Типы двс: Типы двигателей внутреннего сгорания

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса — ДРАЙВ

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом. А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов. Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора. При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса. В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше). Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом. За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

…такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков. В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения. С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил. Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней. Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин. Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена». Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л. На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет. Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик. Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации. Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения. С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50). А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах. Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.

Основные типы ДВС. Бензиновые и дизельные двигатели | «Оптимум Авто» — сеть автосервисов в Москве

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что он преобразует тепловую энергию, образующуюся при воспламенении топлива, в крутящий момент, используемый для вращения ведущих колес.

Существует три типа таких моторов – газовые, бензиновые и дизельные, но наиболее распространенными являются два последних. Они решают одинаковые задачи и используют один и тот же принцип, но имеют конструктивные и эксплуатационные особенности.

В двигателях, работающих на бензине, воспламенение горючей смеси осуществляется с помощью искры, которая возникает между электродами свечи зажигания. При этом сам процесс смесеобразования происходит вне цилиндра (как правило, во впускном тракте).

Дизельные двигатели отличаются не только типом используемого топлива, но и рабочим процессом. Смесеобразование осуществляется непосредственно в цилиндре, а для воспламенения искра не требуется – это происходит за счет высокой температуры находящегося там воздуха. Он прогревается благодаря сжатию, которое создается при движении поршня до верхней мертвой точки. В этот момент форсунки подают топливо, и при смешивании его с горячим воздухом происходит воспламенение.

В дизельных двигателях вместо свечей зажигания применяются свечи накаливания. В сущности, они исполняют функцию предпускового подогревателя, обеспечивая требуемую температуру при запуске холодного мотора. В процессе последующей езды они не задействуются.

Изначально автомобильный двигатель был бензиновым. Первые дизельные машины появились лишь в 30-х годах прошлого века, после чего данное направление получило активное развитие.

Основными преимуществами бензиновых двигателей является хорошая динамика, более простая конструкция, высокий уровень надежности и безотказности. Важное достоинство по сравнению с дизельными моторами – возможность использования при любых морозах, поскольку бензин в отличие от солярки не густеет и не выделяет парафин при низких температурах.

С другой стороны, дизельные автомобили являются намного более экономичными. Например, современный мотор объемом 1,6 л потребляет в среднем 4-5л/100 км при движении в смешанном цикле. Аналогичный бензиновый двигатель при прочих равных условиях расходует около 7,5-8л/100 км.

При использовании качественного топлива дизельные моторы безотказны даже при сильном морозе. Именно на таких двигателях работает большинство грузовых машин, специальная и военная техника, железнодорожный и морской транспорт, и пр.

Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания характеризуется следующими признаками:

• принципиально проще (нет парокотельного агрегата),

• компактнее,

• легче,

• экономичнее,

• требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества.

Типы двигателей внутреннего сгорания

По назначению:

• транспортные, 

• стационарные, 

• специальные.

По роду применяемого топлива:

• легкие жидкие (бензин, газ), 

• тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

По способу образования горючей смеси:

• внешнее (карбюратор),

• внутреннее (в цилиндре ДВС).

По способу воспламенения:

• с принудительным зажиганием, 

• с воспламенением от сжатия, 

• калоризаторные.

По расположению цилиндров:

• рядные, 

• вертикальные, 

• оппозитные с одним и с двумя коленвалами, 

• V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, 

• VR-образные и W-образные, 

• однорядные и двухрядные звездообразные, 

• Н-образные, 

• двухрядные с параллельными коленвалами, 

• «двойной веер», 

• ромбовидные, 

• трехлучевые и др.

Поршневой двигатель — это двигатель, у которого камера сгорания находится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, а механическая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Бензиновый двигатель — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. 

Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. 

В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. 

В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. 

Т.к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Газовый двигатель — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях

Роторно-поршневой двигатель — двигатель, конструкция которого предложена изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. 

Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. 

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. 

За 1 оборот двигатель выполняет 3 полных рабочих цикла, что эквивалентно работе 6-цилиндрового поршневого двигателя.

Бензиновые двигатели: виды, принцип работы, преимущества бензиновых двигателей

Бензиновые двигательные агрегаты представляют собой особую разновидность двигателей внутреннего сгорания. В них изначально сжатая топливовоздушная смесь поджигается электроискрой, что приводит к ее воспламенению и расширению.

Практически все крупные автопроизводители (и модели, представленные в ГК Favorit Motors — не исключение) сегодня оснащают часть моделей (или комплектаций одной модели) именно двигателями, работающим на бензине класса А-92 или А-95.

Двигательная установка, потребляющая бензиновое топливо, состоит из следующих компонентов:

• искровые свечи зажигания;
• цилиндры;
• клапаны;
• поршень;
• шатун;
• коленвал.

Основным узлом бензинового двигателя является блок цилиндров с поршнями. Количество цилиндров зависит от модификации двигателя, их может быть четыре, шесть, восемь и более. Поршень, находящийся в каждом цилиндре, через шатун присоединяется к коленчатому валу. Сверху блок цилиндров закрыт головкой, в ней расположены впускные и выпускные клапаны – по паре на каждый цилиндр. Через них осуществляется подача топливовоздушной смеси и отвод отработанных газов.

Искровая свеча зажигания отвечает за воспламенение горючей смеси. При сгорании газы расширяются и приводят поршень вместе с головкой шатуна в поступательное движение «вверх-вниз». А головка шатуна, прикрепленная к коленвалу, осуществляет при этом вращательные движения по часовой стрелке.

Коленвал проворачивается на 360 градусов за два хода поршня в цилиндре (вверх и вниз). К коленвалу жестко крепится маховик, а к нему корзина сцепления – через нее крутящий момент мотора передается на коробку передач.

Мощностью бензинового двигателя управляют при помощи специальной дроссельной заслонки (дросселя). Дроссель регулирует подачу воздуха в цилиндры и образование воздушно-топливной смеси.

В старых автомобилях управление заслонкой осуществляется при помощи педали газа. А вот современные бензиновые силовые агрегаты – это высокотехнологичные механизмы, работой которых «руководит» электронный блок управления (в народе известный, как «мозги»). Дроссельная заслонка в таких авто изменяет свое положение при помощи электромотора, которым управляет электронный блок. А в педальном блоке имеется потенциометр, который изменяет силу сопротивления в зависимости от силы нажатия на педаль газа и посылает соответствующий сигнал на блок управления двигателем.

Особенности бензиновых двигателей

Автомобили, оснащенные бензиновыми силовыми агрегатами, имеют множество достоинств:

• отменные динамические характеристики;
• устойчивость к низким температурам;
• низкий уровень вибраций и шума;
• экономичность обслуживания;
• долговечность моторов.

При одном и том же объеме мощность бензинового двигателя будет, как правило, выше, чем у дизельного мотора. Поэтому авто, работающее на бензине, станет отличным выбором для тех, кто любит чувствовать себя королем автострады. Кстати, недаром спорткары в подавляющем большинстве оснащаются именно бензиновыми моторами.

Бензиновые агрегаты дешевле в обслуживании, чем дизельные моторы. Периодичность ТО у них реже, чем у дизелей. И, кроме того, расходные материалы стоят дешевле.

Силовые агрегаты, работающие на бензине, менее требовательны к качеству топлива, чем дизели. Конечно, от низкокачественного горючего ухудшится динамика, но авто будет ехать. В худшем случае, придется через некоторое время чистить форсунки.

К особенностям современных бензиновых двигателей можно отнести еще и установку электропривода для повышения/понижения мощности вместо классического тросика на педали. Эта опция устанавливается практически на все модели с круиз-контролем и позволяет распределять топливо в оптимальном варианте.

Современная история бензиновых двигателей

Бензиновые двигатели нового поколения отличаются большим разнообразием – от самых простых до мощнейших. На моделях — как новых, так и б/у, — представленных в автосалоне ГК Favorit Motors, можно встретить силовые агрегаты различного объема и мощности, работающие на бензине. Каждый из них основывается на выработке механической энергии посредством поглощения топливовоздушной смеси.

Стоит заметить, что мощность и объем силового агрегата могут значительно различаться в зависимости от того, какие цели ставил перед собой завод-изготовитель. К примеру, Kia Venga оснащена бензиновым двигателем 1.4 литра мощностью в 90 лошадиных сил. Для городского компактного хэтчбэка этой мощности вполне хватит, чтобы владелец авто уверенно чувствовал себя на дорогах мегаполиса. А дорогостоящий Chevrolet Corvette имеет очень мощный силовой агрегат в 466 л.с., объемом 6.2 литра. Это позволяет ему не только брать быстрый старт, но и быть лидером на трассах.

Подборка б/у автомобилей Chevrolet

Как сохранить работоспособность бензинового двигателя при многолетней эксплуатации?

Надежность и износостойкость бензинового агрегата практически во всех случаях определяются применяемыми на производстве технологиями. Однако не все зависит от производителя.

Автовладелец должен внимательно следить за состоянием двигателя:

• своевременно проводить техническое обслуживание;
• контролировать качество потребляемого бензина и заливаемых в мотор расходных материалов;
• выбирать умеренный стиль езды;
• выполнять профилактические работы, предупреждающие появление дефектов.

Внешне неисправности бензинового силового агрегата могут проявляться следующим образом:

• появление посторонних звуков и вибрации;
• ухудшение динамических характеристик;
• увеличение расхода топлива;
• повышенный расход масла;
• быстрое падение уровня охлаждающей жидкости;
• изменение цвета выхлопа;
• неустойчивая работа;
• отказ запуска.

Сегодня в интернете достаточно информации, чтобы автолюбитель получил минимальные знания о своем двигателе и мог своевременно замечать начавшиеся неполадки. Разумеется, самостоятельно производить ремонтные работы не рекомендуется, так как можно только усугубить положение. Вне зависимости от того способа, по которому образуется топливовоздушная смесь (то есть карбюраторный двигатель или инжекторный), можно быстро и без ущерба для своего кошелька выполнить диагностику и ремонт руками профессионалов.

Никаких проблем с проведением диагностики и ремонта бензинового двигателя не возникнет, если обратиться в ГК Favorit Motors. Специалисты компании обладают необходимым опытом работы, а также сертификацией, подтверждающий уровень их компетенции. Доверив нам автомобиль, можно не беспокоиться о грамотности и качестве любой проводимой операции — от стандартной диагностики до сложных ремонтных работ на двигателе. Все работы выполняются в строгом соответствии с регламентом производителей.

В зависимости от типа повреждений, после проведения диагностических работ выбирается методика ремонта или корректировки текущих настроек в двигателе. Как уже было сказано, бензиновые двигатели изначально обладают более простым устройством, чем дизельные, а потому восстановительные работы не затянутся надолго и не обернутся большими затратами.

Услуги, предоставляемые ГК Favorit Motors, полностью соответствуют золотому правилу «цена-качество», благодаря чему можно провести необходимые работы выгодно и в максимально короткий срок.

---

Справочная и техническая информация о деталях двигателей

Характеристики автомобильных двигателей.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — это наиболее распространенный источник энергии для транспортных средств.

Этот двигатель вырабатывает мощность за счет преобразования химической энергии топлива в теплоту, которая затем преобразуется в механическую работу.
Преобразование химической энергии в теплоту осуществляется при сгорании топлива, а последующий переход теплоты в механическую работу осуществляется за счет внутренней энергии рабочего тела, которое, расширяясь, выполняет работу. В качестве рабочих тел в ДВС используются газы, давление которых возрастает за счет сжатия. Если процесс сгорание топлива происходит внутри цилиндра двигателя, этот процесс называется внутренним сгоранием. Если процесс сгорания происходит вне цилиндра, то он называется внешним сгоранием. По количеству тактов различают двигатели с двухтактным и четырехтактным рабочим циклом. Двухтактный двигатель это двигатель, в котором присутствуют два рабочих такта: сжатие и расширение. В двухтактном двигателе весь рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. Газообмен происходит в конце такта расширения и в начале такта сжатия. Продолжительность впуска и выпуска определяется самим поршнем, когда он при перемещении вверх после НМТ последовательно перекрывает продувочные и выпускные окна. К недостаткам двухтактного двигателя относится повышенный расход топлива и высокий уровень выбросов, плохая работа на холостом ходу и повышенные тепловые нагрузки.

 Четырехтактный двигатель это двигатель с четырьмя рабочими циклами:

ВПУСК	СЖАТИЕ	РАБОЧИЙ ХОД	ВЫПУСК

• Впуск — впуск воздуха или топливной смеси. В процессе первого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ) и через впускной клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
• Сжатие — сжатие поршнем рабочей смеси в камере сгорания. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая полученную рабочую смесь.
• Рабочий ход (сгорание и расширение) – движение поршня при сгорании рабочей смеси; смесь поджигается искрой от свечи зажигания или давлением (дизель). Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень.
• Выпуск — очищение камеры сгорания от отработавших газов. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

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

Кратко мы разберем основные характеристики и отличия поршневых автомобильных двигателей внутреннего сгорания:

• Тип (код) двигателя.

Каждый производитель автомобилей присваивает своим силовым агрегатам буквенно-цифровые коды, позволяющие подобрать запасные части в зависимости от комплектации конкретной модели автомобиля. Тип двигателя наносится методом выдавливания на отфрезерованный, технологический отлив блока цилиндров или выдавливается на специальной табличке, которая прикрепляется к блоку цилиндров. Как правило, там же содержится информация и о номере двигателя. Некоторые производители наносят эти данные на головку блока цилиндров (например, AUDI двигатель AAN). В подавляющем большинстве случаев можно прочесть нанесенные данные о типе двигателя, без подъемных механизмов или снятия агрегата с автомобиля.

