Двигатель внутреннего сгорания

Схема цилиндра четырехтактных бензиновых двигателей:

• C  -  коленчатый вал
• E  - выпускной распредвал
• I  - впускной распредвал
• П  -  поршневой
• R  -  шатун
• S  -  свеча зажигания
• V  -  клапаны . красный: выхлоп, синий: впуск.
• W  -  рубашка охлаждающей воды
• серая структура  -  блок двигателя

Диаграмма, описывающая идеальный цикл сгорания по Карно

Двигатель внутреннего сгорания ( ДВС ) представляет собой тепловой двигатель , в котором сгорание из топлива происходит с окислителем (обычно воздух) в камере сгорания , который является неотъемлемой частью рабочей жидкости контура потока. В двигателе внутреннего сгорания расширение газов с высокой температурой и давлением, образующихся при сгорании, оказывает прямое воздействие на некоторые компоненты двигателя. Усилие обычно прикладывают к поршням , лопаткам турбины , ротору или соплу.. Эта сила перемещает компонент на расстояние, превращая химическую энергию в полезную работу . Он заменил двигатель внешнего сгорания для приложений, где важны вес или размер двигателя.

Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года ^[1], а первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в 1876 году Николаусом Отто (см. Двигатель Отто ).

Термин двигатель внутреннего сгорания обычно относится к двигателю, в котором сгорание является прерывистым , например к более знакомым четырехтактным и двухтактным поршневым двигателям, а также к их вариантам, таким как шеститактный поршневой двигатель и роторный двигатель Ванкеля . Второй класс двигателей внутреннего сгорания использует непрерывное сгорание: газовые турбины , реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей , каждый из которых является двигателями внутреннего сгорания по тому же принципу, что описан ранее. ^{[1] [2]} Огнестрельное оружие также является одной из разновидностей двигателя внутреннего сгорания, ^[2] хотя они настолько специализированы, что их обычно рассматривают как отдельную категорию.

Напротив, в двигателях внешнего сгорания , таких как паровые двигатели или двигатели Стирлинга , энергия передается рабочей жидкости, не состоящей из продуктов сгорания, смешанной с ними или загрязненной ими. Рабочие жидкости для двигателей внешнего сгорания включают воздух, горячую воду, воду под давлением или даже жидкий натрий, нагретый в котле .

ДВС обычно работают на высококалорийном топливе, таком как бензин или дизельное топливо, жидкостях, полученных из ископаемого топлива . Хотя существует множество стационарных приложений, большинство ДВС используются в мобильных приложениях и являются основным источником питания для транспортных средств, таких как автомобили, самолеты и лодки.

ДВС обычно работают на ископаемом топливе, таком как природный газ или нефтепродукты, такие как бензин , дизельное топливо или мазут . Возобновляемые виды топлива, такие как биодизель , используются в двигателях с воспламенением от сжатия (CI), а биоэтанол или ETBE (этил-трет-бутиловый эфир) производятся из биоэтанола в двигателях с искровым зажиганием (SI). Возобновляемые виды топлива обычно смешивают с ископаемыми видами топлива. Водород , который используется редко, можно получить либо из ископаемого топлива, либо из возобновляемых источников энергии.

История [ править ]

Различные ученые и инженеры внесли свой вклад в разработку двигателей внутреннего сгорания. В 1791 году Джон Барбер разработал газовую турбину . В 1794 году Томас Мид запатентовал газовый двигатель . Также в 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель внутреннего сгорания, который также был первым, кто использовал жидкое топливо , и примерно в то же время построил двигатель. В 1798 году Джон Стивенс построил первый американский двигатель внутреннего сгорания. В 1807 году швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз.изобрел двигатель внутреннего сгорания на водородной основе и запитал двигатель электрической искрой. В 1808 году де Риваз применил свое изобретение на примитивном рабочем автомобиле - «первом в мире автомобиле с двигателем внутреннего сгорания». ^[3] В том же году французские инженеры Нисефор Ньепс (который впоследствии изобрел фотографию ) и Клод Ньепс запустили прототип двигателя внутреннего сгорания, использующий контролируемые взрывы пыли, Pyréolophore . Этот двигатель приводил в действие лодку на реке Сона , Франция. В 1823 году Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения.

В 1854 году в Великобритании итальянские изобретатели Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи получили сертификат «Получение движущей силы путем взрыва газов». В 1857 году Патентное бюро Великой печати предоставило им патент № 1655 на изобретение «Усовершенствованного устройства для получения движущей силы из газов». ^{[4] [5] [6] [7]} Барсанти и Маттеуччи получили другие патенты на то же изобретение во Франции, Бельгии и Пьемонте между 1857 и 1859 годами. ^{[8] [9]} В 1860 году бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар произвел газ двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году Николай Оттозапатентовал первый атмосферный газовый двигатель. В 1872 году американец Джордж Брайтон изобрел первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе. В 1876 году Николаус Отто , работая с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом , запатентовал четырехтактный двигатель со сжатым зарядом. В 1879 году Карл Бенц запатентовал надежный двухтактный бензиновый двигатель. Позже, в 1886 году, Бенц начал первое коммерческое производство автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. В 1892 году Рудольф Дизель разработал первый двигатель с компрессионным воспламенением и сжатым зарядом. В 1926 году Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе. В 1939 г.Heinkel He 178 стал первым в мире реактивным самолетом .

Этимология [ править ]

Когда-то слово « машина» (через старофранцузское , от латинского ingenium , «способность») означало любую часть механизма - смысл, который сохраняется в таких выражениях, как осадная машина . «Мотор» (от латинского « мотор» - «движитель») - это любая машина, производящая механическую энергию . Традиционно электродвигатели не называют двигателями; однако двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». ( Электродвигатель - это локомотив, работающий от электричества.)

В лодке двигатель внутреннего сгорания, установленный в корпусе, называется двигателем, а двигатели, расположенные на транце, называются двигателями. ^[10]

Приложения [ править ]

Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются наиболее распространенным источником энергии для наземных и водных транспортных средств , включая автомобили , мотоциклы , корабли и, в меньшей степени, локомотивы (некоторые из них электрические, но в большинстве используются дизельные двигатели ^{[11] [12]} ). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и ​​мотоциклах. В совокупности они известны как автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). ^[13]

Там, где требуются высокие отношения мощности к массе, появляются двигатели внутреннего сгорания в виде турбин внутреннего сгорания или двигателей Ванкеля. Самолеты с двигателем обычно используют ДВС, который может быть поршневым двигателем. Самолеты вместо можете использовать реактивные двигатели и вертолеты , а не может использовать турбовальные ; оба типа турбин. Помимо обеспечения движения, авиалайнеры могут использовать отдельный ДВС в качестве вспомогательной силовой установки . Двигатели Ванкеля устанавливаются на многие беспилотные летательные аппараты .

ДВС приводят в действие большие электрические генераторы, питающие электрические сети. Они представлены в виде турбин внутреннего сгорания с типичной электрической мощностью около 100 МВт. Электростанции с комбинированным циклом используют высокотемпературный выхлоп для кипячения и перегрева водяного пара для запуска паровой турбины . Таким образом, эффективность выше, потому что из топлива извлекается больше энергии, чем может быть извлечено одним двигателем внутреннего сгорания. Электростанции с комбинированным циклом достигают КПД от 50% до 60%. В меньшем масштабе стационарные двигатели, такие как газовый двигатель или дизель-генераторы , используются для резервирования или для обеспечения электроэнергией участков, не подключенных кэлектрическая сеть .

Небольшие двигатели (обычно двухтактные бензиновые двигатели) являются обычным источником энергии для газонокосилок , струнных триммеров , цепных пил , листоуборочных машин , мойок высокого давления , снегоходов , гидроциклов , подвесных моторов , мопедов и мотоциклов .

Классификация [ править ]

Есть несколько возможных способов классификации двигателей внутреннего сгорания.

