+7(980)249-22-27
Кузовной ремонт автомобиля
Покраска в камере, полировка
Автозапчасти на заказКороткоходный двигатель что это
Длинноходные и короткоходные моторы – в чем разница, и какие лучше?
Средняя скорость, и какой она бывает
Для понимания вопроса придется вспомнить немного о конструкции ДВС и принципах его работы. Вы наверняка знаете, что в основе любой конструкции двигателя внутреннего сгорания лежит воздействие расширяющихся газов на поршень. Поршни могут быть любой формы и размеров, но у любого поршня есть такой параметр, как средняя скорость, и от нее зависит очень и очень многое.
Средняя скорость поршня – это величина, которую можно определить по формуле Vp = Sn/30, где S – ход поршня, м; n – частота вращения, мин-1. И именно она определяет степень возможного форсирования двигателя по оборотам, ускорения элементов шатунно-поршневой группы во время работы, а также его механический КПД.
От средней скорости поршня зависят нагрузки на стенку поршня, на поршневой палец, шатун и коленвал. Причем зависимость эта квадратичная: с увеличением скорости (Vp) в два раза нагрузки увеличиваются в четыре раза, а если в три – то в девять раз.
Эксперименты инженеров-мотористов уже очень давно доказали, что классическая конструкция шатунно-поршневой группы выдерживает максимальную скорость порядка 17-23 м/с. И чем выше эта величина, тем скорее изнашивается мотор. Увеличить скорость поршня практически невозможно – самые облегченные гоночные двигатели Формулы-1 имели скорость порядка 23-25 м/с, и это безумно много. Этого удалось достичь только потому, что «формульные» моторы рассчитаны на очень короткую эксплуатацию – от них не требуется «ходить» по 100 000 км.
От теории – к практике. Как известно, мощность мотора – это производная от крутящего момента, помноженного на обороты (об этом я писал большую статью с таблицами и графиками). То есть, если мы хотим получить больше мощности, то надо увеличивать обороты. А так как скорость поршня ограничена, то у нас не остается другого выбора, кроме как уменьшить его ход. Чем меньше расстояние нужно пройти поршню за один оборот, тем меньше может быть его скорость.
Короткоходные, длинноходные и «квадратные» моторы
Казалось бы, выше мы только что озвучили два прекрасных аргумента для максимального уменьшения хода поршня. К тому же, чем меньше ход поршня, тем больше диаметр цилиндра при том же объеме, и тем более крупные клапаны можно поставить. Улучшается газообмен, а значит, и работа мотора в целом… Но, как оказалось, безмерно уменьшать ход тоже нельзя.
Чем меньше ход, тем больше должен быть диаметр цилиндра, если мы хотим сохранить объем. А вот форма камеры сгорания с ростом диаметра цилиндра ухудшается, соотношение объема камеры и площади неизбежно растет, увеличивается коэффициент остаточных газов, возрастают тепловые потери, ухудшается сгорание топлива… КПД падает, склонность к детонации повышается, ухудшаются экономичность и экологичность.
При уменьшении хода поршня снижается, к тому же, и диаметр кривошипа коленчатого вала, а значит, уменьшается крутящий момент мотора. Ухудшаются и массогабаритные параметры двигателей – они становятся куда крупнее в горизонтальном сечении. К тому же для сохранения рабочего объема приходится увеличивать число цилиндров, а это уже ведет к резкому повышению сложности конструкции. В общем, нужен был компромисс.
Основные задачи проектирования моторов решили к 60-м годам прошлого века, тогда же нащупали пределы прочности конструкции по средней скорости поршня. Стало ясно, что оптимальные параметры мощности, общего КПД и габаритов у атмосферного мотора получаются в том случае, если диаметр цилиндра равен ходу поршня или чуть меньше.
На фото: двигатель Nissan Qashqai Если они совпадают, то такие моторы еще называют «квадратными». Моторы, у которых диаметр цилиндра все-таки больше хода поршня, называют короткоходными, а те, у которых он меньше, – длинноходными.
