в себя внутренний тарельчатый клапан 60 совместной формы и размеров и внешний тарельчатый клапан 59 .Внешний тарельчатый клапан 59 может иметь верхний удлиненный полый шток 73 , нижнюю головку / седло клапана 75 и корпус промежуточной клетки 74 . Корпус клетки , 74, может включать в себя множество пальцев , 76, , которые соединяют верхний удлиненный полый шток 73 с нижней головкой / седлом 75 клапана. Нижняя головка / седло 75 внешнего тарельчатого клапана 59 может иметь порт или отверстие 79 , проходящее через него от нижней поверхности к корпусу клетки 74 .Внутренний тарельчатый клапан 60 может иметь верхний удлиненный шток 77 и нижнюю головку клапана 78 .

Со ссылкой на фиг. 7B, 7D и 7E, шток 77 внутреннего тарельчатого клапана 60 выполнен с возможностью надежного скольжения внутри полого штока 73 внешнего тарельчатого клапана 59 . Головка 78 внутреннего тарельчатого клапана 60 сконфигурирована для уплотнения относительно головки / седла 75 внешнего тарельчатого клапана 59 , чтобы заблокировать порт 79 , когда внутренний тарельчатый клапан находится в клапане. закрытое положение.Головка / седло 75 внешнего тарельчатого клапана 59 выполнена с возможностью уплотнения относительно седла клапана 62 , чтобы блокировать порт 80 , когда внешний тарельчатый клапан находится в закрытом положении клапана. Когда внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 находятся в закрытых положениях, как показано, поток рабочей жидкости через порты 79 и 80 предотвращается. Внешний тарельчатый клапан 59 охватывает внутренний тарельчатый клапан 60 и головку / седло внешнего тарельчатого клапана 75 , соприкасающийся с уплотнительной поверхностью на головке внутреннего тарельчатого клапана 78 .

Со ссылкой на фиг. На фиг.7С внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 показаны в открытом положении для прохождения рабочей жидкости мимо клапана. Приведение в действие внешнего тарельчатого клапана 59 заставляет внешний тарельчатый клапан перемещаться вниз от седла клапана 62 , а (необязательно) срабатывание внутреннего тарельчатого клапана 60 заставляет его перемещаться вверх от внешнего тарельчатого клапана голова / сиденье 75 .Эти действия, вместе или независимо, позволяют рабочей жидкости проходить мимо клапана в результате внешнего потока 63 и / или внутреннего потока 64 .

Внутренний тарельчатый клапан 60 может быть изготовлен путем ковки с использованием штампов для получения более прочных структур и лучшей ориентации зерен или, например, обточен на токарном станке. Внешний тарельчатый клапан 59 может быть постепенно выкован как плоский элемент, а затем кован и постепенно изогнут до U-образной формы, аналогичной тому, как детали из листового металла формуются в трехмерные структуры.Сборка внутреннего тарельчатого клапана 60 и внешнего тарельчатого клапана 59 может быть завершена путем вставки внутреннего тарельчатого клапана в U-образный внешний тарельчатый клапан и его закрытия. Полученный шов можно оставить слегка открытым или приварить с последующей шлифовкой и полировкой.

В качестве альтернативы внутренний тарельчатый клапан 60 может быть выполнен из двух или более частей, например, шток 77 отделен от головки 78 . Головка внутреннего тарельчатого клапана 77 может быть вставлена ​​через отверстия во внешнем клапане 59 корпус клетки 74 и соединена с внутренним тарельчатым клапаном 60 шток 77 с помощью резьбы, штифтов, запрессовки , сварка или другой тип соединения.В других альтернативных примерах узел внешнего тарельчатого клапана 59 и внутреннего тарельчатого клапана 60 может быть изготовлен с использованием процесса лазерного спекания (быстрое изготовление / 3D-печать), процесса литья по выплавляемым моделям / выплавляемого воска или тонкого литья под давлением с использованием стержней. . Другие способы изготовления описанного многоступенчатого клапана могут быть использованы без отклонения от предполагаемого объема изобретения.

РИС. 8A иллюстрирует пример системы приведения в действие клапана, которая может использоваться для приведения в действие многоступенчатого тарельчатого клапана, имеющего внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 , в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.Гидравлический подъемник , 30, может поддерживаться на нижнем конце неподвижной конструкцией, такой как головка цилиндра. Верхний конец гидравлического подъемника 30, может шарнирно поддерживать первый конец кулачкового толкателя 29 . Кулачковый толкатель 29 может контактировать с кулачком 28 . Конец кулачкового толкателя , 29, , удаленный от подъемника 30, , может контактировать со штоком внешнего тарельчатого клапана 73 , так что движение вниз конца кулачкового толкателя толкает шток внешнего тарельчатого клапана вниз против смещения вверх пружины клапана. 27 .Конец кулачкового толкателя , 29, может быть раздвоенным, так что его движение вниз не вызывает перемещения штока 77 внутреннего тарельчатого клапана. Внутренний тарельчатый клапан 60 , включая его шток 77 , может удерживаться в фиксированном положении с помощью фиксированного крепления 61 .

Положение точки поворота между подъемником 30 и толкателем 29 по отношению к кулачку 28 можно регулировать во время работы двигателя для регулировки зазора.Точка поворота также может быстро регулироваться от цикла к циклу двигателя, чтобы обеспечить регулируемое срабатывание клапана. Когда точка поворота удерживается в фиксированном положении, даже если только на короткое время, поворот кулачка 28 толкает следящий элемент 29 вниз вокруг точки поворота, который, в свою очередь, толкает шток внешнего тарельчатого клапана 73 вниз. Движение вниз внешнего штока тарельчатого клапана 73 толкает головку / седло клапана 75 вниз и от седла 62 и внутренней головки тарельчатого клапана 78 (см. ФИГ.7C). Этот способ приведения в действие клапана может использоваться для обеспечения любых необходимых событий открытия клапана.

С обновленной ссылкой на фиг. 1, поршень , 36, может быть расположен внутри камеры сгорания , 21, таким образом, чтобы юбка 35, поршня была близко совмещена с боковой стенкой камеры сгорания, но на равном расстоянии от нее и параллельно ей. Верхняя торцевая стенка и боковая стенка камеры сгорания 21 вместе с поршневой головкой 22 могут образовывать рабочее пространство или зону сжатия 24 , которая может принимать рабочую жидкость.Поршень 36, может быть выполнен с возможностью скользить внутри камеры сгорания , 21, возвратно-поступательно по направлению к верхней торцевой стенке камеры сгорания 21 и от нее.

Со ссылкой на фиг. 1, 4A, 4B и 4C, юбка поршня , 35, может иметь систему уплотнения текучей среды 25 без колец, состоящую из множества углублений или карманов, разделенных площадками, образующими поле карманов. Предпочтительно карманы могут иметь одинаковую форму и размер с точки зрения формы у рта, формы у основания, высоты, ширины, диаметра, глубины и / или объема.Юбка , 35, поршня предпочтительно представляет собой конструкцию с полой стенкой (т.е. не сплошной между противоположными внешними точками), а карманы образованы в юбке поршня, но не проходят через юбку поршня до полой внутренней части поршня 36 . Карманы в области 25, могут быть расположены, по меньшей мере, в одном круговом ряду или, более предпочтительно, в виде сетки, состоящей из двух или более вертикально разнесенных рядов карманов. Количество, форма, размер и расположение площадок и карманов в области 25 , показанных на чертежах, было выбрано для простоты обсуждения и иллюстрации и не считается ограничивающим.

Уплотнение или его эквивалент может быть изготовлен по всей длине юбки поршня 35 сверху вниз из-за наличия карманов и площадок, расположенных в соответствующем поле системы уплотнения 25 на лицевой стороне поршня. юбка поршня. Уплотнение или его эквивалент может образовываться в результате разницы давлений рабочей жидкости между камерой сгорания 21 и нижней камерой 51 . По мере того, как поршень 36 движется вверх в камере сгорания 21 , давление и температура рабочей жидкости в рабочем пространстве 24 могут повышаться и создавать перепад давления рабочей жидкости между камерой сгорания 21 и нижним. камера 51 .Этот перепад давлений может заставить рабочую жидкость в пространстве между боковой стенкой юбки 35, поршня и боковой стенкой камеры, то есть течь в зазоре уплотнения, течь к нижней камере 51 . Поток рабочей жидкости через зазор уплотнения может вызвать локальный эффект Вентури в каждом кармане в области 25, , что может локально увеличить скорость и снизить давление рабочей жидкости. Скорость и изменение давления рабочей жидкости могут зависеть от практически небольшого зазора между боковой стенкой юбки 35 поршня и боковой стенкой камеры сгорания 21 .

Продолжая ссылаться на фиг. 1, 4A, 4B и 4C, карманы предпочтительно могут иметь относительно острые края на стыке с лицевой стороной юбки 35, поршня, то есть на стыке с площадками. Поскольку рабочая жидкость течет через острый край кармана, может происходить снижение местного давления из-за турбулентности. В результате рабочая жидкость может расширяться, вызывая кратковременное снижение давления и увеличение локальной турбулентности. Дальнейшее перетекание рабочей жидкости в каждый последующий карман может начать цикл, в котором каждый карман служит резонатором типа Гельмгольца или резонирующей колонной (в зависимости от формы развернутого кармана), что может вызвать втягивание рабочей жидкости в и вытеснение из нее. карман с заданной частотой, создающий дополнительную локализованную турбулентность.

Результирующая турбулентность может зависеть от физических свойств рабочей жидкости в системе и диаметра (или высоты и ширины), геометрии, относительного расположения и глубины каждого отдельного кармана в поле 25 . Результирующая турбулентность также может быть функцией практического малого зазора или зазора уплотнения из-за отношения пространственного объема над каждой площадкой к пространственному объему над и внутри каждого кармана. Эта локализованная турбулентность может взаимодействовать с текущей рабочей жидкостью и создавать вихревое движение, которое препятствует дальнейшему течению рабочей жидкости.Уменьшение расхода может на мгновение уменьшить резонансный эффект, который, в свою очередь, может на мгновение уменьшить локализованную турбулентность, что затем может позволить расходу рабочей жидкости на мгновение снова увеличиться.