Возвратно-поступательный [ править ]

По количеству ударов:

• Двухтактный двигатель
  • Рабочий цикл ^[14]
  • Дневной цикл
• Четырехтактный двигатель ( цикл Отто )
• Шестицилиндровый двигатель

По типу розжига:

• Двигатель с воспламенением от сжатия
• Двигатель с искровым зажиганием (обычно встречается в бензиновых двигателях )

По механическому / термодинамическому циклу (эти 2 цикла не охватывают все поршневые двигатели и используются нечасто):

• Цикл Аткинсона
• Цикл Миллера

Ротари [ править ]

• Двигатель Ванкеля

Непрерывное горение [ править ]

• Газотурбинный двигатель
  • Турбореактивный , через метательное сопло
  • Турбовентилятор , канальный вентилятор
  • Турбовинтовой , через несущий винт, обычно с переменным шагом
  • Турбовальный вал , газовая турбина, оптимизированная для создания механического крутящего момента вместо тяги.
• Ramjet , ^[15] похож на турбореактивный двигатель, но использует скорость транспортного средства для сжатия (набивания) воздуха вместо компрессора.
• ГПРД - вариант ПВРД, использующий сверхзвуковое сгорание.
• Ракетный двигатель

Поршневые двигатели [ править ]

Структура [ править ]

Основой поршневого двигателя внутреннего сгорания является блок двигателя , который обычно изготавливается из чугуна или алюминия . Блок двигателя содержит цилиндры . В двигателях с более чем одним цилиндром они обычно располагаются либо в один ряд ( прямой двигатель ), либо в два ряда ( оппозитный двигатель или V-образный двигатель ); В современных двигателях иногда используются 3 ряда ( двигатель W ), также возможны и используются другие конфигурации двигателей . Одноцилиндровые двигателиобычны для мотоциклов и малых двигателей машин. Двигатели с водяным охлаждением имеют в блоке двигателя каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость ( водяная рубашка ). Некоторые небольшие двигатели имеют воздушное охлаждение, и вместо водяной рубашки у блока цилиндров выступают ребра, которые охлаждают за счет прямой передачи тепла воздуху. Стенки цилиндров обычно обрабатываются хонингованием, чтобы получить поперечный люк , который лучше удерживает масло. Слишком шероховатая поверхность может быстро повредить двигатель из-за чрезмерного износа поршня.

Эти поршни короткие цилиндрические части , которые уплотняют один конец цилиндра из - за высокого давления сжатого воздуха и продуктов сгорания и непрерывно скользить в нем , пока двигатель находится в эксплуатации. Верхняя стенка поршня называется его головкой и обычно бывает плоской или вогнутой. В некоторых двухтактных двигателях используются поршни с дефлекторной головкой . Поршни открыты снизу и полые, за исключением единой конструкции усиления (перемычки поршня). Когда двигатель работает, давление газа в камере сгорания оказывает давление на головку поршня, которое передается через его перегородку на поршневой палец . Каждый поршень имеет кольцаустановлен по окружности, что в основном предотвращает утечку газов в картер или масло в камеру сгорания. Система вентиляции вытесняет небольшое количество газа, выходящего через поршни во время нормальной работы (картерные газы), из картера, чтобы он не накапливался, загрязняя масло и не создавая коррозии. В двухтактных бензиновых двигателях картер является частью воздушно-топливного тракта, и благодаря его непрерывному потоку не требуется отдельная система вентиляции картера.

Головка цилиндра крепится к блоку двигателя многочисленными болтами или заклепками . Он выполняет несколько функций. Головка блока цилиндров уплотняет цилиндры со стороны, противоположной поршням; он содержит короткие воздуховоды ( порты ) для впуска и выпуска, а также соответствующие впускные клапаны, которые открываются для заполнения цилиндра свежим воздухом, и выпускные клапаны, которые открываются для выхода продуктов сгорания. Однако в двухтактных двигателях с продувкой картера газовые порты подсоединяются непосредственно к стенке цилиндра без тарельчатых клапанов; вместо этого поршень контролирует их открытие и закупорку. Головка блока цилиндров также удерживает свечу зажигания в двигателях с искровым зажиганием и инжектор.для двигателей с прямым впрыском. Все двигатели CI используют впрыск топлива, обычно прямой впрыск, но в некоторых двигателях вместо этого используется непрямой впрыск . Двигатели SI могут использовать карбюратор или впрыск топлива в качестве впрыска в порт или прямого впрыска . Большинство двигателей SI имеют одну свечу зажигания на цилиндр, но некоторые имеют две свечи . Прокладка головки предотвращает утечку газа между головкой блока цилиндров и блоком цилиндров. Открытие и закрытие клапанов контролируется одним или несколькими распределительными валами и пружинами, а в некоторых двигателях - десмодромным механизмом , не использующим пружины. Распределительный вал может давить непосредственно на шток клапана или воздействовать на коромысло.Опять же, либо напрямую, либо через толкатель .

Картер герметизирован в нижней части поддоном, который собирает падающее масло во время нормальной работы для повторного включения. В полости, образованной между блоком цилиндров и поддоном, находится коленчатый вал, который преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатый вал удерживается на месте относительно блока цилиндров коренными подшипниками , которые позволяют ему вращаться. Переборки в картере двигателя составляют половину каждого коренного подшипника; другая половина - съемный колпачок. В некоторых случаях используется одна основная опора, а не несколько крышек меньшего размера. Соединительный стержень соединен с смещенных участков коленчатого вала (в шатунных шеек) на одном конце и к поршню на другом конце через поршневой палец и, таким образом, передает силу и переводит возвратно-поступательное движение поршней в круговое движение коленчатого вала. Конец шатуна, прикрепленный к поршневому пальцу, называется его малым концом, а другой конец, где он соединяется с коленчатым валом, большим концом. Шатун имеет съемную половину, позволяющую собирать его вокруг коленчатого вала. Он крепится к шатуну съемными болтами.

Головка блока цилиндров имеет впускной коллектор и выпускной коллектор, прикрепленные к соответствующим портам. Впускной коллектор подключается непосредственно к воздушному фильтру или к карбюратору, если таковой имеется, который затем подключается к воздушному фильтру . Он распределяет воздух, поступающий от этих устройств, по отдельным цилиндрам. Выпускной коллектор - это первый компонент выхлопной системы . Он собирает выхлопные газы из цилиндров и направляет их к следующему компоненту на пути. Система выпуска из ДВС может также включать в себя каталитический нейтрализатор и глушитель . Заключительный участок на пути выхлопных газов - этовыхлопная труба .

4-тактные двигатели [ править ]

Верхняя мертвая точка (ВМТ) поршня является положением , в котором она находится ближе к клапанам; нижняя мертвая точка (НМТ) - это противоположное положение, в котором она наиболее удалена от них. Инсульт является движение поршня от ВМТ к НМТ , или наоборот, вместе с соответствующим процессом. Во время работы двигателя коленчатый вал постоянно вращается с почти постоянной скоростью . В 4-тактном ДВС каждый поршень совершает 2 хода за оборот коленчатого вала в следующем порядке. Начиная описание в TDC, это: ^{[16] [17]}

1. Впускной , индукционный или всасывания : Впускные клапаны открыты в результате кулачка давит на шток клапана. Поршень движется вниз, увеличивая объем камеры сгорания и позволяя воздуху поступать в случае двигателя с прямым впрыском или воздушно-топливной смеси в случае двигателей с прямым впрыском . Воздух или топливовоздушная смесь в любом случае называется зарядом .
2. Сжатие : в этом такте оба клапана закрыты, и поршень движется вверх, уменьшая объем камеры сгорания, который достигает своего минимума, когда поршень находится в ВМТ. Поршень выполняет работу над зарядом при его сжатии; в результате его давление, температура и плотность повышаются; приближение к такому поведению обеспечивается законом идеального газа . Непосредственно перед достижением поршнем ВМТ начинается зажигание. В случае двигателя SI на свечу зажигания поступает импульс высокого напряжения, который генерирует искру, которая дает ей название, и зажигает заряд. В случае двигателя CI топливная форсунка быстро впрыскивает топливо в камеру сгорания в виде спрея; топливо воспламеняется из-за высокой температуры.
3. Мощность или рабочий ход : давление газов сгорания толкает поршень вниз, создавая больше работы, чем требуется для сжатия заряда. В дополнение к такту сжатия газы сгорания расширяются, и в результате их температура, давление и плотность снижаются. Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается. Газы сгорания необратимо расширяются из-за остаточного давления - сверх противодавления , манометрического давления на выпускном отверстии -; это называется продувкой .
4. Выхлоп : выпускной клапан остается открытым, в то время как поршень движется вверх, вытесняя продукты сгорания. В двигателях без наддува небольшая часть газов сгорания может оставаться в цилиндре при нормальной работе, поскольку поршень не полностью закрывает камеру сгорания; эти газы растворяются в следующей загрузке. В конце этого хода выпускной клапан закрывается, впускной клапан открывается, и последовательность операций повторяется в следующем цикле. Впускной клапан может открыться до закрытия выпускного клапана, чтобы обеспечить лучшую очистку.