Внимательный читатель скажет: стоп, а откуда вообще взялись короткоходные моторы, если эксперименты доказали, что эффективнее всего «квадратные» или чуть-чуть длинноходные?! Все просто: короткоходники получили распространение в автоспорте. Там расход топлива и приемистость на низких оборотах не сильно «делали погоду», и можно было пожертвовать КПД ради достижения большей мощности на высоких оборотах при сохранении малого рабочего объема.
Для получения лучшей топливной экономичности, тяги и чистоты выхлопа, наоборот, ход поршня увеличивали, жертвуя оборотами и максимальной мощностью. Длинноходные моторы применяли там, где были нужны тяга и экономичность.
Тем временем, к 80-м годам среднюю скорость поршня в серийных моторах довели до предела в 18 м/с, дальше ее увеличивать не получалось. Такая ситуация сохранилась до 90-х, когда требования к массогабаритным и экономическим характеристикам моторов резко возросли.
Длинноходный прогресс
90-е годы – это в первую очередь массовое внедрение новых экологических норм, резкое повышение массы кузова автомобилей из-за новых требований по пассивной безопасности, а заодно и возросшие требования к габаритам и экономичности силовых агрегатов. Машины становились просторнее изнутри и безопаснее во всех смыслах.
А двигателям приходилось поспевать за прогрессом. Массовый переход на многоклапанные головки блоков цилиндров повысил мощность и сделал моторы чище. Средний рабочий объем мотора постарались уменьшить и тем самым выиграть в расходе топлива и габаритах. Прогресс в области конструирования поршневой группы позволил уменьшить высоту поршня и увеличить длину шатуна, сделав больше механический КПД мотора.
Следовательно, стало возможно перейти к более длинноходным конструкциям, которые при том же рабочем объеме были компактнее, имели больший крутящий момент и к тому же стали экономичнее. Облегчение поршневой группы позволило снизить нагрузки на нее при высоких оборотах, а массовое внедрение турбонаддува и регулируемого впуска – еще и выиграть в максимальной мощности и тяге. Умеренно длинноходные моторы от этого только выиграли.
В 2000-е в стане двигателей объемом от 2 литров наметился перелом в переходе от «квадратов» к длинноходным конструкциям. И вот вам несколько примеров. При рабочем объеме 2 литра моторы VW серии ЕА888 (стоят на множестве моделей концерна от Skoda Octavia до Audi A5) имеют ход поршня 92,8 мм при диаметре цилиндра 82,5, а 2-литровые моторы Renault серии F4R (более всего известный по Duster) – 93 мм и 82,7 соответственно. Моторы Toyota объемом 1,8 л серии 1ZZ (Corolla, Avensis и др.) – еще более длинноходные, их размерность 91,5х79.
На фото: двигатель Volkswagen Golf GTI Рабочие обороты таких двигателей заметно уменьшились, особенно у турбонаддувных, снизились и обороты максимальной мощности. А значит и снижение механического КПД уже не столь важно, зато преимущества налицо. По габаритам моторы лишь немного больше «классических» 1,6 из недавнего прошлого, а по тяге и расходу топлива намного превосходят однообъемных предшественников.
В современных моторах пытаются сочетать высокую эффективность работы длинноходных моторов и повышенный механический КПД короткоходных. Так, в ультрасовременном (но тем не менее уже снимаемом с производства) моторе BMW серии N20В20 (стоят на 1-й, 3-й, 5-й сериях, X1 и X3) применяется несимметричная поршневая группа, в которой ось коленчатого вала и ось поршневых пальцев смещены относительно оси цилиндров. Тут используются регулируемый маслонасос, плазменное напыление цилиндров, бездроссельный впуск и прочие технические «фокусы» для снижения механических потерь и сопротивления впуска. Размерность этого длинноходного мотора 90,1х84, и никто не скажет, что у него плохие характеристики хоть в чем-то, кроме надежности.
Дизели
Дизельные моторы, которые в силу особенностей рабочего цикла обычно являются длинноходными и низкооборотными, выиграли вдвойне. Внедрение турбонаддува резко подняло крутящий момент и позволило снизить степень сжатия, а прогресс топливной аппаратуры и поршневой группы – еще и увеличить рабочие обороты.
