Как работает четырехтактный одноцилиндровый двигатель

1. Впуск : также известен как всасывание или всасывание. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (T.C.) и заканчивается в нижней мертвой точке (B.C.). В этом такте впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень втягивает топливовоздушную смесь в цилиндр, создавая вакуумное давление в цилиндре посредством его движения вниз.Поршень движется вниз, когда воздух всасывается при движении вниз к поршню.
2. Сжатие : этот ход начинается в точке с конусом до н.э. или просто в конце хода всасывания и заканчивается в точке т / д В этом такте поршень сжимает топливовоздушную смесь при подготовке к воспламенению во время рабочего такта (ниже). На этом этапе и впускной, и выпускной клапаны закрыты.
3. Сжигание : также называется мощностью или зажиганием. Это начало второго оборота четырехтактного цикла.В этот момент коленчатый вал завершил полный оборот на 360 градусов. Пока поршень находится на T.D.C. (конец такта сжатия) сжатая воздушно-топливная смесь зажигается свечой зажигания (в бензиновом двигателе) или теплом, генерируемым высокой степенью сжатия (дизельные двигатели), принудительно возвращая поршень в B.D.C. Этот ход производит механическую работу от двигателя для поворота коленчатого вала.
4. Выхлоп : Также известен как выпуск. Во время хода на выходе поршень снова возвращается из B.Округ Колумбия, округ Колумбия пока выпускной клапан открыт. Это действие удаляет отработанную топливовоздушную смесь через выпускной клапан.

История [править]

цикл Отто [править]

Николай Август Отто был коммивояжером в продуктовом концерне. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским экспатриантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. В 1860 году Ленуар успешно создал двигатель двойного действия, работающий на освещающем газе с эффективностью 4%.18-литровый двигатель Ленуара производил только 2 лошадиных силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном. ^[1]

При тестировании точной копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто стало известно о влиянии сжатия на заправку топливом. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, чтобы улучшить низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь до воспламенения, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель работал не более, чем за несколько минут до его разрушения.Многие другие инженеры пытались решить проблему, но безуспешно. ^[1]

В 1864 году Отто и Евгений Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания, NA Otto и Cie (NA Otto and Company). В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. ^[1] Заводу не хватило места, и в 1869 году его перевели в город Дойц, Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (компания по производству газовых двигателей Deutz). ^[1] В 1872 году Готтлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах был главой по проектированию двигателей. Даймлер был оружейным мастером, который работал на двигателе Ленуара. К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжимал топливную смесь до сгорания с гораздо более высокой эффективностью, чем любой двигатель, созданный к этому времени.

Daimler и Maybach покинули свои рабочие места в Otto и Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Otto в 1883 году.В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Отто. В Daimler Reitwagen использовалась система зажигания с горячей трубкой и топливо, известное как Ligroin, чтобы стать первым в мире транспортным средством, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель, основанный на дизайне Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который считается первым автомобилем. ^[2]

В 1884 году компания Отто, тогда известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор.В 1890 году Daimler и Maybach создали компанию, известную как Daimler Motoren Gesellschaft. Сегодня эта компания - Daimler-Benz.

цикл Аткинсона [править]

Двигатель с циклом Аткинсона - это тип однотактного двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет плотности мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических применениях.

Оригинальный поршневой двигатель цикла Аткинсона позволял тактам впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного цикла совершаться за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы не нарушать некоторые патенты, относящиеся к двигателям Отто цикла. ^[3]

Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала Atkinson степень его расширения может отличаться от степени сжатия, а при более высоком такте хода, чем такт сжатия, двигатель может достичь более высокой тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель ,Хотя оригинальный дизайн Аткинсона представляет собой не более чем историческое любопытство, многие современные двигатели используют нетрадиционную синхронизацию клапанов для создания эффекта более короткого такта сжатия / более длинного такта, что позволяет реализовать улучшения в экономии топлива, которые может обеспечить цикл Аткинсона. ^[4]

Дизельный цикл [править]

Дизельный двигатель - это техническое усовершенствование двигателя Отто цикла 1876 года. Когда Отто понял в 1861 году, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжав топливную смесь до ее воспламенения, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе.Двигатели Lenoir, Otto Atmospheric и Otto Compression (как 1861, так и 1876) были разработаны для работы на освещающем газе (угольный газ). С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который дал бы небольшим промышленным компаниям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, отойти от требования быть привязанным к муниципальным поставкам топлива. , Как и Отто, потребовалось более десятилетия, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который мог бы самовоспламеняться, распыленный в цилиндр.Дизель использовал воздушный спрей в сочетании с топливом в своем первом двигателе.

Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, чуть не убив дизель. Он сохраняется, и, наконец, создали успешный двигатель в 1893. с высокой степенью сжатия двигателя, который воспламеняет свое топливо за счет теплоты сжатия, теперь называют дизельный двигатель, независимо от четырехтактного или двухтактного дизайна в.