2-тактные двигатели [ править ]

Определяющей характеристикой этого типа двигателя является то, что каждый поршень совершает цикл при каждом обороте коленчатого вала. Четыре процесса впуска, сжатия, мощности и выпуска происходят всего за 2 такта, поэтому невозможно выделить такт исключительно для каждого из них. Начиная с ВМТ цикл состоит из:

1. Мощность : Пока поршень опускается, газы сгорания выполняют над ним работу, как в 4-тактном двигателе. Применяются те же термодинамические соображения относительно расширения.
2. Промывка : примерно на 75 ° поворота коленчатого вала до НМТ открывается выпускной клапан или порт и происходит продувка. Вскоре после этого открывается впускной клапан или передаточное отверстие. Поступающий заряд вытесняет оставшиеся газы сгорания в выхлопную систему, и часть заряда может также попасть в выхлопную систему. Поршень достигает НМТ и меняет направление. После того, как поршень прошел небольшое расстояние вверх в цилиндр, выпускной клапан или канал закрываются; вскоре закрывается впускной клапан или передаточное отверстие.
3. Сжатие : при закрытых впуске и выпуске поршень продолжает двигаться вверх, сжимая заряд и выполняя с ним работу. Как и в случае с 4-тактным двигателем, зажигание начинается непосредственно перед достижением поршнем ВМТ и аналогичным учетом термодинамики сжатия заряда.

В то время как 4-тактный двигатель использует поршень в качестве поршневого насоса прямого вытеснения для выполнения продувки за 2 из 4 ходов, 2-тактный двигатель использует последнюю часть рабочего хода и первую часть такта сжатия для комбинированного впуска и выпуска. . Работа, необходимая для вытеснения наддува и выхлопных газов, осуществляется либо картером, либо отдельным нагнетателем. Для очистки, удаления сгоревшего газа и поступления свежей смеси описаны два основных подхода: очистка петлей и очистка Uniflow. Новости SAE, опубликованные в 2010-х годах, показывают, что «очистка петлей» лучше при любых обстоятельствах, чем очистка Uniflow. ^[14]

Картер очищен [ править ]

Некоторые двигатели SI имеют продувку картера и не используют тарельчатые клапаны. Вместо этого в качестве насоса используется картер и часть цилиндра под поршнем. Впускной канал соединен с картером двигателя через пластинчатый клапан.или поворотный дисковый клапан, приводимый в действие двигателем. Для каждого цилиндра порт передачи одним концом соединяется с картером, а другим концом - со стенкой цилиндра. Выпускное отверстие соединено непосредственно со стенкой цилиндра. Передаточное и выпускное отверстия открываются и закрываются поршнем. Герметичный клапан открывается, когда давление в картере немного ниже давления на впуске, что позволяет заполнить его новым зарядом; это происходит, когда поршень движется вверх. Когда поршень движется вниз, давление в картере увеличивается, и пластинчатый клапан быстро закрывается, тогда заряд в картере сжимается. Когда поршень движется вверх, он открывает выхлопное отверстие и передаточное отверстие, и более высокое давление заряда в картере заставляет его поступать в цилиндр через передаточное отверстие, выдувая выхлопные газы.Смазка осуществляется добавлениемМасло для 2-х тактных двигателей в малом соотношении к топливу. Петройл относится к смеси бензина с вышеупомянутым маслом. Этот тип 2-тактных двигателей имеет меньшую эффективность, чем сопоставимые 4-тактные двигатели, и выделяет более загрязняющие выхлопные газы в следующих условиях:

• В них используется система смазки с полным отсутствием потерь : все смазочное масло в конечном итоге сжигается вместе с топливом.
• Существуют противоречивые требования к продувке: с одной стороны, в каждом цикле необходимо вводить достаточно свежего заряда, чтобы вытеснить почти все газы сгорания, но введение слишком большого количества означает, что часть его попадает в выхлоп.
• Они должны использовать передаточное отверстие (-а) в качестве тщательно спроектированного и размещенного сопла, чтобы поток газа создавался таким образом, что он охватил весь цилиндр, прежде чем достигнуть выпускного отверстия, чтобы удалить газы сгорания, но минимизировать количество заряд исчерпан. Преимущество 4-тактных двигателей состоит в том, что они принудительно удаляют почти все газы сгорания, поскольку во время выпуска камера сгорания уменьшается до минимального объема. В двухтактных двигателях с продувкой картера выхлоп и впуск происходят в основном одновременно и с камерой сгорания в максимальном объеме.

Основным преимуществом двухтактных двигателей этого типа является простота механики и более высокое удельное весовое соотношение по сравнению с их четырехтактными аналогами. Несмотря на вдвое большее количество ходов за цикл, на практике можно достичь менее чем вдвое большей мощности, чем у сопоставимого четырехтактного двигателя.

В США двухтактные двигатели были запрещены для дорожных транспортных средств из-за загрязнения окружающей среды. Мотоциклы, предназначенные только для бездорожья, по-прежнему часто бывают двухтактными, но редко разрешены для использования на дорогах. Однако уже используются многие тысячи двухтактных двигателей для ухода за газонами. ^{[ необходима цитата ]}

Воздуходувка очищена [ править ]

Использование отдельного вентилятора позволяет избежать многих недостатков продувки картера за счет увеличения сложности, что означает более высокую стоимость и увеличение требований к техническому обслуживанию. В двигателе этого типа используются отверстия или клапаны для впуска и клапаны для выпуска, за исключением двигателей с оппозитными поршнями , которые также могут использовать отверстия для выпуска. Воздуходувки обычно бывают типа Рутса, но используются и другие типы. Эта конструкция является обычным явлением для двигателей CI и иногда используется в двигателях SI.

В двигателях с ХИ, в которых используется воздуходувка, обычно используется однопоточная продувка . В этой конструкции стенка цилиндра содержит несколько впускных отверстий, равномерно расположенных по окружности чуть выше положения, которого достигает головка поршня при НМТ. Используется выпускной клапан или несколько таких же, как у 4-тактных двигателей. Последней частью впускного коллектора является воздушный рукав, который питает впускные каналы. Впускные каналы расположены под горизонтальным углом к ​​стенке цилиндра (т.е. они находятся в плоскости днища поршня), чтобы обеспечить завихрение поступающему заряду для улучшения сгорания. Самыми крупными поршневыми ИС являются низкооборотные двигатели CI этого типа; они используются для морской силовой установки (см. судовой дизельный двигатель ) или выработки электроэнергиии достичь наивысшего теплового КПД среди двигателей внутреннего сгорания любого типа. Некоторые двигатели тепловозов работают по двухтактному циклу. Самый мощный из них имеют тормозную мощность около 4,5  МВт или 6000  HP . Класс локомотивов EMD SD90MAC является примером такого рода. GE AC6000CW сопоставимого класса, тягач которого имеет почти такую ​​же тормозную мощность, использует 4-тактный двигатель.

Примером этого типа двигателя является двухтактный дизельный двигатель Wärtsilä-Sulzer RT-flex96-C с турбонаддувом, используемый на больших контейнеровозах. Это самый эффективный и мощный поршневой двигатель внутреннего сгорания в мире с тепловым КПД более 50%. ^{[18] [19] [20]} Для сравнения: наиболее эффективные четырехтактные малые двигатели имеют термический КПД около 43% (SAE 900648); ^{[ необходима цитата ]} размер является преимуществом для эффективности из-за увеличения отношения объема к площади поверхности.

По внешним ссылкам можно посмотреть видео о сгорании в цилиндре 2-тактного двигателя мотоцикла с оптическим доступом.

Исторический дизайн [ править ]

Дугальд Клерк разработал первый двухтактный двигатель в 1879 году. В нем использовался отдельный цилиндр, который функционировал как насос для перекачки топливной смеси в цилиндр. ^[14]

В 1899 году Джон Дэй упростил конструкцию Клерка до двухтактного двигателя, который очень широко используется сегодня. ^{[21] В} двигателях дневного цикла выполняется продувка картера и синхронизация портов. Картер и часть цилиндра под выпускным отверстием используются в качестве насоса. Работа двигателя с дневным циклом начинается, когда коленчатый вал поворачивается так, что поршень перемещается от НМТ вверх (к головке), создавая вакуум в области картера / цилиндра. Затем карбюратор подает топливную смесь в картер через пластинчатый клапан.или поворотный дисковый клапан (приводимый в действие двигателем). Есть литые каналы от картера к отверстию в цилиндре для обеспечения впуска и еще один канал от выпускного отверстия к выхлопной трубе. Высота порта по отношению к длине цилиндра называется «синхронизацией порта».