Когда поршень 36 движется вверх, рабочая жидкость, которая прошла через карманы в самом верхнем ряду (ближайшем к головке поршня 22 ), может затем столкнуться с карманами в соседнем ряду кармана. field 25 , где описанные явления турбулентности повторяются, но при более низком начальном давлении.Этот процесс может повторяться, когда рабочая жидкость проходит через последовательные ряды области кармана системы уплотнения 25, с последовательно уменьшающимся начальным давлением до тех пор, пока местное давление в зазоре уплотнения не снизится до уровня давления рабочей жидкости, содержащейся в нижней камере. 51 . Повторяющийся цикл снижения давления от кармана к карману в области 25 может создать уплотнение или эффективный эквивалент уплотнения, поскольку рабочая жидкость не будет течь мимо точки, в которой местное давление в зазоре уплотнения равно или ниже давление рабочей жидкости в нижней камере 51 .

Локальная турбулентность в каждом кармане может уменьшаться со временем из-за постепенной утечки, допускаемой резонансным действием карманов. Следовательно, локальная турбулентность также может быть функцией скорости движения поршня 36 относительно боковой стенки камеры сгорания 21 , поскольку движение может быть ответственно за изменения давления вокруг поршня 36 в камера сгорания. Эффективность системы уплотнения может потребовать давления рабочей жидкости, которое колеблется, чтобы обеспечить потоки энергии в поле 25, системы уплотнения, обеспечивая постоянный поток внутрь и из карманов, тем самым поддерживая эффективность системы уплотнения.

Скорость утечки уплотнительной системы может быть изменена путем использования различных схем расположения площадок и геометрии карманов в пределах области уплотнительной системы 25 . Расстояние между площадками может быть выбрано для создания карманов для обеспечения противотока предшествующим (верхним) карманам, в то время как передние (нижние) карманы могут препятствовать потоку жидкости, вызывая внутренне затухающие самоусиливающиеся колебания в поле 25 системы уплотнения.

Эффективность области системы уплотнения 25 для конкретного применения может зависеть от внешних размеров области системы уплотнения в дополнение к конструктивным параметрам отдельных карманов.Эффективность уплотнения может быть улучшена путем изменения геометрии некоторых или всех карманов, чтобы они включали сужающуюся область у внутреннего основания карманов и расходящуюся область у горловины карманов. Эффект сопла де Лаваля может быть получен в карманах с использованием сужающейся области и большей расходящейся области для образования резонансной полости на дне карманов, которая может создавать большую локализованную турбулентность из-за локализованного сверхзвукового движения рабочей жидкости.

Со ссылкой на фиг.1, поршень 36 может самоцентрироваться внутри камеры сгорания 21 из-за тенденции давления, окружающего поршень, нормализоваться в любой заданной вертикальной точке на юбке 35 поршня. Например, когда практический небольшой зазор, то есть зазор уплотнения, между поршнем , 36, и окружающим цилиндром на мгновение оказывается неравным относительно центральной оси, общая нормализующая сила может создаваться давлениями, действующими на площадь поверхности противоположные стороны поршня.Эта общая нормализующая сила может подтолкнуть поршень 36, к центральному расположению внутри цилиндра с ослабленными колебаниями вокруг центральной оси. С дополнительной ссылкой на фиг. 4A и 4C, время, необходимое для нормализации усилия для возврата поршня в центр цилиндра, может быть уменьшено путем добавления одной или нескольких выравнивающих канавок , 69, . Выравнивающие канавки , 69, могут быть расположены на контактных площадках или между карманами, или на обоих участках контактных площадок и между карманами, или в боковой стенке камеры 21 напротив карманов, чтобы обеспечить более равномерное распределение сил. быстро на поверхности, используя систему уплотнения.

Следует принять во внимание, что поле 25 карманов и / или выравнивающие канавки 69 , описанные как сформированные на поверхности поршня 36 или на ней, могут вместо этого быть сформированы на поверхности или на поверхности, противоположной поршню. поршень в альтернативных вариантах. Также понятно, что поле 25 карманов, описанных как сформированные на поверхности поршня 36 или на ней, также может быть сформировано на поверхности или на поверхности, противоположной поршню, в дополнение к формированию на поверхности или на поверхности поршня. поршень.Также понятно, что область карманов может использоваться на поршнях, подобных тем, которые показаны на фиг. 4A, 4B и 4C, или на других поршнях другой (т.е. непрямоугольной) формы, с углублениями или без них 23 .

Со ссылкой на фиг. 1, 4A, 4B и 4C показаны детали углублений 23 , образованных в поршне 36 . Может быть одно углубление 23 (левая часть рисунка), предусмотренное для соответствующего впускного тарельчатого клапана 26 , и другое углубление 23 (правая часть рисунка), предусмотренное для соответствующего выпускного тарельчатого клапана 32 .Каждое углубление , 23, может иметь непрерывную, обычно круглую, боковую стенку, проходящую между верхней кромкой и дном углубления. Каждая из боковых стенок углубления может быть изогнутой в двух измерениях — от верхней кромки до дна углубления и в плоскости, по существу параллельной дну углубления, чтобы быть в целом круглой, если смотреть сверху. В качестве альтернативы, боковые стенки могут иметь наклон от пола до верхней кромки вместо изгиба в этом направлении. Высота боковых стенок депрессии (т.е. вертикальное расстояние между верхней кромкой и дном углубления) может изменяться по его длине, предпочтительно имея максимальную высоту в точке, ближайшей к центру поршня 36 , и минимальную высоту в точке, удаленной от центра. поршня. Изогнутая форма боковых стенок углубления 23 в направлении от верхней кромки к направлению дна углубления может изменяться, но предпочтительно является сферической. Полы впадин могут быть в целом плоскими или в меньшей степени изогнутыми, чем боковые стены.Размер углублений 23 также может изменяться, но предпочтительно, чтобы углубления имели больший диаметр на верхней кромке, чем на дне углубления.

Дно углубления каждого углубления 23 может быть установлено под углом относительно прямой кромки, образованной стыком юбки поршня 35 с головкой поршня 22 , как показано на фиг. 4С. Угол, под которым устанавливается дно впадины, может совпадать с углом, образованным между вышеупомянутой прямой кромкой и нижней кромкой соответствующего впускного тарельчатого клапана 26 или выпускного тарельчатого клапана 32 для впадины 23 .Углубления 23 могут быть расположены на головке поршня 22 и иметь такой размер, чтобы соответствующий впускной клапан 26 или выпускной клапан 32 мог работать и, при необходимости, выходить в углубление, не контактируя с поршнем . 36 . Впускной тарельчатый клапан , 26, и / или выпускной тарельчатый клапан 32, может быть расположен над их соответствующим углублением 23 , так что путь выхода рабочей жидкости сжимается между тарельчатым клапаном и депрессией, когда они движутся навстречу друг другу. больше около центра поршня 36 , чем где-либо еще.Формы и / или размеры углублений 23 , образованных в одном поршне 36 , могут отличаться друг от друга, и когда предусмотрены два противоположных углубления 23 , они могут быть расположены на равном расстоянии от центра поршня 36 , как показано, или, альтернативно, установлен на разных расстояниях от центра поршня. Углубления 23 предпочтительно выполнены с возможностью улучшения потока рабочей жидкости в камеру сгорания 21 и из нее.Понятно, что углубления 23, могут использоваться на поршнях, подобных тем, которые показаны на фиг. 4A, 4B и 4C, или на других поршнях другой (т.е. непрямоугольной) формы.

Двигатель, показанный на фиг. 1 может работать следующим образом при работе двигателя с положительной мощностью. Впускной тарельчатый клапан 26 открывается на такте впуска поршня 36 кулачком стороны впуска 28 и толкателем 29 против смещения закрытия пружины клапана 27 .В то же время выпускной тарельчатый клапан 32, может находиться в процессе закрытия под управлением кулачка выпускной стороны 28 и кулачкового толкателя 29 . Открытый впускной тарельчатый клапан 26 позволяет воздуху или наддуву поступать в верхнюю камеру 21 цилиндра и способствует продувке и откачке выхлопных газов через закрывающийся, но еще не закрытый тарельчатый выпускной клапан 32 . Когда такт впуска продолжается, выпускной тарельчатый клапан 32, закрывается, в то время как дополнительный воздух или заряд втягивается в верхнюю камеру 21 из впускного тарельчатого клапана 26 .Заряд может развиваться вне цилиндра рядом с впускным тарельчатым клапаном , 26, , каналом топливной форсунки , 55, (показан на фиг.3) с соответствующей синхронизацией, чтобы позволить топливу адекватно испаряться и смешиваться возле прохода впускного клапана. . Заряд также может вырабатываться внутри верхней камеры 21 прямым топливным инжектором 54 . Инжектор прямого подачи топлива может работать во время одного или обоих направлений движения поршня , 36, . В качестве альтернативы может использоваться комбинация двух стратегий впрыска топлива, впрыска в порт и прямого впрыска.Стратегия комбинирования может быть важной для работы на высоких оборотах, потому что может быть недостаточно времени для правильного распыления, испарения и смешивания топлива с газами, когда используется только прямой впрыск при высоких оборотах.

Событие всасывания заканчивается, когда поршень 36 проходит нижнюю мертвую точку и начинает свой подъем в цилиндре. По мере подъема поршня 36 заряд в цилиндре сжимается в верхней камере 21 . Сжатие и завихрение могут возникать над полусферической головкой поршня 36 посредством углублений 23 .Турбулентность может быть вызвана в форме сжатия и завихрения, когда заряд нагнетается в зону сжатия 24 , где свече зажигания 53, позволяют войти в тесный контакт со сжатым зарядом. Свеча зажигания 53 воспламеняет заряд в соответствующий момент или моменты времени и позволяет фронту пламени распространяться через заряд в центральном объеме. Это способствует более равномерному перемещению фронта пламени и последующему более быстрому распространению фронта пламени, поскольку газы перемешиваются и расширяются, подталкивая поршень 36 вниз.Это передает термодинамическую химическую энергию через давление, действующее на поверхность поршня 36 , которое передает энергию через крестовину 34 в шатун 42 через штифт для запястья 31 , а затем через кривошип 40 , чтобы окончательно повернуть коленчатый вал 41 . Импульс, накопленный внутри кривошипа , 40, , переносит механизм через нижнюю мертвую точку и толкает поршень 36, вверх, когда клапанный механизм открывает выпускной тарельчатый клапан 32 , чтобы обеспечить эвакуацию газов.Этот цикл продолжается до бесконечности, пока двигатель работает. Масло подается из масляного резервуара 45 к подшипникам и уплотнениям по мере необходимости с помощью обычных средств насоса и каналов (не показаны) в соответствующих элементах двигателя и в одном или нескольких блоках двигателя 38 и кривошипе. кожух 39 , который также имеет дренажные каналы 44 для возврата масла в масляный резервуар 45 .

