Общее устройство двс: Принцип работы и устройство двигателя

Устройство двигателя. Принцип работы ДВС

Общее устройство ДВС:

Двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. б).

Схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания:

а — продольный вид, б — поперечный вид; 1 — головка цилиндра, 2 — кольцо,

3 — палец, 4 — поршень, 5 — цилиндр, 6 — картер, 7 — маховик, 8 — коленчатый вал,

9 — поддон, 10 — щека, 11 — шатунная шейка, 12 — коренной подшипник, 13 — коренная шейка,

14 — шатун, 15, 17- клапаны, 16 — форсунка

Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, следовательно, и с перемещением поршня.

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю: верхней мертвой точкой (ВМТ), соответствующей наибольшему удалению поршня от вала (рис. б), и нижней мертвой точкой (НМТ), соответствующей наименьшему удалению его от вала.

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска с массивным ободом.

Расстояние, проходимое поршнем, между мертвыми точками называется ходом поршня S, а расстояние между осями коренных и шатунных шеек — радиусом кривошипа R (рис.

б). Ход поршня равен двум радиусам кривошипа: S = 2R. Объем, который описывает поршень за один ход, называется рабочим объемом цилиндра (Vh):

Vh = (πD²S) / 4

Объем над поршнем (Vc) в положении ВМТ (рис. а) и называется объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема цилиндра (Vh) и объема камеры сгорания (Vc) составляет полный объем цилиндра (Va):

Va = Vh + Vc

Отношение полного объема цилиндра (Va) к объему камеры сгорания (Vc) называется степенью сжатия (е):

е = Va / Vc

Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность.

 

Принцип работы ДВС:

Схема работы двигателя

Практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Такт впуска — впускается топливо-воздушная смесь
2. Такт сжатия — смесь сжимается и поджигается
3. Такт расширения — смесь сгорает и толкает поршень вниз
4. Такт выпуска — продукты горения выпускаются

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла, такт впуска.

Во время второго такта, такта сжатия, поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий такт, такт расширения — это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

Четвертый такт, такт выпуска, поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему. После этого цикл, начиная с первого такта, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания — элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600 градусов Цельсия. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Общее устройство двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Модуль предназначен для ознакомления с материалом по теме «Общее устройство двигателя внутреннего сгорания»

Категория пользователей
Обучаемый, Преподаватель

Контактное время
30 минут

Интерактивность
Высокая

Дисциплины
Тематика среднего профессионального образования / Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования / Автомобили и тракторы / Двигатель внутреннего сгорания / Общее устройство двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Элементы теории двигателя. Устройство и рабочие процессы в двигателях

Уровень образования
Профессионально-техническая подготовка, повышение квалификации

Статус
Завершенный вариант (готовый, окончательный)

Тип ИР сферы образования
информационный модуль

Ключевые слова
Рабочая смесь

Автор

Беляев Михаил Борисович

Издатель

ИНФОСТУДИЯ ЭКОН ЗАО

Закрытое акционерное общество «ИНФОСТУДИЯ ЭКОН»

Россия, 109028, Москва, 3/12, Б. Трехсвятительский пер.,

Тел. — +7-495-916-8930, +7-495-917-3755
Сайт — http://www.infostudio.ru
Эл. почта — eс[email protected]

Правообладатель

Министерство образования и науки России Федеральный орган исполнительной власти

Министерство образования и науки России

Россия, 125993, Москва, Тверская ул., 11

Тел. — +7-495-629-7062
Сайт — http://www.mon.gov.ru

Внимание! Для воспроизведения модуля необходимо установить на компьютере проигрыватель ресурсов.

Характеристики информационного ресурса

Тип используемых данных:
application/xml, text/javascript, image/png, application/x-shockwave-flash, text/html, text/xml, image/jpeg

Объем цифрового ИР
5 378 561 байт

Проигрыватель
OMS-player версии от 2.0

Категория модифицируемости компьютерного ИР
частично открытый

Признак платности
бесплатный

Наличие ограничений по использованию
есть ограничения

Рубрикация

Ступени образования

Среднее профессиональное образование

Целевое назначение
Учебное

Тип ресурса
Открытая образовательная модульная мультимедийная система (ОМС)

Классы общеобразовательной школы

Уровень образовательного стандарта
Федеральный

Характер обучения

Общее устройство и работа двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип двигателя легкового автомобиля. Работа двигателя этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании. Источником теплоты в двигателе является смесь топлива с воздухом (горючая смесь).