При первом ходе двигателя топливо не попадало в цилиндр, так как картер был пуст. При ходе вниз поршень теперь сжимает топливную смесь, которая смазывала поршень в цилиндре и подшипники из-за того, что в топливную смесь добавлено масло. Когда поршень движется вниз, сначала открывается выхлоп, но на первом такте сгоревшее топливо не выходит. По мере того, как поршень движется дальше вниз, он открывает впускной канал, в котором есть канал, ведущий к картеру. Поскольку топливная смесь в картере находится под давлением, смесь перемещается по каналу в цилиндр.

Поскольку в цилиндре топлива нет препятствия для выхода непосредственно из выпускного отверстия до того, как поршень поднимется достаточно далеко, чтобы закрыть отверстие, ранние двигатели использовали поршень с высоким куполом для замедления потока топлива. Позже топливо было «резонировано» обратно в цилиндр с использованием конструкции камеры расширения. Когда поршень приближается к ВМТ, искра воспламеняет топливо. Когда поршень движется вниз с силой, он сначала открывает выпускной канал, через который сгоревшее топливо выбрасывается под высоким давлением, а затем впускной канал, через который процесс завершился и будет повторяться.

В более поздних двигателях использовался тип портов, разработанный компанией Deutz для улучшения характеристик. Это называлось системой Schnurle Reverse Flow . DKW лицензировала эту конструкцию для всех своих мотоциклов. Их DKW RT 125 был одним из первых автомобилей, которые в результате достигли скорости более 100 миль на галлон. ^[22]

Зажигание [ править ]

Двигатели внутреннего сгорания требуют воспламенения смеси либо искровым зажиганием (SI), либо воспламенением от сжатия (CI) . До изобретения надежных электрических методов использовались методы горячей трубы и пламени. Созданы экспериментальные двигатели с лазерным зажиганием . ^[23]

Процесс искрового зажигания [ править ]

Двигатель с искровым зажиганием был усовершенствованием ранних двигателей, в которых использовалось зажигание Hot Tube. Когда компания Bosch разработала магнето, он стал основной системой для выработки электроэнергии для питания свечи зажигания. ^[24] Многие малые двигатели до сих пор используют зажигание от магнето. Малые двигатели запускаются вручную с помощью ручного стартера или ручного кривошипа. До того, как Чарльз Ф. Кеттеринг из компании Delco разработал автомобильный стартер, все автомобили с бензиновым двигателем использовали ручной кривошип. ^[25]

Большие двигатели обычно приводят в действие свои пусковые двигатели и системы зажигания, используя электроэнергию, хранящуюся в свинцово-кислотной батарее . Заряженное состояние аккумулятора поддерживается автомобильным генератором переменного тока или (ранее) генератором, который использует мощность двигателя для создания накопителя электроэнергии.

Батарея подает электроэнергию для запуска, когда двигатель имеет систему запуска двигателя , и подает электроэнергию, когда двигатель выключен. Аккумулятор также подает электроэнергию в редких условиях работы, когда генератор не может поддерживать напряжение выше 13,8 В (для обычной автомобильной электрической системы 12 В). Когда напряжение генератора падает ниже 13,8 В, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея увеличивает электрическую нагрузку. Практически во всех рабочих условиях, включая нормальный режим холостого хода, генератор подает первичную электроэнергию.

Некоторые системы отключают мощность возбуждения генератора (ротора) при полностью открытой дроссельной заслонке. Отключение поля снижает механическую нагрузку на шкив генератора почти до нуля, увеличивая мощность коленчатого вала до максимума. В этом случае батарея обеспечивает всю первичную электроэнергию.

Бензиновые двигатели впитывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее за счет движения поршня из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, когда топливо находится в максимальной степени сжатия. Уменьшение размера рабочей площади цилиндра с учетом объема камеры сгорания описывается соотношением. Ранние двигатели имели степень сжатия от 6 до 1. По мере увеличения степени сжатия эффективность двигателя также увеличивалась.

В ранних системах индукции и зажигания степени сжатия должны были быть низкими. Благодаря достижениям в области топливных технологий и управления сгоранием высокопроизводительные двигатели могут надежно работать с соотношением сторон 12: 1. С низкооктановым топливом проблема могла бы возникнуть, поскольку степень сжатия увеличивалась, поскольку топливо воспламенялось из-за повышения температуры. Чарльз Кеттеринг разработал свинцовую присадку, которая позволила добиться более высоких степеней сжатия, от которой с 1970-х годов постепенно отказались от использования в автомобилях , отчасти из-за опасений по поводу отравления свинцом .

Топливная смесь воспламеняется при разном продвижении поршня в цилиндре. На низких оборотах искра должна произойти близко к поршню, достигающему верхней мертвой точки. Для увеличения мощности при увеличении числа оборотов искра во время движения поршня выдвигается быстрее. Искра возникает, когда топливо все еще сжимается, постепенно увеличиваясь с увеличением оборотов. ^[26]

Необходимое высокое напряжение, обычно 10000 вольт, подается с помощью индукционной катушки или трансформатора. Индукционная катушка представляет собой обратную систему, использующую прерывание электрического тока первичной системы через некоторый тип синхронизированного прерывателя. Прерыватель может быть либо контактным, либо силовым транзистором. Проблема с этим типом зажигания заключается в том, что по мере увеличения числа оборотов доступность электрической энергии уменьшается. Это особенно проблема, поскольку для воспламенения более плотной топливной смеси требуется больше энергии. Результатом часто были пропуски зажигания при высоких оборотах.

Разработано зажигание конденсаторного разряда . Он производит повышающееся напряжение, которое подается на свечу зажигания. Напряжение системы CD может достигать 60 000 вольт. ^{[27] В} зажигании с компакт-диском используются повышающие трансформаторы . Повышающий трансформатор использует энергию, накопленную в емкости, для генерации электрической искры . В любой системе механическая или электрическая система управления подает тщательно синхронизированное высокое напряжение на соответствующий цилиндр. Эта искра через свечу зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь в цилиндрах двигателя.

Хотя бензиновые двигатели внутреннего сгорания намного легче запускать в холодную погоду, чем дизельные двигатели, они все же могут иметь проблемы с запуском в холодную погоду в экстремальных условиях. В течение многих лет решением было оставить машину в отапливаемых помещениях. В некоторых частях мира масло фактически сливали и нагревали в течение ночи и возвращали в двигатель для холодного запуска. В начале 1950-х годов был разработан блок бензинового газогенератора, в котором при запуске в холодную погоду сырой бензин направлялся в блок, где часть топлива сжигалась, в результате чего другая часть превращалась в горячий пар, направляемый непосредственно во впускной коллектор. Этот агрегат был довольно популярен, пока электрические обогреватели блока цилиндров не стали стандартом для бензиновых двигателей, продаваемых в холодном климате. ^[28]

Процесс воспламенения от сжатия [ править ]

Дизельные двигатели, двигатели PPC и HCCI для воспламенения полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия. Уровень сжатия обычно в два раза или больше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух и незадолго до пикового сжатия распыляют небольшое количество дизельного топлива в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI потребляют как воздух, так и топливо, но продолжают полагаться на процесс самовоспламенения без посторонней помощи из-за более высокого давления и высокой температуры. По этой же причине дизельные двигатели и двигатели HCCI более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они работают так же хорошо в холодную погоду. Легкие дизельные двигатели с непрямым впрыскомв автомобилях и легких грузовиках используются свечи накаливания (или другой предварительный нагрев: см. Cummins ISB # 6BT ), которые предварительно нагревают камеру сгорания непосредственно перед запуском, чтобы уменьшить условия запрета запуска в холодную погоду. У большинства дизелей также есть аккумулятор и система зарядки; тем не менее, 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. В большинстве новых двигателей используются электрические и электронные блоки управления двигателем (ЭБУ), которые также регулируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.

Смазка [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с системами смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания .

Поверхности, контактирующие и движущиеся относительно других поверхностей, требуют смазки для уменьшения износа, шума и повышения эффективности за счет уменьшения потерь мощности на преодоление трения или для того, чтобы механизм работал вообще. Кроме того, используемая смазка может уменьшить избыточное тепло и обеспечить дополнительное охлаждение компонентов. По крайней мере, двигатель требует смазки в следующих частях:

• Между поршнями и цилиндрами
• Малые подшипники
• Подшипники шатуна
• Основные подшипники
• Клапанная передача (могут отсутствовать следующие элементы):
  • Толкатели
  • Коромысла
  • Толкатели
  • Цепь привода ГРМ или шестерни. Зубчатые ремни не требуют смазки.

