+7(980)249-22-27
Кузовной ремонт автомобиля
Покраска в камере, полировка
Автозапчасти на заказКакие конструкции не относятся к двигателям внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы
Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.
Определение и общие особенности работы ДВС
Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
- карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
- инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
- Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
- Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.
Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.
Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Корпус двигателя объединяет в единый организм:
- блок цилиндров, внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
- кривошипно-шатунный механизм, который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
- газораспределительный механизм, который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
- система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси;
- система удаления продуктов горения (выхлопных газов).
Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе
При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.
Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.
Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.
Принципы работы ДВС
— Принцип работы двухтактного двигателя
Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.
В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.
В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.
При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.
В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.
Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.
— Принцип работы четырёхтактного двигателя
Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.
Процесс работы двигателя внутреннего сгорания
Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:
- Такт первый, впуск. Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
- Такт второй, сжатие. При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2—1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
- Такт третий, расширение. Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
- Такт четвёртый, выпуск. Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.
Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания
— Система зажигания
Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры, воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:
- Источник питания. Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
- Включатель, или замок зажигания. Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
- Накопитель энергии. Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
- Распределитель зажигания (трамблёр). Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.
Система зажигания ДВС
— Впускная система
Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:
- Воздухозаборник. Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
- Воздушный фильтр. Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
- Дроссельная заслонка. Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
- Впускной коллектор. Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.
— Топливная система
Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси. В состав топливной системы входят:
- Топливный бак — ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
- Топливопроводы — комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
- Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор — специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
- Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском — в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
- Топливный насос — электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
- Топливный фильтр — расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.
Схема топливной системы ДВС
— Система смазки
Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла; удаление продуктов нагара и износа; защита металла от коррозии. Система смазки ДВС включает в себя:
- Поддон картера — резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
- Масляный насос — качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
- Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
- Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.
— Выхлопная система
Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):
- Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
- Приёмная труба — изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
- Резонатор, или, говоря народным языком, «банка» глушителя — ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
- Катализатор — устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
- Глушитель — ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.
Выхлопная система ДВС
— Система охлаждения
Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.
- Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
- Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
- Водяной насос (помпа) — «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
- Термостат — специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор — при прогретом двигателе.
Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.
В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.
Как работает двигатель внутреннего сгорания - x-engineer.org
Подавляющее большинство автомобилей (легковых и коммерческих автомобилей), которые продаются сегодня, оснащены двигателями внутреннего сгорания . В этой статье мы расскажем, как работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с двигателем .
Двигатель внутреннего сгорания классифицируется как тепловой двигатель . Он называется внутренним , потому что сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри двигателя, в камере сгорания, и некоторые из сгоревших газов являются частью нового цикла сгорания.
По сути, двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горючей воздушно-топливной смеси в механическую энергию . Он называется , 4 такта, , потому что поршню требуется 4 такта для выполнения полного цикла сгорания. Полное название двигателя для легкового автомобиля: 4-х поршневой двигатель внутреннего сгорания , сокращенно ICE (Двигатель внутреннего сгорания).
Теперь давайте рассмотрим, какие из них являются основным компонентом ICE.
 Изображение: детали двигателя внутреннего сгорания (DOHC) | Легенда:
TDC - верхняя мертвая точка BDC - нижняя мертвая точка |
головка цилиндра ( 8) обычно содержит распределительный вал (ы), клапаны, клапанные ковши, возвратные пружины клапана, свечи зажигания и форсунки (для двигателей с прямым впрыском).Через головку цилиндров протекает охлаждающая жидкость двигателя.
Внутри блока двигателя (12) мы можем найти поршень, шатун и коленчатый вал. Что касается головки цилиндров, то через блок цилиндров протекает охлаждающая жидкость, помогающая контролировать температуру двигателя.
Поршень движется внутри цилиндра от BDC до TDC. Камера сгорания - это объем, создаваемый между поршнем, головкой цилиндров и блоком цилиндров, когда поршень находится близко к ВМТ.