РИС. 3 показан второй вариант двигателя согласно настоящему изобретению.На фиг. 3, в боковой стенке герметичной нижней (нагнетательной) камеры 51 образованы два отверстия, образованных между нижним краем юбки поршня 35 и верхней направляющей крейцкопфа 33 . Каждое отверстие снабжено односторонним пластинчатым клапаном 46 . Первый односторонний клапан 46 позволяет рабочей жидкости (например, воздуху) течь из источника свежего воздуха 48 в нижнюю камеру 51 , но не в обратном направлении в какой-либо значительной степени.Второй односторонний клапан 46 позволяет перекачивать рабочую жидкость 52 из нижней камеры 51 в промежуточный охладитель 50 , где она хранится в виде сжатой рабочей жидкости 49 . Сжатый воздух 49 можно охлаждать и хранить до тех пор, пока он не понадобится. Второй односторонний клапан 46 предотвращает или ограничивает обратный поток рабочей жидкости из промежуточного охладителя 50 в нижнюю камеру 51 . Портовый топливный инжектор 55 может впрыскивать топливо в сжатый воздух 49 .После этого сжатая рабочая жидкость или воздух 49 и топливная смесь в промежуточном охладителе 50 могут течь в камеру сгорания 21 под управлением впускного тарельчатого клапана 26 .

Постепенный поток рабочей жидкости из источника свежего воздуха 48 в нижнюю камеру 51 и из нижней камеры 51 в промежуточный охладитель 50 , является результатом перекачивающего движения поршня 36 .Когда поршень 36, перемещается вверх, результирующая сила вакуума втягивает рабочую жидкость из источника свежего воздуха 48 через первый односторонний клапан 46 , одновременно закрывая второй односторонний клапан. Когда поршень 36 движется вниз, результирующая сила сжатия толкает рабочую жидкость 52 из нижней камеры 51 мимо второго одностороннего клапана 46 в промежуточный охладитель 50 , одновременно подталкивая первый односторонний клапан 46 закрыт.При движении вверх поршня 36 выхлопные газы 47 проходят мимо выпускного тарельчатого клапана 32 . Понятно, что герметичная нижняя камера 51 с двумя односторонними обратными клапанами 46 может использоваться на двигателях, имеющих разные формы поршней, разные тарельчатые клапаны и т.д., чем те, которые показаны на фиг. 3.

Также понятно, что перекачивающее действие поршня 36, или нескольких поршней вместе можно использовать в альтернативных вариантах осуществления для заполнения общего резервуара или напорной камеры сжатым воздухом.Резервуар или камера повышенного давления могут использоваться для подачи воздуха во впускной коллектор, обслуживающий один или несколько впускных тарельчатых клапанов , 26, .

Другой альтернативный вариант двигателя согласно настоящему изобретению может включать в себя поршни двигателя типа, показанного на фиг. 5A, 5B и 5C, на которых показан прямоугольный поршень 36 , который отличается от поршня на фиг. 4A, 4B и 4C в следующем отношении. На фиг. 5A-5C, поршень 36 не включает в себя систему уплотнения текучей среды 25 без колец, состоящую из поля карманов, а вместо этого включает одно или несколько поршневых колец 56 для образования уплотнения с камерой сгорания.Поршень 36 на ФИГ. 5A, 5B и 5C дополнительно включает S-образный направляющий выступ 57 , который образует барьер на поверхности головки поршня 22 между двумя углублениями 23 . Направляющий выступ , 57, может иметь в целом прямоугольное поперечное сечение с обычно плоской верхней поверхностью и двумя противоположными, в основном, плоскими боковыми стенками. Направляющий выступ 57 может также проходить от верхней кромки первого углубления 23 в точке, проксимальной к первой стороне поршня 36 , до верхней кромки второго углубления 23 в точке, проксимальной к вторая противоположная сторона поршня, образующая S-образную форму, если смотреть сверху (фиг.5Б). Направляющий выступ , 57, может иметь наклонные поверхности с уклоном на каждом конце до максимальной высоты, измеренной от основания направляющего выступа до верхнего края или поверхности. Высота направляющего выступа 57, может изменяться по его длине между концевыми аппарелями. В предпочтительном варианте осуществления высота направляющего выступа , 57, может быть наибольшей в точках между концевыми аппарелями и центром S-образной формы (то есть центром поршня , 36, ). S-образная форма направляющего выступа , 57, может быть слегка изогнута от конца до конца.Общая форма и размер направляющего выступа , 57, могут быть выбраны для ускорения потока рабочей жидкости в камере сгорания таким образом, чтобы способствовать процессам сгорания и / или выхлопа. Понятно, что направляющий выступ , 57, может использоваться на поршнях, подобных тем, которые показаны на фиг. 4A, 4B и 4C, или на других поршнях другой (т.е. непрямоугольной) формы, с углублениями или без них 23 .

Четвертый вариант двигателя согласно настоящему изобретению включает в себя тарельчатые клапаны типа, проиллюстрированного на фиг.7F, 7G, 7H и 7I, на которых подобные элементы из других вариантов осуществления помечены одинаковыми ссылочными позициями. ИНЖИР. На фиг.7F показан альтернативный многоступенчатый тарельчатый клапан, который также может включать в себя внутренний тарельчатый клапан 60 совместной формы и размеров и внешний тарельчатый клапан 59 . Внешний тарельчатый клапан 59 может иметь полый верхний шток 73 , нижнюю головку / седло клапана 75 и корпус промежуточной клетки 74 , которые вместе образуют, как правило, удлиненный полый цилиндр.Корпус клетки , 74, может включать в себя множество пальцев , 76, , которые соединяют полый шток 73 с нижней головкой / седлом клапана 75 . Нижняя головка / седло 75 внешнего тарельчатого клапана 59 может иметь порт или отверстие 79 , проходящее через него от нижней поверхности к корпусу клетки 74 . Внутренний тарельчатый клапан 60 может иметь верхний шток 77 и нижнюю головку клапана 78 , сформированные в виде цилиндра с одинаковым диаметром.

Со ссылкой на фиг. 7G, 7H и 7I, шток 77 внутреннего тарельчатого клапана 60 выполнен с возможностью надежного скольжения внутри полого штока 73 внешнего тарельчатого клапана 59 . Головка 78 внутреннего тарельчатого клапана 60 сконфигурирована для уплотнения относительно головки / седла 75 внешнего тарельчатого клапана 59 , чтобы заблокировать порт 79 , когда внутренний тарельчатый клапан находится в клапане. закрытое положение.Головка / седло 75 внешнего тарельчатого клапана 59 выполнена с возможностью уплотнения относительно седла клапана (не показано), чтобы блокировать порт внешнего тарельчатого клапана, когда внешний тарельчатый клапан находится в закрытом положении клапана. Когда внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 находятся в закрытых положениях, поток рабочей жидкости через порты 79 и 80 предотвращается. Внешний тарельчатый клапан 59 охватывает внутренний тарельчатый клапан 60 и головку / седло внешнего тарельчатого клапана 75 , соприкасающийся с уплотнительной поверхностью на головке внутреннего тарельчатого клапана 78 .Со ссылкой на фиг. 7H и 7I, внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 показаны в открытом положении для прохождения рабочей жидкости мимо клапана. Приведение в действие внешнего тарельчатого клапана 59 заставляет внешний тарельчатый клапан перемещаться вниз от его седла, а (необязательно) срабатывание внутреннего тарельчатого клапана 60 заставляет его перемещаться вверх от головки / седла внешнего тарельчатого клапана . Эти действия, вместе или независимо, позволяют рабочей жидкости проходить мимо клапана в результате внешнего потока 63 и / или внутреннего потока 64 .

Пятый вариант осуществления двигателя настоящего изобретения включает в себя систему приведения в действие клапана, показанную на фиг. 8B. ИНЖИР. 8В показан альтернативный пример системы приведения в действие клапана, которая может использоваться для приведения в действие многоступенчатого тарельчатого клапана, имеющего внешний тарельчатый клапан 59 и внутренний тарельчатый клапан 60 , в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Система приведения в действие клапана на фиг. 8B отличается от показанного на фиг. 8A в следующем отношении. На фиг.В варианте осуществления 8В внутренний тарельчатый клапан 60 , включая его шток 77 , не удерживается в одном фиксированном положении, а смещается второй пружиной клапана 27 в закрытое положение. Второй гидравлический подъемник 30 для внутреннего тарельчатого клапана 60 поддерживается на нижнем конце неподвижной конструкцией, такой как головка цилиндра. Верхний конец второго гидравлического подъемника 30, может шарнирно поддерживать первый конец второго кулачкового толкателя 29, .Кулачковый толкатель 29, может контактировать со вторым кулачком 28 для приведения в действие внутреннего тарельчатого клапана 60 . Конец второго кулачкового толкателя , 29, , дальний от второго подъемника 30, , может контактировать со штоком внутреннего тарельчатого клапана 77, , так что движение вниз второго конца кулачкового толкателя толкает шток внутреннего тарельчатого клапана вниз. Движение вниз внутреннего тарельчатого клапана 60, может быть выборочно установлено, чтобы соответствовать движению вниз внешнего тарельчатого клапана 59 , чтобы заблокировать внутренний поток 64 (см. Фиг.7C) полностью или частично во время движения наружного тарельчатого клапана вниз. В качестве альтернативы, движение вниз внутреннего тарельчатого клапана , 60, может воздействовать на внешний тарельчатый клапан 59 , толкая внешний тарельчатый клапан 59 в открытом состоянии, но при этом внутренний поток 64 остается заблокированным (см. Фиг. 7C). Положение точки поворота между вторым подъемником 30, и вторым толкателем , 29, кулачка относительно второго кулачка 28, можно регулировать во время работы двигателя таким же образом, как описано выше для компонентов клапанного механизма, обслуживающих внешнюю тарельчатый клапан 59 .

РИС. 8C иллюстрирует использование системы приведения в действие клапана, показанной на фиг. 8A с внешним тарельчатым клапаном 59 и внутренним тарельчатым клапаном 60 в сборе, показанном на фиг. 7F-7I.

Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 9, на котором одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. ИНЖИР. 9 показан двигатель с V-образным рядом поршней , 36, и другими компонентами типа, показанного на фиг.3, в котором двигатель в целом «перевернут» по сравнению с двигателем, показанным на фиг. 3. Двигатель считается перевернутым, если он ориентирован так, что все поршни двигателя 36 в двигателе имеют поршневую головку 22 с расположением на ней, которое постоянно находится ближе к центру тяжести местного тела с преобладанием силы тяжести. (например, Земля), чем любое место на юбке одного и того же поршня 35 в течение длительного периода времени. Перевернутый двигатель также может быть определен как двигатель, в котором поршни находятся ближе к местному центру тяжести тела с преобладающей гравитацией в верхней мертвой точке, чем в нижней мертвой точке во время нормальной работы.Например, двигатель колесного транспортного средства перевернут, если все поршни двигателя 36 имеют поршневую головку 22 с расположением на ней, которое постоянно находится ближе к центру тяжести Земли, чем любое место на поршне. юбка 35 , когда автомобиль стоит на ровной поверхности. В другом примере двигатель, установленный в летательном аппарате, перевернут, если поршни двигателя , 36, имеют головку поршня 22 с расположением на ней, которое постоянно находится ближе к центру тяжести Земли, чем любое место на юбке поршня . 35 большую часть времени, когда самолет находится в полете.

Двигатель, показанный на фиг. 9 отличается от показанного на фиг. 3 в следующем отношении. Двигатель, показанный на фиг. 9 включает масляный резервуар, используемый для подачи смазки в картер 39 , который расположен рядом с перевернутым поршнем 36 цилиндров. В результате промежуточный охладитель 50 проходит через масляный резервуар 45 , который помогает охлаждать рабочую жидкость внутри промежуточного охладителя.

Двигатель внутреннего сгорания в соответствии с седьмым вариантом осуществления настоящего изобретения показан на фиг.10A и 10B, на которых одинаковые элементы помечены одинаковыми ссылочными позициями. Фиг. 10A и 10B иллюстрируют альтернативный перевернутый двигатель. Фиг. 10A и 10B двигатель отличается от двигателя, показанного на фиг. 9 в следующем отношении. Фиг. 10A и 10B вариант осуществления может использовать поршни , 36, рядного двигателя и сборку разъемного коленчатого вала типа, описанного в связи с фиг. 10C и 10D вместо поршней без колец и без смазки. На фиг. 10C, подшипник коленчатого вала 66 может быть снабжен масляным каналом, который принимает масло под давлением из источника 65 масла.Масляный канал подшипника 66 сообщается с цепочкой масляных каналов, идущих от подшипника через разъемный коленчатый вал 41 , кривошип 40 , соединительный рычаг 42 , палец кисти 31 , крестовину 34 , и юбка поршня 35 . Масло может течь через эти каналы к одному или нескольким сливным отверстиям 70 , предусмотренным на поверхности юбки поршня 35 между поршневыми кольцами 56 . Масло может забираться с поверхности юбки поршня через возвратные отверстия 71 , проходящие через юбку поршня 35 .Возвращенное масло может вылиться из возвратного канала 72 в картер для смазки разъемного коленчатого вала в сборе.

Фиг. В двигателе 10A и 10B также может использоваться модифицированная камера нагнетателя 51 для обеспечения наддува камеры сгорания 21 сжатым воздухом / наддувом. На фиг. 10A и 10B, камера 51, нагнетателя может быть частично ограничена зазором между юбкой , 35, поршня и верхней направляющей ползуна , 43, , а также частично зазором, примыкающим к поршневому цилиндру.Это прилегающее пространство может содержать промежуточный охладитель, резервуар под давлением или камеру статического давления, либо и то, и другое. Один или несколько проходов могут соединять два пространства (пространство над юбкой поршня , 35, и прилегающее пространство). Использование одного или нескольких соединительных каналов может ограничивать количество смазочного масла, которое мигрирует из юбки поршня в соседнее пространство, откуда оно может попасть в камеру сжатия 21 .

Специалистам в данной области техники будет понятно, что изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отклонения от его сущности или существенных характеристик.Описанные выше элементы являются иллюстративными примерами одного метода реализации изобретения. Специалист в данной области техники поймет, что возможны многие другие реализации без отклонения от предполагаемого объема настоящего изобретения, изложенного в формуле изобретения. Например, варианты осуществления изобретения могут использоваться в двигателях, которые являются 2-тактными, 4-тактными или многоцикловыми, и которые используют любой тип топлива, например бензин, биобензин, природный газ, пропан, спирт, биоспирт, дизельное топливо, биодизельное топливо, водород, газифицированное углеродсодержащее топливо, биомасса или смешанное топливо.Соответственно, раскрытие настоящего изобретения предназначено для иллюстрации, но не ограничения объема изобретения. Предполагается, что настоящее изобретение охватывает все такие модификации и вариации изобретения при условии, что они входят в объем прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Двигатель внутреннего сгорания, объяснение

Современный двигатель внутреннего сгорания — это чудо техники, чудо механики, для использования которого не нужно много знать о его работе.Если вы не автомобильный фанат, вы, вероятно, не так много думаете о двигателе своей машины.

Конечно, пока что-то под капотом не пойдет не так. Когда дела идут плохо, проблемы и причины могут сбивать с толку многих водителей, для которых такие термины, как «поршень» и «картер» являются непонятной терминологией, а «боксер» напоминает Мухаммеда Али, а не Фердинанда Порше.

Итак, чтобы немного прояснить, что происходит под капотом, мы в Gear Patrol собрали воедино краткое руководство о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, и краткое изложение различных типов двигателей внутреннего сгорания, доступных для массового потребителя. автомобили.

Полезные термины

Карбюратор: Устройство, которое смешивает воздух и топливо в надлежащем соотношении для сгорания. Система механическая, а не электронная, как современные двигатели с впрыском топлива или с прямым впрыском; как таковой, он менее эффективен.
Картер: Часть блока двигателя, в которой находится коленчатый вал. Обычно изготавливается из одного или двух кусков алюминия или чугуна.
Коленчатый вал: Компонент двигателя, соединенный с поршнями, который обеспечивает вращательное движение при сгорании.
Цилиндр: Часть блока двигателя, в которой находятся поршень и шатун, а также место, где происходит сгорание.
Прямой впрыск: Метод, с помощью которого бензин нагнетается под давлением и впрыскивается в камеру сгорания цилиндра. В отличие от впрыска топлива, когда газ впрыскивается во впускной канал цилиндра.
Гармонический балансир: Также известный как демпфер, круглое устройство из резины и металла, прикрепленное к передней части коленчатого вала, для поглощения вибраций и уменьшения износа коленчатого вала.Он уменьшает гармоники двигателя, возникающие при движении нескольких цилиндров вдоль коленчатого вала.
Поршень: Компонент, расположенный внутри стенок цилиндра и закрепленный поршневыми кольцами. Он движется вверх и вниз во время четырехтактного процесса сгорания, создавая силу при взрыве топлива, а воздух перемещает его.
Ред. Соответствие: Технология в автомобилях с механической коробкой передач, в которой используются датчики педали сцепления, переключения передач и трансмиссии, отправляющие сигналы электронному блоку управления, которые сообщают ему автоматически увеличивать обороты двигателя, если обороты в минуту падают слишком низко.Согласование оборотов также происходит во время переключения на пониженную передачу, повышая обороты, чтобы соответствовать более низкой передаче. Это снижает износ двигателя и упрощает процесс переключения передач.
Вибрация кручения: Вибрация, возникающая из-за вращающихся валов внутри автомобиля.

Двигатель внутреннего сгорания

Как только вы преодолеете защитный пластиковый кожух двигателя, который есть на большинстве новых автомобилей, становится ясно сердце автомобиля: двигатель, окруженный радиатором, резервуарами для жидкости, воздушной камерой и аккумулятором. Независимо от того, насколько сложными могут быть двигатели — отчасти благодаря таким функциям, как прямой впрыск, согласование оборотов и т. Д.- в большинстве автомобилей используется так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования топлива в кинетическую энергию. Короче говоря, ваш двигатель 1. втягивает воздух и топливо, 2. сжимает его, 3. воспламеняет его, толкая поршни вниз и создавая механическую силу, которая перемещает автомобиль, а 4. выталкивает. воздух, чтобы освободить место для следующего цикла цикла.

Хотя реальный процесс значительно сложнее, четыре этапа в основном можно суммировать следующим образом:

Такт всасывания: Воздух и топливо втягиваются в цилиндр по мере того, как поршень движется вниз.
Ход сжатия: Воздух, подаваемый в двигатель, и топливо сжимаются, когда цилиндр перемещается в положение хода вверх.
Ход сгорания: Искра от свечи зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь, создавая давление. Расширяющаяся смесь толкает поршень вниз.
Exhaust Stroke: Образовавшаяся газовая смесь, образовавшаяся в результате воспламенения и расширения, выбрасывается из цилиндра как отходы.

Мощность двигателя сильно различается в зависимости от количества цилиндров, конфигурации двигателя и таких технологий, как турбонаддув и наддув.Лошадиная сила — это не просто добавление цилиндров или рабочий объем; Фактически, многие из сегодняшних высокопроизводительных четырехцилиндровых двигателей могут легко соответствовать или превосходить мощность своих шестицилиндровых собратьев. В наши дни это еще и технологическая игра; Соедините меньший бензиновый двигатель с электродвигателем, и вы получите рецепт дополнительного ускорения. (Показательный пример: BMW i8, который сочетает в себе 1,5-литровый рядный трехцилиндровый двигатель с турбонаддувом и электродвигатель общей мощностью 357 лошадиных сил и 420 фунт-фут крутящего момента.)

Типы двигателей

Современные двигатели внутреннего сгорания прошли долгий путь с 1876 года, когда уроженец Германии Николаус Отто построил первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Сегодня автомобильные инженеры регулярно творят чудеса, извлекая из конструкции максимальную мощность и эффективность. И хотя гибридные и электрические силовые агрегаты находятся на подъеме, на данный момент двигатели внутреннего сгорания — рядные / прямые, V-образные и оппозитные / плоские, работающие на бензине или дизельном топливе, ‚владеют дорогой.

Рядные / прямые двигатели

Примеры рядных / прямолинейных двигателей
Рядные / прямолинейные двигатели: BMW i8
Рядные / прямые четверки: Honda Civic Si
Рядные / прямые шестерки: BMW X3 / X4 M

В «рядном» или «прямом» двигателе цилиндры расположены по прямой линии.Подавляющее большинство автомобилей с четырьмя цилиндрами на дорогах — это двигатели с рядным четырехцилиндровым двигателем, поэтому промышленность обычно называет их «четырехцилиндровыми». Рядные четырехцилиндровые двигатели, как правило, используются в автомобилях эконом-класса, поскольку они менее дороги в сборке и проще в обслуживании — цилиндры выстраиваются вдоль одного коленчатого вала, который приводит в движение поршни.