В двухтактных двигателях с продувкой картера внутренняя часть картера и, следовательно, коленчатый вал, шатун и нижняя часть поршней распыляются двухтактным маслом в воздушно-топливной смеси, которое затем сжигается вместе с топливом. . Клапанный механизм может находиться в отсеке, заполненном смазкой, поэтому масляный насос не требуется.

В системе смазки разбрызгиванием масляный насос не используется. Вместо этого коленчатый вал погружается в масло в картере и из-за своей высокой скорости разбрызгивает коленчатый вал, шатуны и нижнюю часть поршней. К крышкам шатунов на концах шатунов может быть прикреплен ковш для усиления этого эффекта. Клапанный механизм также может быть герметизирован в затопленном отсеке или открыт для коленчатого вала таким образом, что он принимает разбрызгиваемое масло и позволяет ему стекать обратно в поддон. Смазка разбрызгиванием обычна для небольших 4-тактных двигателей.

В системе принудительной (также называемой системой смазки под давлением ) смазка осуществляется в замкнутом контуре, который переносит моторное масло к поверхностям, обслуживаемым системой, а затем возвращает масло в резервуар. Вспомогательное оборудование двигателя обычно не обслуживается этим контуром; например, в генераторе переменного тока могут использоваться шариковые подшипники, залитые собственной смазкой. Резервуаром для масла обычно является поддон, и в этом случае он называется системой мокрого поддона . Когда есть другой масляный резервуар, картер все еще захватывает его, но он постоянно сливается специальным насосом; это называется системой с сухим картером .

В нижней части поддона находится маслозаборник, покрытый сетчатым фильтром, который соединяется с масляным насосом, затем с масляным фильтром вне картера, оттуда оно направляется к коренным подшипникам коленчатого вала и клапанному механизму. В картере имеется как минимум один масляный канал.(канал внутри стенки картера), по которому масло поступает из масляного фильтра. Коренные подшипники содержат канавку по всей или половине окружности; масло поступает в эти канавки из каналов, соединенных с масляным каналом. Коленчатый вал имеет отверстия, которые забирают масло из этих канавок и доставляют его к подшипникам шатуна. Таким образом смазываются все подшипники шатуна. Один коренной подшипник может обеспечивать масло для 0, 1 или 2 подшипников шатуна. Подобная система может использоваться для смазки поршня, его поршневого пальца и малого конца его шатуна; В этой системе большой конец шатуна имеет канавку вокруг коленчатого вала и отверстие, соединенное с канавкой, которая распределяет масло оттуда к нижней части поршня, а затем к цилиндру.

Другие системы также используются для смазки цилиндра и поршня. Шатун может иметь сопло для подачи струи масла к цилиндру и днищу поршня. Это сопло движется относительно цилиндра, который оно смазывает, но всегда направлено на него или соответствующий поршень.

Обычно в системах принудительной смазки поток смазочного материала выше, чем требуется для удовлетворительного смазывания, чтобы способствовать охлаждению. В частности, система смазки помогает перемещать тепло от горячих частей двигателя к охлаждающей жидкости (в двигателях с водяным охлаждением) или ребрам (в двигателях с воздушным охлаждением), которые затем передают его в окружающую среду. Смазка должна быть химически стабильной и поддерживать подходящую вязкость в пределах того температурного диапазона, с которым она сталкивается в двигателе.

Конфигурация цилиндра [ править ]

Общие конфигурации цилиндров включают прямую или рядную конфигурацию , более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию . Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию , что обеспечивает более эффективное охлаждение. Более необычные конфигурации , такие как H , U , X и W были также использованы.

В многоцилиндровых двигателях клапанный механизм и коленчатый вал сконфигурированы таким образом, что поршни находятся в разных частях своего цикла. Желательно, чтобы циклы поршней были равномерно распределены (это называется равномерным срабатыванием ), особенно в двигателях с принудительной индукцией; это уменьшает пульсации крутящего момента ^[29] и делает рядные двигатели с более чем 3 цилиндрами статически сбалансированными по первичным силам. Однако некоторые конфигурации двигателя требуют нечетного срабатывания для достижения лучшего баланса, чем то, что возможно с четным срабатыванием. Например, 4-тактный двигатель I2имеет лучший баланс, когда угол между шатунными шейками составляет 180 °, потому что поршни движутся в противоположных направлениях, и силы инерции частично компенсируются, но это дает странную схему срабатывания, когда один цилиндр совершает поворот коленчатого вала на 180 ° за другим, тогда ни один цилиндр не срабатывает в течение 540 °. При равномерной стрельбе поршни будут двигаться синхронно, и связанные с ними силы будут складываться.

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров, потому что вместо этого они могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, называемый конструкцией с противоположным поршнем . Поскольку впускные и выпускные отверстия для топлива расположены на противоположных концах цилиндра, можно добиться беспоточной продувки, которая, как и в четырехтактном двигателе, эффективна в широком диапазоне частот вращения двигателя. Тепловой КПД улучшен из-за отсутствия головок цилиндров. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами на обоих концах одного ряда цилиндров, и что наиболее заметно в дизельных двигателях Napier Deltic . В них использовались три коленчатых вала для обслуживания трех групп двусторонних цилиндров.расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в одноблочных локомотивных двигателях и до сих пор используется в морских силовых установках и морских вспомогательных генераторах.

Дизельный цикл [ править ]

В большинстве дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используется цикл, напоминающий четырехтактный цикл, но с нагревом от сжатия, вызывающим воспламенение, а не в отдельной системе зажигания. Этот вариант называется дизельным циклом. В дизельном цикле дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, так что сгорание происходит при постоянном давлении по мере движения поршня.

Цикл Отто [ править ]

Цикл Отто - типичный цикл для большинства двигателей внутреннего сгорания автомобилей, которые работают на бензине в качестве топлива. Цикл Отто точно такой же, как и для четырехтактного двигателя. Он состоит из тех же основных этапов: впуск, сжатие, зажигание, расширение и выпуск.

Пятитактный двигатель [ править ]

В 1879 году Николаус Отто изготовил и продал двигатель двойного расширения (принципы двойного и тройного расширения широко использовались в паровых двигателях) с двумя маленькими цилиндрами по обе стороны от большого цилиндра низкого давления, где происходило второе расширение выхлопных газов. имел место; владелец вернул его, сославшись на плохую работу. В 1906 году эта концепция была воплощена в автомобиле, построенном EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); ^[30], а в 21 веке Ilmor разработал и успешно испытал 5-тактный двигатель внутреннего сгорания двойного расширения с высокой выходной мощностью и низким SFC (удельным расходом топлива). ^[31]

Шеститактный двигатель [ править ]

Шесть-тактный двигатель был изобретен в 1883. Четыре вида шесть инсульта использовать обычный поршень в обычном цилиндре (Гриффин шесть-тактный, Bajulaz шесть-тактный, Velozeta шесть-тактным и Crower шесть-тактным), выпустив каждые три коленчатого вала революции. Эти системы улавливают потерянное тепло четырехтактного цикла Отто с впрыском воздуха или воды.

Двигатели Beare Head и поршневые двигатели работают как двигатели с оппозитными поршнями , два поршня в одном цилиндре, совершая каждые два оборота, скорее, как обычный четырехтактный.

Другие циклы [ править ]

Самые первые двигатели внутреннего сгорания не сжимали смесь. Первая часть хода поршня вниз втягивает топливно-воздушную смесь, затем впускной клапан закрывается, и в оставшейся части хода вниз происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Выпускной клапан открылся на ход поршня вверх. Эти попытки подражать принципу паровой машины были очень неэффективными. Есть несколько вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера . Дизельный цикл несколько иной.

Двигатели с разделенным циклом разделяют четыре такта впуска, сжатия, сгорания и выпуска на два отдельных, но спаренных цилиндра. Первый цилиндр используется для впуска и сжатия. Затем сжатый воздух передается через переходной канал из цилиндра сжатия во второй цилиндр, где происходит сгорание и выхлоп. Двигатель с разделенным циклом на самом деле представляет собой воздушный компрессор с одной стороны и камеру сгорания с другой.

Предыдущие двигатели с разделенным циклом имели две основные проблемы - плохое дыхание (объемный КПД) и низкий тепловой КПД. Однако появляются новые конструкции, направленные на решение этих проблем.