На рисунке 1 мы можем рассмотреть полный набор механических компонентов ДВС.Некоторые компоненты зафиксированы (например, головка цилиндра, блок цилиндров), а некоторые из них движутся. На рисунке ниже мы рассмотрим основную движущуюся часть ДВС, которая преобразует давление газа внутри цилиндра в механическую силу.
Изображение: движущиеся части двигателя внутреннего сгорания
Условные обозначения:
- звездочка распределительного вала
- поршень
- коленчатый вал
- шатун
- клапан
- клапан ведро
- распределительный вал
Вращение распределительного вала с вращением коленчатого вала через зубчатый ремень или цепь.Положение впускного и выпускного клапанов должно быть точно синхронизировано с положением поршня, чтобы циклы сгорания происходили соответствующим образом.
Полный цикл двигателя для 4-тактного ДВС имеет следующие фазы (такты):
- впуск
- компрессия
- мощность (расширение)
- выпуск
Ход - это движение поршня между двумя мертвыми центры (снизу и сверху).
Теперь, когда мы знаем, какие компоненты ДВС, мы можем исследовать, что происходит в каждом такте цикла двигателя.В таблице ниже вы увидите положение поршня в начале каждого хода и подробную информацию о событиях, происходящих в цилиндре.
Ход 1 - INTAKE
| Ход впуска двигателя внутреннего сгорания | В начале такта впуска поршень находится вблизи ВМТ. Впускной клапан открывается, поршень начинает двигаться в направлении BDC. Воздух (или воздушно-топливная смесь) втягивается в цилиндр. Этот ход называется INTAKE, потому что свежий воздух / смесь забирается в двигатель.Ход впуска заканчивается, когда поршень находится в BDC. Во время такта впуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается из-за инерции компонентов). |
Ход 2 - СЖАТИЕ
| Ход сжатия двигателя внутреннего сгорания | Ход сжатия начинается с поршня в BDC, после завершения такта впуска. Во время такта сжатия оба клапана, впускной и выпускной, закрыты, и поршни движутся в направлении ВМТ.Когда оба клапана закрыты, воздух / смесь сжимаются, достигая максимального давления, когда поршень приближается к ВМТ. До того, как поршень достигнет ВМТ (но очень близко к нему), во время такта сжатия:
Во время такта сжатия двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается из-за инерции компонентов) больше, чем ход впуска. |
Ход 3 - POWER
| Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания | Рабочий ход начинается с поршня в ВМТ.Оба клапана, впускной и выпускной, все еще закрыты. Сгорание воздушно-топливной смеси начинается в конце такта сжатия, что вызывает значительное повышение давления внутри цилиндра. Давление внутри цилиндра толкает поршень вниз к BDC. Только во время рабочего хода двигатель вырабатывает энергию. |
Ход 4 - ВЫХЛОП
| Ход выхлопа двигателя внутреннего сгорания | Ход выхлопа начинается с поршня на BDC, после завершения рабочего хода.Во время этого хода выпускной клапан открыт. Движение поршня от BDC к TDC выталкивает большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы. Во время такта выпуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается из-за инерции компонентов). |
Как видите, для полного цикла сгорания (двигатель) поршень должен выполнить 4 такта. Это означает, что один цикл двигателя занимает двух полных оборотов коленчатого вала (720 °).
Единственный ход, который производит крутящий момент (энергию), это , рабочий ход , все остальные потребляют энергию.
Линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала через шатун.
Для лучшего понимания мы суммируем начальное положение поршня, положение клапана и энергетический баланс для каждого хода.
| Ход хода | Имя хода | Начальное положение поршня | Состояние впускного клапана | Состояние выпускного клапана | Энергетический баланс | 1 9003 В наличии | Энергетический баланс | Энергетический баланс | TDC | Открыто | Закрыто | Расходы | |
| 2 | Сжатие | BDC | Закрыто | Закрыто | Потребляется | ||||||||
| 3 | Мощность | TDC | Закрыто | Закрыто | Продукция | ||||||||
| 4 | Выхлоп | BDC | Закрыто | Открыто | Потребляется |
В анимации ниже вы можете ясно увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания.Обратите внимание на положение поршня, положение клапана, момент, когда происходит воспламенение, и последовательность ударов.
