Четырехтактный двигатель

Четырехтактный цикл, используемый в бензиновых / бензиновых двигателях: впуск (1), компрессия (2), мощность (3) и выпуск (4). Правая синяя сторона - это впускной канал, а левая коричневая сторона - выпускной порт. Стенка цилиндра представляет собой тонкую втулку, окружающую головку поршня, которая создает пространство для сгорания топлива и возникновения механической энергии.

Четырехтактный (также четыре цикла ) двигатель является внутренним сгорание (IC) , двигатель , в котором поршень заканчивает четыре отдельных штрихов при повороте коленчатого вала. Под ходом понимается полный ход поршня по цилиндру в любом направлении. Четыре отдельных штриха называются:

1. Впуск : также известен как всасывание или всасывание. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (ВМТ) и заканчивается в нижней мертвой точке (НМТ). В этом такте впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень втягивает топливовоздушную смесь в цилиндр, создавая вакуумное давление в цилиндре за счет его движения вниз. Поршень движется вниз, поскольку воздух всасывается за счет движения вниз к поршню.
2. Сжатие : этот ход начинается в НМТ или сразу в конце такта всасывания и заканчивается в ВМТ. В этом такте поршень сжимает топливно-воздушную смесь для подготовки к воспламенению во время рабочего хода (см. Ниже). На этом этапе и впускной, и выпускной клапаны закрыты.
3. Горение : также известно как мощность или зажигание. Это начало второго оборота четырехтактного цикла. На этом этапе коленчатый вал совершил полный оборот на 360 градусов. Когда поршень находится в ВМТ (конец такта сжатия), сжатая воздушно-топливная смесь воспламеняется от свечи зажигания (в бензиновом двигателе) или от тепла, выделяемого высокой степенью сжатия (дизельные двигатели), принудительно возвращая поршень в НМТ. Этот ход вызывает механическую работу двигателя по проворачиванию коленчатого вала.
4. Выхлоп : также известен как выход. Во время такта выпуска поршень снова возвращается из НМТ в ВМТ, когда выпускной клапан открыт. Это действие вытесняет отработанную топливно-воздушную смесь через выпускной клапан.

История [ править ]

Цикл Отто [ править ]

Двигатель Отто производства США 1880-х годов

Николаус Август Отто был коммивояжером в продуктовом магазине. Во время своих путешествий он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским эмигрантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром . В 1860 году Ленуар успешно создал двигатель двойного действия, который работал на осветительном газе с эффективностью 4%. 18-литровый двигатель Ленуара выдавал всего 2 лошадиные силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе, сделанном из угля, который был разработан в Париже Филипом Лебоном . ^[1]

При испытании копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто осознал влияние сжатия на топливный заряд. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, чтобы улучшить низкий КПД и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь перед воспламенением, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель работал не более чем за несколько минут до своего разрушения. Многие другие инженеры безуспешно пытались решить эту проблему. ^[1]

В 1864 году Отто и Ойген Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания NA Otto and Cie (NA Otto and Company). В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. ^[1] На заводе не хватило места, и в 1869 году его перевели в город Дойц , Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (Компания по производству газовых двигателей Deutz). ^[1] В 1872 году техническим директором был Готлиб Даймлер, а Вильгельм Майбах.был руководителем двигателестроения. Даймлер был оружейным мастером, который работал над двигателем Ленуара. К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжимал топливную смесь перед сгоранием, обеспечивая гораздо более высокий КПД, чем любой другой двигатель, созданный к тому времени.

Daimler и Maybach оставили свою работу в Otto and Cie и в 1883 году разработали первый высокоскоростной двигатель Otto. В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Otto. Даймлер Reitwagen использовал систему зажигания горячей трубки и топливо , известное как лигроин , чтобы стать первым в мире транспортное средство , приводимое в движение двигателем внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель, основанный на конструкции Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который считается первым автомобилем. ^[2]

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

Цикл Аткинсона [ править ]

Двигатель с циклом Аткинсона - это тип одноходового двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических устройствах.