На фото: двигатель Volkswagen Golf TDIВ итоге дизели превзошли по литровой мощности атмосферные бензиновые моторы, а по крутящему моменту – бензиновые моторы с наддувом. Так, двигатели серии N57 (3-я, 5-я, 7-я серии, X3, X5 и др.) от BMW при диаметре цилиндра 84 мм и ходе поршня 90 мм имеют рабочий объем 2,993 литра, мощность до 381 л. с. и 740 Нм крутящего момента. Средняя скорость поршня при этом – 13,2 метра в секунду.
Оборотная сторона
Конечно же, беспроигрышных лотерей не бывает, и чудесной высокой отдачи добились ценой надежности – тут нет никакого секрета. Старый принцип актуален и поныне: у «сильно длинноходных» моторов высокая средняя скорость поршня увеличивает нагрузку на стенки цилиндра.
Конечно же, материалы становятся лучше, но при сравнении двигателей одной серии с разными параметрами хода поршня и диаметра цилиндра заметно, что длинноходные модели более склонны к износу поршневых колец и задирам цилиндров. И ресурс поршневой у них оказывается существенно ниже, чем у более «квадратных» собратьев.
А вот при сравнении разных моторов все далеко не так однозначно. На моторах с алюминиевым блоком и алюсиловым покрытием стараются снизить нагрузку на стенку цилиндра в том числе и снижением хода поршня, но, как правило, все равно ресурс получается меньше, чем у моторов с чугунными гильзами или блоком.
Мотор Renault-Nissan серии M4R (Qashqai, Fluence и др.), который пришел на смену уже упомянутому чугунному F4R, имеет ход поршня 90,1 мм при диаметре цилиндра 84 – он все еще длинноходный, но ход поршня значительно сократился. Габариты при этом не увеличиваются за счет более тонкостенной конструкции блока цилиндров.
На фото: двигатель Renault LatitudeСовременные двигатели не нуждаются в высоких оборотах для достижения высокой мощности, а экономичность и экологичность становятся все важнее. Пусть даже в реальной эксплуатации заявленные характеристики и не подтверждаются… К тому же, можно путем усложнения конструкции обойти множество ограничений, которые десятки лет заставляли делать выбор между мощностью и экономичностью моторов.
Короткоходные «крутильные» моторы просто вымирают, им нет места в новом мире. Даже в Формуле-1 отказались от экстремальных конструкций с рабочими оборотами за 19 тысяч и соотношением диаметра цилиндра и хода поршня больше 2,4 к 1. Конечно, для фанатов и гоночных серий выпуск подобной техники сохранится, но в практическом плане смысла в ней уже нет. Победа длинноходных конструкций, за редким исключением, фактически состоялась.
Одним из немногих «оплотов короткоходности» до недавнего времени оставались атмосферные V6 и V8 от Mercedes-Benz. Так, моторы серии М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 и др.) – откровенно короткоходные во всех вариантах исполнения. Например, у 3-литровой версии соотношение хода к диаметру будет 82,1 к 88. Как и их предки в лице М104, так и их наследники вплоть до М276, они были олицетворением успешных короткоходных моторов. Компания не стремилась к излишней компактности моторов, места было достаточно, а момента у двигателей объемом 3-3,5 литра и так хватало с запасом. Городить длинноходную конструкцию не было смысла.
Но новое поколение двигателей AMG серий М133/М176 с наддувом стали длинноходными – 83х92 мм, как и перспективная рядная шестерка 3,0 с наддувом серии М256 – 83х92,4 мм.
На фото: двигатель Mercedes-AMG CLA 45 4MATICИз «могикан» остаются разве что моторы GM, их блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 все еще не стремится к компактности, имея размерность 103,25х92 мм, и даже компрессорная версия LT4 сохраняет ту же размерность блока. Но это, скорее всего, тоже ненадолго.
Конец спорам
Даунсайз, наддув, непосредственный впрыск, гладкая моментная характеристика, высокий крутящий момент, регулируемый ГРМ и продвинутые трансмиссии сотворили маленькое чудо. Споры «длинноходный или короткоходный» уже более не актуальны.