Анимация двигателя внутреннего сгорания
В следующих статьях мы подробнее рассмотрим параметры, характеристики и компоненты двигателя внутреннего сгорания. Если у вас есть вопросы или комментарии по поводу этой статьи, используйте форму ниже для размещения.
Не забудьте лайкать, делиться и подписываться!
Проверьте свои знания в области двигателей внутреннего сгорания, пройдя тест ниже:
Викторина! (нажмите, чтобы открыть)
.внутреннего сгорания | HowStuffWorks
Принцип, лежащий в основе любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: если вы поместите небольшое количество топлива с высокой удельной энергией (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство и подожжете его, высвобождается невероятное количество энергии в виде расширяющегося газа. ,
Вы можете использовать эту энергию для интересных целей. Например, если вы можете создать цикл, который позволяет запускать взрывы, подобные этому, сотни раз в минуту, и если вы можете использовать эту энергию полезным способом, то у вас есть ядро автомобильного двигателя.
Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем использует четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движение. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто , в честь Николая Отто, который изобрел его в 1867 году. Четыре удара показаны на Рис. 1 . Они:
- Ход впуска
- Ход сжатия
- Ход горения
- Ход выпуска
Этот контент не совместим с этим устройством.
Рисунок 1
Поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна . Поскольку коленчатый вал вращается, он имеет эффект «сброса пушки». Вот что происходит, когда двигатель проходит свой цикл:
- Поршень запускается сверху, впускной клапан открывается, и поршень движется вниз, чтобы двигатель мог впустить цилиндр, наполненный воздухом и бензином. Это , ход впуска .Чтобы это работало, в воздух нужно подмешать только крошечную каплю бензина. (Часть 1 рисунка)
- Затем поршень перемещается назад, чтобы сжать эту топливно-воздушную смесь. Сжатие делает взрыв более мощным. (Часть 2 рисунка)
- Когда поршень достигает максимума своего хода, свеча зажигания зажигает искру, чтобы зажечь бензин. Заряд бензина в цилиндре взрывается , приводя поршень в действие. (Часть 3 рисунка)
- Как только поршень достигнет нижнего положения своего хода, выпускной клапан открывается, и выпуск выпускается из цилиндра, чтобы выйти из выхлопной трубы.(Часть 4 рисунка)
Теперь двигатель готов к следующему циклу, поэтому он потребляет еще один заряд воздуха и газа.
В двигателе линейное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатым валом. Вращательное движение приятно, потому что мы все равно планируем вращать (вращать) колеса автомобиля.
Теперь давайте рассмотрим все части, которые работают вместе, чтобы это произошло, начиная с цилиндров.
,Компоненты двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания бывают самых разных типов, но имеют определенные семейные сходства и, таким образом, имеют много общих типов компонентов.
камеры сгорания [править]
Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество камер сгорания (цилиндров), причем обычно используются числа от одного до двенадцати, хотя использовалось до 36 (Lycoming R-7755). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: во-первых, двигатель может иметь большее смещение с меньшими индивидуальными поршневыми массами, то есть масса каждого поршня может быть меньше, что делает двигатель более плавным, поскольку двигатель имеет тенденцию вибрировать в результате движения поршней вверх и вниз.Удвоение количества цилиндров одинакового размера удвоит крутящий момент и мощность. Недостатком наличия большего количества поршней является то, что двигатель будет иметь тенденцию весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это приводит к снижению эффективности использования топлива и лишает двигатель некоторой его мощности. Для высокоэффективных бензиновых двигателей, в которых используются современные материалы и технологии, такие как двигатели, применяемые в современных автомобилях, кажется, что существует примерно 10 или 12 цилиндров, после которых добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности.Хотя исключения, такие как двигатель W16 от Volkswagen, существуют.
- Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, у некоторых высокопроизводительных автомобилей - десять, 12 или даже 16, а у некоторых очень маленьких легковых и грузовых автомобилей - два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые или двухтактные двигатели.
- Радиальные авиадвигатели имели от трех до 28 цилиндров; примеры включают маленький Kinner B-5 и большой Pratt & Whitney R-4360.Большие примеры были построены в несколько рядов. Поскольку в каждом ряду содержится нечетное число цилиндров, чтобы обеспечить четную последовательность запуска четырехтактного двигателя, четное число обозначает двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но он не поступил в производство.
- Мотоциклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, с несколькими высокопроизводительными моделями, имеющими шесть; хотя некоторые «новинки» существуют с 8, 10 или 12.
- Снегоходы Обычно имеют от одного до четырех цилиндров и могут быть как двухтактными, так и четырехтактными, обычно в линейной конфигурации; Тем не менее, снова есть некоторые новинки, которые существуют с двигателями V-4
- Небольшие портативные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, обычно имеют один цилиндр, но существуют двухцилиндровые бензопилы.
- Большие реверсивные двухтактные судовые дизели имеют минимум три-десять цилиндров. Грузовые дизельные локомотивы обычно имеют от 12 до 20 цилиндров из-за нехватки места, поскольку более крупные цилиндры занимают больше места (объема) на киловатт-час, из-за ограничения средней скорости поршня менее 30 футов / с на двигателях, работающих в течение более 40 000 часов в полная мощность.
Система зажигания [править]
Система зажигания двигателей внутреннего сгорания зависит от типа двигателя и используемого топлива.Бензиновые двигатели обычно воспламеняются с помощью точно рассчитанной свечи зажигания, а дизельные двигатели - от компрессионного нагрева. Исторически использовалось внешнее пламя и системы с горячими трубами, см. Двигатель с горячими лампами.
Spark [редактировать]
В двигателе с искровым зажиганием смесь воспламеняется электрической искрой от свечи зажигания, время которой очень точно контролируется. Почти все бензиновые двигатели относятся к этому типу. Время дизельных двигателей точно контролируется насосом давления и инжектором. Нормальное расстояние между свечой зажигания составляет 1 мм, а напряжение составляет 3000 В при нормальных атмосферных условиях.
Сжатие[править]
Зажигание происходит, когда температура топливовоздушной смеси превышает ее температуру самовоспламенения из-за тепла, выделяемого при сжатии воздуха во время такта сжатия. Подавляющее большинство двигателей с воспламенением от сжатия представляют собой дизели, в которых топливо смешивается с воздухом после того, как воздух достигнет температуры воспламенения. В этом случае выбор времени происходит от системы впрыска топлива. В очень маленьких модельных двигателях, для которых простота и легкий вес важнее, чем затраты на топливо, используются легко воспламеняемые виды топлива (смесь керосина, эфира и смазки) и регулируемая компрессия для контроля момента зажигания при запуске и работе.
Время зажигания [править]
Для поршневых двигателей точка цикла, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, оказывает непосредственное влияние на эффективность и производительность ДВС. Термодинамика идеализированного теплового двигателя Карно говорит нам, что ДВС наиболее эффективен, если большая часть горения происходит при высокой температуре, возникающей в результате сжатия - вблизи верхней мертвой точки. Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового числа или цетанового числа топлива.Смеси Leaner и более низкие давления смеси сгорают медленнее, что требует более точного выбора времени зажигания. Важно, чтобы сгорание распространялось тепловым фронтом пламени (дефлаграция), а не ударной волной. Распространение горения ударной волной называется детонацией, а в двигателях также известно как пинг или детонация двигателя.