Первоначальный поршневой двигатель с циклом Аткинсона позволял такты впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного цикла происходить за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы избежать нарушения некоторых патентов, касающихся двигателей с циклом Отто. ^[3]

Из-за уникальной конструкции коленчатого вала двигателя Atkinson его степень расширения может отличаться от степени сжатия, а с рабочим ходом, превышающим такт сжатия, двигатель может достичь большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель. Хотя первоначальная конструкция Аткинсона является не более чем исторической диковинкой, многие современные двигатели используют нетрадиционные фазы газораспределения для создания эффекта более короткого хода сжатия / более длительного рабочего хода, таким образом реализуя улучшения экономии топлива, которые может обеспечить цикл Аткинсона. ^[4]

Дизельный цикл [ править ]

Дизельный двигатель является техническим уточнением двигателя Отто цикла 1876. В то время как Отто в 1861 году понял, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжав топливную смесь перед ее воспламенением, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе. Двигатели Ленуара , Отто Атмосфера и Отто (1861 и 1876 гг.) Были разработаны для работы на освещающем газе (угольный газ).. С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который дал бы небольшим промышленным компаниям их собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, уйти от требования быть привязанными к городским поставкам топлива. . Как и Отто, потребовалось более десяти лет, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который мог самовоспламеняться, распыляясь в цилиндр. В своем первом двигателе Дизель использовал воздушную струю в сочетании с топливом.

Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, почти убив Дизель. Он упорствовал и, наконец, создал успешный двигатель в 1893 году. Двигатель с высокой степенью сжатия, который воспламеняет топливо за счет тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, будь то четырехтактный или двухтактный двигатель.

Четырехтактный дизельный двигатель уже много десятилетий используется в большинстве тяжелых условий эксплуатации. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньшего количества очистки для производства. Наиболее эффективные двигатели с циклом Отто имеют тепловой КПД около 30%.

Термодинамический анализ [ править ]

Термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные допущения ^[5] . Результирующий цикл, который очень похож на реальные условия эксплуатации, и есть цикл Отто.

Во время нормальной работы двигателя, когда топливно-воздушная смесь сжимается, создается электрическая искра для воспламенения смеси. На низких оборотах это происходит около ВМТ (верхней мертвой точки). По мере увеличения числа оборотов двигателя скорость фронта пламени не изменяется, поэтому точка искры опережает более раннюю в цикле, чтобы позволить большей части цикла сгорать заряд до начала рабочего такта. Это преимущество отражено в различных конструкциях двигателей Отто; атмосферный двигатель (без сжатия) работает с КПД 12%, тогда как двигатель со сжатым зарядом имеет КПД около 30%.

Рекомендации по топливу [ править ]

Проблема двигателей со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное воспламенение. Если это произойдет в неподходящее время и будет слишком энергичным, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти имеют сильно различающиеся точки вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

Склонность сжатой топливной смеси к преждевременному воспламенению ограничивается химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для различных уровней мощности двигателей. Топливо изменяют, чтобы изменить температуру его самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокой степенью сжатия, в результате гораздо более вероятно возникновение преждевременного зажигания, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед преднамеренным воспламенением. Более высокая температура более эффективно испаряет топливо, такое как бензин, что увеличивает эффективность компрессионного двигателя. Более высокая степень сжатия также означает, что расстояние, на которое поршень может толкать для выработки мощности, больше (что называется степенью расширения ).

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

Многие современные четырехтактные двигатели используют непосредственный впрыск бензина или GDI. В бензиновом двигателе с прямым впрыском сопло форсунки выступает в камеру сгорания. Форсунка прямого впрыска впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к верху. ^[6]

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с преждевременным зажиганием. Их беспокоит, можно ли начать горение. Описание вероятности возгорания дизельного топлива называется цетановым числом. Поскольку дизельное топливо имеет низкую летучесть, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенными из которых является использование свечи накаливания .

Принципы проектирования и разработки [ править ]

Ограничения выходной мощности [ править ]

Максимальная мощность, вырабатываемая двигателем, определяется максимальным количеством всасываемого воздуха. Количество мощности, генерируемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный двигатель или четырехтактный двигатель, объемного КПД , потерь, соотношения воздух-топливо, теплотворной способности двигателя. топливо, содержание кислорода в воздухе и скорость ( об / мин ). Скорость в конечном итоге ограничена прочностью материала и смазкой . Клапаны, поршни и шатуны испытывают сильные ускоряющие силы. При высоких оборотах двигателя может произойти физическая поломка и дрожание поршневых колец , что приведет к потере мощности или даже к разрушению двигателя. Поршневое кольцофлаттер возникает, когда кольца колеблются вертикально внутри поршневых канавок, в которых они находятся. Флаттер кольца нарушает уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает потерю давления и мощности в цилиндре. Если двигатель вращается слишком быстро, клапанные пружины не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Это обычно называют « смещением клапана », и это может привести к контакту поршня с клапаном, серьезно повредив двигатель. На высоких скоростях смазка поверхности раздела стенок поршневого цилиндра имеет тенденцию к нарушению. Это ограничивает скорость поршня промышленных двигателей примерно до 10 м / с.