Пример расположения площадки с выбитым типом двигателя Mitsubishi 4G64

Пример расположения таблички с типом двигателя MAN D 0226 MKF

• Диаметр цилиндра ( D )

Диаметр цилиндра — это размер отверстия в блоке цилиндров (гильзе цилиндра), в котором поступательно двигается поршень. Это конструктивный параметр блока цилиндров влияющий на рабочий объем двигателя. Помимо этого от диаметра цилиндра зависит общая габаритная ширина и длинна двигателя. Размер указывается, как правило, в миллиметрах или дюймах с точностью до сотых долей. Данные размере номинального диаметра цилиндра указываются при комнатной температуре ( 20 градусов Цельсия). Измерения производятся нутромером или аналогичным по точности инструментом.

• Ход поршня ( S )

Ход поршня — это расстояние между положением любой точки поршня в верхней мертвой точке (В.М.Т.) и положение поршня в нижней мертвой точке (Н.М.Т). Это конструктивный параметр коленчатого вала, влияющий на рабочий объем двигателя. Размер указывается, как правило, в миллиметрах или дюймах с точностью до сотых долей. Измерения производятся штангель-циркулем или аналогичным по точности инструментом. Как правило, измерения производятся непосредственно на коленчатом валу. От размера, хода поршня зависит габаритная высота двигателя .

• Количество цилиндров двигателя ( z )

Количество цилиндров является важнейшей конструктивной характеристикой двигателя. В зависимости от количества цилиндров рассчитывается и проектируется и система охлаждения двигателя. Количество цилиндров самым прямым образом влияет на общие габаритные размеры и вес автомобиля. Например: c увеличением количества цилиндров при одном и том же литраже двигателя размеры его цилиндров уменьшаются. Это уменьшение вследствие увеличения отношения внутренней поверхности цилиндра к его объему сопровождается усилением охлаждения двигателя. Уменьшение диаметра цилиндра позволяет создавать камеру сгорания улучшенной формы и вместе с обстоятельством усиления охлаждения позволяет производителем создавать более экономичные двигатели. Но есть и обратная сторона, увеличение количества цилиндров ведет к общему удорожанию силового агрегата. В современном автомобильном моторостроении получили распространение 2-х, 3-х , 4-х , 5-и , 6-и , 8-и , 10-и , 12-и , 16 –и цилиндровые двигатели.

• Объем двигателя ( V )

Как правило, в справочниках и каталогах указывается рабочий объем двигателя. 

Рабочий объем двигателя ( V_H ) (литраж двигателя) складывается из рабочих объемов всех цилиндров. То есть, это произведение рабочего объема одного цилиндра V_p на количество цилиндров Z. 

Рабочий объем цилиндра ( V_p ) — это пространство, которое освобождает поршень при перемещении из верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точки (НМТ).

Полный объем цилиндра ( V_o ) — это сумма рабочего объема одного цилиндра V_p и объема одной камеры сгорания в головке блока V_k.

Объем камеры сгорания ( V_k ) — объем полости цилиндра и камеры сгорания в головке блока цилиндров над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке (ВМТ) — т.е. в крайнем положении и в наибольшем удалении от коленчатого вала. Параметр, прямо влияющий на степень сжатия двигателя. В гаражных условиях измерение камеры сгорания производится с помощью измерения объема жидкости заполняющего камеру.

• Количество клапанов на один цилиндр

В современном автомобилестроении все чаще и чаще применяются двигатели с мульти клапанным газораспределительным механизмом. Увеличение количества клапанов является важнейшим параметром позволяющим получать большую мощность при одном и том же объеме двигателя, за счет увеличения объема смеси или воздуха попадающего в цилиндры на такте впуска. Увеличение количества клапанов позволяет получать, лучшее наполнение цилиндров свежей рабочей смесью и быстрее освобождать камеру сгорания от отработанных газов.

По типу топлива двигатели разделяются на следующие группы:

Бензиновые двигатели (Petrol) — имеют принудительное зажигание топливовоздушной смеси искровыми свечами. Принципиально различаются по типу системы питания:
В карбюраторных системах питания смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей практически прекращено из-за высокого расхода топлива и несоответствия предъявляемым современным экологическим требованиям.
Во впрысковых ( инжекторных ) двигателях топливо может распылятся одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра двигателя (распределенный впрыск). В этих двигателях, возможно, небольшое увеличение максимальной мощности и снижение расхода топлива и уменьшение токсичности отработавших газов за счет рассчитанной дозировки топлива блоком электронного управления двигателем;
Двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания , который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно максимально уменьшается расход бензина и выброс вредных веществ в атмосферу.

Дизельные двигатели (Diesel) — поршневые двигатели внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием, в которых воспламенение смеси дизельного топлива с воздухом происходит от возрастания ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми, дизельные двигатели обладают лучшей экономичностью (примерно на 15-20%) благодаря более чем в два раза большей степени сжатия, значительно улучшающей процессы горения топливо — воздушной смеси. Неоспоримым достоинством дизелей является конструктивное отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и в связи с этим увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала.

Гибридные двигатели — двигатели совмещающие характеристики дизеля и двигателя с искровым зажиганием.

• Компоновка поршневых двигателей (тип расположения)

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

• Рядный двигатель (R) — компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (R2, R3, R4, R5 и R6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной (рис. 1).
• V-образный двигатель(V) — цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала двигателя. V-образные двигатели выпускаются, по понятным причинам, только с четным количеством цилиндров. Такая компоновка позволяет значительно уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину. Наиболее распространенными являются двигатели с компоновкой V6 и V8, реже встречаются V4, V10, V12, V16. (рис. 2)
• Оппозитный двигатель имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок. Противолежащие друг другу цилиндры располагаются горизонтально. Как правило, выпускаются 4-х и 6-и цилиндровые варианты оппозитных двигателей. (рис. 3)
• VR-образный двигатель — обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата. Получили распространение компоновки VR5 и VR6. (рис. 4)
• W-образный двигатель имеет два варианта компоновки — три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 5) или как бы две VR-компоновки (рис. 6). Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

В современной мировой практике для уточнения типа клапанного механизма применяются следующие сокращения:

• OHV     обозначает верхнее расположение клапанов в двигателе. 
• OHC     обозначает верхнее расположение распредвала.
• SOHC    обозначает один распределительный вал верхнего расположения.
• DOHC    обозначает конструкцию газораспределительного механизма с двумя распределительными валами расположенными сверху.
• Степень сжатия двигателя, компрессия

Понятие степени сжатия не следует путать с понятием «компрессия», которое указывает максимальное давление создаваемое поршнем в цилиндре при данной степени сжатия (например: степень сжатия для двигателя 10:1, значение «компрессии» при этом соответствует значению в 14 атмосфер).

• Степень сжатия ( ε ) — отношение полного объема цилиндра двигателя к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку. Для бензиновых двигателей степень сжатия определяет октановое число применяемого топлива. Для бензиновых двигателей значение степени сжатия определяется в пределах от 8:1 до 12:1, а для дизельных двигателей в пределах от 16:1 до 23:1. Общая мировая тенденция в двигателестроении это увеличение степени сжатия как у бензиновых так и у дизельных двигателей, вызванное ужесточением экологических норм.
• Компрессия (давление в цилиндре в конце такта сжатия) ( p _c ) является одним из показателей технического состояния (изношенности) цилиндропоршневой группы и клапанов. У двигателей с серьезным пробегом, как правило, уже имеется неравномерный износ гильзы цилиндра и поршневых колец, в связи, с чем поршневое кольцо не плотно прилегает к поверхности цилиндра. Также изнашивается клапанный механизм, а точнее стержень клапана и направляющая втулка клапана. Вследствие перечисленных причин возникают потери герметичности камеры сгорания.

Где:
p₀ — это начальное давление в цилиндре в начале такта сжатия.
ε— степень сжатия двигателя.

• Мощность двигателя ( P )
• Мощность — это физическая величина, равная отношению произведенной работы или произошедшего изменения энергии к промежутку времени, в течение которого была произведена работа или происходило изменение энергии. Обычно мощность измеряется в Лошадиных силах (Horse Power – англ). Значение 1 л.с. (HP) = 0,735 кВт) или в Киловаттах (1 кВ) = 1,36 л.с. (HP). Максимальное значение мощности и максимальный крутящий момент достигаются при различных оборотах двигателя.

Где:
M – это крутящий момент ( Н * м )
ω — угловая скорость ( рад / сек )
n — частота вращения коленчатого вала двигателя. ( мин ^-1)

Как правило, во всех справочных автомобильных источниках, а также технических документации на транспортное средство, указывается эффективная мощность.

• Эффективная мощность двигателя — это мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя. Не путать с номинальной мощностью двигателя.

Где:
V_H – рабочий объем двигателя ( см ³)
p_e — среднее эффективное давление ( бар )
n — частота вращения коленчатого вала двигателя. ( мин ^-1)
K — тактовый коэффициент ( K=1 для двухтактного ; K= 2 для четырехтактного двигателя )

• Номинальная мощность двигателя — это гарантируемая изготовителем мощность двигателя в режиме полного дросселя и заданной частоты вращения, то есть, при работе двигателя на номинальной частоте вращения при полной подаче топлива.
• Охлаждение двигателя

Чтобы избежать тепловых перегрузок, сгорание смазочного масла на направляющей поверхности поршня и неуправляемого сгорания из-за перегрева отдельных деталей, все части двигателя располагаемые вокруг камеры сгорания должны интенсивно охлаждаться. Используются две принципиальные схемы охлаждения: 

• Непосредственное воздушное охлаждение. Охлаждающий воздух напрямую контактирует с нагретыми частями двигателя и обеспечивает отвод от них теплоты. В основе способа лежит принцип пропуска воздушного потока через оребренную охлаждаемую поверхность. Преимущества: надежность и почти полное отсутствие технического обслуживания. Удорожание стоимости отдельных деталей.
• Непрямое (жидкостное или водяное) охлаждение, т.к. вода или другие охлаждающие жидкости обладают высокой теплоемкостью и обеспечивают эффективный отвод теплоты от нагретых поверхностей, большинство современных двигателей имеют жидкостные системы охлаждения. Система содержит замкнутых охлаждаемый контур, позволяющий применять антикоррозионные и низкозамерзающие присадки. Охлаждающая жидкость принудительно прокачивается насосом через двигатель и охлаждающий радиатор.
• Система питания двигателя

Двигатели внутреннего сгорания выпускаются с различными системами питания, самые известные из них:

Система Ecotronic — это система электронного управления работой карбюратора состоящая из дроссельной и воздушной заслонок, поплавковой камеры, системы холостого хода, переходной системы и системы управления подачей воздуха на холостом ходу. Двигатели с этой системой являются более экономичными по сравнению с карбюраторными, но уступают впрысковым двигателям.

Система Mono — Jetronic — это электронно-управляемая одноточечная система центрального впрыска высокого давления, особенностью, которой является наличие топливной форсунки центрально расположения, работой которого управляет электромагнитный клапан. Распределение топлива по цилиндрам осуществляется во впускном коллекторе. Различные датчики контролируют все основные рабочие характеристики двигателя, они используются для расчета управляющих сигналов для форсунок и других исполнительных устройств системы.

Система K- Jetronic — это электронно-управляемая система распределенного впрыска топлива. Она является механической системой, которая не требует применения топливного насоса с приводом от двигателя. Она осуществляет непрерывное дозирование топлива пропорционально количеству воздуха, всасываемого при такте впуска. Так как система производит прямое измерение расхода воздуха, она может учитывать изменения в работе двигателя, что позволяет использовать ее вместе с оборудованием для снижения токсичности отработавших газов.

Система KE- Jetronic — это электронно-управляемая система распределенного впрыска топлива. Она является усовершенствованным вариантом системы K-Jetronic. Она содержит электронный блок управления для повышения гибкости работы и обеспечения дополнительных функций. Дополнительными компонентами системы являются: датчик расхода всасываемого в цилиндры воздуха; исполнительный механизм регулирования качества рабочей смеси; регулятор давления, поддерживающий постоянство давления в системе и обеспечивающий прекращение подачи топлива при выключении двигателя.

Система L- Jetronic — это электронно-управляемая система распределенного впрыска топлива. Она сочетает в себе преимущества систем с непосредственным измерением расхода воздуха и возможности, представляемые электронными устройствами. Также как система K-Jetronic данная система распознает изменения в условиях работы двигателя (износ, нагарообразование в камере сгорания, изменение в зазорах клапанов), что обеспечивает постоянный оптимальный состав отработавших газов.

Система L2- Jetronic — это электронно-управляемая система распределенного впрыска топлива. Эта система обладает дополнительными функциями по сравнению с теми, которые предлагает аналоговое устройство L-Jetronic.

Система LH- Jetronic — схожа с L- Jetronic , различие заключается в методах измерения расхода всасываемого воздуха, так как в системе LH- Jetronic используется тепловой измеритель массового расхода воздуха. Поэтому результаты не зависят от плотности воздуха, которая изменяется в зависимости температуры и давления. 

Система L3-Jetronic обладает дополнительными функциями по сравнению с теми, которые предлагает аналоговое устройство L-Jetronic. В электронном блоке управления системы L-Jetronic применяется цифровая обработка для регулирования качества смеси на базе анализа зависимости нагрузка / частота вращения коленчатого вала двигателя. 