Четырехтактный дизельный двигатель использовался в большинстве тяжелых условий эксплуатации на протяжении многих десятилетий. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньшего количества очистки для производства.Самые эффективные двигатели с циклом Отто работают с тепловой эффективностью около 30%.

Термодинамический анализ [править]

Термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные воздушные предположения ^[5] . Результирующий цикл, который очень напоминает фактические рабочие условия, является циклом Отто.

При нормальной работе двигателя, когда воздушно-топливная смесь сжимается, создается электрическая искра для зажигания смеси. На низких оборотах это происходит близко к ВМТ (верхняя мертвая точка).По мере того, как обороты двигателя возрастают, скорость фронта пламени не изменяется, поэтому точка зажигания повышается раньше в цикле, чтобы позволить большей доле цикла сгорать заряд до начала рабочего хода. Это преимущество отражено в различных конструкциях двигателей Otto; атмосферный (без сжатия) двигатель работает с КПД 12%, тогда как двигатель со сжатым зарядом имеет КПД около 30%.

Топливные соображения [править]

Проблема с двигателями со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать предварительное воспламенение.Если это происходит не вовремя и слишком энергично, это может повредить двигатель. Различные фракции нефти имеют различные температуры вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

Тенденция к преждевременному воспламенению сжатой топливной смеси ограничена химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для разных уровней производительности двигателей. Топливо изменяется, чтобы изменить температуру самовоспламенения.Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими степенями сжатия, результат состоит в том, что предварительное воспламенение намного более вероятно, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед преднамеренным воспламенением. Чем выше температура, тем эффективнее испаряется топливо, такое как бензин, что повышает КПД компрессионного двигателя. Более высокие коэффициенты сжатия также означают, что расстояние, которое поршень может протолкнуть для выработки мощности, больше (что называется коэффициентом расширения).

Октановое число данного топлива является мерой сопротивления топлива самовоспламенению. Топливо с более высоким числовым октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания. Топливо с высоким октановым числом также дороже.

Многие современные четырехтактные двигатели используют бензин с непосредственным впрыском или GDI. В бензиновом двигателе с непосредственным впрыском сопло форсунки выступает в камеру сгорания.Прямой топливный инжектор впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к вершине. ^[6] Использование прямого впрыска топлива значительно снижает пиковую температуру, которая является функцией как времени впрыска, так и количества. ^[7]

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительным зажиганием. Они обеспокоены тем, можно ли начать горение. Описание вероятности воспламенения дизельного топлива называется рейтингом цетана.Поскольку дизельное топливо обладает низкой летучестью, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенным из которых является использование свечи накаливания.

Принципы проектирования и разработки [править]

Ограничения выходной мощности [править]

Максимальная мощность, вырабатываемая двигателем, определяется максимальным количеством поступающего воздуха.Количество энергии, генерируемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный двигатель или четырехтактный двигатель, объемного КПД, потерь, отношения воздух-топливо, теплотворной способности топливо, содержание кислорода в воздухе и скорость (об / мин). Скорость в конечном счете ограничена прочностью материала и смазкой. Клапаны, поршни и шатуны испытывают сильные ускорения. При высокой частоте вращения двигателя могут произойти физическая поломка и трепетание поршневого кольца, что приведет к потере мощности или даже разрушению двигателя.Трепет поршневых колец возникает, когда кольца колеблются вертикально в канавках поршней, в которых они находятся. Трепетание колец нарушает уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает потерю давления и мощности в цилиндре. Если двигатель вращается слишком быстро, пружины клапана не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Обычно это называется «поплавком клапана», и это может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка поверхности стенок поршневого цилиндра имеет тенденцию разрушаться.Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей до 10 м / с.

Поток через впускной / выпускной порт [править]

Выходная мощность двигателя зависит от способности впускного (топливовоздушная смесь) и выхлопного материала быстро перемещаться через клапанные отверстия, обычно расположенные в головке цилиндров. Чтобы увеличить выходную мощность двигателя, неровности на впускном и выпускном каналах, такие как дефекты отливки, можно устранить, и с помощью стенда потока воздуха радиусы поворотов отверстий клапана и конфигурацию седла клапана можно изменить, чтобы уменьшить сопротивление.Этот процесс называется портированием, и его можно выполнить вручную или с помощью станка с ЧПУ.

Утилизация тепла двигателя внутреннего сгорания [править]

Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовывать только 40-45% поступающей энергии в механическую работу. Большая часть ненужной энергии находится в форме тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, ребра и т. Д. Если бы мы могли каким-то образом восстановить использованное тепло, мы могли бы улучшить работу двигателя. Было обнаружено, что даже если 6% полностью потерянного тепла будет восстановлено, это может значительно повысить эффективность двигателя. ^[8]

Было разработано много методов для извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя и дальнейшего его использования для извлечения некоторой полезной работы, одновременно уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах. Использование цикла Ранкина, турбонаддува и термоэлектрической генерации может быть очень полезным в качестве системы рекуперации отработанного тепла.