Моторы вдруг прибавили в литровой мощности до границ, ранее считавшихся возможными только для специально подготовленных гоночных моторов. Увидев цифры в 120-150 л. с. с литра объема, мы уже не удивляемся, и даже 200 л. с. на литр кажутся вполне реальными, а «смешной» паспортный расход топлива для мощной и тяжелой машины кажется вполне реальным. Дизельные двигатели из «гадких утят» превратились в прекрасных лебедей с литровой мощностью даже большей, чем у бензиновых двигателей.
Во многом все это, плюс уменьшение габаритов и веса моторов, стало возможным благодаря длинноходной конструкции. Окончательно оформившийся тренд вряд ли переломится, особенно с учетом прогнозируемого вытеснения ДВС электромоторами и разнообразными «удлинителями дистанции».
с длинным ходом против двигателей с коротким ходом: объяснения различий
Мы любим или ненавидим конкретную машину в зависимости от ее характера. Теперь, движок, среди множества других вещей, вероятно, является наиболее определенным компонентом, который определяет этот так называемый символ. Является ли двигатель редким, высокооборотистым агрегатом или ленивым комом с кучей низкого крутящего момента, во многом зависит от архитектуры двигателя. Хотя объединение цилиндров в различных конфигурациях, таких как прямолинейное, V или горизонтально противоположное, создает отличительный характер в каждом случае, отверстие и ход самого цилиндра являются очень важным аспектом при определении свойств двигателя.Здесь, в этой части, мы поговорим о длинноходных и короткоходных двигателях и о том, как две конфигурации влияют на их расположение.
Что такое отверстие и ход?
Прежде чем мы начнем изучать мелкие детали двигателей с длинными и короткими ходами, мы должны сначала правильно понять концепцию отверстия и хода. Цилиндр двигателя похож на хорошо законченное круглое отверстие, вырезанное из металлического блока, что определяет его объем, объем или объем. Здесь отверстие - это диаметр круглого отверстия на его конце.Ход, с другой стороны, это глубина отверстия. Посмотрите на следующее изображение, чтобы понять, как выглядит типичный цилиндр. Мы четко обозначили его скуку и ход для лучшего понимания.
Отношение отверстия к ходу
Как вы понимаете, вырезать цилиндр внутри металлического блока можно различными способами. Для любой заданной кубической емкости можно сделать круглое отверстие слишком большим, с меньшей глубиной или наоборот. Теперь двигатель с прежней конфигурацией цилиндров называется двигателем с коротким ходом, а второй - с длинным ходом.Если изготовить цилиндр с точно таким же измерением диаметра и диаметра цилиндра, получившийся двигатель называется «квадратным» цилиндром. По этой причине двигатель с коротким ходом также называют двигателем с квадратным сечением, а двигатель с длинным ходом называют двигателем с квадратным сечением.
Также читайте: Двигатели с воздушным и масляным охлаждением против двигателей с жидкостным охлаждением: Какой из них лучший?
Свойства двигателя с квадратным или коротким ходом
Для любого заданного объема двигателя двигатель с квадратным сечением должен двигаться меньше, так как имеет более широкое отверстие.Эти двигатели также имеют меньшую инерционную нагрузку, что позволяет им оснащаться более быстрым распределением фаз газораспределения. Это дает двигателю с коротким ходом, в общем, способность развивать скорость выше, чем его аналоги с длинным ходом. Эти двигатели с большим отверстием также имеют пространство для лучшей подгонки впускных и выпускных клапанов на головке. Как вы можете себе представить, с высокооборотным двигателем с большими клапанами легче создавать относительно большую мощность - смещение постоянное.
Двигатель с коротким ходом или квадратом обычно вырабатывает пиковую мощность относительно выше в диапазоне оборотов.Это отличное свойство иметь в наличии легковесные спортивные велосипеды с высокой скоростью вращения, которые предназначены для интенсивного ускорения и используются предпочтительно для увлекательной езды по улице или трассе. Хотя максимальная мощность в таких двигателях выше, чем у их аналогов с большим ходом, они не создают такого большого крутящего момента при более низких оборотах, что влияет на их управляемость на низких оборотах двигателя, ну, условно говоря.