Система Motronic состоит из ряда подсистем. Принцип системы основан на том что зажигание и впрыск топлива объединены в одну систему. И поэтому отдельные элементы системы обладают повышенной гибкостью и возможностью управлять огромным количеством характеристик работы двигателя. 

Система ME-Motronic — эта система объединяет в себе систему впрыска топлива LE2-Jetronic , в которой помимо клапана дополнительной подачи воздуха в дополнительном воздушном канале, имеется повторный регулятор холостого хода, и систему полностью электронного зажигания VSZ.

Система Mono-Motronic — является скомбинированной системой зажигания и впрыска топлива на базе дискретного центрального впрыска топлива Mono-Jetronic. 

Система KE-Motronic — является комбинированной системой зажигания и впрыска топлива на базе непрерывного впрыска топлива KE-Jetronic. 

Система Sport-Motronic — является усовершенствованной комбинированной системой зажигания и впрыска топлива обладает повышенной гибкостью и позволяет эксплуатировать двигатель в условиях с максимальной скоростной нагрузкой. 

Система впрыска CR (Common Rail) — это система питания дизельного двигателя, это так называемая аккумуляторная топливная система, которая делает возможным объединение системы впрыскивания топлива дизеля с различными дистанционно выполняемыми функциями и в тоже время позволяют повышать точность управления процессом сгорания топлива. Отличительная характеристика системы с общим трубопроводом заключается в разделении узла, создающего давление и узла впрыскивания. Это позволяет повысить давление впрыскивания топлива.

• Количество коренных опор

Количество коренных опор это параметр, влияющий на жесткость блока и на сопротивление различным нагрузкам коленчатого вала. Количеству коренных опор соответствует количество коренных подшипников скольжения. Количество шатунных подшипников скольжения равняется количеству цилиндров двигателя. 

• Привод распредвала

В мировом автомобилестроении получили распространение два типа привода распределительных валов:

• Ременной привод — это привод, осуществляемый с помощью эластичного, но прочного ремня, имеющего поперечные насечки (зубчатый ремень) для улучшения зацепления. Преимуществом ременного привода является невысокая шумность работы, простота конструкции, и как следствие меньшая стоимость и невысокая масса узлов газораспределительного механизма.
• Цепной привод — это привод, осуществляемый с помощью металлической цепи, которая своими звеньями приводит вращение зубчатых шестерен на коленчатом валу и распредвала. Основным преимуществом цепного привода является длительный ( по сравнению с ременным приводом) срок службы и повышенная надежность работы газораспределительного механизма.

Типы и параметры ДВС

Автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают множеством показателей – мощность, крутящий момент, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных параметров.

Содержание статьи

Типы двигателей

Двигатель — устройство, преобразующее энергию сгорания топлива в механическую работу. Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов:

• впуск воздуха или его смеси с топливом;
• сжатие рабочей смеси,
• рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
• выпуск отработавших газов.

Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели — бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:

• в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
• в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
• двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.

Дизели — двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе — “тяговиты на низах”).

Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:

• большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
• большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
• меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты — медленнее набирают обороты.

Роторно-поршневой двигатель (Ванкеля) — в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории. Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью — быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания. Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание.

Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей. Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель. Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.

Компоновка поршневых двигателей

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

Рядный двигательV-образный двигатель

Рядный двигатель (рис. 1, а) — компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.

V-образный двигатель (рис. 1, б) — цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.

Оппозитный двигательVR-двигатель

Оппозитный двигатель (рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.

VR-двигатель (рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.

W-двигательW-двигатель

W-двигатель имеет два варианта компоновки — три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 1, д) или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

 

Конструктивные параметры двигателей

Любой двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами (рис. 2), практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля.

Конструктивные параметры двигателей

Объем камеры сгорания — объем полости цилиндра и углубления в головке над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке — крайнем положении на наибольшем удалении от коленвала.

Рабочий объем цилиндра — пространство, которое освобождает поршень при движении от верхней до нижней мертвой точки. Последняя является крайним положением поршня на наименьшем удалении от коленвала.

Полный объем цилиндра — равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.

Рабочий объем двигателя (литраж) складывается из рабочих объемов всех цилиндров.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Для бензиновых двигателей определяет октановое число применяемого топлива.

 

Показатели двигателей

Силы, действующие в цилиндре

Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.

Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:

• рабочего объема . Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом;
• давления горящих газов в цилиндрах , которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется “стуком поршневых пальцев”) или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:

• рабочего объема , что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
• оборотов коленчатого вала , число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях — конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
• давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность — гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива — это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.

Характеристики двигателей

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

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

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

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

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

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Рядный двигатель — устройство, характеристики, плюсы и минусы

Этим материалом мы начинаем серию статей о типах двигателей внутреннего сгорания. Начнем с самого простого – рядного. Рядным называется двигатель внутреннего сгорания, цилиндры которого расположены в ряд, а поршни вращают один коленчатый вал. Это наиболее простой в конструктивном плане тип двигателя внутреннего сгорания, которым начали оборудовать машины еще на заре автомобилестроения.

Рядный двигатель

Поначалу автомобильные двигатели были одно либо двухцилиндровыми, и эти цилиндры размещались в ряд. Мощь моторов с такими цилиндрами была невелика, а вот весили они порядочно. С развитием автомобильного спорта, который служил своеобразным «двигателем прогресса» в деле создания новых технологий, возникла потребность в более мощных двигателях. Инженеры пошли по пути увеличения количества цилиндров, что приводило к увеличению размеров и веса самого агрегата. От двухцилиндровых моторов конструкторы перешли к трех, четырех, пяти и шестицилиндровым рядным двигателям. Однако эксплуатация этих силовых установок показала, что наиболее эффективно применение моторов с четным количеством цилиндров. Причем, для автомобилей бюджетного класса разрабатывались четырех, а для машин классом повыше — шестицилиндровые двигатели. Трех и пятицилиндровые рядные силовые установки хотя и производились, но процент их по соотношению с двигателями с четным количеством цилиндров был мал.

Фото — Драйв.ру

Причина широкого распространения двигателей с четным количеством цилиндров в том, что эти двигатели лучше противостоят вибрации, чем моторы с нечетным количеством цилиндров. Поэтому наряду с прибавлением у рядного двигателя цилиндров конструкторы выдумывали способы эффективного гашения вибраций. Это дало толчок к развитию узлов и агрегатов, подавляющих вибрацию двигателя. Так на рядные моторы начали устанавливать балансировочные валы (в народе известны как «успокоители»), которые вращались в обратную от вращения коленчатого вала сторону и таким образом в значительной мере уменьшали возникающие во время работы поршней вибрации. В основном балансировочные валы использовались на четырехцилиндровых рядных моторах, так как у шестицилиндровых уровень вибрации был сведен к минимуму за счет того, что цилиндры у них уравновешены.

Рядные бензиновые и дизельные двигатели также разделяют по углу наклона цилиндров на две группы. К первой относят силовые установки, блок цилиндров у которых расположен строго вертикально. Ко второй группе относят моторы, блок цилиндров которых установлен под углом.

Достоинства

К основным положительным сторонам рядных двигателей можно отнести:

а) простоту конструкции;

б) равномерный износ деталей;

в) приемлемые условия для функционирования кривошипно-шатунного механизма;

г) относительную дешевизну обслуживания узлов и агрегатов.

Недостатки

Недостатков у таких моторов немного. В основном они касаются габаритов двигателей, ведь рядное расположение цилиндров предполагает, что такая силовая установка займет под капотом больше места, чем V-образная. Впрочем, если по длине подобный двигатель действительно проигрывает моторам с другим расположением цилиндров, и проблему эту решить нельзя никоим образом, то с высотой конструкторы вопрос решили простым наклоном силовой установки.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был доминирующим двигателем в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти XIX века [подробнее см., Например, Heywood (1988)]. Его цель — генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри производственной части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания.Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциировался с двигателями с искровым зажиганием (иногда называемыми Otto, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельными двигателями (или двигателями с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в самых разных областях, от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт до ручных инструментов, где передаваемая мощность составляет менее 100 Вт.Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между большими дизелями, имеющими диаметр цилиндра более 1000 мм и совершающим возвратно-поступательное движение на скорости до 100 об / мин, и маленькими бензиновыми двухтактными двигателями с диаметром цилиндра около 20 мм. К этим двум крайностям относятся среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели для тяжелых условий эксплуатации, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Среди всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются крупнейшими производимыми двигателями в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают в так называемом четырехтактном цикле (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение / мощность и выпуск. Для каждого цилиндра двигателя требуется четыре хода поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, ведущую к выработке мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска инициируется движением вниз поршня, который втягивает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через узел порта / клапана и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ).Смесь создается либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через инжектор игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). Фактически, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в четырехклапанных двигателях на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (ов) зависит от конструкции впускного коллектора, которая влияет на газовую динамику и объемный КПД двигателя, а также на частоту вращения двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его цель — подготовить смесь к горению за счет повышения ее температуры и давления. Горение инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым ростом давления в цилиндре.

Такт увеличения мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ.В этот момент газы с высокой температурой и давлением, образующиеся во время сгорания, толкают поршень вниз, заставляя рукоятку вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан (ы), и сгоревшие газы могут выходить из цилиндра из-за разницы давлений между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот ход выхлопа завершает цикл двигателя, откачивая цилиндр от сгоревших, частично сгоревших или даже несгоревших газов, выходящих из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают значительное влияние на продолжительность горения, скорость повышения давления и образования загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь конечного газа может самовоспламеняться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к детонации , что вызывает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Способность бензинового топлива противостоять самовоспламенению и, таким образом, предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется своим октановым числом .До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов вызвали необходимость введения неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношения объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на термический КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто по имени его изобретателя Николауса Отто, который построил первый двигатель в 1876 году, обеспечивает рабочий ход на каждые два оборота коленчатого вала.Один из способов увеличить выходную мощность двигателя заданного размера — преобразовать ее в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности — хотя и не до двойного уровня, ожидаемого из простых расчетов, — он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах с искровым зажиганием и дизельными двигателями.Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрытыми и открытыми движением поршня, вместо громоздкого и сложного верхнего кулачкового механизма.

В двухтактном цикле такт сжатия и начинается после того, как впускные и выпускные боковые порты закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается и затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично зажиганию в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание около ВМТ.В то же время свежий заряд может попасть в картер перед его последующим сжатием движущимся вниз поршнем во время хода мощности или расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные отверстия, а затем впускные (переходные) отверстия. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, входит в цилиндр через правильно ориентированные перекачивающие каналы.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра во время процесса продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштаб этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления входящего заряда от места расположения выпускных отверстий, эффективность зарядки в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через форсунки с подачей воздуха в период, когда и выпускной, и перекачивающий каналы закрыты.Несмотря на короткий период, доступный для перемешивания, распылители с подачей воздуха могут создавать однородную обедненную смесь во время воспламенения за счет образования капель бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия славится своим высоким КПД, пониженным расходом топлива и относительно низкими общими выбросами газов. Его название происходит от немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858-1913), который в 1892 году описал в своем патенте вид двигателя внутреннего сгорания, который не требует внешнего источника воспламенения и в котором сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в него. воздух с высокой температурой и давлением в конце такта сжатия.

Преимущества, присущие дизельному двигателю с точки зрения эффективности, проистекают из его обедненных общих соотношений смеси, высоких степеней сжатия двигателя, обеспечиваемых из-за отсутствия воспламенения (детонации) отходящих газов и более высоких степеней расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческих применений, таких как корабли / катера, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и в течение последних 20 лет или около того. , легковые автомобили, особенно в Европе.

Недостаток низкой выходной мощности дизельных двигателей был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к массе двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от работы двигателя с искровым зажиганием, главным образом, тем, как смесь образуется перед сгоранием.Только воздух вводится в двигатель через винтовой или направленный канал, и топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизель с косвенным впрыском или IDI) или в главную камеру (дизельное топливо с прямым впрыском или DI) непосредственно перед началом горения.

Необходимость в достижении хорошего смешивания топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется за счет систем впрыска топлива под высоким давлением, которые образуют капли со средним диаметром около 40 мкм. В легковых автомобилях системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, конструкция которых различается в зависимости от области применения; В дизельных двигателях с прямым впрыском используются форсунки с отверстиями, в то время как в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа.В более крупных дизельных двигателях используются насосы с рядным впрыском топлива, насос-форсунки (насос и форсунка, объединенные в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровней выбросов выхлопных газов транспортных средств. и двигатели всех типов. С момента их внедрения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой серьезной проблемой, связанной со стандартами, согласованными на 1996 год и позднее, которые кратко изложены для легковых автомобилей в таблице. 1.Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе в 2000 году, будут еще ниже, после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов после начала века. Однако неясно, будут ли существующие двигатели соответствовать этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские стандарты выбросов в 1996 г.

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязнителями в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO _x = NO + NO ₂ ), а в дизельных двигателях. , NO _x и твердые частицы, состоящие из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, которые являются стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателем с искровым зажиганием, работающим на неэтилированном бензине, позволяют примерно на 90% снизить выбросы HC, CO и NO _x путем их преобразования в двуокись углерода ( CO ₂ ), вода (H ₂ O) и N ₂ .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~ 14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO ₂ .Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сжигания бедных смесей с соотношением воздух-топливо, намного превышающим 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям сжигания обедненной смеси соответствовать будущему законодательству по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в академических кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для уменьшения количества твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO ₂ и H ₂ O, а также от рециркуляции выхлопных газов и замедленного времени впрыска для снижения NO. _x уровней.