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов: бензиновые и дизельные. В бензиновом двигателе горючая смесь (бензина с воздухом) воспламеняется внутри цилиндра от искры, образующейся на свече зажигания 3 (рис. 3). В дизельном двигателе горючая смесь (дизельного топлива с воздухом) воспламеняется от сжатия, а свечи зажигания не применяются. На обоих типах двигателей давление образующейся при сгорании горючей смеси газов повышается и передается на поршень 7. Поршень перемещается вниз и через шатун 8 действует на коленчатый вал 11, принуждая его вращаться. Для сглаживания рывков и более равномерного вращения коленчатого вала на его торце устанавливается массивный маховик 9.

Рис.3. Схема одноцилиндрового двигателя.

Рассмотрим основные понятия о ДВС и принцип его работы.

В каждом цилиндре 2 (рис. 4) установлен поршень 1. Крайнее верхнее его положение называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на половину оборота.

Рис.4. Схема цилиндра

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигател — это рабочий объем всех цилиндров двигателя. Его выражают в литрах, поэтому нередко называют литражом двигателя.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. Степень сжатия у бензинового двигателя равна 8…10, у изельного — 20… 30.

От степени сжатия следует отличать компрессию.

Компрессия — это давление в цилиндре в конце такта сжатия характеризует техническое состояние (степень изношенности) двигателя. Если компрессия больше или численно равна степени сжатия, состояние двигателя можно считать нормальным.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу двигатель совершает в единицу времени. Мощность измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с), при этом одна лошадиная сила приблизительно равна 0,74 кВт.

Крутящий момент двигателя численно равен произведению силы, действующей на поршень во время расширения газов в цилиндре, на плечо ее действия (радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки коленчатого вала). Крутящий момент определяет силу тяги на колесах автомобиля: чем больше крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля.

Максимальные мощность и крутящий момент развиваются двигателем при определенных частотах вращения коленчатого вала (указаны в технической характеристике каждого автомобиля).

Такт — процесс (часть рабочего цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, рабочий цикл которого происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным независимо от количества цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Он протекает в одном цилиндре в такой последовательности (рис. 5):

Рис.5. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис.6. Схема работы четырехцилиндрового двигателя

1 -й такт — впуск. При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

2-й такт — сжатие. Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

3-й такт — рабочий ход, или расширение. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, которая воспламеняет рабочую смесь (в дизельном двигателе рабочая смесь самовоспламеняется). Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал;

4-й такт — выпуск. Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

При последующем ходе поршня вниз цилиндр вновь заполняется рабочей смесью, и цикл повторяется.

Как правило, двигатель имеет несколько цилиндров. На отечественных автомобилях обычно устанавливают четырехцилиндровые двигатели (на автомобилях «Ока» —двухцилиндровый). В многоцилиндровых двигателях такты работы цилиндров следуют друг за другом в определенной последовательности. Чередование рабочих ходов или одноименных тактов в цилиндрах многоцилиндровых двигателей в определенной последовательности называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров в четырехцилиндровом двигателе чаще всего принят I —3—4—2 или реже I —2—4—3, где цифры соответствуют номерам цилиндров, начиная с передней части двигателя. Схема на рис. 6 характеризует такты, происходящие в цилиндрах во время первого полуоборота коленчатого вала. Порядок работы двигателя необходимо знать для правильного присоединения проводов высокого напряжения к свечам при установке момента зажигания и для последовательности регулировки тепловых зазоров в клапанах.

В действительности любой реальный двигатель гораздо сложнее упрощенной схемы, представленной на рис. 3. Рассмотрим типовые элементы конструкции двигателя и принципы их работы.

