Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания
В данной статье разберем устройство и теорию двигателей внутреннего сгорания, рассмотрим из чего они состоят и как работают. Вы найдете основные понятия и термины, описывается конструкция и работа двигателя.
Автомобильные двигатели различают:
- по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели),
- по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе),
- по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением,
- расположению цилиндров — рядные и V-образные,
- по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).
Бензиновые – это двигатели, работающие на бензине, с принудительным зажиганием. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные и инжекторные системы питания. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.
Дизельные — это двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.
Газовые — это двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом.
По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и мы не будем их рассматривать. Однако, если вы переоборудовали свой автомобиль «на газ», то советую изучить статью Газобаллонное оборудование. Схема ГБО.
Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания:
- кривошипно-шатунный механизм,
- газораспределительный механизм,
- система питания (топливная),
- система выпуска отработавших газов,
- система зажигания,
- система охлаждения,
- система смазки.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Для начала, возьмем простейший одноцилиндровый двигатель и разберемся с его устройством и работой. Рассмотрим протекающие в нем процессы, и выясним откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.
Одна из основных деталей двигателя — цилиндр 6, в котором находится поршень 7, соединенный через шатун 9 с коленчатым валом 12.
При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз его прямолинейное движение шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.
На конце вала закреплен маховик 10, который необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 5 и выпускной клапаны, закрывающие соответствующие каналы.
Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала 14 через передаточные детали 15. Распределительный вал приводится во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения.
Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом.
В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.
Понятия и термины при работе двигателя
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — это крайнее верхнее положение поршня.
Нижняя мертвая точка (НМТ) — это крайнее нижнее положение поршня.
Ход поршня — это расстояние, пройденное от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на полоборота.
Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в ВМТ.
Рабочий объем цилиндра — это пространство, освобождаемое поршнем при перемещение его из ВМТ в НМТ.
Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. При малых объемах (до 1 л.) его выражают в кубических сантиметрах, а при больших — в литрах.
Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема.
Степень сжатия — это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В бензиновых двигателях степень сжатия бывает от 8 до 12, а в дизелях — от 14 до 18. Степень сжатия не стоит путать с компрессией, т.к. это два разных понятия.
Такт — процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным.
Как работает двигатель внутреннего сгорания
При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).
При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя: а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск.
Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Подробнее в статье Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя.
Об устройстве двигателя также рассказано в данных статьях:
- Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы
- Как работает двигатель (из цикла передачи ‘как это устроено’)
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) » Детская энциклопедия (первое издание)
Двигатели модельные
Дефектоскопия
Один из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.
Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу (см.
рис.).
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.
4-й такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.
Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.
Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.
Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.
Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка. Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.
Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.
В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь).
Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.
Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.
Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 000 кВт.
Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Двигатели модельные
Дефектоскопия
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Большинство серийно выпускаемых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях работают по 4-тактной системе с тактом впуска, тактом сжатия, процессом сгорания, вызывающим быстрое расширение газов, и рабочим тактом, когда поршень движется с высокой скоростью вниз по цилиндру.
Поршень, как и следовало ожидать, соединен с шатуном или шатуном, который приводит в движение коленчатый вал. Чтобы сгладить импульсы, за двигателем установлен маховик, который служит накопителем энергии.
Существует поворотная конструкция, но только Mazda придерживается этого, и он не стал основным, в основном из-за проблем с надежностью уплотнения наконечника.
В течение многих лет реальный процесс горения было трудно снимать на видео, но современные материалы означают, что теперь это возможно, вот классное видео процесса, происходящего на самом деле с различными видами топлива.
Определенно не пытайтесь делать это дома.
Большинство транспортных средств обычно используют либо бензин (он же бензин), либо дизельное топливо. Оба этих варианта изготавливаются из очищенной сырой нефти, но на самом деле существует множество доступных альтернатив, которые мы обсудим в сопутствующей статье на следующей неделе.
Для бензина искра используется для воспламенения топливно-воздушной смеси, а для дизельного топлива она самовоспламеняется при высоких температурах и давлении двигателя с более высокой степенью сжатия. Это означает, что дизельные двигатели должны быть более надежными, что обычно приводит к более тяжелому двигателю. Причина, по которой некоторые транспортные средства, такие как грузовики, автобусы и промышленные транспортные средства, такие как экскаваторы, используют дизель, связана с кривой крутящего момента. Крутящий момент — вращающее усилие на коленчатом валу измеряется силой x расстояние, часто указывается в Нм, поэтому сколько ньютонов силы на один метр.
В бензиновых двигателях он достигает максимума при более высоких оборотах в минуту, отлично подходит для гоночного автомобиля, но не годится для самосвала.