Таким образом, по крайней мере, в бензиновых двигателях выбор времени зажигания в значительной степени является компромиссом между более поздней «запаздывающей» искрой - которая дает большую эффективность с высокооктановым топливом - и более ранней «продвинутой» искрой, которая предотвращает детонацию с использованным топливом.По этой причине высокоэффективные сторонники дизельных автомобилей, такие как Gale Banks, считают, что
Только пока вы можете ездить с воздушным двигателем на бензине с октановым числом 91. Другими словами, это топливо, бензин, который стал ограничивающим фактором. ... Несмотря на то, что турбонаддув применяется как к бензиновым, так и к дизельным двигателям, только бензиновый двигатель может добавить только ограниченный наддув, прежде чем уровень октанового числа топлива снова станет проблемой. Для дизеля давление наддува практически не ограничено.В буквальном смысле можно запустить столько же наддува, сколько будет физически стоять двигатель, прежде чем развалиться. Следовательно, разработчики двигателей пришли к выводу, что дизели способны значительно больше мощности и крутящего момента, чем любой бензиновый двигатель сопоставимого размера. [1]
Топливные системы [править]
Анимированная разрезанная схема типичной топливной форсунки, устройства, используемого для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания.Топливо сгорает быстрее и эффективнее, когда оно представляет большую площадь поверхности для кислорода в воздухе.Жидкое топливо должно быть распылено, чтобы создать топливно-воздушную смесь, традиционно это было сделано с карбюратором в бензиновых двигателях и с впрыском топлива в дизельных двигателях. В большинстве современных бензиновых двигателей также используется впрыск топлива, хотя технология совершенно иная. Несмотря на то, что дизель должен впрыскиваться в точную точку в этом цикле двигателя, такая точность не требуется для бензинового двигателя. Однако отсутствие смазывающих свойств в бензине означает, что сами инжекторы должны быть более сложными.
Карбюратор [править]
Более простые поршневые двигатели продолжают использовать карбюратор для подачи топлива в цилиндр. Хотя технология карбюратора в автомобилях достигла очень высокой степени сложности и точности, с середины 1980-х годов она потеряла в стоимости и гибкости для впрыска топлива. Простые формы карбюратора по-прежнему широко используются в небольших двигателях, таких как газонокосилки, а более сложные формы по-прежнему используются в небольших мотоциклах.
Впрыск топлива [править]
Более крупные бензиновые двигатели, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива (см. Бензин с непосредственным впрыском).Дизельные двигатели всегда использовали систему впрыска топлива, потому что время впрыска инициирует и контролирует сгорание.
ДвигателиAutogas используют либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.
Топливный насос [править]
Большинству двигателей внутреннего сгорания сейчас требуется топливный насос. Дизельные двигатели используют полностью механическую прецизионную насосную систему, которая обеспечивает синхронизированный впрыск непосредственно в камеру сгорания, поэтому требуется высокое давление подачи для преодоления давления в камере сгорания.Впрыск бензинового топлива поступает во впускной тракт при атмосферном давлении (или ниже), и время не учитывается, эти насосы обычно приводятся в действие электрически. Газотурбинные и ракетные двигатели используют электрические системы.
Другое [править]
Другие двигатели внутреннего сгорания, такие как реактивные двигатели и ракетные двигатели, используют различные способы подачи топлива, включая удары струи, сдвиг газа / жидкости, предварительные дожигатели и другие.
Система впуска Oxidiser-Air [править]
Некоторые двигатели, такие как твердые ракеты, имеют окислители, уже находящиеся в камере сгорания, но в большинстве случаев, чтобы происходило сгорание, в камеру сгорания должна подаваться непрерывная подача окислителя.
атмосферный двигатель [править]
Когда воздух используется с поршневыми двигателями, он может просто всасывать его, так как поршень увеличивает объем камеры. Тем не менее, это дает максимум 1 атмосферу перепада давления на впускных клапанах, и при высоких оборотах двигателя результирующий поток воздуха может ограничивать потенциальную производительность.