Двигатель Scuderi решает проблему с дыханием, уменьшая зазор между поршнем и головкой блока цилиндров с помощью различных технологий турбонаддува. Конструкция Скудери требует использования открывающихся наружу клапанов, которые позволяют поршню перемещаться очень близко к головке блока цилиндров без вмешательства клапанов. Скудери решает проблему низкого теплового КПД за счет стрельбы после верхней мертвой точки (ATDC).

Запуск ATDC может быть осуществлен путем использования воздуха под высоким давлением в проходном канале для создания звукового потока и высокой турбулентности в силовом цилиндре.

Турбины внутреннего сгорания [ править ]

Реактивный двигатель [ править ]

В реактивных двигателях используется ряд рядов лопастей вентилятора для сжатия воздуха, который затем поступает в камеру сгорания, где он смешивается с топливом (обычно топливом JP) и затем воспламеняется. Сгорание топлива повышает температуру воздуха, который затем выходит из двигателя, создавая тягу. Современный турбовентиляторный двигатель может работать с КПД до 48%. ^[32]

Турбореактивный двигатель состоит из шести секций:

• Поклонник
• Компрессор
• Камера сгорания
• Турбина
• Смеситель
• Сопло ^[33]

Газовые турбины [ править ]

Газовая турбина сжимает воздух и использует его для вращения турбины . По сути, это реактивный двигатель, который направляет свою мощность на вал. Турбина состоит из трех ступеней: 1) воздух проходит через компрессор, где температура повышается из-за сжатия, 2) топливо добавляется в камеру сгорания , и 3) горячий воздух выпускается через лопатки турбины, которые вращают вал, соединенный с компрессор.

Газовая турбина - это вращающаяся машина, в принципе похожая на паровую турбину, и она состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Воздух после сжатия в компрессоре нагревается за счет сжигания в нем топлива. Нагретый воздух и продукты сгорания расширяются в турбине, производя работу. О ² / ₃ из работы приводов компрессора: остальное (около ¹ / ₃ ) доступен в качестве полезного выхода работы. ^[34]

Газовые турбины - одни из самых эффективных двигателей внутреннего сгорания. Турбинные электростанции с комбинированным циклом 7HA и 9HA от General Electric имеют КПД более 61%. ^[35]

Цикл Брайтона [ править ]

Газовая турбина - это вращающаяся машина, в принципе похожая на паровую турбину. Он состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Воздух сжимается компрессором, где происходит повышение температуры. Сжатый воздух дополнительно нагревается за счет сгорания впрыскиваемого топлива в камеру сгорания, в результате чего воздух расширяется. Эта энергия вращает турбину, которая приводит в действие компрессор через механическую муфту. Затем горячие газы выпускаются для создания тяги.

В двигателях с газотурбинным циклом используется система непрерывного сгорания, в которой сжатие, сгорание и расширение происходят одновременно в разных частях двигателя, обеспечивая постоянную мощность. Примечательно, что сгорание происходит при постоянном давлении, а не при постоянном объеме цикла Отто.

Двигатели Ванкеля [ править ]

Двигатель Ванкеля (роторный двигатель) не имеет ходов поршня. Он работает с таким же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель, причем фазы располагаются в разных местах двигателя. В термодинамических терминах он следует циклу двигателя Отто , поэтому его можно рассматривать как «четырехфазный» двигатель. Хотя верно то, что обычно происходит три рабочих хода на один оборот ротора, из-за отношения вращения ротора к эксцентриковому валу 3: 1 фактически происходит только один рабочий ход на один оборот вала. Приводной (эксцентриковый) вал вращается один раз во время каждого рабочего хода вместо двух (коленчатый вал), как в цикле Отто, что дает ему большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя наиболее часто использовался в Mazda RX-8., более ранний RX-7 и другие модели автомобилей. Двигатель также используется в беспилотных летательных аппаратах, где малый размер и вес, а также высокое отношение мощности к весу являются преимуществом.

Принудительная индукция [ править ]

Принудительная индукция - это процесс подачи сжатого воздуха на впуск двигателя внутреннего сгорания. В двигателе с принудительной индукцией используется газовый компрессор для увеличения давления, температуры и плотности воздуха . Двигатель без принудительной индукции считается двигателем без наддува .

Принудительная индукция используется в автомобильной и авиационной промышленности для увеличения мощности и эффективности двигателя. Это особенно помогает авиационным двигателям, так как они должны работать на большой высоте.

Принудительная индукция достигается с помощью нагнетателя , в котором компрессор питается непосредственно от вала двигателя или, в турбонагнетателе , от турбины, приводимой в действие выхлопом двигателя.

Топливо и окислители [ править ]

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от сгорания в виде химического топлива , как правило , с кислородом из воздуха (хотя можно вводить закись азота , чтобы сделать больше одного и то же и получить повышение мощности). Процесс сгорания обычно приводит к выделению большого количества тепла, а также к производству пара, двуокиси углерода и других химикатов при очень высокой температуре; Достигнутая температура определяется химическим составом топлива и окислителей (см. стехиометрия ), а также степенью сжатия и другими факторами.

Топливо [ править ]

Наиболее распространенные современные виды топлива состоят из углеводородов и получают в основном из ископаемого топлива ( нефти ). Ископаемые виды топлива включают дизельное топливо , бензин и нефтяной газ , а также более редкое использование пропана . За исключением компонентов подачи топлива, большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для использования на бензине, могут работать на природном газе или сжиженном углеводородном газе без значительных модификаций. Большие дизели могут работать с воздухом, смешанным с газами, и с запальным впрыском пилотного дизельного топлива. Жидкое и газообразное биотопливо , такое как этанол и биодизель.(форма дизельного топлива, которое производится из сельскохозяйственных культур, которые дают триглицериды, такие как соевое масло), также можно использовать. Двигатели с соответствующими модификациями могут также работать на газообразном водороде , древесном газе или древесном угле , а также на так называемом генераторном газе, полученном из другой удобной биомассы. Также были проведены эксперименты с использованием порошкового твердого топлива, такого как цикл впрыска магния .

В настоящее время используются следующие виды топлива:

• Нефть :
  • Нефтяной спирт ( североамериканский термин: бензин , британский термин: бензин)
  • Бензиновый дизель .
  • Автогаз ( сжиженный углеводородный газ ).
  • Сжатый природный газ .
  • Реактивное топливо ( авиационное топливо )
  • Остаточное топливо
• Уголь :
  • Бензин можно производить из углерода (угля) с использованием процесса Фишера-Тропша.
  • Дизельное топливо можно производить из углерода с использованием процесса Фишера-Тропша.
• Биотопливо и растительные масла:
  • Арахисовое масло и другие растительные масла .
  • Древесный газ из бортового газогенератора древесины, использующего твердую древесину в качестве топлива.
  • Биотопливо:
    • Биобутанол (заменяет бензин).
    • Биодизель (заменяет петродизель).
    • Диметиловый эфир (заменяет петродизель).
    • Биоэтанол и биометанол ( древесный спирт ) и другие виды биотоплива (см. Транспортное средство с гибким топливом ).
    • Биогаз
• Водород (в основном ракетные двигатели космических аппаратов )

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, - масляными двигателями; однако бензиновые двигатели также часто в просторечии называют «газовыми двигателями» (« бензиновые двигатели » за пределами Северной Америки).

Основные ограничения на топливо состоят в том, что оно должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания , и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании для практического использования двигателя.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые . Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (особенно из-за их более высокой топливной экономичности 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 заняли около 45% рынка с 1990-х годов. Есть также двигатели, работающие на водороде ,метанол , этанол , сжиженный нефтяной газ (LPG), биодизель , парафин и тракторное испаряющееся масло (TVO).

Водород [ править ]

В конечном итоге водород может заменить обычное ископаемое топливо в традиционных двигателях внутреннего сгорания. В качестве альтернативы, технология топливных элементов может оправдать свои ожидания, и использование двигателей внутреннего сгорания может быть даже прекращено.

Хотя существует несколько способов производства свободного водорода, эти методы требуют преобразования горючих молекул в водород или потребления электроэнергии. Если электричество не производится из возобновляемых источников и не требуется для других целей, водород не решит ни одного энергетического кризиса . Во многих ситуациях недостатком водорода по сравнению с углеродным топливом является его хранение . Жидкий водородимеет чрезвычайно низкую плотность (в 14 раз ниже, чем у воды) и требует обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует большой емкости. Даже в сжиженном состоянии водород имеет более высокую удельную энергию, но объемный запас энергии все еще примерно в пять раз ниже, чем у бензина. Однако удельная энергия водорода значительно выше, чем у электрических батарей, что делает его серьезным конкурентом в качестве энергоносителя для замены ископаемого топлива. Процесс «Водород по запросу» (см. Топливный элемент с прямым борогидридом ) создает водород по мере необходимости, но имеет другие проблемы, такие как высокая цена боргидрида натрия, который является сырьем.