ССЫЛКИ

Аркуманис, К. (Ред.) (1988) Двигатели внутреннего сгорания . Академическая пресса.

Блэр, Г. П. (1990) Базовая конструкция двухтактных двигателей . Общество Автомобильных Инженеров.

Фергюсон, К. Р. (1986) Двигатели внутреннего сгорания . Джон Вили и сыновья.

Хейвуд, Дж. Б. (1988) Основы двигателя внутреннего сгорания . Макгроу Хилл.

Стоун Р. (1992) Введение в двигатели внутреннего сгорания .Macmillan Education Ltd. 2-е изд.

Уивинг, Дж. Х. (ред.) (1990) Техника внутреннего сгорания: наука и технологии . Прикладная наука Elsevier.

Типы двигателей внутреннего сгорания: поршневые и роторные двигатели

Двигатели внутреннего сгорания, более известные как двигатели внутреннего сгорания, — это двигатели, в которых сгорание топлива происходит внутри самого блока цилиндров. После сгорания топлива вырабатывается много тепловой энергии, которая преобразуется в механическую энергию.

Есть два типа двигателей внутреннего сгорания: роторные и поршневые. В роторных двигателях ротор вращается внутри двигателя, чтобы произвести мощность. В поршневых двигателях поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение колес транспортного средства. В автомобилях используются поршневые двигатели. Это наиболее широко используемый тип двигателя.

Поршневые двигатели подразделяются на два типа: двигатели с искровым зажиганием (SI) и двигатели с воспламенением от сжатия (CI).Поскольку поршневые двигатели являются наиболее широко используемыми двигателями, они стали синонимом названия двигателей IC. По этой причине даже двигатели IC можно разделить на два типа: двигатели SI и двигатели CI.

В двигателях SI сжигание топлива происходит за счет искры, вырабатываемой свечой зажигания, расположенной в головке блока цилиндров двигателя. В связи с этим их называют двигателями с искровым зажиганием. В этих двигателях используется бензин или бензин, поэтому двигатели SI также известны как бензиновые или бензиновые двигатели.

В двигателях CI сгорание топлива происходит из-за высокого давления, оказываемого на топливо. Топливо сжимается до высокого давления, и оно начинает гореть, поэтому эти двигатели называются двигателями с воспламенением от сжатия. В двигателях CI используется дизельное топливо; поэтому их еще называют дизельными двигателями.

Двигатели SI и CI могут быть двухтактными или четырехтактными. В случае двухтактного двигателя за каждые два хода поршня внутри цилиндра топливо сжигается.Это означает, что при каждом обороте колеса топливо сжигается. В четырехтактных двигателях топливо сжигается за каждые четыре хода поршня внутри цилиндра. Это означает, что каждый раз, когда топливо сгорает, колеса автомобиля совершают два оборота. Ход — это расстояние, пройденное поршнем внутри цилиндра; обычно она равна длине цилиндра.

Поскольку 4-тактные двигатели производят два оборота, в то время как 2-тактный двигатель производит одно вращение при каждом сжигании топлива, эффективность 4-тактных двигателей выше, чем у 2-тактных двигателей.В идеале эффективность 4-тактного двигателя должна быть вдвое больше, чем у 2-тактного двигателя, но на самом деле это не так.

Типы двигателей

Двигатели — это машины, которые преобразуют источник энергии в физическую работу. Если вам нужно что-то передвигать, двигатель — это то, что вам нужно. Но не все двигатели сделаны одинаково, и разные типы двигателей определенно не работают одинаково.

Изображение предоставлено Little Visuals / Pixabay.

Вероятно, наиболее интуитивно понятный способ различить их — это тип энергии, который каждый двигатель использует для выработки мощности.

• Тепловые двигатели
  • Двигатели внутреннего сгорания (двигатели внутреннего сгорания)
  • Двигатели внешнего сгорания (ЕС-двигатели)
  • Реакционные двигатели
• Электродвигатели
• Физические двигатели

Тепловые двигатели

В самом широком смысле этим двигателям для перехода в движение требуется источник тепла.В зависимости от того, как они выделяют указанное тепло, это могут быть двигатели внутреннего сгорания (которые сжигают материал) или негорючие двигатели. Они действуют либо за счет прямого сгорания топлива, либо за счет преобразования жидкости для создания работы. Таким образом, большинство тепловых двигателей также частично пересекаются с химическими системами привода. Это могут быть двигатели с воздушным дыханием (которые забирают окислитель, например кислород из атмосферы) или двигатели без дыхания (с окислителями, химически связанными в топливе).

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания (двигатели внутреннего сгорания) сегодня довольно распространены.Они приводят в действие автомобили, газонокосилки, вертолеты и так далее. Самый большой двигатель внутреннего сгорания может генерировать 109 000 л.с. для корабля, перевозящего 20 000 контейнеров. Двигатели внутреннего сгорания получают энергию из топлива, сжигаемого в специальной области системы, называемой камерой сгорания. В процессе сгорания образуются продукты реакции (выхлоп), общий объем которых намного превышает общий объем реагентов, вместе взятых (топливо и окислитель). Это расширение и есть хлеб с маслом для двигателей внутреннего сгорания — это то, что на самом деле обеспечивает движение.Тепло является лишь побочным продуктом сгорания и представляет собой потраченную впустую часть запаса энергии топлива, поскольку фактически не обеспечивает никакой физической работы.

Рядный 4-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
Изображение предоставлено НАСА / Исследовательским центром Гленна. Двигатели

IC различаются по количеству «ходов» или циклов, которые каждый поршень делает для полного вращения коленчатого вала. Сегодня наиболее распространены четырехтактные двигатели, в которых реакция сгорания состоит из четырех этапов:

1. Индукция или впрыск топливовоздушной смеси (карбюрата) в камеру сгорания.
2. Сжатие смеси.
3. Зажигание свечой или сжатием — топливо идет штанга .
4. Выброс выхлопных газов.
Этот радиальный паровозик похож на самого забавного человечка, которого я когда-либо видел.
Изображение предоставлено Дук / Викимедиа.

На каждом шаге 4-тактный поршень поочередно опускается или поднимается. Зажигание — это единственный этап, на котором в двигателе создается работа, поэтому на всех остальных этапах каждый поршень для своего движения полагается на энергию от внешних источников (другие поршни, электростартер, ручной запуск или инерция коленчатого вала).Вот почему вам нужно тянуть за шнурок газонокосилки, и почему вашему автомобилю нужен исправный аккумулятор, чтобы начать работать.

Другими критериями для дифференциации двигателей внутреннего сгорания являются тип используемого топлива, количество цилиндров, общий рабочий объем (внутренний объем цилиндров), распределение цилиндров (рядные, радиальные, V-образные двигатели и т. Д.), А также мощность и мощность. -весовой выход.

Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания (двигатели ЕС) хранят топливо и продукты выхлопа отдельно — они сжигают топливо в одной камере и нагревают рабочую жидкость внутри двигателя через теплообменник или стенку двигателя.В эту категорию попадает и этот великий отец промышленной революции, паровая машина.

В некоторых отношениях двигатели с электронным управлением работают так же, как и их аналоги на базе IC — им обоим требуется тепло, которое получается при сжигании материала. Однако есть и несколько отличий.

В двигателях

EC используются жидкости, которые подвергаются тепловому расширению-сжатию или сдвигу по фазе, но чей химический состав остается неизменным. Используемая жидкость может быть газообразной (как в двигателе Стирлинга), жидкостью (двигатель с органическим циклом Ренкина) или претерпевать изменение фазы (как в паровом двигателе) — для двигателей внутреннего сгорания почти всегда жидкость представляет собой жидкое топливо. и воздушная смесь, которая воспламеняется (меняет свой химический состав).Наконец, двигатели могут либо выпускать жидкость после использования, как двигатели внутреннего сгорания (двигатели с открытым циклом), либо постоянно использовать одну и ту же жидкость (двигатели с закрытым циклом).

Паровоз Стивенсона работает

Удивительно, но первые паровые машины, получившие промышленное применение, генерировали работу за счет создания вакуума, а не давления. Эти машины, получившие название «атмосферные двигатели», были громоздкими и крайне неэффективными. Со временем паровые двигатели приобрели форму и характеристики, которые мы ожидаем от двигателей сегодня, и стали более эффективными — с поршневыми паровыми двигателями, использующими поршневую систему (которая все еще используется двигателями внутреннего сгорания сегодня) или составные системы двигателей, в которых повторно использовалась жидкость. в цилиндрах при понижении давления для создания дополнительной «мощности».

Сегодня паровые двигатели вышли из широкого использования: они тяжелые, громоздкие, имеют гораздо меньшую топливную эффективность и удельную мощность, чем двигатели внутреннего сгорания, и не могут так быстро менять мощность. Но если вас не беспокоит их вес, размер и вам нужен постоянный запас работы, они просто великолепны. Таким образом, ЕС в настоящее время с большим успехом используется в качестве паротурбинных двигателей для морских операций и электростанций.

Применение

для ядерной энергетики отличается тем, что называется негорючими или внешними тепловыми двигателями , поскольку они работают на тех же принципах, что и двигатели ЕС, но не получают энергию от сгорания.

Реакционные двигатели

Реакционные двигатели , в просторечии известные как реактивные двигатели , создают тягу за счет вытеснения реакционной массы. Основным принципом реактивного двигателя является третий закон Ньютона: если вы ударите чем-то с достаточной силой через заднюю часть двигателя, он вытолкнет переднюю часть вперед. И реактивные двигатели действительно хороши в этом .

Безумно хорошо в этом.
Изображение предоставлено thund3rbolt / Imgur.

То, что мы обычно называем «реактивным» двигателем, прикрепленное к пассажирскому самолету Boeing, строго говоря, является воздушно-реактивным двигателем и относится к классу двигателей с турбинным двигателем. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели, которые обычно считаются более простыми и надежными, поскольку они содержат меньше (или почти не содержат) движущихся частей, также являются воздушно-реактивными двигателями, но относятся к классу таранных двигателей. Разница между ними заключается в том, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели полагаются на чистую скорость для подачи воздуха в двигатель, тогда как турбореактивные двигатели используют турбины для втягивания и сжатия воздуха в камеру сгорания.В остальном они функционируют в основном одинаково.

В турбореактивных двигателях воздух втягивается в камеру двигателя и сжимается вращающейся турбиной. Ramjets рисуют и сжимают его, двигаясь очень быстро. Внутри двигателя он смешивается с мощным топливом и воспламеняется. Когда вы концентрируете воздух (и, следовательно, кислород), смешиваете его с большим количеством топлива и взрываете его (таким образом, генерируя выхлоп и термически расширяя весь газ), вы получаете реакционный продукт, который имеет огромный объем по сравнению с всасываемым воздухом. Единственное место, через которое может пройти вся эта масса газов, — это задняя часть двигателя, что происходит с огромной силой.По пути он приводит в действие турбину, втягивая больше воздуха и поддерживая реакцию. И чтобы добавить оскорбления к травмам, в задней части двигателя есть метательное сопло.

Здравствуйте, я метательная форсунка. Я буду твоим проводником.

Этот элемент оборудования заставляет весь газ проходить через пространство еще меньшего размера, чем он первоначально прошел, таким образом, еще больше ускоряя его в «струю» материи. Выхлоп выходит из двигателя с невероятной скоростью, в три раза превышающей скорость звука, толкая самолет вперед.

Реактивные двигатели

, не дышащие воздухом, или ракетные двигатели , работают так же, как реактивные двигатели без переднего долота — потому что им не нужен внешний материал для поддержания сгорания. Мы можем использовать их в космосе, потому что в них есть весь необходимый окислитель, упакованный в топливо. Это один из немногих типов двигателей, в которых постоянно используется твердое топливо.

Тепловые двигатели могут быть до смехотворно большими или очаровательно маленькими. Но что, если все, что у вас есть, — это розетка, и вам нужно запитать свои вещи? Что ж, в таком случае вам нужно:

Электродвигатели

Ах да, чистая банда.Классические электрические двигатели бывают трех типов: магнитные, пьезоэлектрические и электростатические.

И, конечно же, привод Duracell.

Магнитный, как и батарея там, наиболее часто используется из трех. Он основан на взаимодействии магнитного поля и электрического потока для создания работы. Он работает по тому же принципу, что и динамо-машина для выработки электроэнергии, но наоборот. Фактически, вы можете выработать немного электроэнергии, если вручную провернете электромагнитный двигатель.

Для создания магнитного двигателя вам понадобятся несколько магнитов и намотанный провод. Когда к обмотке подается электрический ток, он индуцирует магнитное поле, которое взаимодействует с магнитом, создавая вращение. Важно, чтобы эти два элемента были разделены, поэтому электродвигатели состоят из двух основных компонентов: статора, который является внешней частью двигателя и остается неподвижной, и ротора, который вращается внутри него. Они разделены воздушной прослойкой. Обычно магниты встроены в статор, а проводник намотан на ротор, но они взаимозаменяемы.Магнитные двигатели также оснащены коммутатором для переключения электрического потока и модуляции индуцированного магнитного поля, когда ротор вращается для поддержания вращения.