Нагнетатели и турбокомпрессоры [править]
Нагнетатель представляет собой систему «принудительной индукции», в которой используется компрессор с приводом от вала двигателя, который нагнетает воздух через клапаны двигателя для достижения более высокого расхода.При использовании этих систем максимальное абсолютное давление на впускном клапане обычно примерно в 2 раза превышает атмосферное давление или более.
Визитка турбокомпрессора Турбокомпрессоры- это другой тип системы принудительной индукции, компрессор которой приводится в действие газовой турбиной, работающей на выхлопных газах двигателя.
Турбокомпрессоры и нагнетатели особенно полезны на больших высотах и часто используются в авиационных двигателях.
Канальные реактивные двигатели используют ту же базовую систему, но отказываются от поршневого двигателя и заменяют его горелкой.
Жидкости [править]
В жидкостных ракетных двигателях окислитель поставляется в виде жидкости и должен подаваться под высоким давлением (обычно 10-230 бар или 1–23 МПа) в камеру сгорания. Обычно это достигается за счет использования центробежного насоса, работающего от газовой турбины, - конфигурации, известной как турбонасос , но он также может питаться под давлением.
Иллюстрация нескольких ключевых компонентов в типичном четырехтактном двигателе.Для четырехтактного двигателя ключевые детали двигателя включают коленчатый вал (фиолетовый), шатун (оранжевый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны.Для двухтактного двигателя вместо клапанной системы может быть просто выпускное отверстие и впускное отверстие для топлива. В обоих типах двигателей имеется один или несколько цилиндров (серый и зеленый), а для каждого цилиндра есть свеча зажигания (только темно-серый, только для бензиновых двигателей), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Единственный ход цилиндра поршнем при движении вверх или вниз известен как ход. Ход вниз, который происходит непосредственно после того, как воздушно-топливная смесь проходит от карбюратора или топливной форсунки к цилиндру (где он зажигается), также известен как рабочий ход.
Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (фигура 8) вокруг эксцентрикового вала. Четыре фазы работы (впуск, сжатие, питание и вытяжка) осуществляются в движущейся камере с переменным объемом.
Клапаны [править]
Все четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используют клапаны для контроля впуска топлива и воздуха в камеру сгорания. В двухтактных двигателях используются отверстия в отверстии цилиндра, закрытые и не закрытые поршнем, хотя были и такие варианты, как выпускные клапаны.
Клапаны поршневого двигателя [править]
В поршневых двигателях клапаны сгруппированы в «впускные клапаны», которые допускают вход топлива и воздуха, и «выпускные клапаны», которые позволяют выхлопным газам выходить. Каждый клапан открывается один раз за цикл, а те, которые подвергаются экстремальным ускорениям, удерживаются закрытыми пружинами, которые обычно открываются шатунами, вращающимися на распределительном валу, вращающемся с коленчатым валом двигателя.
Регулирующие клапаны [править]
Двигатели непрерывного сгорания, а также поршневые двигатели обычно имеют клапаны, которые открываются и закрываются для впуска топлива и / или воздуха при запуске и останове.Некоторые клапаны позволяют регулировать поток и регулировать мощность или частоту вращения двигателя.
Выхлопные системы [править]
Выпускной коллектор с керамической системой плазменного напыленияДвигатели внутреннего сгорания должны эффективно управлять выхлопом охлажденного газа сгорания из двигателя. Система выпуска часто содержит устройства для контроля как химического, так и шумового загрязнения. Кроме того, для циклических двигателей внутреннего сгорания выхлопная система часто настраивается для улучшения опорожнения камеры сгорания.Большинство выхлопных газов также имеют системы для предотвращения попадания тепла в места, которые могут повредить его, такие как чувствительные к нагреванию компоненты, часто называемые управлением отводом тепла.
Для двигателей внутреннего сгорания с реактивным двигателем «выхлопная система» имеет форму высокоскоростного сопла, которое создает тягу двигателя и образует коллимированную струю газа, которая дает двигателю его имя.