Поток впускного / выпускного порта [ править ]

Выходная мощность двигателя зависит от способности впуска (воздушно-топливной смеси) и выхлопных газов быстро перемещаться через отверстия клапана, обычно расположенные в головке блока цилиндров . Для увеличения выходной мощности двигателя неровности на впускном и выпускном трактах, такие как дефекты литья, могут быть устранены, а с помощью стенда для измерения расхода воздуха радиусы поворотов порта клапана и конфигурация седла клапана могут быть изменены для уменьшения сопротивление. Этот процесс называется переносом , и его можно выполнить вручную или с помощью станка с ЧПУ .

Рекуперация отработанного тепла двигателя внутреннего сгорания [ править ]

Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовывать только 40-45% подаваемой энергии в механическую работу. Большая часть отходящей энергии находится в форме тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, ребра и т. Д. Если бы мы могли каким-то образом утилизировать отходящее тепло, мы могли бы улучшить производительность двигателя. Было обнаружено, что даже если регенерировать 6% полностью потраченного впустую тепла, это может значительно повысить эффективность двигателя. ^[7]

Было разработано множество методов для того, чтобы извлечь отработанное тепло из выхлопных газов двигателя и использовать его в дальнейшем для извлечения полезной работы, одновременно уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах. Использование цикла Ренкина , турбонаддува и термоэлектрической генерации может быть очень полезным в качестве системы рекуперации отходящего тепла .

Наддув [ править ]

Одним из способов увеличения мощности двигателя является нагнетание большего количества воздуха в цилиндр, чтобы можно было производить больше мощности за каждый рабочий ход. Это может быть сделано с помощью некоторого типа устройства сжатия воздуха, известного как нагнетатель , который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.

Наддув увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания относительно его рабочего объема. Чаще всего нагнетатель всегда работает, но существуют конструкции, позволяющие отключать его или работать с различными скоростями (относительно частоты вращения двигателя). Недостаток наддува с механическим приводом состоит в том, что часть выходной мощности используется для приведения в действие нагнетателя, в то время как мощность тратится впустую в выхлопе высокого давления, так как воздух был сжат дважды, а затем получает больший потенциальный объем при сгорании, но только расширяется. в один этап.

Турбонаддув [ править ]

Турбокомпрессора является нагнетатель , который приводится в движение выхлопными газами двигателя, с помощью турбины . Турбокомпрессор встроен в выхлопную систему транспортного средства, чтобы использовать вытесненный выхлоп. Он состоит из двухкомпонентной высокоскоростной турбины в сборе, одна сторона которой сжимает всасываемый воздух, а другая сторона приводится в действие за счет выхода выхлопных газов.

На холостом ходу и на низких или средних оборотах турбина вырабатывает небольшую мощность из-за небольшого объема выхлопных газов, турбонагнетатель оказывает незначительное влияние, и двигатель работает почти без наддува. Когда требуется гораздо большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дроссельной заслонки увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными, чтобы «раскрутить» турбину турбонагнетателя и начать сжимать во впускной коллектор гораздо больше воздуха, чем обычно. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) выводятся за счет функции этой турбины.

Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он управляется давлением выхлопных газов, которое в противном случае (в основном) было бы потрачено впустую, но существует конструктивное ограничение, известное как турбо-задержка . Увеличенная мощность двигателя не доступна сразу из-за необходимости резко увеличить обороты двигателя, создать давление и раскрутить турбонагнетатель до того, как турбо начнет производить какое-либо полезное сжатие воздуха. Увеличенный объем впуска вызывает увеличение выхлопа и ускоряет вращение турбонагнетателя и так далее, пока не будет достигнута стабильная работа на высокой мощности. Другая трудность заключается в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопные газы передавать больше тепла механическим частям двигателя.