Рядный / рядный шестицилиндровый двигатель по своей сути сбалансирован из-за того, что отсутствуют вторичные гармоники, генерируемые парами поршней, движущихся под нечетным углом или на разных осях друг от друга, что приводит к гораздо меньшей вибрации, чем у рядных четырехцилиндровых двигателей. -цилиндровые двигатели.В настоящее время только BMW и Mercedes-Benz производят рядные / рядные шестицилиндровые двигатели для своих легковых автомобилей, и они имеют звездную репутацию благодаря плавности хода и сбалансированности.

Двигатели V-типа

Примеры двигателей V-типа
V-4: Porsche 919 Hybrid Le Mans
V-6: Toyota 4Runner
V-8: Dodge Challenger
V- 10: Lamborghini Huracán
V-12: Ferrari 821 Superfast

«V-6» и «V-8» настолько встроены в американский словарь, что некоторые люди могут не знать, что двигатели бывают в каком-либо другом формате.Двигатели V-типа обычно имеют два ряда цилиндров, установленных под углом 90 градусов друг к другу — отсюда V-образная форма — причем каждый ряд имеет половину общего числа цилиндров. В результате V-образные двигатели короче и занимают меньше места, чем прямые, что позволяет автопроизводителям уменьшить размер моторного отсека и увеличить зоны деформации и пространство для пассажиров. Кроме того, их легче установить ниже в автомобиле, что улучшит управляемость.

Если вы считаете себя фанатом автоспорта, вам нравятся двигатели V-типа из-за их частого использования в гоночных автомобилях.Жесткая конструкция и прочные материалы, используемые в двигателях V-типа, позволяют им выдерживать высокие нагрузки. Это также обеспечивает низкие силы крутильной вибрации, обеспечивая плавную подачу при переключении передач и высоких оборотах.

Двигатель Boxer / Flat

Примеры двигателей Boxer / Flat
Flat-Four: Subaru WRX
Flat-Six: Porsche 911 Carrera

Термин «оппозитный» двигатель происходит от расположения поршней, которые лежать горизонтально друг к другу, как два боксера-соперника, которые касаются перчаток в начале боя.Поршни в оппозитном / плоском двигателе образуют два ряда — по одному с каждой стороны одного коленчатого вала.

Двигатель оппозитного типа звучит не просто устрашающе; он обеспечивает более низкий центр тяжести, чем рядные / прямые и V-образные двигатели, что улучшает управляемость. (Есть причина, по которой Porsche использует оппозитный двигатель в своих спортивных автомобилях 911, 718 Boxster и 718 Cayman). Однако оппозитные двигатели имеют тенденцию быть более громоздкими и иметь более неудобную форму, что затрудняет их размещение в переднем моторном отсеке. . (Subaru — единственный производитель автомобилей, использующий в настоящее время оппозитный двигатель — однако, это удается довольно успешно.)

Дизельные двигатели

Примеры дизельных двигателей
Турбодизель V-6: Ram 1500 EcoDiesel
Турбодизель V-8: Ford F-250 Super Duty

Избавьтесь от старого представления о выбросе дыма хриплых 18-колесных автомобилей; современные дизельные двигатели, работающие на экологически чистом топливе, используемые в легковых автомобилях, гораздо менее тяжелые. Сгорание, происходящее в дизельном двигателе, не требует искры; скорее, высокоэнергетическое дизельное топливо воспламеняется из-за сильного сжатия поршней: воздух сжимается, нагревая его до очень высоких температур; топливо впрыскивается, и смесь воспламеняется.

Хотя дизельные двигатели имеют разное количество цилиндров, они отличаются от своих газовых аналогов тем, что они используют сжатие, а не искру для воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси. Но не только то, как происходит сгорание, отличает эти силовые установки от других: в силу того, что для сгорания требуется более высокое давление, дизельный двигатель должен быть построен как резервуар, чтобы противостоять неправильному обращению. В результате они, как правило, служат дольше, чем стандартные двигатели внутреннего сгорания.Дизельные двигатели также более эффективны; они извлекают из своего топлива больше энергии, чем бензин.

И, наконец, у дизельных двигателей есть одно преимущество, которое нравится многим энтузиастам: больший крутящий момент на более низких оборотах двигателя, что заставляет их чувствовать себя более быстрыми вне очереди.

Подробнее Обзоры Gear Patrol

Горячие отзывы и подробные обзоры заслуживающих внимания, актуальных и интересных продуктов. Прочитать историю

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

Operando Измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов

Значение

Компоненты двигателя внутреннего сгорания испытывают экстремальные термомеханические циклы во время работы, и постоянная потребность в повышении эффективности двигателя при сохранении или повышении надежности стимулирует разработку легких материалов с улучшенная термическая и механическая целостность.Понимание поведения новых материалов в динамической работе требует инструментов для определения характеристик, но обычные измерения поведения материала на месте во время реальной работы двигателя очень ограничены, и не существует практических средств для воспроизведения такой экстремальной динамики для исследования ex situ. В этой работе мы демонстрируем, что проникающая способность нейтронов может обеспечить неинвазивное измерение деформаций решетки внутри компонентов работающего двигателя, что позволяет оперативно изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты в твердых материалах.

Abstract

Инженерная дифракция нейтронов может неразрушающим и неинвазивным образом исследовать изменения напряжения, деформации, температуры и фазы глубоко внутри объемных материалов. В этой работе мы демонстрируем операндное измерение деформации решетки компонентов двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов. Модифицированный промышленный генераторный двигатель был установлен в дифрактометре VULCAN в источнике нейтронов расщепления, и деформации решетки как в блоке цилиндров, так и в головке были измерены в статических условиях без воспламенения, а также в установившемся режиме и в циклических переходных режимах.Динамический временной отклик изменения деформации решетки во время переходного режима был определен в двух местах с помощью асинхронной стробоскопической дифракции нейтронов. Мы продемонстрировали, что операндно-нейтронные измерения могут позволить понять, как материалы ведут себя во всех эксплуатационных инженерных устройствах. Это исследование открывает путь для промышленных и академических сообществ, чтобы лучше понять сложность поведения материалов во время работы двигателей внутреннего сгорания и других реальных устройств и систем, а также использовать разработанные здесь методы для будущих исследований многочисленных новых платформ и сплавов.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию за счет прямой силы, действующей на компоненты двигателя в результате расширения газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании (1). Этот процесс представляет собой множество проблем с материалами, поскольку извлечение материала выполняется в высокодинамичной, реактивной и коррозионной среде, создавая экстремальные абсолютные значения и временн-пространственные градиенты температуры и давления. В поршневом двигателе оба неподвижных компонента (например,g., головка цилиндра, гильза и коллекторы) и движущиеся компоненты (например, поршни и клапаны) подвергаются сложным термомеханическим циклам с частотами от менее 1000 об / мин на холостом ходу до почти 20000 об / мин в гоночных приложениях. И двигатели с искровым зажиганием (бензин), и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) подвергаются быстрому высвобождению химической энергии, вызывая чрезвычайно переходные состояния нагрузки и температурные градиенты внутри камеры сгорания. Обычно двигатели работают при пиковой температуре газа, превышающей 2200 ° C, и пиковом давлении в диапазоне от 0.От 5 до 2,5 МПа при скорости повышения давления от 10 до 50 МПа / мс (2), а во время аномальных событий горения, таких как преждевременное зажигание и детонация, скорость повышения давления может превышать 100 МПа / мс (3). Тепловые потоки через различные поверхности в камере сгорания могут сильно различаться в разных местах из-за неоднородности дымовых газов (4) и могут локально превышать 10 МВт / м ² в течение нескольких мсек, когда горящие топливные струи сталкиваются с поверхностями ( 5). Разработка и внедрение новых материалов с улучшенной механической и термической целостностью может повысить надежность и повысить эффективность, а также освободить место для повышенных рабочих температур и использования технологий принудительной подачи воздуха, что еще больше повысит эффективность.Кроме того, если будут приняты новые материалы, которые обладают более высокой удельной прочностью, есть потенциал для улучшения времени реакции на переходную нагрузку и для повышения экономии топлива транспортного средства за счет облегчения. Лабораторные исследования технических материалов с помощью физического моделирования часто проводятся в попытке удовлетворить требования строгой эксплуатации. Понимание динамического поведения, такого как температура, напряжение и деформация во время работы, ценно для разработки новых материалов и для инженеров, стремящихся улучшить эффективность, долговечность и безопасность.Однако из-за отсутствия инструмента неразрушающей оценки, который может имитировать реальные рабочие условия внутри ДВС, истинное понимание динамических термомеханических режимов работы и реакции компонентов двигателя ограничено.

Последние достижения в области источников нейтронов и нейтронной аппаратуры позволяют исследовать поведение материалов в сложных средах проб на месте как в сокращенных масштабах длины, так и времени (6⇓ – 8). Источник нейтронов расщепления (SNS) в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) — это самая интенсивная в мире установка для времяпролетных нейтронов (TOF), а высокий поток нейтронов дает возможность выполнять измерения дифракции нейтронов с высоким разрешением в диапазоне временные и пространственные масштабы в инженерных приложениях (6, 7, 9).Нейтронная дифракция часто используется для измерения деформации решетки (10, 11) из-за температуры или напряжения, текстуры микроструктуры и ее эволюции, а также фазовых фракций глубоко внутри инженерных компонентов, которые не могут проникнуть даже высокоэнергетические рентгеновские лучи, что делает нейтроны уникальными для изучения поведение материалов в крупных конструкциях (12). Дифрактометр для инженерных материалов VULCAN (13, 14) в SNS предназначен для исследования деформации, фазового превращения, остаточных напряжений и текстуры в технических материалах, которые обычно проходят физическое моделирование в лабораторном масштабе с приложенной нагрузкой и температурами.Падающие щели и коллимация перед блоками дифракционных детекторов ± 90 ° (14) позволяют зондировать небольшой воксельный или измерительный объем внутри конструкции или устройства даже в рабочих условиях. Система сбора нейтронных данных по времени и событию регистрирует полную картину дифрагированных нейтронов с отметками времени и обеспечивает прямые измерения с временным разрешением (7, 15). Эти преимущества инженерной дифракции нейтронов в режиме TOF открывают прекрасную возможность исследовать динамический отклик материала в реальном времени в реальных условиях эксплуатации.Воспользовавшись этими уникальными возможностями в VULCAN, мы демонстрируем измерение изменений шага решетки из-за температуры и напряжения в головке цилиндров ДВС во время переходных режимов. Асинхронная накачка-зонд или стробоскопическое измерение нейтронов (7, 16⇓ – 18) использовалось для определения быстрых зависимостей от времени. Эта работа показывает будущий потенциал измерения быстрой динамики работы конкретных компонентов двигателя с использованием мощной проникающей способности нейтронов с большим потоком в SNS.