Окислители [ править ]

Поскольку на поверхности земли много воздуха, окислителем обычно является атмосферный кислород, преимущество которого заключается в том, что он не хранится в автомобиле. Это увеличивает соотношение мощности к весу и мощности к объему. Другие материалы используются для специальных целей, часто для увеличения выходной мощности или для обеспечения работы под водой или в космосе.

• Сжатый воздух обычно используется в торпедах . ^[36]
• В японской торпеде Тип 93 использовался сжатый кислород , а также немного сжатого воздуха . Некоторые подводные лодки несут чистый кислород. В ракетах очень часто используется жидкий кислород . ^[37]
• Нитрометан добавляют в некоторые виды гоночного и модельного топлива для увеличения мощности и контроля сгорания.
• Закись азота использовалась вместе с дополнительным бензином в тактических самолетах и ​​в специально оборудованных автомобилях, чтобы обеспечить короткие всплески дополнительной мощности от двигателей, которые иначе работают на бензине и воздухе. Он также используется в ракетном космическом корабле Берта Рутана.
• Энергия перекиси водорода разрабатывалась для немецких подводных лодок времен Второй мировой войны. Возможно, он использовался на некоторых неатомных подводных лодках, а также на некоторых ракетных двигателях (особенно на Black Arrow и ракетном истребителе Messerschmitt Me 163 ).
• Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались экспериментально, но не нашли практического применения.

Охлаждение [ править ]

Охлаждение требуется для отвода чрезмерного тепла - перегрев может вызвать отказ двигателя, обычно из-за износа (из-за отказа смазки, вызванного нагревом), растрескивания или коробления. Двумя наиболее распространенными формами охлаждения двигателя являются воздушное и водяное охлаждение . Большинство современных автомобильных двигателей имеют как водяное, так и воздушное охлаждение, так как вода / жидкий хладагент подается к ребрам и / или вентиляторам с воздушным охлаждением, тогда как более крупные двигатели могут иметь водяное охлаждение, поскольку они неподвижны и имеют постоянную подачу охлаждающей жидкости. вода через водопровод или пресную воду, в то время как большинство двигателей электроинструментов и других небольших двигателей имеют воздушное охлаждение. Некоторые двигатели (с воздушным или водяным охлаждением) также имеют маслоохладитель . В некоторых двигателях, особенно для охлаждения лопаток газотурбинного двигателя иЖидкостное охлаждение ракетного двигателя , в качестве охлаждающей жидкости используется топливо, так как оно одновременно предварительно нагревается перед впрыском в камеру сгорания.

Запуск [ править ]

У двигателей внутреннего сгорания должны быть запущены свои циклы. В поршневых двигателях это достигается путем вращения коленчатого вала (вала ротора Ванкеля), который вызывает циклы впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Первые двигатели запускались поворотом маховиков, а первый автомобиль (Daimler Reitwagen) запускался с помощью рукоятки. Все автомобили с двигателем ICE запускались с помощью ручных кривошипов, пока Чарльз Кеттеринг не разработал электрический стартер для автомобилей. ^[38] Этот метод сейчас наиболее широко используется, даже среди неавтомобильных.

Поскольку дизельные двигатели стали больше, а их механизмы - тяжелее, начали применяться воздушные стартеры . ^[39] Это связано с недостаточным крутящим моментом в электростартерах. Пневматические стартеры работают, нагнетая сжатый воздух в цилиндры двигателя, чтобы запустить его.

Двигатели двухколесных транспортных средств могут запускаться одним из четырех способов:

• Крутите педали, как на велосипеде
• Толкнув автомобиль, а затем включив сцепление, известный как "запуск с разбегом".
• Путем нажатия одной педали вниз, известного как «кик-старт».
• Электростартером, как в машинах

Существуют также стартеры, в которых пружина сжимается при движении кривошипа и затем используется для запуска двигателя.

В некоторых небольших двигателях используется тросовый механизм, называемый «запуском с отдачей», поскольку трос перематывается после того, как был вытянут, чтобы запустить двигатель. Этот метод обычно используется в газонокосилках и других установках, где требуется лишь небольшой крутящий момент для поворота двигателя.

Турбинные двигатели часто запускаются электродвигателем или сжатым воздухом.

Измерения производительности двигателя [ править ]

Типы двигателей сильно различаются по ряду причин:

• энергоэффективность
• расход топлива / топлива ( удельный расход топлива на тормоз для валковых двигателей, удельный расход топлива на тягу для реактивных двигателей)
• удельная мощность
• соотношение тяги к массе
• кривые крутящего момента (для валковых двигателей) отклонение тяги (реактивные двигатели)
• степень сжатия для поршневых двигателей, общая степень сжатия для реактивных двигателей и газовых турбин

Энергоэффективность [ править ]

После воспламенения и сгорания продукты сгорания - горячие газы - имеют больше доступной тепловой 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 высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того , как доступная энергия была удалена, остальные горячие газы выпускают (часто путем открытия клапана или подвергая выхлопное отверстие) , и это позволяет поршень , чтобы вернуться в прежнее положение (верхней мертвой точке, или в верхней мертвой точке). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло , которое не переводится в работу, обычно считается отходом и удаляется из двигателя с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения.

Двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями , и поэтому их теоретическая эффективность может быть аппроксимирована идеализированными термодинамическими циклами . Тепловой КПД теоретического цикла не может превышать КПД цикла Карно , эффективность которого определяется разницей между нижней и верхней рабочими температурами двигателя. Верхняя рабочая температура двигателя ограничена двумя основными факторами; пределы термической эксплуатации материалов и сопротивление самовоспламенению топлива. Все металлы и сплавы имеют предел термической эксплуатации, и в области керамики проводятся значительные исследования.материалы, которые могут быть изготовлены с большей термостойкостью и желаемыми структурными свойствами. Более высокая термическая стабильность допускает большую разницу температур между нижней (окружающей) и верхней рабочими температурами, следовательно, большую термодинамическую эффективность. Кроме того, при повышении температуры цилиндра двигатель становится более склонным к самовоспламенению. Это происходит, когда температура цилиндра приближается к точке воспламенения заряда. В этот момент воспламенение может произойти самопроизвольно до того, как загорится свеча зажигания, что приведет к чрезмерному давлению в цилиндре. Самовоспламенение можно уменьшить, используя топливо с высоким сопротивлением самовоспламенению ( октановым числом ), однако оно по-прежнему ограничивает допустимую пиковую температуру цилиндра.

В термодинамические ограничения предполагают , что двигатель работает в идеальных условиях: невязкой мира, идеальных газов, идеальных диэлектриков и операции для бесконечного времени. В реальных приложениях возникают сложности, снижающие эффективность. Например, настоящий двигатель лучше всего работает при определенной нагрузке, называемой его диапазоном мощности . Двигатель автомобиля, движущегося по шоссе, обычно работает значительно ниже идеальной нагрузки, потому что он рассчитан на более высокие нагрузки, необходимые для быстрого ускорения. ^{[ необходима цитата ]} Кроме того, такие факторы, как сопротивление ветра, снижают общую эффективность системы. Экономия топлива двигателя измеряется в милях на галлон.или в литрах на 100 км. Объем углеводорода предполагает стандартное энергосодержание.

Большинство двигателей с железом имеют термодинамический предел 37%. Даже при использовании турбонагнетателей и вспомогательных средств повышения эффективности большинство двигателей сохраняет средний КПД около 18–20%. ^[40] Тем не менее, новейшие технологии в двигателях Формулы-1 позволили повысить тепловой КПД более чем на 50%. ^[41]Существует множество изобретений, направленных на повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания. В общем, практические двигатели всегда подвергаются компромиссу из-за компромисса между различными характеристиками, такими как эффективность, вес, мощность, тепло, реакция, выбросы выхлопных газов или шум. Иногда экономия играет роль не только в стоимости производства самого двигателя, но и в производстве и распределении топлива. Повышение эффективности двигателя обеспечивает лучшую экономию топлива, но только в том случае, если стоимость топлива в расчете на энергосодержание одинакова.

Показатели эффективности использования топлива и топлива [ править ]

Для стационарных и валковых двигателей, включая гребные, расход топлива измеряется путем расчета удельного расхода топлива на тормоз , который измеряет массовый расход топлива, деленный на произведенную мощность.