Отношение штока и поршня к ходу поршня [ править ]

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

«Прямоугольный двигатель» - это двигатель с диаметром цилиндра, равным длине его хода. Двигатель, у которого диаметр отверстия больше, чем длина его хода , является двигателем с квадратным сечением , и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, который меньше его длины хода, является двигателем с квадратным углом.

Valve train [ править ]

Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом, вращающимся на половину скорости коленчатого вала . По длине он имеет ряд кулачков , каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части такта впуска или выпуска. Толкателя между клапаном и кулачком является контактной поверхностью , на которой кулачковый скользит , чтобы открыть клапан. Во многих двигателях используется один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как на иллюстрации, где каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателей распределительный вал находится в картере , и в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с толкателем , который контактирует с коромыслом.который открывает клапан, или в случае двигателя с плоской головкой толкатель не требуется. Конструкция верхнего кулачка обычно допускает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Клапанный зазор [ править ]

Клапанный зазор - это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. В двигателях с механической регулировкой клапана чрезмерный зазор вызывает шум клапанного механизма. Слишком малый клапанный зазор может привести к неправильному закрытию клапанов. Это приводит к потере производительности и возможному перегреву выпускных клапанов. Обычно зазор необходимо регулировать каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.

В большинстве современных производственных двигателей используются гидравлические подъемники для автоматической компенсации износа компонентов клапанного механизма. Грязное моторное масло может привести к поломке подъемника.

Энергетический баланс [ править ]

Двигатели Отто имеют КПД около 30%; Другими словами, 30% энергии, генерируемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а оставшаяся часть приходится на потери из-за отходящего тепла, трения и вспомогательного оборудования двигателя. ^[8] Есть несколько способов восстановить часть энергии, потерянной в отходящем тепле. Использование турбонагнетателя в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления поступающего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же повышение производительности, как и при увеличении рабочего объема. Компания Mack Truck несколько десятилетий назад разработала турбинную систему, которая преобразовывала отходящее тепло в кинетическую энергию, которую оно возвращало в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке турбопарохода., двухступенчатая система рекуперации тепла, аналогичная системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии выхлопных газов и повышает эффективность двигателя Otto на 15%. ^[9] Напротив, шестицилиндровый двигатель может снизить расход топлива на целых 40%.

Современные двигатели часто намеренно строятся так, чтобы быть немного менее эффективными, чем они могли бы быть в противном случае. Это необходимо для контроля выбросов, таких как рециркуляция выхлопных газов и каталитические нейтрализаторы, которые уменьшают смог и другие атмосферные загрязнители. Снижению эффективности можно противодействовать с помощью блока управления двигателем, использующего методы сжигания обедненной смеси . ^[10]

В Соединенных Штатах, корпоративные средняя экономия топлива предписывает , что транспортные средства должны достичь в среднем 34,9 миль на галлон _-US (6,7 л / 100 км; 41,9 мили на галлоне _-imp ) по сравнению с текущим уровнем 25 миль на галлон _-US (9,4 л / 100 км ; 30,0 миль на галлон ‑ _имп. ). ^[11] Поскольку автопроизводители стремятся соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы разработки традиционных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива в соответствии с новыми требованиями включают запуск после того, как поршень наиболее удален от коленчатого вала, известный как верхняя мертвая точка , и применение цикла Миллера.. Вместе этот редизайн мог бы значительно снизить расход топлива и НЕТ Икс выбросы.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Общие источники [ править ]

• Харденберг, Хорст О. (1999). Средневековье двигателя внутреннего сгорания . Общество автомобильных инженеров (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8.
• scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
• Cengel, Yunus A; Майкл Болес; Ялинг Хе (2009). Термодинамика - инженерный подход. Np . Компании McGraw Hill. ISBN 978-7-121-08478-2.
• Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «4-тактный двигатель внутреннего сгорания» . п. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 5 мая 2011 года .

Внешние ссылки [ править ]

• Патент США 194047
• Анимация четырехтактного двигателя
• Подробная анимация двигателя
• Как работают автомобильные двигатели
• Анимированные двигатели, четырехтактный , еще одно объяснение четырехтактного двигателя.
• CDX e Учебник , несколько видеороликов об автомобильных компонентах в действии.
• Новый 4-тактный