Системы охлаждения [править]
Сжигание вырабатывает большое количество тепла, и часть этого передается на стенки двигателя.Отказ произойдет, если корпусу двигателя позволят достичь слишком высокой температуры; либо двигатель выйдет из строя физически, либо любые используемые смазочные материалы будут ухудшаться до такой степени, что они больше не будут защищать двигатель. Смазочные материалы должны быть чистыми, так как грязные смазочные материалы могут привести к чрезмерному образованию осадка в двигателях.
Системы охлаждения обычно используют воздушное (с воздушным охлаждением) или жидкостное (обычно водяное) охлаждение, в то время как некоторые очень горячие двигатели используют радиационное охлаждение (особенно некоторые ракетные двигатели).Некоторые высотные ракетные двигатели используют абляционное охлаждение, когда стены постепенно разрушаются контролируемым образом. В частности, ракеты могут использовать регенеративное охлаждение, в котором используется топливо для охлаждения твердых частей двигателя.
Поршень [править]
Поршень является компонентом поршневых двигателей. Он расположен в цилиндре и сделан газонепроницаемым с помощью поршневых колец. Его целью является передача силы от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шток поршня и / или шатун.В двухтактных двигателях поршень также действует как клапан, закрывая и открывая отверстия в стенке цилиндра. Поршень совершает возвратно-поступательные движения внутри двигателя благодаря силам, возникающим внутри камеры сгорания. Это возвратно-поступательное движение отвечает за впуск и выпуск газов из цилиндра двигателя. Поршень получает взрывные силы, возникающие при сгорании топлива, и преобразует его в механическую энергию, вращая коленчатый вал. Поршень соединен с коленчатым валом посредством шатуна.Обычно изготавливается из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни имеют малый вес и хорошую теплопроводность. Легкий поршень может совершать возвратно-поступательные движения легко и с большей скоростью. Более высокая теплопроводность помогает им отводить тепло к стенкам цилиндра, сохраняя их холодными. Одна проблема с алюминием состоит в том, что он имеет очень высокий коэффициент теплового расширения. Следовательно, между поршнем и стенками цилиндра должен быть достаточный зазор. В случае меньшего зазора тепловое расширение поршня также может вызвать остановку двигателя.
Подвижное сопло [править]
Для реактивных двигателей внутреннего сгорания имеется выталкивающее сопло. Это берет высокую температуру, выхлоп высокого давления и расширяет и охлаждает это. Выхлоп оставляет форсунку, движущуюся на гораздо более высокой скорости, и обеспечивает тягу, а также сужает поток от двигателя и повышает давление в остальной части двигателя, придавая большую тягу выходной массе выхлопных газов.
Коленчатый вал [править]
Коленчатый вал для 4-цилиндрового двигателяБольшинство поршневых двигателей внутреннего сгорания заканчивают вращением вала.Это означает, что линейное движение поршня должно быть преобразовано во вращение. Обычно это достигается с помощью коленчатого вала.
Маховики [править]
Маховик - это диск или колесо, прикрепленное к кривошипу, образующее инерционную массу, которая накапливает энергию вращения. В двигателях с одним цилиндром маховик необходим для передачи энергии от рабочего такта в последующий такт сжатия. Маховики присутствуют в большинстве поршневых двигателей, чтобы сгладить подачу мощности при каждом обороте кривошипа, а в большинстве автомобильных двигателей также устанавливают зубчатое кольцо для стартера.Инерция вращения маховика также позволяет значительно снизить минимальную скорость без нагрузки, а также улучшает плавность хода на холостом ходу. Маховик также может выполнять часть балансировки системы и, таким образом, сам по себе нарушать баланс, хотя большинство двигателей будет использовать нейтральный баланс для маховика, что позволяет его балансировать в отдельной операции. Маховик также используется в качестве крепления для сцепления или гидротрансформатора в большинстве автомобильных применений.