Пьезоэлектрические приводы — это типы двигателей, в которых используется свойство некоторых материалов генерировать ультразвуковые колебания под действием электрического тока для создания работы. Электростатические двигатели используют одинаковые заряды, чтобы отталкивать друг друга и вызывать вращение ротора. Поскольку в первом используются дорогие материалы, а во втором для работы требуется сравнительно высокое напряжение, они не так распространены, как магнитные приводы.

Классические электрические двигатели обладают одними из самых высоких показателей энергоэффективности среди двигателей, преобразуя до 90% энергии в работу.

Ионные приводы

Ионные приводы представляют собой смесь реактивного и электростатического двигателей. Этот класс приводов ускоряет ионы (плазму), используя электрический заряд для создания движения. Они не работают, если вокруг корабля уже есть ионы, поэтому они бесполезны за пределами космического вакуума.

Подруливающее устройство Холла.
Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech.

Они также имеют очень ограниченную выходную мощность. Однако, поскольку в качестве топлива они используют только электричество и отдельные частицы газа, они были тщательно изучены для использования в космических кораблях. Deep Space 1 и Dawn успешно использовали ионные двигатели. Тем не менее, эта технология кажется наиболее подходящей для малых кораблей и спутников, поскольку след электронов, оставляемый этими двигателями, отрицательно влияет на их общую производительность.

Приводы EM / Cannae

EM / Cannae Приводы используют электромагнитное излучение, содержащееся в микроволновом резонаторе, для создания доверия.Это, наверное, самый необычный из всех типов двигателей. Его даже называют «невозможным» побуждением, поскольку это нереакционный побудительный мотив, то есть он не производит никакого разряда для создания тяги, по-видимому, в обход Третьего закона.

«Вместо топлива в нем используются микроволны, отражающиеся от тщательно настроенного набора отражателей для достижения небольшой силы и, следовательно, тяги без топлива», — сообщил Андрей о поездке.

Было много споров о том, работает ли этот тип двигателя на самом деле или нет, но испытания НАСА подтвердили, что он функционально исправен.В будущем его даже обновят. Поскольку он использует только электрическую энергию для создания тяги, хотя и в небольших количествах, он кажется наиболее подходящим двигателем для исследования космоса.

Но это в будущем. Давайте посмотрим, с чего все началось. Давайте посмотрим на:

Физические механизмы

Работа этих двигателей зависит от накопленной механической энергии. Заводные двигатели , пневматические и гидравлические двигатели — все физические приводы.

Модель Ле Плонжера с огромными баллонами с воздухом.
Изображение предоставлено Национальным морским музеем.

Они не очень эффективны. Они также обычно не могут использовать большие запасы энергии. Например, заводные двигатели хранят упругую энергию в пружинах, и их нужно заводить каждый день. Пневматические и гидравлические двигатели должны иметь на себе огромные трубки со сжатой жидкостью, которые, как правило, не работают очень долго. Например, Plongeur , первая в мире подводная лодка с механическим приводом, построенная во Франции между 1860 и 1863 годами, несла поршневой воздушный двигатель, снабженный 23 танками на 12.5 баров. Они занимали огромное пространство (153 кубических метра / 5 403 кубических фута), и их хватало только для того, чтобы корабль пролетел 5 морских миль (9 км / 5,6 миль) при скорости 4 узла.

Тем не менее, физические диски, вероятно, использовались впервые. Катапульты, требушеты или тараны полагаются на этот тип двигателей. То же самое можно сказать о кранах, приводимых в движение человеком или зверем — все они использовались задолго до любых других типов двигателей.

Это далеко не полный список всех двигателей, созданных человеком.Не говоря уже о том, что биология тоже создала побуждения — и они являются одними из самых эффективных, которые мы когда-либо видели. Но если вы прочтете все это, я почти уверен, что у вас к этому моменту заканчивается топливо. Так что отдохните, расслабьтесь, и в следующий раз, когда вы встретите двигатель, смазывайте руки и нос, исследуя его — мы рассказали вам основы.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания

Шон Кэссиди


10 декабря 2016

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2016 г.

Введение

Фиг.1: Цикл Отто для искрового зажигания Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Двигатель внутреннего сгорания — один из самых важные изобретения в истории человечества. Он произвел революцию в путешествиях благодаря на машине, поезде, на лодке и по воздуху. Есть два основных типа двигатели внутреннего сгорания (IC): прерывистое и непрерывное сгорание двигатели. Например, четырехтактный поршневой двигатель — это прерывистый двигатель. Двигатель внутреннего сгорания, тогда как газотурбинный двигатель использует непрерывное сгорание.IC двигатели используют сжигание топлива с окислителем для преобразования химическая энергия в разумную энергию и работу. После зажигания высокотемпературный газ оказывает давление на поршень или турбину, поскольку расширяется, принося полезную работу. Основной экзотермический углеводород реакцию горения (на воздухе) можно записать [1]

C _x H _y + w O ₂ + 3,76 w N ₂ → a CO ₂ + b H ₂ O + c O ₂ + d N ₂ + ε

, где w, a, b, c и d представляют молярный коэффициенты, зависящие от конкретного углеводородного реагента и количество воздуха, реагенты wO ₂ + 3.76wN ₂ представляют собой инженерный воздух, а ε представляет энергию. [1] Однако на практике углекислый газ, азот, и кислород — не единственные продукты сгорания. Такие виды, как оксид азота (NO), диоксид азота (NO ₂ ) и углерод монооксид (CO) также являются обычными продуктами реакции и могут быть обнаружены в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. [1] Краткий обзор двух двигателей IC Здесь представлены: поршневой двигатель с искровым зажиганием и жиклер газовой турбины. двигатель.

Двигатель с искровым зажиганием

Термодинамический цикл Отто описывает идеальный двигатель с искровым зажиганием. Топливно-воздушная смесь втягивается в поршень на постоянное давление (1-2), а затем сжимается изоэнтропически до тех пор, пока поршень достигает верхней мертвой точки (2-3). Искровое зажигание смеси моделируется как добавление тепла постоянного объема в рабочую жидкость (3-4), который затем изоэнтропически расширяется (4-5), пока не достигнет дна мертвая точка (BDC).В BDC тепло отводится при постоянном объеме, и Затем выхлопные газы удаляются при постоянном давлении. Схема Цикл Отто показан на рис. 1. Идеальный рабочий результат цикла равен область, ограниченная технологическим трактом.

В настоящем двигателе с искровым зажиганием идеализированный добавление тепла постоянного объема заменяется сжиганием топлива. В чтобы приблизиться к идеальным условиям, текущие исследования стремятся гомогенизировать топливной смеси в камере сгорания, а также изучить время задержки воспламенения, распространение пламени и другие виды горения характеристики.

Газотурбинный двигатель

Рис.2: Цикл Брайтона для газовой турбины Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Газотурбинный двигатель идеально смоделирован Термодинамический цикл Брайтона. [2] Воздух поступает через воздухозаборник, сжато изоэнтропически (1-2) и смешано с топливом. [2] Тепло добавлено при постоянном давлении в процессе, моделирующем идеальное сгорание топливо (2-3), и газ адиабатически расширяется через сопло (3-4).[2] Процесс показан на рис. 2. Как и в случае с циклом Отто, идеальный результат работы — это область, ограниченная технологическим трактом.

Настоящий газотурбинный двигатель имеет впускное отверстие, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло. [3] Турбина подключена к компрессору, так что газ, проходящий через турбину, приводит в движение ступень сжатия двигателя. [3] Воздух поступает через впускное отверстие и подается в компрессор. Сжатие часто происходит в нескольких этапы.После сжатия воздух смешивается с топливом и поступает в камера сгорания. [3] Высокотемпературный газ устремляется через турбина и расширяется через сопло. [3] Весь процесс происходит непрерывно, при этом газ непрерывно проходит через двигатель. [3]

Заключение

Термодинамический анализ искрового зажигания и газа газотурбинные двигатели раскрывают общие процессы, с помощью которых каждый преобразователь химическая потенциальная энергия в двигательную работу.Понимание настоящего химические реакции, происходящие внутри двигателей, дают представление о сам процесс горения, а также образование токсичных и экологически чистых вредные газы. Повышение эффективности и сокращение выбросов будут требуют инновационных исследований с глубоким пониманием термодинамики и газовая динамика, участвующая в системах двигателей внутреннего сгорания.

© Шон Кэссиди. Автор дает разрешение на копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с ссылка на автора, только в некоммерческих целях.Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] K. Wark, Advanced Thermodynamics for Инженеры (McGraw-Hill, 1995), гл. 10.

[2] Y. Cengel and M. Boles Термодинамика: An Инженерный подход , 7-е издание (McGraw-Hill, 2011), гл. 9.

[3] С. Фарохи, Движение самолета , 2-я Издание (Wiley, 2014), гл.4.

Двигатели внутреннего сгорания — обзор

2.1 Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и реактивные двигатели являются важными силовыми установками для гражданского и военного применения. Эти двигатели — это машины, которые преобразуют тепло, выделяемое при сгорании, в механическую или кинетическую энергию. В настоящее время ДВС и реактивные двигатели по-прежнему работают на ископаемом топливе и в основном полагаются на него. Растущая озабоченность по поводу экологической и энергетической безопасности привлекает внимание к альтернативным видам топлива (AFs).Существует два типа ДВС, а именно двигатели с искровым зажиганием (SI) и двигатели с воспламенением от сжатия (CI), обычно соответствующие бензиновым двигателям и дизельным двигателям. Двигатели SI широко используются в качестве источников энергии для легковых автомобилей и мотоциклов, в то время как двигатели CI в основном используются для грузовиков, кораблей и внедорожников из-за их более высокой энергоэффективности и удельной мощности по сравнению с бензиновыми двигателями [1].

Преобладающие АФ, задействованные в ДВС, охватывают широкий спектр нетрадиционных видов топлива, включая биотопливо, полученное из биомассы, сжиженного нефтяного газа (СНГ), преобразования угля в жидкие углеводороды (CtL) и водорода (H ₂ ).Биотопливо считается более чистым, чем обычное топливо для ДВС, с точки зрения выбросов вредных газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) [2,3]. Хотя все еще существуют некоторые технологические барьеры при использовании H ₂ в ДВС, H ₂ по-прежнему является одним из перспективных видов топлива для будущих двигателей, о котором будет кратко рассказано в разделе 2.2. LPG и CtL обычно получают из ископаемого топлива [4], и они обычно классифицируются как альтернативные виды топлива, но не как биотопливо. В этой главе основное внимание уделяется технологии и производству биотоплива, а сжиженный нефтяной газ и CtL также вскоре будут представлены в разделе 2.2.

Биотопливо, которое в настоящее время применяется в транспортных средствах во всем мире, — это биодизель и биоспирт [5]. Биодизель — это кислородсодержащее топливо на основе сложных эфиров, состоящее из длинноцепочечных жирных кислот, полученных из растительных масел (как пищевых, так и несъедобных) или животных жиров, и оно невзрывоопасно, биоразлагаемо, негорючо, возобновляемо и нетоксично. Его можно использовать в дизельном двигателе в качестве альтернативы дизельному топливу без существенной модификации двигателя с такими же или лучшими характеристиками по сравнению с обычным дизельным топливом [6–8].С другой стороны, биоспирты производятся из ряда сельскохозяйственных культур, таких как картофель, сахарный тростник, зерна, кукуруза, сорго и т. Д. Этанол и бутанол являются наиболее часто используемыми альтернативными видами топлива в ДВС [9]. Таким образом, биодизель используется для замены дизельного топлива в двигателях CI, тогда как биоспирты используются для смешивания с бензином для работы двигателей SI. Сообщается, что сжигание биодизеля может привести к заметному снижению выбросов ТЧ из-за присутствия атомов кислорода и более полному сгоранию [10,11].

Пластинки графена выглядят более искаженными и имеют более длинные разделительные расстояния.Кроме того, выбросы NO _x немного увеличиваются, в то время как выбросы углеводородов (HC) и оксида углерода (CO) уменьшаются по сравнению со сжиганием нефтяного дизельного топлива. Это можно объяснить более высокой температурой камеры сгорания при сжигании биодизеля. Биобутанол и обычные смеси дизельного топлива, по-видимому, способны эффективно снизить выбросы ТЧ, а выбросы NO _x немного ниже, чем при сжигании чистого дизельного топлива. Более высокий уровень смешивания может привести к большему снижению. Аналогичная тенденция наблюдается и при использовании топлива, смешанного с биоэтанолом.Тенденция выбросов углеводородов диаметрально противоположна выбросам NO _x . Однако влияние биоспиртов на выбросы CO все еще остается спорным и требует дальнейшего объяснения [12–14].

Реактивные двигатели можно разделить на четыре типа: турбореактивные, двухконтурные, турбовинтовые и турбовинтовые, работающие на реактивном топливе со строгими стандартами [15]. Альтернативные виды топлива для реактивных двигателей получают из ископаемых источников, таких как уголь и природный газ, экологически чистого сырья растений или животных или других потенциальных углеводородных материалов.Как правило, альтернативные реактивные топлива получают с использованием следующих методов: газификация биомассы, синтез с использованием процесса Фишера-Тропша (F-T) и гидрообработка растительных масел и жиров (гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты) [16]. Синтез F-T, который был предложен и разработан Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1925 году [17], включает серию химических реакций и позволяет преобразовывать синтез-газ (CO и H ₂ ) в жидкие углеводороды. Sasol и Shell поставляют коммерчески доступные виды топлива F-T по всему миру.Sasol производит топливо F-T с помощью процесса преобразования угля в жидкость (CtL), а Shell — с помощью процесса преобразования газа в жидкость (GtL).