Экспериментальная установка

Экспериментальная платформа двигателя Operando.

Чтобы продемонстрировать возможность безопасной эксплуатации работающего двигателя в качестве экспериментальной платформы для работы на VULCAN, коммерчески доступный электрический генератор, работающий от карбюраторного одноцилиндрового малокалиберного ДВС, был модифицирован и введен в эксплуатацию в испытательной камере двигателя в Национальных транспортных исследованиях. Центр (НТРК). NTRC — это пользовательский объект DOE, расположенный в ORNL и оборудованный для исследований инновационных технологий ICE и систем управления.Технические характеристики модифицированного ДВС приведены в таблице 1. Схема, иллюстрирующая конфигурацию двигателя и относительное расположение измерительных объемов, представлена ​​на рис. 1 A .

Таблица 1.

Технические характеристики генератора и двигателя

Рис. 1.

Детали эксперимента. ( A ) Схема в разрезе одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением с репрезентативными положениями измерительных объемов, выделенными как в головке, так и в блоке цилиндров. ( B ) Фотография модифицированного двигателя, установленного на канале связи VULCAN с приборами.( C ) Схема экспериментальной конфигурации (вид сверху), показывающая двигатель, установленный вдоль плоскости 45 °, разделяющей пополам падающий луч, и детекторы (B1 и B2) с измерительным объемом, расположенным в головке блока цилиндров. Камера расположена вдоль ортогональной плоскости под углом 45 ° с видом, показанным на рис. 4.

Для этого эксперимента было несколько уникальных ограничений, связанных с ограниченным физическим пространством образца в дифрактометре, отсутствием специализированных средств тестирования двигателя, таких как динамометр внутри дифрактометра, и тот факт, что нейтроны сильно ослабляются на ¹ H из-за большого сечения некогерентного рассеяния.Эта экспериментальная платформа была выбрана и разработана с учетом следующих соображений безопасности и сбора данных: 1) экспериментальная установка обеспечивала автономную практическую работу работающего двигателя, 2) компактные габаритные размеры, не превышающие ограничений по площади на VULCAN, 3) интегрированный генератор устранил необходимость в автономном динамометре для приема нагрузки от двигателя, 4) двигатель имел воздушное охлаждение и, таким образом, не сталкивался с проблемами сильного ослабления нейтронов или рассеяния водородосодержащим хладагентом, 5) двухклапанная конструкция толкателя сводила к минимуму количество стальных компонентов в головке блока цилиндров, которые могли бы ослабить рассеянные нейтроны из измерительного объема (ов); 6) относительно простая конструкция системы смазки не имела масляных каналов вдоль верхней или передней части двигателя, которые могли бы ослабить падающие или рассеянные нейтроны, и 7) электростартер позволял запускать двигатель дистанционно.

Помимо соответствующих экспериментальных соображений, связанных с VULCAN, которые были решены при использовании двигателя с воздушным охлаждением, геометрическая сложность, представленная охлаждающими ребрами и внутренней геометрией детали, сделала его хорошим испытательным стендом для определения литейных свойств алюминиево-цериевого (AlCe) сплава. совместная разработка ORNL и Eck Industries. Геометрия головки блока цилиндров Honda GX200 была измерена с помощью рентгеновской компьютерной томографии и импортирована в модель CAD с помощью программного обеспечения для сканирования. После импорта формы для литья в песчаные формы были напечатаны с использованием системы аддитивного производства связующего (19).Этот метод устранил длительное время изготовления традиционной оснастки и снизил стоимость запуска опытного образца небольшой партии, и получившаяся головка блока цилиндров из AlCe показана рядом с исходной головкой блока цилиндров на рис. 2. Преимущества этой технологии могут быть использованы в будущем. экспериментаторам, чтобы быстро проверить новые материалы или влияние геометрии системы на охлаждение и внутреннюю деформацию во время работы. Сплав AlCe, из которого изготовлена ​​головка, был разработан в рамках проекта Института критических материалов и предназначен для высокотемпературных применений, в которых алюминиевые сплавы долгое время изо всех сил пытались найти применение.Сплав использует в качестве первичной добавки элемент церий и имеет состав Al-12 мас.% Ce-0,4 мас.% Mg. Этот состав был выбран, поскольку он находится рядом с эвтектикой Al-Ce, создавая литейный материал, и предыдущие нейтронные исследования, проведенные с этим сплавом, показали, что незначительные добавки Mg оказывают большое положительное влияние на способность распределения нагрузки большей части Al ₁₁ Ce ₃ интерметаллид (20). Высокая термическая стабильность упрочняющих интерметаллидов алюминия-церия, которые образуются во время затвердевания при традиционных скоростях литья, в отличие от осаждения во время дорогостоящих длительных термообработок, делает этот материал хорошим кандидатом для ДВС следующего поколения.Термическая стабильность сплавов является результатом почти нулевой растворимости и сопутствующей низкой диффузии Се в алюминиевой матрице, что означает, что упрочняющие богатые церием интерметаллические фазы блокируются при затвердевании и видят лишь незначительные недетериальные морфологические изменения во время длительного воздействия повышенных температур ( 20).

Рис. 2.

Литая головка блока цилиндров OEM-производства ( Левая ), изображенная рядом с головкой блока цилиндров из AlCe ( Правая ), изготовленная из форм, напечатанных на 3D-принтере. Оборудование головки цилиндров, включая монтажные шпильки, клапаны и свечу зажигания, было перенесено с головки OEM на головку AlCe.

Платформа двигателя / генератора была подготовлена ​​для использования в нейтронном дифрактометре путем снятия сначала монтажной рамы, внешнего кожуха и всех посторонних крышек и пластиковых компонентов, чтобы минимизировать ослабление нейтронов. Стальной топливный бак был удален и заменен удаленным топливным баком, соединенным гибким шлангом. Стальной глушитель был удален и заменен секцией выхлопной трубы, которая была оснащена термопарой типа K для измерения температуры выхлопных газов.Чтобы получить значимые результаты нейтронной дифракции во время работы двигателя, важно, чтобы целевой измерительный объем оставался постоянным во время каждого измерения. С этой целью разобранный узел был жестко закреплен на алюминиевой макетной плате, чтобы минимизировать вибрационное смещение двигателя во время работы, а окончательный инструментальный узел показан установленным на VULCAN на рис. 1 B . Обратите внимание, что термин «смещение» используется здесь для обозначения амплитуды колебательного движения внутри конструкции двигателя, а не рабочего объема двигателя.

Автономные испытания были проведены в NTRC, чтобы гарантировать безопасную и надежную работу модифицированного двигателя, прежде чем эксперименты по дифракции нейтронов были выполнены на VULCAN. Вибрационное смещение измерялось трехосевым акселерометром (PCB Piezotronics Model 356B21), установленным на картере двигателя, а также лазерным триангуляционным датчиком (Microtrak 3), направленным на интересующее место на головке блока цилиндров. Двигатель работал при трех режимах нагрузки, подавая электрическую нагрузку на генератор с программируемым набором нагрузок.Эти условия составляли 0 (двигатель на холостом ходу), 1530 и 2586 Вт, что соответствует 0, 55 и 92% номинальной нагрузки генератора соответственно. Генератор также имеет настройку Eco-Throttle, которая снижает частоту вращения двигателя на холостом ходу для снижения расхода топлива и шума, и этот режим также был протестирован. Среднеквадратичные значения вибрационного смещения (среднеквадратичное смещение), измеренные акселерометром и лазером, показаны на рис. 3. Самые низкие уровни среднеквадратичного смещения наблюдались на холостом ходу с включенным Eco-Throttle, тогда как среднеквадратичное смещение было относительно нечувствительным к нагрузке с настройка отключена.Согласие между всеми измерениями было хорошим, и общая величина лазерного излучения и оси акселерометра z находилась в хорошем соответствии. Все измеренные значения среднеквадратичного смещения были ниже 0,5 мм, что представляет собой 10% -ный порог для измерительной длины 5 мм, используемой в этом исследовании.

Рис. 3.

Вибрационное смещение внешней конструкции двигателя в четырех рабочих условиях, измеренное трехосевым акселерометром и лазерным датчиком смещения. Все измерения показывают среднеквадратичное значение <0.5 мм или менее 10% размера измерительного объема.

После успешного ввода в эксплуатацию на НТРК, обеспечивающего безопасную работу и приемлемые колебательные смещения при работе в модифицированной конфигурации, двигатель и вспомогательные системы были установлены на VULCAN. Схема на рис. 1 C показывает схему операндо эксперимента. Узел двигателя и генератора был установлен наверху ступени поступательного / вращательного движения на пересечении падающего луча и коллиматоров (14).Дистанционная подача топлива была расположена рядом с двигателем, но вне прямого пути луча и на большей высоте, так что топливо могло подавать самотеком в карбюратор без необходимости в топливном насосе. Сигналы от акселерометра и термопары температуры выхлопных газов направлялись в систему сбора данных для мониторинга состояния двигателя в реальном времени. Управление двигателем осуществлялось дистанционным стартером и выключателем, расположенным в диспетчерской VULCAN. Выходная мощность генератора измерялась программируемым блоком нагрузки, расположенным за пределами экспериментального корпуса VULCAN и рядом с диспетчерской.Вся проводка и шланги, подключенные к двигателю и генератору, были расположены вне путей пучка и закреплены с помощью устройства снятия натяжения, чтобы обеспечить перемещение и вращение узла двигателя во время работы. Выхлопные газы из двигателя по гибкому воздуховоду направлялись в вытяжную систему установки.

Внешнее инфракрасное измерение температуры.

В дополнение к измерениям выхлопных газов термопарой, инфракрасная (ИК) камера (FLIR T450sc) записывала со скоростью 30 кадров в секунду, чтобы контролировать температуру внешних поверхностей.Точка обзора ИК-камеры была аналогична точке обзора камеры позиционирования образца, показанной на рис. 1 C . Излучательная способность была откалибрована с помощью термопары для поверхностного монтажа, размещенной на головке блока цилиндров; поэтому значения ИК-температуры и изображения, такие как рис. 4, являются количественными только для головки блока цилиндров из AlCe и являются качественными в других местах.

Рис. 4.