Свойства двигателя с квадратным или длинным ходом
Поскольку двигатель с длинным ходом имеет меньшее отверстие, и поршень должен перемещаться дольше при любом заданном смещении, по своей природе напряжение инерции в этом множестве двигателей относительно выше.Начнем с того, что это означает, что эти двигатели не могут вращаться так же высоко, как их квадратные аналоги, поэтому время газораспределения для этого разнообразия двигателей относительно медленное. Кроме того, поскольку отверстие не очень широкое, места для больших клапанов относительно меньше, что, опять же, означает некоторые ограничения при подаче горючего заряда. Все это, наряду с относительно тяжелой механикой, приводит к тому, что двигатели с длинным ходом производят меньшую мощность, чем двигатели с коротким ходом аналогичного объема.
Также читайте: Мощность против крутящего момента - объяснения различий и как две величины влияют на производительность автомобиля
Теперь, когда мощность, производимая типичным длинноходовым двигателем, относительно меньше, она имеет свои преимущества.Эти двигатели производят гораздо более здоровый крутящий момент в нижнем диапазоне спектра оборотов, что очень хорошо подходит для вращающихся, ленивых машин. Большие, тяжелые мотоциклы, длинноногие туристы и крейсеры, мотоциклы, которые нуждаются в грузоподъемности и обладают легким, непринужденным поведением, являются идеальными продуктами для установки этих двигателей.
Хотите поделиться своими мыслями о длинных короткоходных двигателях VS? Опин. Есть вопрос? Стреляй! Мы будем внимательно слушать и будем очень рады ответить.
«Простое руководство по подготовке велосипеда к внедорожному экшн-трюку: что нужно? Руководство для начинающих профессионалов ».Stroke (двигатель) - Википедия
В контексте двигателя внутреннего сгорания термин такт имеет следующие связанные значения
- Фаза цикла двигателя (например, такт сжатия, такт выпуска), во время которого поршень движется сверху вниз или наоборот.
- Тип силового цикла, используемого поршневым двигателем (например, двухтактный двигатель, четырехтактный двигатель).
- «Длина хода», расстояние, пройденное поршнем в каждом цикле.Длина хода - вместе с диаметром отверстия - определяет рабочий объем двигателя.
Фазы в цикле питания [править]
Обычно используемые фазы / такты двигателя (т.е. те, которые используются в четырехтактном двигателе) описаны ниже. Другие типы двигателей могут иметь очень разные фазы.
Индукционный / впускной ход [править]
Индукционный ход - это первая фаза четырехтактного двигателя (например, с циклом Отто или с дизельным циклом). Он включает в себя движение поршня вниз, создавая частичный вакуум, который втягивает топливовоздушную смесь (или только воздух, в случае двигателя с непосредственным впрыском) в камеру сгорания.Смесь поступает в цилиндр через впускной клапан в верхней части цилиндра.
Ход сжатия [править]
Ход сжатия - вторая из четырех ступеней в четырехтактном двигателе.
На этом этапе топливно-воздушная смесь (или только воздух, в случае двигателя с непосредственным впрыском) сжимается поршнем в верхнюю часть цилиндра. Это является результатом движения поршня вверх, уменьшая объем камеры. В конце этой фазы смесь воспламеняется - от свечи зажигания для бензиновых двигателей или от самовоспламенения для дизельных двигателей.
Ход сгорания / мощность / расширение [править]
Ход сгорания - третья фаза, где воспламененная воздушно-топливная смесь расширяется и толкает поршень вниз. Сила, создаваемая этим расширением, создает мощность двигателя.
Ход выхлопа [править]
Ход выхлопа является последней фазой в четырехтактном двигателе. На этом этапе поршень движется вверх, выдавливая газы, которые образовались во время такта сгорания. Газы выходят из цилиндра через выпускной клапан в верхней части цилиндра.В конце этой фазы выпускной клапан закрывается и открывается впускной клапан, который затем закрывается, чтобы впустить свежую воздушно-топливную смесь в цилиндр, чтобы процесс мог повториться.