Большинство альтернативных видов топлива содержат большую долю изопарафинов и нормальных парафинов, не содержат ароматических углеводородов и серы. Более высокое содержание парафинов в альтернативных топливах приводит к более высокому содержанию C и H и, следовательно, к более высокому уровню выбросов CO ₂ и H ₂ O. Для большинства альтернативных видов топлива можно найти сокращение выбросов CO примерно на 20%. Нет существенной разницы в выбросах NO _x , потому что образование NO _x обычно является тепловым.Выбросы SOx напрямую связаны с содержанием серы в топливе. Ароматические углеводороды являются важными предшественниками сажи. Предыдущие экспериментальные работы показали, что сжигание альтернативных видов топлива может снизить образование сажи на 60–95%, особенно при более низкой мощности [18].

Эта глава демонстрирует классификацию альтернативных видов топлива и знакомит с их характеристиками выбросов по сравнению с обычными видами топлива. Во-первых, альтернативные виды топлива для ДВС и реактивных двигателей будут обсуждаться в разделах 2 и 3, где будут рассмотрены пути производства топлива и сырье.Далее, выбросы газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) от ДВС, работающих на альтернативных видах топлива, будут объяснены в разделах 4 и 5. Наконец, характеристики выбросов газообразных и ТЧ реактивных двигателей будут рассмотрены в разделах 6 и 7.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия New World

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. впуск
2. компрессия
3. мощность
4. выпуск

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором сгорание топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания.Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы с высокой температурой и давлением, которые могут расширяться. Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, действующими непосредственно, вызывая движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже путем нажатия и перемещения самого двигателя.

Это контрастирует с двигателями внешнего сгорания, такими как паровые двигатели, в которых процесс сгорания используется для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которые затем, в свою очередь, работают, например, при нажатии на поршень, приводимый в действие паром.

Термин Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание является прерывистым. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также являются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания используются в основном на транспорте. Несколько других применений предназначены для любой переносной ситуации, когда вам нужен неэлектрический двигатель.Самым большим применением в этой ситуации будет двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие электрогенератор. Таким образом, вы можете использовать стандартные электроинструменты с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество этого — портативность. Этот тип двигателя удобнее использовать в транспортных средствах над электричеством. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они тушат. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными частями, такими как масло или резиновые изделия, которые необходимо выбросить.Еще одним фактором является шумовое загрязнение, многие двигатели внутреннего сгорания очень громкие. Некоторые из них настолько громкие, что людям нужны средства защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один недостаток — размер. Очень непрактично иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть электрический генератор, работающий на газе, в районе, где нет электричества для питания более мелких предметов.

История

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания.Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется. Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для питания сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, но работали на той топливно-воздушной смеси, которая могла всасываться или вдуваться во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современными двигателями внутреннего сгорания и ранними конструкциями заключается в использовании сжатия, в частности сжатия в цилиндре.

• 1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание не может подразумевать, что эта идея исходила от него или что она действительно была построена.)
• 1673: Христиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. ^[1]
• 1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взорвала смесь воздуха и водорода, выпустив пробку из конца пистолета.
• Семнадцатый век: английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох для привода водяных насосов.
• 1794: Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип работы которого будет доминировать почти столетие.
• 1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
• 1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, к тому времени уже устарел.Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области, где стандарты еще не были установлены, досталось лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.
• 1824: Французский физик Сади Карно основал термодинамическую теорию идеализированных тепловых машин. Это научно установило необходимость сжатия для увеличения разницы между верхней и нижней рабочими температурами, но неясно, знали ли конструкторы двигателей об этом до того, как сжатие уже стало широко использоваться.Это могло ввести в заблуждение дизайнеров, пытавшихся подражать циклу Карно бесполезными способами.
• 1826 г. 1 апреля: Американец Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель» без сжатия.
• 1838: Патент был выдан Уильяму Барнету (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, очевидно, не осознавал его преимуществ, но его цикл стал бы большим достижением, если бы был достаточно развит.
• 1854: итальянцы Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания в Лондоне (pt.Num. 1072), но в производство с ним не попал. Он был похож по концепции на успешный двигатель непрямого действия Отто Лангена, но не так хорошо проработан в деталях.
• 1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) создал газовый двигатель внутреннего сгорания, внешне очень похожий на горизонтальный паровой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в которых газ, по существу, поглощал место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания.Его первый двигатель с компрессией шокировал сам себя.
• 1862: Николаус Отто разработал двигатель непрямого действия со свободным поршнем без сжатия, более высокая эффективность которого получила поддержку Лангена, а затем и большей части рынка, который в то время в основном предназначался для небольших стационарных двигателей, работающих на горючем газе.
• 1870: В Вене Зигфрид Маркус установил первый мобильный бензиновый двигатель на ручной тележке.
• 1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто).Немецкие суды, однако, не удержали его патент на все двигатели с цилиндрическим компрессором или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения внутрицилиндровое сжатие стало универсальным.
• 1879: Карл Бенц, работавший независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц спроектировал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, которые стали первыми автомобилями в производстве.
• 1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с разными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
• 1891: Герберт Акройд Стюарт передает права аренды нефтяного двигателя Хорнсби, Англия, для производства двигателей. Строят первые двигатели с холодным запуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением производит самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
• 1892: Рудольф Дизель разрабатывает двигатель типа теплового двигателя Карно, сжигающий угольную пыль.
• 1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
• 1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально расположенный двигатель, в котором соответствующие поршни одновременно достигают верхней мертвой точки, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
• 1900: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 году на выставке Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизеля).
• 1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft — в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека — который требовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Приложения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в качестве передвижных двигателей в автомобилях, оборудовании и другом переносном оборудовании. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является преимуществом, поскольку оно может обеспечить высокое соотношение мощности к весу вместе с превосходной удельной топливной энергией.Эти двигатели используются почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и ​​локомотивах. Там, где требуется очень высокая мощность, например, реактивные самолеты, вертолеты и большие корабли, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются в электрических генераторах и в промышленности.

Операция

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермического химического процесса сгорания: реакция топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться другие окислители, такие как закись азота.

Наиболее распространенное топливо, используемое сегодня, состоит из углеводородов и, в основном, из нефти. К ним относятся виды топлива, известные как дизельное топливо, бензин и нефтяной газ, а также редкое использование пропана. Большинство двигателей внутреннего сгорания, разработанных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженном нефтяном газе без значительных модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Также можно использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол и биодизель, форма дизельного топлива, которое производится из сельскохозяйственных культур, которые дают триглицериды, такие как соевое масло.Некоторые также могут работать на водороде.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ зажигания в цилиндрах для создания сгорания. В двигателях используется либо электрический метод, либо система воспламенения от сжатия.

Процесс воспламенения бензина

Электрические / бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно основаны на сочетании свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для создания высоковольтной электрической искры для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя.Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, такого как генератор переменного тока или генератор, приводимый в действие двигателем. Бензиновые двигатели впитывают смесь воздуха и бензина и сжимают до менее 170 фунтов на квадратный дюйм и используют свечу зажигания для воспламенения смеси, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс зажигания дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (гомогенный заряд и воспламенение от сжатия), для воспламенения полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия.Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели будут всасывать только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI будут потреблять как воздух, так и топливо, но по-прежнему будут полагаться на процесс самовоспламенения без посторонней помощи из-за более высокого давления и тепла. Это также является причиной того, что дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду.Большинство дизелей также имеют аккумуляторные батареи и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями в качестве роскоши для простоты запуска, включения и выключения топлива, что также может быть выполнено с помощью переключателя или механического устройства, а также для работы вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также управляют процессом сгорания, чтобы повысить эффективность и сократить выбросы.

Энергия

После успешного воспламенения и сгорания продукты сгорания, горячие газы, имеют больше доступной энергии, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (которая имела более высокую химическую энергию).Доступная энергия проявляется в виде высокой температуры и давления, которые могут быть переведены в работу двигателем. В поршневом двигателе газы продукта высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того, как доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или выхода выхлопных газов), что позволяет поршню вернуться в свое предыдущее положение (верхняя мертвая точка — ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя.Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходом и удаляется из двигателя с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения.

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

Детали двигателя различаются в зависимости от типа двигателя. Для четырехтактного двигателя ключевыми частями двигателя являются коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя вместо клапанной системы могут быть просто выпускной патрубок и впускное отверстие для топлива.В обоих типах двигателей имеется один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Одиночный ход поршня вверх или вниз известен как ход поршня, а ход вниз, который происходит непосредственно после воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре, известен как рабочий ход.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, вращающийся в эпитрохоидальной камере (в форме фигуры 8) вокруг эксцентрикового вала.Четыре фазы работы (впуск, сжатие, мощность, выпуск) происходят в разных местах, а не в одном месте, как в поршневом двигателе.

В двигателе Bourke используется пара поршней, встроенных в кулису, которая передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск — все это происходит при каждом такте вилки.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным применениям.Аналогичным образом существует множество способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «мотором» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую часть механизма. «Мотор» (от латинского мотор, «движитель») — это любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют двигателями, но двигатели внутреннего сгорания часто называют двигателями.»(Электродвигатель относится к локомотиву, работающему от электричества.)

С учетом сказанного, нужно понимать, что обычное употребление часто требует определений. Многие люди рассматривают двигатели как те объекты, которые генерируют энергию изнутри, а двигатели — как требующие внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, корни слов действительно указывают на настоящую разницу. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее употребление.Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принципы работы

Поршневой:

• Двигатель на сырой нефти
• Двухтактный цикл
• Четырехтактный цикл
• Двигатель с горячей лампой
• Тарельчатые клапаны
• Рукавный клапан
• цикл Аткинсона
• Предложено
• Улучшения
• Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Поворотный:

• Продемонстрировано:
• Предложено:
  • Орбитальный двигатель
  • Квазитурбина
  • Роторный двигатель цикла Аткинсона
  • Тороидальный двигатель

Непрерывное сгорание:

• Газовая турбина
• Реактивный двигатель
• Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два хода (один вверх, один вниз) для каждого рабочего хода.Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы очистки цилиндров. Наиболее распространенный метод двухтактных двигателей с искровым зажиганием заключается в использовании движения поршня вниз для создания давления свежего заряда в картере, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для их выходной мощности) и очень просты в механическом отношении. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, средства для удаления сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы.К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и загрязняют больше, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших кораблях. Эти двигатели используют принудительную индукцию для продувки цилиндров. Двухтактные двигатели менее экономичны, чем другие типы двигателей, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из выхлопного тракта вместе с ранее отработанным топливом.Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих областях применения небольших двигателей, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, и в некоторых странах с двухтактными двигателями меньшего размера, оснащенными каталитическими преобразователями.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий ход на каждые четыре хода (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и крупнее своих двухтактных собратьев.Есть несколько разновидностей этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой зажигания с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

Двигатели, основанные на пятитактном цикле, представляют собой вариант четырехтактного цикла. Обычно четыре цикла — это впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Пятый цикл, добавленный Delautour ^[2] , — это охлаждение.Двигатели, работающие с пятитактным циклом, на 30 процентов более эффективны, чем эквивалентный четырехтактный двигатель.

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом шатунным штифтом, проходящим через общую вилку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, происходит два рабочих хода на оборот. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, отработавшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе.Механизм с кулисой также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндров. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию с постоянным объемом, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому необходимо преодолевать меньшее трение, чем в двух других типах возвратно-поступательного движения. Кроме того, его более высокий коэффициент расширения также означает, что используется больше тепла от его фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель с регулируемым внутренним сгоранием

Это также цилиндрические двигатели, которые могут быть одно- или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых штоков используются два соединенных зубчатых колеса концентрических кулачка, вращающихся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили кулачков (которые всегда нечетные и по крайней мере три) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента.В этом двигателе есть два цилиндра, которые разнесены на 180 градусов для каждой пары кулачков встречного вращения. Для одноходовых версий существует такое же количество циклов на пару цилиндров, как и кулачков на каждом кулачке, в два раза больше для двухтактных агрегатов.

Ванкель

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без ходов поршня, правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы находятся в разных местах двигателя.Этот двигатель обеспечивает три рабочих хода на оборот на ротор, что в среднем дает ему большее отношение мощности к массе, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в нынешних моделях Mazda RX8 и RX7 ранее, а также в других моделях.

Газовая турбина

В газотурбинных циклах (особенно реактивных двигателях) вместо использования одного и того же поршня для сжатия и последующего расширения газов используются отдельные компрессоры и газовые турбины; давая постоянную мощность. По сути, всасываемый газ (обычно воздух) сжимается, а затем сжигается с топливом, что значительно повышает температуру и объем.Затем больший объем горячего газа из камеры сгорания подается через газовую турбину, которая затем легко может приводить в действие компрессор.

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без сжатия: В первой части хода поршня вниз была засасана или вдувалась топливно-воздушная смесь. В остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрылся, и топливно-воздушная смесь сгорела. При ходе поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитации работы поршневого парового двигателя.

Виды топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают нефтяной спирт (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, реактивное топливо, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла , биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другие виды биотоплива. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли применение. Двигатели, в которых в качестве топлива используются газы, называются газовыми двигателями, а двигатели, в которых используются жидкие углеводороды, называются масляными двигателями.Однако, к сожалению, бензиновые двигатели также часто называют «газовыми двигателями».