( Слева ) Инфракрасное изображение температуры двигателя через 1 мин после запуска. ( Средний ) Фотография двигателя с камеры центрирования образца.( Правый ) Расположение пространственного картирования 11 × 15 (белые кружки) и выбранные точки в блоке цилиндров (желтый ромб) и головке блока цилиндров (желтый кружок) для измерений деформации с временным разрешением. Места, отмеченные красными кружками, имели плохую статистику соответствия в одном или нескольких пространственных сопоставлениях, в первую очередь из-за открытой внутренней области в выпускном отверстии (верхний кластер) и утопленных областей отливки, которые могли частично похоронить измерительный объем (средний кластер).

Нейтронографическое измерение статических и динамических деформаций решетки.

Схема операндного измерения дифракции нейтронов проиллюстрирована на рис. 1 C . Падающий луч в SNS является импульсным и работает на частоте 60 Гц. Энергия и длина волны нейтронов разрешаются и количественно оцениваются с помощью записанного времени пролета нейтронов с каждым временем излучения импульса и временем прохождения по фиксированной траектории полета прибора. Настройка прерывателя 30 Гц использовалась для обеспечения широкого диапазона измерения межплоскостного расстояния решетки (d-шаг) от 0.От 5 до 2,5 Å. Падающий луч коллимировался до размеров 5 × 5 мм ² с помощью моторизованных падающих щелей перед образцом. Хотя падающий луч рассеивается по всей длине своего пути через образец, радиальные приемные коллиматоры, прикрепленные к двум противоположным блокам детекторов B1 и B2, расположенным перпендикулярно падающему лучу (± 90 °), ограничивают угловой диапазон, из которого рассеянные нейтроны могут достигают детекторов, в результате чего получается измерительный объем 5 × 5 × 5 мм ³ , как показано на рис.1 С . Каждый блок детекторов измеряет изменения шага решетки вдоль биссектрис углов между падающим лучом и дифрагированным лучом (± 45 °). Благодаря импульсной конфигурации пучка TOF, индивидуальные зависящие от местоположения d-интервалы решетки в измерительном объеме могут быть измерены сразу без необходимости вращения образца или детекторов. Подробнее об инженерной дифракционной установке можно прочитать в предыдущей работе (14). Поскольку положение пучков падающих лучей и детекторов фиксировано, расположение измерительного объема в двигателе было изменено путем изменения положения всей установки двигателя с помощью предметного столика прибора.

Результаты и обсуждение

Пространственное отображение распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать осуществимость пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на рис. 4. Эта сетка была расположена под внешней поверхностью двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и цилиндром. головка, которая состоит из литого сплава AlCe.Поскольку оба сплава основаны на алюминии, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки ГЦК, по формуле dhkl = ah3 + k2 + l2. [1] Затем можно определить деформацию решетки в заданном месте (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z): ϵhklx, y, z = dhklx, y, z − dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.[2] При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было выполнено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение было измерено в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли с помощью аппроксимации одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для режима нейтронной дифракции в режиме событий (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное сопоставление визуализировано на рис. 5 A в виде псевдоцветной диаграммы. Граница раздела между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. Рис. 5 A показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.

Рис. 5.

( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d ₃₁₁ ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены белыми заполненными кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна на карте d ₃₁₁ и соответствует областям, выделенным на рис.4. ( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пика имеет четко видимые (222) и (311) пики, тогда как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное картирование d ₃₁₁ при горячей стационарной работе двигателя — выполнено лишь частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ ₃₁₁ ), рассчитанная путем сравнения d ₃₁₁ во время стационарной работы двигателя ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D представляют собой объединение исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (рис. 4). ( E ) Примерные спектры из одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.

Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также отмечены на рис. 4 и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рис. 2), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин из эталонного отображения показаны на рис. 5 B . Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.

В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.

Карта операнда d311 (y, z) показана на рис. 5 C и была подготовлена ​​аналогично справочной карте на рис. 5 A . Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом похожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов на рис. 5 C была смещена в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на рис. 5 D . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого (2365 ± 112) микродеформаций (µϵ) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 µϵ) в головке цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, ближайшему к горячему. выхлопное отверстие, как показано на рис. 4. Используя измеренный коэффициент теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением приводит к предполагаемому повышению температуры на 174 градуса.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ (26). Использование CTE 21,8 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому увеличению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) на рис.5 D и ИК-измерения температуры поверхности, показанные на рис. 4.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, та же область была перенесена на ту же сетку измерений, и результирующая карта d311 (y, z) Показано на рис.6 A . Используя справочную карту на рис. 5 A как d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации на рис. 6 B довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники.Примеры дифракционных картин до и после от места в головке блока цилиндров показаны на рис. 6 C и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения. Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

Рис. 6.

( A ) Пространственное отображение d ₃₁₁ после того, как двигатель был выключен и ему дали остыть до комнатной температуры, с тем же масштабом, что и на рис. 5 A и в целом похожим внешним видом. ( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из рис. 5 A и 6 A . ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рис. 4, справа. Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 минут, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин.Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени на этих временных масштабах, было использовано непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки для определения изменяющейся во времени реакции системы. Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах.Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала. Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные ансамбля с бином показаны на фиг. 7 A ; Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

Рис. 7.

( A ) Решетки Al (222) и Al (311) головки блока цилиндров эволюционируют во время цикла нагрузки двигателя. Данные показаны в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Контрольные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного a0 = 4,0485 (3) Å с использованием уравнения. 1 . ( B ) Типичная картина TOF-дифракции от блока цилиндров с уточнением Ритвельда.Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.

Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на рис. 5 и 6, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичным. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой подгонки, было применено уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ), как показано на рис.7 Б . Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично уравнению. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311: ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z. [3] Деформация решетки ансамбля с временным разрешением в двух местах изображены на рис.8 вместе с репрезентативными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров. Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в центре, или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после выключения.Напротив, температура инфракрасной поверхности показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе. Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности перед изменением тенденции и уменьшением со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные по совокупности деформаций нанесены на временные интервалы по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями на рис. 8 и картированием деформации в установившемся режиме, показанным на рис. 5 D .

Рис. 8.

( Верх ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Bottom ) Реакция ансамбля на деформацию решетки из выбранных мест, измеренная в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и температуры ИК-поверхности головки цилиндров.

Деформация решетки, измеренная внутри головки цилиндров, нанесена на график зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндров на рис. 9. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловое расширение; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с нейтронографическим измерением) и были извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.После того, как эти квалификации установлены, рис. 9 действительно показывает сильную корреляцию между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R ² = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, используемой для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между нейтронографическими данными и другими показателями динамического поведения системы, показанными на рис. 8 и 9 демонстрирует, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.

Рис. 9.

Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки цилиндров с помощью нейтронографии, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.

Проблемы и ограничения.

В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования реальных инженерных устройств и систем на месте сопряжены с рядом проблем.

Геометрическая сложность.

Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на рассматриваемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, вариации, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут вносить неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и юстировки важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних характеристиках образца.

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Размеры зерен.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к неравномерным дифракционным картинам и ошибочным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с измерительным объемом (5 × 5 × 5 мм ³ ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al является очень прозрачным с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно более высокое затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния ¹ H означает, что водородсодержащие материалы, такие как пластмасса, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.

Активация.

В то время как нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от потока нейтронов и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа ²⁷ Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации ²⁸ Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, ⁵⁹ Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, ⁶⁰ Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы пользователи имели заранее как можно больше информации о составе их образцов, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.

Сводка и перспективы

Мы продемонстрировали операндное измерение деформации решетки компонентов ДВС методом нейтронографии.Пространственное изменение деформаций решетки, вызванное тепловыми градиентами в блоке цилиндров и головке цилиндров, было нанесено на карту при установившемся состоянии нагрузки, и тенденции согласовывались с внешними инфракрасными измерениями температуры поверхности. Разрешенный во времени динамический отклик деформации решетки во время циклической нагрузки двигателя был определен в двух местах в 20-секундных временных интервалах с помощью асинхронной стробоскопической нейтронной дифракции, демонстрируя, что измерение операндных нейтронов может позволить понять поведение материалов в эксплуатации в сложные инженерные устройства.Динамический отклик деформации решетки отражал измерения температуры, а деформация решетки, измеренная в головке блока цилиндров, сильно коррелировала с измерением температуры в инфракрасном диапазоне на поверхности головки цилиндров.

Развитие этого метода измерения рабочих деформаций, испытываемых ДВС, позволит изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты по всему объему твердых компонентов. Понимание этих систем с пространственным и временным разрешением ранее было доступно только с помощью моделей, поддерживаемых точечными измерениями, такими как термопары с быстрым откликом.Возможность предоставлять экспериментальные данные о проверке и граничных условиях в аналогичных масштабах и пространственной протяженности для областей, исследуемых в эксафлопсных моделях следующего поколения, расширит влияние инженерной нейтронной дифракции за счет увеличения пользовательской базы, а также расширения наших знаний о поведении материалов в сложных и сложных условиях. экстремальные условия эксплуатации.

Это исследование также служит отправной точкой для разработки специализированной нейтронной исследовательской машины, которая продолжается в ORNL.В то время как небольшой двигатель с воздушным охлаждением, используемый в этом исследовании, был выбран в основном из-за простоты реализации и управлялся вручную для достижения временного разрешения 20 с, разрабатываемая платформа будет представлять современные автомобильные двигатели и будет иметь тесную интеграцию между двигателями. контроллер и система сбора данных нейтронного дифрактометра для достижения временного разрешения субмсек в стробоскопическом режиме. Этот двигатель также будет служить модульной исследовательской платформой, чтобы предоставить доступ другим пользователям, которые могут пожелать изучить характеристики новых материалов в реальных условиях работы двигателя.Подход, принятый в этом исследовании для быстрого прототипирования пресс-форм для изготовления головки блока цилиндров из сплава AlCe и выполнения измерений деформации решетки в этом компоненте при использовании в реальном двигателе, служит примером того, как пользователи могут использовать производство и транспортировку. , а также установки пользователей нейтронов в ORNL для исследования поведения материалов в процессе эксплуатации без необходимости разрабатывать всю экспериментальную установку с нуля.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE), Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением автомобильных технологий через программу Advanced Combustion Engine Systems.В этом исследовании использовались ресурсы SNS, Управления науки Министерства энергетики США, и NTRC, Управления по энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США, находящихся в ведении ORNL. Исследование сплавов AlCe спонсировалось Институтом критических материалов, центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением перспективного производства и Eck Industries. Эта работа выполнялась под эгидой Министерства энергетики и ORNL по контракту DE-AC05-00OR22725.Мы благодарим Стивена Уиттеда из ORNL за его вклад, который выполнил модификацию и упаковку двигателя для работы в дифрактометре. Автором этой рукописи является UT-Battelle, LLC по контракту DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную, всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. для целей правительства США.DOE предоставит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых на федеральном уровне, в соответствии с Планом публичного доступа DOE (energy.gov/downloads/doe-public-access-plan). Поддержка набора данных DOI 10.13139 / ORNLNCCS / 1728670 обеспечивается Министерством энергетики США, проект IPTS-18431 по контракту DE-AC05-00OR22725. В рамках проекта IPTS-18431 использовались ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility в Oak Ridge National Laboratory, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США по контракту No.DE-AC05-00OR22725.