Стартовые системы [править]
Все двигатели внутреннего сгорания требуют какой-либо системы для запуска их в эксплуатацию.В большинстве поршневых двигателей используется стартер, работающий от той же батареи, что и остальные электрические системы. Большие реактивные двигатели и газовые турбины запускаются с помощью двигателя со сжатым воздухом, который связан с одним из карданных валов двигателя. Сжатый воздух может подаваться от другого двигателя, агрегата на земле или ВСУ самолета. Небольшие двигатели внутреннего сгорания часто запускаются с помощью тросов. Мотоциклы всех размеров традиционно заводились, хотя все, кроме самых маленьких, теперь имеют электрический старт.Крупные стационарные и судовые двигатели могут быть запущены путем своевременной подачи сжатого воздуха в цилиндры или иногда с помощью картриджей. Пусковой запуск относится к помощи от другой батареи (как правило, когда установленная батарея разряжена), в то время как ударный запуск относится к альтернативному методу запуска с применением некоторого внешнего усилия, например, катится с холма
Теплозащитные системы [править]
Эти системы часто работают в сочетании с системами охлаждения двигателя и выхлопной системы.Тепловая защита необходима для предотвращения повреждения двигателя чувствительными к нагреву компонентами. Большинство старых автомобилей используют простой стальной теплозащитный экран для уменьшения теплового излучения и конвекции. В настоящее время наиболее распространенным для современных автомобилей является использование алюминиевого теплозащитного экрана, который имеет меньшую плотность, легко формуется и не подвержен коррозии так же, как сталь. Автомобили с более высокими характеристиками начинают использовать керамический теплозащитный экран, поскольку он может выдерживать гораздо более высокие температуры, а также дальнейшее снижение теплопередачи.
Смазочные системы [править]
Двигатели внутреннего сгорания требуют смазки во время работы, чтобы движущиеся части плавно скользили друг над другом. Недостаточная смазка подвергает детали двигателя контакту металла с металлом, трению, накоплению тепла, быстрому износу, который часто приводит к сварке деталей трением, например. поршни в их цилиндрах. Заклинивание подшипников большого конца иногда приводит к поломке и высовыванию шатуна через картер двигателя.
Используются несколько различных типов систем смазки.Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в поток впрыска в виде спрея. Ранние тихоходные стационарные и морские двигатели смазывались самотеком из небольших камер, похожих на те, которые использовались на паровых двигателях в то время - с тендером для двигателей, заполняющим их по мере необходимости. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобильной и авиационной промышленности, необходимость в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высокой температуре и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, требовало смазки под давлением для коленчатых подшипников и шатунных шеек.Это было обеспечено либо прямой смазкой от насоса, либо косвенно струей масла, направленной на приемные колпачки на концах шатуна, что имело преимущество, заключающееся в обеспечении более высокого давления при увеличении частоты вращения двигателя.
Системы управления [править]
Большинству двигателей требуется одна или несколько систем для запуска и выключения двигателя, а также для управления такими параметрами, как мощность, скорость, крутящий момент, загрязнение, температура сгорания и эффективность, а также для стабилизации двигателя в режимах работы, которые могут вызвать самоповреждение. такие как предварительное зажигание.Такие системы могут упоминаться как блоки управления двигателем.
Сегодня многие системы управления являются цифровыми и часто называются системами FADEC (полное электронное электронное управление).
Диагностические системы [править]
Engine On Board Diagnostics (также известная как OBD) - это компьютеризированная система, которая позволяет проводить электронную диагностику силовой установки транспортного средства. Первое поколение, известное как OBD1 , было введено через 10 лет после того, как Конгресс США принял Закон о чистом воздухе в 1970 году как способ контроля за системой впрыска топлива транспортных средств. OBD2 , второе поколение компьютеризированной бортовой диагностики, было кодифицировано и рекомендовано Калифорнийским советом по воздушным ресурсам в 1994 году и стало обязательным оборудованием на всех транспортных средствах, продаваемых в Соединенных Штатах с 1996 года. Также сделано на всех автомобилях.