Основные ограничения для топлива заключаются в том, что топливо должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании, чтобы можно было использовать двигатель на практике.

Окислителем обычно является воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится в транспортном средстве, что увеличивает удельную мощность.Однако воздух можно сжимать и переносить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили содержат закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, нашли экспериментальное применение; но большинство из них непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (в большей степени из-за их более высокой топливной эффективности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах.Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем стали довольно распространенными с 1990-х годов, составляя около 40 процентов рынка. И бензиновые, и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Есть также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Парафиновые и тракторные двигатели с испарительным маслом (TVO) больше не встречаются.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем водород может заменить такое топливо.Кроме того, с внедрением технологии водородных топливных элементов использование двигателей внутреннего сгорания может быть прекращено. Преимущество водорода в том, что при его сгорании образуется только вода. Это не похоже на сжигание ископаемого топлива, которое производит двуокись углерода, главную причину глобального потепления, окись углерода в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и окислы азота, которые вызывают проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. , и проблемы с газом озоном.Однако свободный водород для топлива не возникает в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для получения водорода в первую очередь самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов производства свободного водорода, они требуют преобразования горючих в настоящее время молекул в водород, поэтому водород не решает никаких энергетических кризисов, более того, он решает только проблему переносимости и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение.Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше, чем вода, и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии все еще примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендола, создает водород по мере необходимости, но здесь есть и другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) К другим видам топлива, более благоприятным для окружающей среды, относится биотопливо.Они не могут дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами 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 больший рабочий объем с меньшими индивидуальными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию к вибрировать в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокоэффективных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, что существует точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

• Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, некоторые высокопроизводительные автомобили имеют десять, двенадцать или даже шестнадцать, а некоторые очень маленькие легковые и грузовые автомобили имеют два или три цилиндра.В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
• Радиальные авиационные двигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, такие как Pratt & Whitney R-4360. Строка содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым большим из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но он так и не был запущен в производство.
• Мотоциклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, у некоторых высокопроизводительных моделей их шесть (хотя существуют «новинки» с 8, 10 и 12).
• Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но тоже туристических машин) их четыре.
• Мелкие портативные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют и двухцилиндровые бензопилы.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка цикла, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на КПД и мощность ДВС.Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя горящая смесь должна достичь максимального давления, когда коленчатый вал находится под углом 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для зажигания смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не касался опускающейся головки поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, это приводит к появлению детонации или детонации.Более бедные смеси и смеси с более низким давлением горят медленнее, что требует более точного момента зажигания. Сегодня в большинстве двигателей используется электрическая или компрессионная система нагрева для зажигания. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубами. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания — патент США 609250 (PDF) «Электрический воспламенитель для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, если большая площадь его поверхности контактирует с кислородом.Чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде того, что обычно называется топливно-воздушной смесью. Обычно используются два метода испарения топлива в воздух: карбюраторный и впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможно. Карбюраторы — это самые распространенные в настоящее время устройства для смешивания топлива, используемые в газонокосилках и других двигателях малой мощности.До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, такие как используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. В дизельных двигателях всегда используется впрыск топлива.

Автогазовые двигатели (СНГ) используют либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.

В других двигателях внутреннего сгорания, таких как реактивные двигатели, используются горелки, а в ракетных двигателях используются различные идеи, включая ударные струи, сдвиг газа / жидкости, форсажные камеры и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность хода (более плавные двигатели производят меньшую вибрацию). Общие конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию, которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с противоположным поршнем. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, по одному на обоих концах одного ряда цилиндров, и, что наиболее заметно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех групп двусторонних цилиндров. цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам.Он также использовался в одноблочных локомотивных двигателях и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для тяги, так и для вспомогательных генераторов. Двигатель Gnome Rotary, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это рабочий объем поршня двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах ( или куб. Дюймов) для двигателей большего размера и кубических сантиметрах (сокращенно куб. См) для двигателей меньшего размера.Двигатели большей мощности обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент на более низких оборотах, но при этом потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличить мощность двигателя. Первый — удлинить ход, второй — увеличить диаметр поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель, чтобы обеспечить оптимальную производительность.

Заявленная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии.Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC серии A с одинаковым ходом и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были от одного производителя. Однако в торговой литературе и на значках транспортных средств объем двигателя был указан как 1000 куб. См, 1100 куб. См и 1098 куб. См соответственно.

Смазочные системы

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в впускной поток в виде спрея.Ранние тихоходные стационарные и судовые двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в паровых двигателях в то время, с тендером для пополнения их по мере необходимости. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, необходимость в высоком соотношении мощности к массе привела к увеличению скорости вращения, повышению температуры и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, требовало смазки под давлением для шатунных подшипников и шейки шатуна либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно посредством струи масла, направляемой на приемные чашки на концах шатуна, что имело преимущество в обеспечении более высоких давлений при увеличении частоты вращения двигателя.

Загрязнение двигателя

Обычно двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию оксида углерода и некоторого количества сажи, а также оксидов азота и серы и некоторых несгоревших углеводородов в зависимости от условий эксплуатации и соотношение топливо / воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей со стехиометрическим соотношением для достижения сгорания (топливо сгорает более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели выделяют широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли многих мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (LPG), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку LPG горит очень чисто и не содержит серы или свинца.

• Многие виды топлива содержат серу, что приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.
• Высокая температура горения создает большую долю оксидов азота (NOx), которые, как доказано, опасны как для здоровья растений, так и для животных.
• Чистое производство двуокиси углерода не является обязательной характеристикой двигателей, но, поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит. Если двигатели работают на биомассе, то чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа во время роста.
• Водородные двигатели должны производить только воду, но при использовании воздуха в качестве окислителя также образуются оксиды азота.

КПД двигателя внутреннего сгорания

КПД различных типов двигателей внутреннего сгорания различается.Принято считать, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при использовании турбонагнетателей и вспомогательных средств повышения эффективности имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, теряемого в системе охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинству инженеров не удавалось успешно использовать потраченную впустую энергию для каких-либо значимых целей, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Впрыск водородного топлива, или HFI, представляет собой дополнительную систему двигателя, которая, как известно, улучшает экономию топлива в двигателях внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть рост экономии топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого к всасываемому воздушно-топливному заряду, увеличивает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, тем самым позволяя двигателю работать с более продвинутым моментом зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедным воздухом. к топливной смеси, чем это возможно в противном случае.В результате снижается уровень загрязнения, увеличивается мощность и эффективность. Некоторые системы HFI используют бортовой электролизер для выработки используемого водорода. Также можно использовать небольшой резервуар с водородом под давлением, но этот метод требует повторного заполнения.

Также обсуждались новые типы двигателей внутреннего сгорания, такие как Scuderi Split Cycle Engine, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и самая сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания).Ожидается, что такие двигатели будут иметь КПД 50-55%.

Банкноты

Список литературы

• Харденберг, Хорст О. 1999. Средние века двигателей внутреннего сгорания . Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768003911.
• Хейвуд, Джон. 1988. Основы двигателя внутреннего сгорания. Нью-Йорк: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 007028637X.
• Стоун, Ричард. 1999. Введение в двигатели внутреннего сгорания .Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768004950.
• Тейлор, Чарльз Файетт. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0262700263.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

• Знакомство с автомобильными двигателями — вырезанные изображения и хороший обзор двигателя внутреннего сгорания
• Библия по топливу и двигателям — хороший ресурс по различным типам двигателей и топливам
• youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
• youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Кредиты

New World Encyclopedia писателей и редакторов переписали и завершили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Руководство по выбору двигателей внутреннего сгорания

| Инженерное дело360

Двигатели внутреннего сгорания — это машины, которые используют тепло и давление реакции сгорания для выработки механической энергии. Большинство двигателей внутреннего сгорания работают, вызывая контролируемое сжигание топлива и воздуха в камере сгорания. Ожог генерирует тепло и давление, которые прямо или косвенно приводят в движение вал, который действительно работает. Механическая энергия, производимая двигателем внутреннего сгорания, может быть вращательной, вибрационной или другой формы в зависимости от конструкции компонентов.Двигатели внутреннего сгорания используются в бесчисленных типах продукции, от автомобилей до крупных промышленных машин.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются изначально в зависимости от того, как они сжигают топливо (внутреннее или внешнее). В каждой категории есть несколько различных типов дизайна.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания — это двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают топливо внутри камеры сгорания.

Двухтактные двигатели

Двухтактные двигатели завершают энергетический цикл двумя ходами поршня внутри цилиндра или одним оборотом коленчатого вала. В этих двигателях впускной и выпускной потоки происходят одновременно.

Кредит изображения: Procarcare — ALLDATA LLC.

Часто двухтактные двигатели маркируются как более простые по конструкции и имеют более высокое отношение мощности к массе, чем четырехтактные двигатели.Они также считаются менее экономичными и более загрязняющими. Однако есть много исключений из этих обобщений, и производительность сильно варьируется в зависимости от конструкции двигателя. Двухтактные двигатели используются для выработки энергии в самых разных областях, включая небольшие изделия для ландшафтного дизайна (например, бензопилы, триммеры), работу электростанций и большие корабли.

Четырехтактные двигатели

Четырехтактные двигатели завершают энергетический цикл четырьмя тактами поршня внутри цилиндра или двумя оборотами коленчатого вала.В этих двигателях отдельные фазы разделены, а впуск и выпуск происходят отдельно во время цикла мощности.

Кредит изображения: Dieselduck.ca, Мартин Ледук

Учебник

CDX предоставляет отличное видео, которое дополнительно объясняет работу четырехтактного двигателя.

Четырехтактные двигатели часто более экономичны и чище, чем эквивалентные двухтактные, но могут быть тяжелее и сложнее в конструкции.Они являются наиболее распространенным типом двигателей внутреннего сгорания, используемых в самых разных областях, от автомобилей до промышленного оборудования.

Совет по выбору : Теоретически двухтактный двигатель может генерировать в два раза больше мощности, чем четырехтактный двигатель для того же двигателя и того же числа оборотов. На самом деле это почти верно только для очень больших систем, где соотношение мощностей составляет около 1,8: 1. Средний двухтактный двигатель страдает потерями мощности из-за менее полного впуска и выпуска и более короткого эффективного сжатия и рабочего хода, что делает выходную мощность почти эквивалентной.

Роторные двигатели (Ванкеля)

Роторные двигатели

(Ванкеля) работают с ротором и валом вместо поршня. Вращение вала приводит в движение трехсторонний ротор, который приводит в движение топливо через систему. В этих двигателях разные фазы (впуск, сжатие, мощность и выпуск) происходят в разных местах двигателя. Приводной вал вращается один раз при каждом запуске двигателя в конструкции Ванкеля.

Кредит изображения: Википедия — Y_tambe

Двигатели

Ванкеля часто легче и проще по конструкции, чем аналогичные поршневые двигатели.Кроме того, они обычно более надежны (из-за уменьшения количества движущихся частей) и имеют более высокое отношение мощности к весу. Однако они страдают от менее эффективного уплотнения, что снижает их эффективность и срок службы. Эти двигатели используются в основном в гоночных автомобилях и спортивных автомобилях, где надежность и легкость считаются более важными, чем эффективность и срок службы двигателя.

Турбинные двигатели

Турбинные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания, в которых продукты сгорания направляются в турбину внутри двигателя.Газовый поток вращает лопатки турбины, которая вырабатывает энергию или выполняет другую механическую работу. Они меньше, чем большинство аналогичных поршневых двигателей, и имеют очень высокое отношение мощности к массе. У них также меньше движущихся частей, меньше вибрации и отводится значительное количество отработанного тепла в выхлопных газах, что может быть использовано для других целей отопления. Однако у них также есть затраты, более длительное время запуска и более низкая эффективность при простое. Чаще всего они используются для питания военно-морских судов.

Реактивные двигатели — это подмножество газотурбинных двигателей, оптимизированных для создания тяги. Для выполнения работы горячие газы, генерируемые источником сгорания, продвигаются через сопло с высокой скоростью. Они используются в качестве силовых установок для самолетов.

Двигатели внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания — это двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают свое топливо извне и используют это тепло для перемещения внутренней жидкости, которая выполняет эту работу.

Двигатели Стирлинга

Двигатели Стирлинга — это однофазные двигатели внешнего сгорания, в которых в качестве рабочего тела используется воздух, гелий или водород. Каждый двигатель Стирлинга имеет герметичный цилиндр, одна часть которого горячая, а другая холодная. Рабочий газ внутри двигателя перемещается механизмом с горячей стороны на холодную. Когда газ находится на горячей стороне, он расширяется и толкает поршень вверх. Когда он возвращается на холодную сторону, он сжимается.Правильно спроектированные двигатели Стирлинга имеют два импульса мощности на оборот, что может обеспечить их очень плавную работу. Двигатели Стирлинга могут достигать гораздо более высокого КПД, чем обычные двигатели внутреннего сгорания, и производить меньше шума и вибрации во время работы. Однако они не могут запускаться мгновенно, как двигатели IC, что делает их менее полезными для таких приложений, как автомобили и самолеты. Чаще всего они используются для систем отопления, охлаждения и подводной энергетики.