Сноски

• Вклад авторов: Y.C., M.J.F., O.R., Z.C.S., D.W., E.T.S. и K.A. спланированное исследование; M.L.W., Y.C., M.J.F., S.J.C., O.R., Z.C.S., E.T.S. и K.A. проведенное исследование; M.L.W., Y.C. и К.А. проанализированные данные; и M.L.W., Y.C., S.J.C., O.R., Z.C.S. и K.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.

Последние улучшения в двигателе внутреннего сгорания 1

II. THE уже объяснили, насколько важно в экономическом развитии двигателя внутреннего сгорания точное и точное знание физических свойств рабочего тела. Две основные характеристики, о которых требуется знать, — это теплотворная способность взрывчатой ​​смеси и соотношение между удельной теплотой и температурой воспламеняемых газов. Теплотворная способность была тщательно определена для большинства обычно используемых газов, но соотношение удельной теплоемкости по-прежнему вызывает досадную неопределенность.На заседании Британской ассоциации в Лестере в 1907 году под председательством проф. Сильвануса П. Томпсона желательность прояснения сомнений, окружавших этот вопрос, была настолько остро ощущена, что был назначен важный комитет для «исследования газообразных веществ». взрывы, с особым вниманием к температуре ». Отчет о выводах этого комитета был опубликован в журнале NATURE от 24 июня прошлого года. С нашей нынешней точки зрения важный результат работы комитета выражен в следующем отрывке из его отчета: «Недавние исследования свойств газов при высоких температурах определенно показали, что предположение о постоянной удельной теплоемкости ошибочно, и предоставили достаточно информации о величине ошибки, чтобы показать, что она имеет существенное значение … Более точное приближение к реальному циклу, которое делается с учетом фактических свойств рабочего тела, хотя это приводит к некоторому усложнению формулыæ, дает компенсирующие преимущества, имеющие реальную практическую ценность.Это также подтверждает замечание покойного профессора Зойнера ² о том, что «в любом случае следует исключить из теории двигателей внутреннего сгорания прежнее предположение о постоянстве удельной теплоты. продуктов сгорания ». Кривая, связывающая удельную теплоемкость при постоянном объеме (Cv) смеси газов, образовавшейся в результате взрыва одной части угольного газа в девяти частях воздуха, с температурой по шкале Цельсия (θ), которая считалась точной в пределах 5%. цент, был включен в отчет комитета. Формула, которая точно соответствует этой кривой: C _v = 0,172 + 0,075θ / 1000, и хотя константа во втором члене в правой части этого уравнения может рассматриваться только как первая оценка, сколь бы тщательно она ни была выбрана, это уравнение, вероятно, представляет собой высшую точку в наших сегодняшних знаниях, и из него можно вывести предельно-теоретический КПД циклов двигателя, в которых используется такое рабочее тело.

Смерть двигателя внутреннего сгорания

12 августа 2017 г.

«ЧЕЛОВЕЧЕСКАЯ изобретательность… до сих пор не нашла механического процесса, который заменил бы лошадей движущей силой транспортных средств», — сетует французская газета Le Petit Journal , в декабре 1893 г.Его ответом была организация гонки Париж-Руан для безлошадных экипажей, которая состоится в июле следующего года. 102 участника включали автомобили, работающие на пару, бензине, электричестве, сжатом воздухе и гидравлике. Только 21 человек квалифицировался в гонке на 126 км (78 миль), которая собрала огромные толпы. Явным победителем оказался двигатель внутреннего сгорания. В следующем столетии он перейдет в энергетику и изменит мир.

Большой конец

Но его дни сочтены. Быстрый прогресс в области аккумуляторных технологий в пользу электромоторов (см. Брифинг).В Париже в 1894 году ни один электромобиль не доехал до старта, отчасти потому, что станции для замены батарей требовались каждые 30 км или около того. Сегодняшние электромобили, работающие от литий-ионных аккумуляторов, могут работать намного лучше. Chevy Bolt имеет запас хода 383 км; Поклонники Tesla недавно проехали на Model S более 1000 км без подзарядки. Банк UBS считает, что «общая стоимость владения» электромобилем в следующем году достигнет паритета с бензиновым, хотя и с убытками для его производителя. Он оптимистично прогнозирует, что к 2025 году электромобили составят 14% мировых продаж автомобилей по сравнению с 1% сегодня.Другие имеют более скромные прогнозы, но поспешно пересматривают их в сторону повышения по мере того, как батареи становятся все дешевле и лучше — стоимость киловатт-часа упала с 1000 долларов в 2010 году до 130-200 долларов сегодня. Регламенты тоже ужесточаются. В прошлом месяце Великобритания присоединилась к расширяющемуся списку стран, производящих только электромобили, заявив, что все новые автомобили должны иметь нулевой уровень выбросов к 2050 году.

Переход от топлива и поршней к батареям и электродвигателям вряд ли займет так много времени. Первые предсмертные хрипы двигателя внутреннего сгорания уже раздаются по всему миру, и многие последствия будут приветствоваться.

Чтобы понять, что нас ждет впереди, подумайте, как двигатель внутреннего сгорания повлиял на современную жизнь. Богатый мир был перестроен для автомобилей с огромными инвестициями в дорожную сеть и изобретением пригородов, торговых центров и проезжих ресторанов. Примерно 85% американских рабочих ездят на автомобиле. Производство автомобилей было также генератором экономического развития и роста среднего класса в послевоенной Америке и других странах. Сейчас на дорогах около 1 миллиарда автомобилей, почти все они работают на ископаемом топливе.Хотя большинство из них простаивают, американские двигатели для легковых и грузовых автомобилей могут производить в десять раз больше энергии, чем их электростанции. Двигатель внутреннего сгорания — самый мощный двигатель в истории.

Но электрификация привела к хаосу в автомобильной промышленности. Его лучшие бренды основаны на их инженерном наследии, особенно в Германии. По сравнению с существующими автомобилями, электромобили намного проще и состоят из меньшего количества деталей; они больше похожи на компьютеры на колесах. Это означает, что им нужно меньше людей для их сборки и меньше вспомогательных систем от специализированных поставщиков.Рабочие на заводах, которые не производят электромобили, обеспокоены тем, что им может быть плохо. Чем меньше ошибок, тем меньше рынок обслуживания и запасных частей. В то время как сегодняшние автопроизводители борются со своим дорогостоящим наследием старых заводов и раздутой рабочей силы, новые участники будут свободны. Бренды премиум-класса могут выделяться своим стилем и управляемостью, но малоприбыльные производители автомобилей для массового рынка должны будут конкурировать в основном за счет стоимости.

Если, конечно, люди вообще хотят иметь машины.Электрическая силовая установка, наряду с технологиями вызова и автономного вождения, может означать, что собственность в значительной степени заменяется «транспортом как услугой», когда парк автомобилей предлагает поездки по запросу. По самым крайним оценкам, это может привести к сокращению отрасли на целых 90%. Множество совместно используемых беспилотных электромобилей позволят городам заменить автостоянки (до 24% территории в некоторых местах) новым жильем и позволить людям ездить на работу издалека, пока они спят, — пригород наоборот.

Даже без перехода на безопасные беспилотные автомобили, электрические двигатели принесут огромную пользу для окружающей среды и здоровья.Зарядка автомобильных аккумуляторов от центральных электростанций более эффективна, чем сжигание топлива в отдельных двигателях. По данным Американского совета по защите национальных ресурсов, существующие электромобили сокращают выбросы углерода на 54% по сравнению с бензиновыми. Эта цифра будет расти по мере того, как электромобили станут более эффективными, а создание сетей станет более экологичным. Упадет и местное загрязнение воздуха. Всемирная организация здравоохранения заявляет, что это самый большой риск для здоровья, связанный с окружающей средой, с загрязнением атмосферного воздуха, составляющим 3.7 миллионов смертей в год. Одно исследование показало, что автомобильные выбросы убивают 53 000 американцев каждый год по сравнению с 34 000, которые погибают в дорожно-транспортных происшествиях.

Авто и автократии

А еще есть масло. Примерно две трети потребления нефти в Америке приходится на дороги, а значительная часть остальной части расходуется на побочные продукты переработки сырой нефти для производства бензина и дизельного топлива. Нефтяная промышленность разделилась во мнениях относительно того, когда ожидать пикового спроса; Royal Dutch Shell заявляет, что до этого может потребоваться чуть больше десяти лет.Перспектива будет давить на цены задолго до этого. Поскольку никто не хочет оставаться с бесполезной нефтью в земле, будет нехватка новых инвестиций, особенно в новых дорогостоящих районах, таких как Арктика. Напротив, такие производители, как Саудовская Аравия, обладающие огромными запасами, которые можно добыть дешево, будут вынуждены начать добычу, пока не стало слишком поздно: Ближний Восток по-прежнему будет иметь значение, но намного меньше, чем он имел. Хотя по-прежнему будет существовать рынок природного газа, который поможет вырабатывать электроэнергию для всех этих электромобилей, неустойчивые цены на нефть будут напрягать страны, которые зависят от доходов от углеводородов для пополнения национальной казны.Когда объемы упадут, корректировка будет чревата, особенно там, где борьба за власть долгое время велась за контроль над нефтяным богатством. В таких странах, как Ангола и Нигерия, где нефть часто была проклятием, распространение экономического влияния может принести огромные выгоды.

Тем временем борьба за литий продолжается. Цена на карбонат лития выросла с 4000 долларов за тонну в 2011 году до более чем 14000 долларов. Спрос на кобальт и редкоземельные элементы для электродвигателей также стремительно растет.Литий используется не только для питания автомобилей: коммунальные службы хотят, чтобы гигантские батареи накапливали энергию, когда спрос снижается, и высвобождали ее при пике. Превратит ли все это богатое литием Чили в новую Саудовскую Аравию? Не совсем так, потому что электромобили его не потребляют; старые литий-ионные аккумуляторы от автомобилей можно повторно использовать в электрических сетях, а затем утилизировать.

Двигатель внутреннего сгорания хорошо себя зарекомендовал — и еще десятилетия может доминировать в судоходстве и авиации.