Топливо в основном перегоняется из сырой нефти, тяжелой углеводородной смеси, запертой в земле, где она не может причинить никакого вреда. После сгорания в двигателе выбросы образуются в выхлопных газах. Таким образом, водород является топливной частью, связанной с углеродом, чтобы поддерживать его в жидком состоянии, а другими составляющими являются азот и кислород в воздухе.
Это создает несколько нежелательных проблем. Идеальное сгорание невозможно, поэтому двигатели неэффективны с термодинамической точки зрения — большая часть энергии топлива используется для нагрева, а не для движения автомобиля.
Выбросы выхлопных газов включают двуокись углерода, окись углерода, оксиды азота (Nox) и твердые частицы в виде сажи (PM). Сэм Акехерст, профессор усовершенствованных систем трансмиссии Института усовершенствованных автомобильных силовых установок (IAAPS) при Университете Бата на западе Англии, говорит: «Взяв среднюю точку между дизельным и бензиновым двигателем, типичный новый двигатель будет иметь пиковую мощность.
тепловой КПД тормозной системы двигателя около 42%. Мы ожидаем, что к 2025 году этот показатель увеличится примерно до 48%, а к 2035 году — до 53%, а для большегрузных автомобилей — до 60%. Первоначально это будет высокоэффективное, очень разбавленное низкотемпературное сжигание и рекуперация тепла, а затем, возможно, за счет новых циклов сжигания. К 2025 году будет практически решен вопрос о выбросах NOx и твердых частиц, независимо от топлива: при надлежащем управлении сжиганием и последующей очистке уровни выхлопных газов могут быть ниже уровней окружающей среды, характерных для большинства зон с нулевым уровнем выбросов. (Полная статья здесь ).
Итак, грядут улучшения. Акехерст продолжает: «Термин «поршневой двигатель» включает в себя множество новых архитектур, но все они появились десять или более лет назад после серийного производства. Изучая дорожную карту автомобильных технологий правительства Великобритании, мы получили убедительные аргументы в пользу многих подходов, включая концепции с разделенным циклом и линейные поршневые генераторы.
Когда ДВС разовьется до уровня, когда он станет младшим партнером в системе электрифицированной трансмиссии, это может быть любой из них, или он может быть роторным, или даже чем-то, что еще не было предложено. Между электрификацией и ДВС в гибридных автомобилях существует большая синергия. Когда уровень гибридизации достаточно высок, двигатель можно гораздо эффективнее оптимизировать в более ограниченном рабочем диапазоне».
На следующей неделе мы более подробно рассмотрим альтернативы топливу, а также случай с электромобилями.
Двигатели внутреннего сгорания Исчезнут ли они?
По данным Агентства по охране окружающей среды США (EPA), транспорт является одним из основных источников выбросов парниковых газов, вызывающих потепление планеты.
Мир начинает понимать важность отказа от загрязняющих окружающую среду источников энергии. Калифорнийский совет по воздушным ресурсам недавно объявил о новом требовании: к 2035 году все новые автомобили, продаваемые в штате, должны быть свободны от выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ.
Глобальный обзор электромобилей показал, что количество электромобилей на дорогах мира к концу 2021 года составило около 16,5 миллионов, утроило количество в 2018 году.
Почти все согласны с одним: нам нужно сделать серьезные изменения в транспортной отрасли для уменьшения количества парниковых газов, попадающих в атмосферу.
Возможно ли это сделать с двигателями внутреннего сгорания на картинке? Давайте посмотрим на этот тип двигателя и почему некоторые люди считают, что «Конец двигателя внутреннего сгорания» впереди:
Значительная роль двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания уже более века играют важную роль на транспорте. Эти надежные двигатели приводят в действие автомобили, грузовики, поезда, корабли и самолеты.
Исторически двигатели внутреннего сгорания работали на ископаемом топливе. При сжигании ископаемого топлива в воздух выделяется значительное количество углекислого газа (парникового газа).
Похоже, это не замедляет продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. По данным JATO, на двигатели внутреннего сгорания приходилось более 90% мировых продаж автомобилей в первой половине 2019 года.
Эти двигатели обеспечивают не только транспортную отрасль — двигателей внутреннего сгорания широко используются в генераторах для производства электроэнергии.
Некоторые считают, что для развития транспортной отрасли двигатели внутреннего сгорания должны исчезнуть.
Проблема с двигателями внутреннего сгорания отходит на второй план: было бы сложно обеспечить такое же количество надежной мощности для автомобильной промышленности и выше.
Есть ли способ использовать двигатели внутреннего сгорания без ущерба для окружающей среды?
Вымрут ли двигатели внутреннего сгорания?
Нелегко представить мир без двигателей внутреннего сгорания, когда они сегодня доминируют на рынке.
Благодаря MayMaan автомобильная промышленность может придерживаться более экологичного подхода, продолжая использовать двигатели внутреннего сгорания.