Типы силовых циклов [править]
Термодинамический цикл, используемый поршневым двигателем, часто описывается количеством ходов для завершения цикла. Наиболее распространенными конструкциями двигателей являются двухтактные и четырехтактные. Менее распространенные конструкции включают пятитактные двигатели, шеститактные двигатели и двух- и четырехтактные двигатели.
Двухтактный двигатель [править]
Двухтактные двигатели завершают рабочий цикл каждые два хода, что означает, что рабочий цикл завершается с каждым оборотом коленчатого вала. Двухтактные двигатели обычно используются в (обычно больших) судовых двигателях, электроинструментах на открытом воздухе (например, газонокосилках и бензопилах) и мотоциклах.
Четырехтактный двигатель [править]
Четырехтактные двигатели завершают рабочий цикл каждые четыре хода, что означает, что рабочий цикл завершается каждые два оборота коленчатого вала.Большинство автомобильных двигателей имеют четырехтактный дизайн.
Длина хода [править]
Длина хода - это расстояние, которое поршень проходит в цилиндре, который определяется кривошипами коленчатого вала.
Объем двигателя рассчитывается путем умножения площади поперечного сечения цилиндра (определяется диаметром отверстия) на длину хода. Это число умножается на количество цилиндров в двигателе, чтобы определить общее смещение.
Паровой двигатель [править]
Термин хода также может относиться к движению поршня в цилиндре локомотива.
,Четырехтактный двигатель - Википедия
Четырехтактный цикл, используемый в бензиновых / бензиновых двигателях: впуск (1), компрессия (2), мощность (3) и выхлоп (4). Правая синяя сторона - это впускное отверстие, а левая коричневая сторона - это выпускное отверстие. Стенка цилиндра представляет собой тонкий рукав, окружающий головку поршня, который создает пространство для сгорания топлива и образования механической энергии.Двигатель с четырехтактным двигателем (также с четырехтактным двигателем ) представляет собой двигатель внутреннего сгорания (IC), в котором поршень совершает четыре отдельных такта при вращении коленчатого вала.Ход означает полное перемещение поршня вдоль цилиндра в любом направлении. Четыре отдельных мазка называются:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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]
Двигатель Отто производства США 1880-х годовНиколай 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]
У этого гибридного Toyota Prius 2004 года есть двигатель цикла Аткинсона как бензин-электрический гибридный двигательДвигатель 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]
Audi Diesel R15 в Ле-МанеДизельный 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]
Идеализированная четырехтактная диаграмма p-V цикла Отто: ход впуска (A) выполняется изобарическим расширением, за которым следует ход сжатия (B), выполняемый адиабатическим сжатием. В результате сгорания топлива образуется изохорный процесс, за которым следует адиабатическое расширение, характеризующее ход мощности (C). Цикл замыкается изохорным процессом и изобарическим сжатием, характеризующим такт выпуска (D).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]
Четырехтактный цикл1 = ВМТ
2 = BDC
A: впуск
B: компрессия
C: мощность
D: выпуск
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]
ДвигателиOtto 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]
В Соединенных Штатах средняя экономия топлива на предприятии требует, чтобы транспортные средства в среднем достигали 34.9 миль на галлон ‑US (6,7 л / 100 км; 41,9 миль на галлон ‑imp ) по сравнению с текущим стандартом 25 миль на галлон ‑US (9,4 л / 100 км; 30,0 миль на галлон ‑imp ). [12] Поскольку автопроизводители надеются соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы разработки традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых требований включают запуск после того, как поршень находится дальше всего от коленчатого вала, известного как верхняя мертвая точка, и применение цикла Миллера. "Экономия топлива". США: Национальное управление безопасности дорожного движения (НАБДД). Получено 11 апреля 2016 г.
Общие источники [править]
- Харденберг, Хорст О. (1999). Средние века Двигатель внутреннего сгорания . Общество Автомобильных Инженеров (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8 .
- scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
- Cengel, Yunus A; Майкл Болес; Yaling He (2009). Термодинамика Инженерный подход. Н.П. . Макгроу Хилл Компании. ISBN 978-7-121-08478-2 .
- Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «4-х тактный двигатель внутреннего сгорания». п. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Получено 5 мая 2011 г.