Хотя эти системы используются чаще, некоторые проблемы, такие как их низкая эффективность при более низких скоростях подачи тепла и большие потери при перекачке, остаются проблемой. ^{[ цитирование необходимо ]}

Наддув [править]

Одним из способов увеличения мощности двигателя является нагнетание большего количества воздуха в цилиндр, чтобы можно было получать больше энергии за каждый рабочий ход. Это может быть сделано с использованием какого-либо типа устройства для сжатия воздуха, известного как нагнетатель, который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.

Наддув увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания относительно его рабочего объема. Чаще всего нагнетатель всегда работает, но были конструкции, позволяющие отключать его или работать с различными скоростями (относительно частоты вращения двигателя).Недостаток механического привода заключается в том, что часть выходной мощности используется для привода нагнетателя, в то время как мощность расходуется в выхлопе высокого давления, так как воздух сжимается дважды, а затем получает больший потенциальный объем при сгорании, но только расширяется в один этап.

Турбокомпрессор [править]

Турбокомпрессор - это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами двигателя посредством турбины. Турбокомпрессор встроен в выхлопную систему транспортного средства, чтобы использовать вытесненный выхлоп.Он состоит из двух частей высокоскоростной турбины в сборе, одна сторона которой сжимает всасываемый воздух, а другая сторона питается отработавшим газом.

При работе на холостом ходу и на низких и средних скоростях турбина вырабатывает мало энергии из-за небольшого объема выхлопных газов, турбонагнетатель не оказывает значительного влияния, и двигатель работает почти безнаддувным образом. Когда требуется намного большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дросселя увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными для «образования катушек» турбины турбокомпрессора, чтобы начать сжимать намного больше воздуха, чем обычно, во впускной коллектор.Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) отводится через функцию этой турбины.

Турбокомпрессор обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он приводится в действие давлением выхлопа, которое в противном случае (в основном) было бы потрачено впустую, но существует ограничение конструкции, известное как турбо-запаздывание. Увеличенная мощность двигателя не доступна сразу из-за необходимости резко увеличить обороты двигателя, для создания давления и ускорения турбины, прежде чем турбина начнет делать какое-либо полезное сжатие воздуха. Увеличенный объем впуска вызывает увеличение выхлопа и ускоряет вращение турбины, и так далее, пока не будет достигнута стабильная работа на высокой мощности.Другая трудность состоит в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопной газ передавать больше своего тепла механическим частям двигателя.

Соотношение штока и поршня к ходу [править]

Отношение шатуна к ходу - это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Удлиненный шток уменьшает боковое давление поршня на стенку цилиндра и силы напряжения, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и высоту двигателя и вес.

«Квадратный двигатель» - это двигатель с диаметром отверстия, равным его длине хода.Двигатель, у которого диаметр отверстия больше, чем длина его хода, является двигателем с перекрёстным квадратом, и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, меньшим, чем длина его хода, является двигателем с квадратом.

Клапанный поезд [править]

Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом, вращающимся с половиной скорости вращения коленчатого вала. Он имеет ряд кулачков вдоль своей длины, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части такта впуска или выпуска. Толкатель между клапаном и кулачком является контактной поверхностью, по которой кулачок скользит, открывая клапан.Многие двигатели используют один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как на иллюстрации, в которой каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателя распределительный вал находится в картере двигателя, и в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с толкателем, который контактирует с рычагом коромысла, открывающим клапан, или в случае двигателя с плоской головкой толкатель не требуется. Конструкция подвесного кулачка обычно обеспечивает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Зазор клапана [править]

Зазор клапана - это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. На двигателях с механической регулировкой клапана чрезмерный зазор вызывает шум от системы клапанов. Слишком маленький зазор может привести к неправильному закрытию клапанов. Это приводит к потере производительности и, возможно, перегреву выпускных клапанов. Как правило, зазор должен быть перенастроен каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.

Большинство современных серийных двигателей используют гидравлические подъемники для автоматической компенсации износа компонентов клапанной системы. Грязное моторное масло может привести к поломке подъемника.

Энергетический баланс [править]

Otto работают примерно на 30%. иными словами, 30% энергии, генерируемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а остальная часть - потери из-за отработанного тепла, трения и принадлежностей двигателя. ^[9] Есть несколько способов восстановить часть энергии, потерянной для потери тепла.Использование турбонагнетателя в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления поступающего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, что и увеличение рабочего объема. Компания Mack Truck десятилетия назад разработала систему турбины, которая преобразовывала отработанное тепло в кинетическую энергию, которую она возвращала в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке турбостимера, двухступенчатой ​​системы рекуперации тепла, аналогичной системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность двигателя Отто на 15%. ^[10] В отличие от этого, шеститактный двигатель может снизить расход топлива на 40%.

Современные двигатели часто намеренно создаются, чтобы быть немного менее эффективными, чем они могли бы быть в противном случае. Это необходимо для контроля выбросов, таких как рециркуляция отработавших газов и каталитические нейтрализаторы, которые уменьшают смог и другие атмосферные загрязнители. Снижение эффективности может быть нейтрализовано с помощью блока управления двигателем с использованием методов бережливого горения. ^[11]