Двигатель Стирлинга — Изображение предоставлено: MIT

Паровые двигатели

Паровые двигатели — это двухфазные внешние двигатели, в которых в качестве рабочего тела используется вода (в жидкой и парообразной форме).Паровые двигатели также могут использовать источники тепла, не связанные с сжиганием, такие как солнечная энергия, ядерная энергия или геотермальная энергия для нагрева пара. Современные паровые двигатели используются в основном в виде турбин для выработки электроэнергии.

Виды топлива

Двигатели внутреннего сгорания также различаются в зависимости от типа топлива, которое они сжигают.

• Бензин — жидкое топливо, получаемое из нефти (сырой нефти). Сорта бензина различаются в зависимости от октанового числа (премиум или «этилированный» или «этилированный»).обычный или «неэтилированный»). Бензин с более высоким октановым числом может выдерживать большее сжатие перед сгоранием и необходим в некоторых двигателях, рассчитанных на более высокую степень сжатия, чтобы предотвратить детонацию (неконтролируемое сгорание в цилиндре). Бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием, что означает, что топливо сжигается за счет образования искры от свечи зажигания в цилиндре.

• Дизель — жидкое топливо, состоящее из длинных углеводородов, полученных из сырой нефти. Дизель имеет высокую плотность энергии и, следовательно, имеет лучшую экономию топлива (более чем на 33% более эффективен), чем бензин, но горит более грязно.Дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы (ULSD) является стандартом для дизельного топлива с низким содержанием серы; большинство используемых сегодня марок дизельного топлива относятся к ULSD. Дизельные двигатели — это двигатели с воспламенением от сжатия, то есть топливо сжигается с использованием сжатого воздуха (высокого давления) для повышения температуры выше точки самовоспламенения (самовоспламенения) топлива. Поскольку в них не используется источник зажигания (искра), дизельные двигатели часто требуют прогрева в очень холодных условиях перед использованием. Дизельные двигатели также обеспечивают больший крутящий момент, чем бензиновые.

• Сжиженный пропан (СНГ) представляет собой смесь пропана и бутана, которая при стандартных условиях является газом, но может храниться и превращаться в жидкость при более высоком давлении. Его можно использовать в двигателях внутреннего сгорания в качестве альтернативы бензину (бензину) или дизельному топливу, который горит более чисто, но имеет более низкую плотность энергии (что означает более высокое использование эквивалентного топлива). Некоторые двигатели не подходят для сжиженного нефтяного газа, поскольку он обеспечивает меньшую смазку, чем другие стандартные виды топлива, что вызывает чрезмерный износ клапанов в цилиндрах.

• Сжатый природный газ (КПГ) представляет собой смесь метана и других углеводородов, хранящуюся в виде газа высокого давления. Природный газ — это относительно чистое горючее с меньшей удельной энергоемкостью, чем бензин и дизельное топливо. Двигатели, работающие на природном газе, аналогичны стандартным бензиновым или дизельным двигателям; но они содержат соединители, которые подают природный газ из баллонов для хранения, и включают регуляторы для снижения давления. Как и СНГ, КПГ не обеспечивает такое же количество смазки, как стандартное жидкое топливо, и двигатели должны проектироваться и обслуживаться соответствующим образом, чтобы предотвратить износ клапанов.

• Этанол — это спирт, полученный в результате ферментации и дистилляции крахмальных культур, таких как кукуруза, или из целлюлозной биомассы, такой как просо. Часто этанол смешивают с бензином в количестве до девяти или десяти процентов (E10), хотя некоторые двигатели могут быть разработаны для сжигания смесей с чистотой до 85% этанола (E85). Этанол имеет немного более низкую энергоемкость, чем бензин, что приводит к более высокому расходу условного топлива. Однако этанол выделяет меньше загрязняющих веществ, чем бензин, а также имеет большую устойчивость к детонации двигателя, чем бензин.

• Реактивное топливо представляет собой смесь различных углеводородов. Он используется специально для газотурбинных двигателей и реактивных двигателей, используемых в авиации. Смеси различаются в зависимости от свойств, требуемых для продукта. В турбинных и дизельных двигателях, используемых в самолетах, используется реактивное топливо на основе керосина, а в самолетах с поршневыми двигателями или двигателями Ванкеля используется так называемый авгаз (авиационный бензин).

Другие виды топлива, которые могут использоваться для питания определенных типов двигателей, включают растительное масло, водород, бутан и древесину (посредством газификации).

Технические характеристики

Наиболее важными характеристиками, которые следует учитывать при выборе двигателей внутреннего сгорания, являются крутящий момент, мощность в лошадиных силах и число оборотов в минуту (частота вращения вала), которые являются взаимозависимыми. Для двигателей внутреннего сгорания также важно учитывать рабочий объем и количество цилиндров.

• Крутящий момент (τ) — это мера силы вращения, создаваемой на валу двигателя во время рабочего хода, выраженная в единицах измерения расстояния-силы (фут-фунт, дюйм-фунт, м-Н и т. Д.)). Он определяет величину физической нагрузки, которую может создать двигатель. Спецификация крутящего момента обычно является показателем максимального номинального крутящего момента двигателя в соответствии со стандартами SAE. Крутящий момент измеряет способность двигателя выдерживать нагрузки и ускоряться и, возможно, является лучшим показателем его характеристик. Двигатели создают полезный крутящий момент только в ограниченном диапазоне частот вращения (обсуждается ниже). Оптимальное использование крутящего момента двигателя часто в значительной степени зависит от передачи трансмиссии соответствующей системы.

Совет по выбору: Важно проверить стандарты, которые производитель использует для измерения крутящего момента. Рекламируемые рейтинги, не основанные на определенных стандартах, могут быть обманчивыми и неточными.

• об / мин или частота вращения вала — это скорость вращения вала, диска или ротора в двигателе, измеряемая в об / мин (оборотов в минуту). Поскольку скорость и крутящий момент взаимозависимы, номинальные обороты двигателей часто определяют скорость, при которой достигается максимальный крутящий момент.Автомобильные двигатели обычно работают со скоростью около 2500 об / мин. Остановка происходит, когда двигатели работают ниже минимальной скорости, и при работе выше рекомендованного максимума может произойти повреждение или отказ. Двигатели, работающие на более низких скоростях, могут работать дольше, чем эквивалентные двигатели на более высоких скоростях, поскольку они выполняют меньше циклов и со временем изнашиваются меньше. В автомобилях обороты измеряются тахометром.

• Мощность (л.с.) — производная спецификация, указывающая на производительность двигателя.В частности, он определяет скорость передачи энергии в двигателе. Как и крутящий момент, номинальная мощность в лошадиных силах дается в диапазоне различных оборотов двигателя. Мощность в лошадиных силах зависит от частоты вращения и крутящего момента двигателя по уравнению:

л.с. = (τ × об / мин) ÷ 5252

где:

л.с. — это

лошадиных сил

τ — крутящий момент в фут-фунтах

об / мин — это скорость в об / мин

5252 — коэффициент преобразования единиц измерения.

Вот упрощенный пример того, как будут выглядеть кривые крутящего момента и мощности для небольшого двигателя внутреннего сгорания:

Кривые мощности и крутящего момента двигателя. Кредит изображения: Woodbank Communications Ltd

Мощность и крутящий момент увеличиваются с увеличением числа оборотов двигателя и достигают пика, когда начинают действовать физические ограничения. Эти ограничения включают размер / форму впускного и выпускного трактов, эффективность смешивания топлива, скорость распространения пламени, трение и механическую прочность компонентов.

• Рабочий объем — это объем, перемещаемый всеми поршнями в двигателе внутреннего сгорания за один ход.Обычно он измеряется в кубических сантиметрах (cc), кубических дюймах (CID). Рабочий объем — это основная часть конструкции двигателя, которая определяет, сколько топлива может быть впрыснуто или смешано в цилиндре во время каждого энергетического цикла. Это существенно влияет на максимальную мощность, которую может выдавать двигатель.

• Число цилиндров описывает количество цилиндров сгорания в двигателе внутреннего сгорания. Количество цилиндров в двигателе напрямую влияет на количество производимой мощности, поскольку большее количество цилиндров означает больше сгорания топлива и больше рабочих ходов.В результате двигатели с большим количеством цилиндров будут потреблять больше топлива, чем двигатели с меньшим количеством цилиндров.

Другие характеристики двигателя

Помимо основных технических характеристик, покупателям предлагается рассмотреть ряд других технических характеристик и параметров двигателя.

• Расход топлива — Расход топлива определяет количество израсходованного топлива. Как и крутящий момент и мощность, расход топлива зависит от частоты вращения двигателя.Производители часто указывают его как диапазон значений на кривой производительности.

• Эффективность двигателя — Энергоэффективность описывает количество энергии топлива, используемого двигателем для выполнения полезной работы. Для бензиновых двигателей максимальный КПД обычно находится в диапазоне 25-30%, поскольку 70-75% теряется в виде неиспользованной тепловой энергии. Более эффективные двигатели будут иметь лучшую экономию топлива (т.е. меньший общий расход топлива).

• Выбросы — Газообразные выбросы загрязняющих веществ и твердых частиц выбрасываются в потоки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания после сгорания топлива.Состав выхлопных газов важно учитывать при соблюдении стандартов и требований по загрязнению и выбросам. Факторы, влияющие на выбросы выхлопных газов, включают состав топлива и условия сгорания (например, соотношение воздух-топливо, полностью ли сгорает топливо).

• Вес — Вес двигателя важен с точки зрения портативности и размещения. Более легкие двигатели идеально подходят для приложений, где приводная система должна быть портативной или включать транспортировку, поскольку более тяжелые системы требуют большего крутящего момента для перемещения.Для стационарных приложений вес часто не является проблемой.

• Размеры — Размеры двигателя должны соответствовать требованиям соответствующей системы или среды. Размеры включают ширину, длину и высоту двигателя.

• Степень сжатия — Отношение максимального объема камеры сгорания двигателя к минимальному объему. Он определяет степень сжатия в камере.Высокая степень сжатия приводит к лучшему смешиванию топлива с воздухом и зажиганию, что приводит к увеличению мощности и повышению общей эффективности двигателя. Однако более высокая степень сжатия делает двигатели более восприимчивыми к детонации при использовании топлива с более низким октановым числом, что может снизить эффективность или вызвать повреждение.

Параметры двигателя

Существует ряд параметров, определяющих различные требования к двигателю, которые необходимо учитывать при выборе.

• Требования к воздуху — Качество или состав воздуха, используемого в двигателе для смешивания с топливом во время сгорания.Хотя большинство двигателей работают с использованием стандартного окружающего воздуха, в некоторых средах может потребоваться использование фильтров для удаления твердых частиц или нежелательных газов из воздуха.

• Требования к охлаждению — Двигателям требуется охлаждение для отвода тепла, образующегося во время работы. Двигатели внутреннего сгорания охлаждаются воздухом или жидкостью. Двигатели с воздушным охлаждением могут работать в более широком диапазоне температур, чем некоторые двигатели с жидкостным охлаждением, поскольку воздух не подвержен замерзанию или кипению.Однако системы с жидкостным охлаждением часто более гибки в отношении потребностей в охлаждении различных частей двигателя, уменьшая горячие точки и большие перепады температур. Сегодня большинство двигателей внутреннего сгорания имеют жидкостное охлаждение.

• Требования к маслу — Двигатели требуют смазки для предотвращения чрезмерного износа движущихся частей во время работы. Масло используется для обеспечения этой смазки, помещается либо в независимую систему, либо непосредственно смешивается с сжигаемым топливом. Разным двигателям для правильной работы и обслуживания требуются разные сорта масла и смазки.Кроме того, поскольку смазочные материалы со временем загрязняются и разлагаются, их необходимо регулярно заменять после определенного количества циклов или часов работы.

Характеристики

Двигатели внутреннего сгорания

спроектированы с учетом ряда различных характеристик, которые могут быть важны для рассмотрения в процессе выбора.

• Карбюраторные двигатели — это двигатели с карбюраторами, предназначенные для смешивания воздушно-топливной смеси в камере сгорания.Карбюраторы используют всасывание, создаваемое всасываемым воздухом, проходящим через трубку Вентури, для втягивания топлива в воздушный поток. По сравнению с топливными форсунками карбюраторы намного проще регулировать, ремонтировать и восстанавливать. Кроме того, они дешевле, чем системы впрыска топлива, и более надежны.

• Двигатели с впрыском топлива — это двигатели с топливными форсунками, предназначенные для подачи топлива в камеру сгорания. Топливные форсунки распыляют топливо на капли в камере, продавливая его через сопло под высоким давлением.Они полагаются на компьютеры, которые постоянно изменяют соотношение воздуха и топлива для оптимизации. По сравнению с карбюраторами топливные форсунки более точные и эффективные, а также менее загрязняющие окружающую среду.

• Двигатели с турбонаддувом — это двигатели с турбонагнетателями, предназначенные для повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания. Турбокомпрессоры чаще всего встречаются вместе с бензиновыми и дизельными двигателями внутреннего сгорания.

• Гибкое топливо или многотопливные двигатели разработаны для совместимости с несколькими различными типами или смесями топлива.Например, двигатель с искровым зажиганием для автомобиля может работать на различных смесях бензина с содержанием этанола до 85% или может иметь добавленные компоненты для сжигания сжатого природного газа.

Стандарты

API RP 7C-11F — Рекомендуемая практика по установке, техническому обслуживанию и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.

SAA AS 4591.1 — Двигатели внутреннего сгорания — словарь компонентов и систем — конструкция и внешние оболочки.

No related posts.