Для двигателей внутреннего сгорания в виде реактивных двигателей выходная мощность резко меняется в зависимости от скорости полета, и используется менее изменчивый показатель: удельный расход топлива тяги (TSFC), который представляет собой массу топлива, необходимую для генерации импульсов, которая измеряется в фунтах сила-час или граммы топлива, необходимого для генерации импульса, который измеряется в килоньютон-секунду.

Для ракет можно использовать TSFC, но обычно обычно используются другие эквивалентные меры, такие как удельный импульс и эффективная скорость истечения .

Загрязнение воздуха и шум [ править ]

Загрязнение воздуха [ править ]

Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы загрязняющих веществ в атмосферу из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива. Основными производными процесса являются углекислый газ CO.
₂, вода и немного сажи - также называемые твердыми частицами (ТЧ). Последствия вдыхания твердых частиц были изучены на людях и животных и включают астму, рак легких, сердечно-сосудистые заболевания и преждевременную смерть. Однако есть некоторые дополнительные продукты процесса сгорания, которые включают оксиды азота и серу, а также некоторые несгоревшие углеводороды, в зависимости от условий эксплуатации и соотношения топливо-воздух.

Не все топливо полностью расходуется в процессе сгорания. После сгорания присутствует небольшое количество топлива, и часть его реагирует с образованием оксигенатов, таких как формальдегид или ацетальдегид , или углеводородов, изначально не присутствующих во входящей топливной смеси. Неполное сгорание обычно возникает из-за недостатка кислорода для достижения идеального стехиометрическогосоотношение. Пламя «гасится» относительно холодными стенками цилиндра, оставляя после себя непрореагировавшее топливо, которое выбрасывается вместе с выхлопом. При работе на более низких оборотах гашение обычно наблюдается в дизельных двигателях (с воспламенением от сжатия), работающих на природном газе. Тушение снижает эффективность и увеличивает детонацию, иногда приводя к остановке двигателя. Неполное сгорание также приводит к образованию окиси углерода (CO). Другие выделяемые химические вещества - это бензол и 1,3-бутадиен , которые также являются опасными загрязнителями воздуха .

Увеличение количества воздуха в двигателе снижает выбросы продуктов неполного сгорания, но также способствует реакции между кислородом и азотом в воздухе с образованием оксидов азота ( NO
Икс ). НЕТ
Икс опасен для здоровья растений и животных и приводит к образованию озона (O ₃ ). Озон не выделяется напрямую; скорее, это вторичный загрязнитель воздуха, образующийся в атмосфере в результате реакции NO
Икс и летучие органические соединения в присутствии солнечного света. Приземный озон вреден для здоровья человека и окружающей среды. Хотя это одно и то же химическое вещество, приземный озон не следует путать со стратосферным озоном или озоновым слоем , который защищает Землю от вредных ультрафиолетовых лучей.

Углеродное топливо содержит серу и примеси, которые в конечном итоге приводят к образованию монооксидов серы (SO) и диоксида серы (SO ₂ ) в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям .

В Соединенных Штатах оксиды азота, ТЧ, оксид углерода, диоксид серы и озон регулируются в качестве критериев загрязнителей воздуха в соответствии с Законом о чистом воздухе до уровней, обеспечивающих защиту здоровья и благополучия человека. Другие загрязнители, такие как бензол и 1,3-бутадиен, регулируются как опасные загрязнители воздуха , выбросы которых должны быть максимально снижены в зависимости от технологических и практических соображений.

НЕТ
Икс угарный газ и другие загрязнители часто контролируются с помощью рециркуляции выхлопных газов, которая возвращает часть выхлопных газов обратно во впуск двигателя, и каталитических нейтрализаторов , которые превращают выхлопные химические вещества в безвредные химические вещества.

Внедорожные двигатели [ править ]

Стандарты выбросов, используемые во многих странах, содержат особые требования к внедорожным двигателям, которые используются оборудованием и транспортными средствами, которые не используются на дорогах общего пользования. Стандарты отделены от дорожных транспортных средств. ^[42]

Шумовое загрязнение [ править ]

Значительный вклад в шумовое загрязнение вносят двигатели внутреннего сгорания. Движение автомобилей и грузовиков на автомагистралях и улицах создает шум, как и полеты самолетов из-за шума реактивных двигателей, особенно самолетов со сверхзвуковой скоростью. Ракетные двигатели создают самый сильный шум.

Холостой ход [ править ]

Двигатели внутреннего сгорания продолжают потреблять топливо и выделять загрязняющие вещества на холостом ходу, поэтому желательно свести периоды работы на холостом ходу к минимуму. Многие автобусные компании теперь инструктируют водителей выключать двигатель, когда автобус ожидает на терминале.

В Англии Правила фиксированных штрафов за выбросы от транспортных средств 2002 года ( Законодательный акт 2002 № 1808) ^[43] вводят понятие « стационарного нарушения режима холостого хода ». Это означает, что водителю может быть приказано « уполномоченное лицо ... при предъявлении доказательств его полномочий потребовать, чтобы он остановил двигатель этого транспортного средства », а « лицо, которое не подчиняется ... должно быть виновным в правонарушении и подлежит наказанию в виде суммарного судимости штрафом в размере не более 3-й степени по стандартной шкале ". Только несколько местных властей внедрили правила, одним из которых является городской совет Оксфорда . ^[44]

Во многих европейских странах холостой ход по умолчанию отключен системами остановки-запуска .

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Аньеб, EA ​​(2009). Двигатель внутреннего сгорания и эксплуатация, Справочник по автомобильной технологии . 2 .
• Нанни, Малкольм Дж. (2007). Технология легких и тяжелых транспортных средств (4-е изд.). Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8037-0.
• Рикардо, Гарри (1931). Высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания .
• Сингал, РК Двигатели внутреннего сгорания . Нью-Дели, Индия: Kataria Books. ISBN 978-93-5014-214-1.
• Стоун, Ричард (1992). Введение в двигатели внутреннего сгорания (2-е изд.). Макмиллан. ISBN 978-0-333-55083-0.
• Патенты:
  • ES 156621 ^{[ мертвая ссылка ]} 
  • ES 433850 , Ubierna Laciana, "Perfeccionamientos en Motores de Explosion, con Cinco Tiem-Pos y Doble Expansion", опубликовано 1 ноября 1976 г. 
  • ES 230551 , Ортуно Гарсия Хосе, "Un Nuevo Motor de Explosion", опубликовано 01 марта 1957 г. 
  • ES 249247 , Ортуно Гарсия Хосе, "Motor de Carreras Distintas", опубликовано 01.09.1959. 

Дальнейшее чтение [ править ]

• Певец Чарльз Джозеф; Рэпер, Ричард (1978). Чарльз, певец; и другие. (ред.). История технологии: Двигатель внутреннего сгорания . Кларендон Пресс. С. 157–176. ISBN 978-0-19-858155-0.
• Сетрайт, LJK (1975). Какие-то необычные двигатели . Лондон: Институт инженеров-механиков. ISBN 978-0-85298-208-2.
• Судзуки, Такаши (1997). Романтика двигателей . США: Общество автомобильных инженеров. ISBN 978-1-56091-911-7.
• Харденберг, Хорст О. (1999). Средние века двигателя внутреннего сгорания . США: Общество автомобильных инженеров.
• Ганстон, Билл (1999). Разработка поршневых авиационных двигателей . PSL. ISBN 978-1-85260-619-0.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме двигателей внутреннего сгорания .

• Видео о сгорании - сгорание в цилиндре в оптически доступном двухтактном двигателе
• Анимированные двигатели - объясняет различные типы
• Введение в автомобильные двигатели - изображения в разрезе и хороший обзор двигателя внутреннего сгорания
• Walter E. Lay Auto Lab - Исследования в Мичиганском университете
• YouTube - Анимация компонентов и сборки 4-цилиндрового двигателя
• YouTube - Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя
• Технологии двигателей нового поколения получены 9 мая 2009 г.
• Обзор MIT - Настоящие и будущие двигатели внутреннего сгорания: производительность, эффективность, выбросы и топливо
• Engine Combustion Network - открытый форум для международного сотрудничества экспериментальных и вычислительных исследователей в области сгорания двигателей.
• Автопроизводители проявляют интерес к необычной конструкции двигателя
• Как работают автомобильные двигатели
• Файл о необычных двигателях [1]
• Общество истории авиационных двигателей (AEHS) - [2]