Общее устройство и работа двигателя

1. ТЕМА: Общее устройство и работа двигателя

2. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

• Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) —
самый распространенный тип двигателя
легкового автомобиля. Работа двигателя этого
типа основана на свойстве газов расширяться
при нагревании. Источником теплоты в
двигателе является смесь топлива с воздухом
(горючая смесь).
• По характеру рабочего процесса поршневые двигатели
внутреннего сгорания, устанавливаемые на
большинстве автомобилей, делятся на двигатели с
внешним смесеобразованием и воспламенением
тодливо-воздушной смеси от электрической искры
(карбюраторные и газовые) и двигатели с внутренним
смесеобразованием и воспламенением смеси от
сжатия (дизели).
• В карбюраторных двигателях горючая смесь, состоящая
из паров бензина и воздуха, приготовляется вне
цилиндров, в карбюраторе; в двигателях, работающих
на сжиженном или сжатом газе, смесь газа с воздухом
приготовляется также вне цилиндров, в смесителе. В
дизелях горючая смесь образуется внутри цилиндров
путем впрыска в них топлива, самовоспламеняющегося
под влиянием высокой температуры сжатого в
цилиндрах воздуха.
По виду применяемого топлива двигатели подразделяются
на: бензиновые; дизельные; газовые.
• Бензиновые– это двигатели, работающие на жидком
топливе (бензине), с принудительным зажиганием. Перед
подачей в цилиндры двигателя, топливо перемешивается с
воздухом в определенной пропорции.
• Дизельные — это двигатели, работающие на жидком топливе
(дизельном топливе), с воспламенением от сжатия. Подача
топлива осуществляется форсункой, а смешивание с
воздухом происходит внутри цилиндра.
• Газовые — это двигатели, которые работают на пропанобутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед
подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом
в карбюраторе. По принципу работы такие двигатели
практически не отличаются от карбюраторных
(бензиновых). Поэтому не имеет смысла подробно
останавливаться на рассмотрении газовых установок.

5. Системы и механизмы двигателя, и их назначение.

• Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление
газов в цилиндрах и преобразует возвратно-поступательное
движение поршней во вращательное движение коленчатого
вала. Он состоит из цилиндра, головки, поршня, поршневого
пальца, шатуна, картера, коленчатого вала и других деталей.
• Система питания производит подготовку новой порции рабочей
смеси, состоящей из воздуха и топлива, и ее подвод в
цилиндры двигателя. У карбюраторного двигателя она состоит
из воздухоочистителя, фланца, карбюратора, впускного
трубопровода, топливного насоса с фильтром-отстойником,
бензопровода и бензобака.
• Механизм газораспределения управляет своевременным
впуском свежего заряда топлива и выпуском отработавших
газов. Он состоит из распределительных шестерен, кулачкового
вала, толкателя, пружины и клапанов.

6. Системы и механизмы двигателя, и их назначение.

• Система зажигания карбюраторных двигателей
обеспечивает подачу импульса электротока высокого
напряжения на контакты свечи для получения искры,
необходимой для воспламенения рабочей смеси.
• Система охлаждения предотвращает перегрев
двигателя отводом тепла от стенок цилиндров и
головок. Она состоит из водяных рубашек, блока и
головок, радиатора, вентилятора водяного насоса и
других элементов.
• Система смазки обеспечивает подачу масла к трущимся
поверхностям и отвод продуктов износа. Она состоит из
масляного поддона, насоса, фильтров грубой и тонкой
очистки масла, маслопроводов и масляных клапанов.

7. Основные детали ДВС: 

Основные детали ДВС:
головка блока цилиндров;
цилиндры;
поршни;
поршневые кольца;
поршневые пальцы;
шатуны;
коленчатый вал;
маховик;
распределительный вал с кулачками;
клапаны;
свечи зажигания.

Устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля

Каждому, водителю интересно и необходимо знать, как устроен автомобиль, что такое ДВС в машине, из чего состоит двигатель автомобиля и каков у ДВС ресурс.

Отличие двигателей внутреннего сгорания от двигателей внешнего сгорания

Содержание статьи

ДВС называется так именно потому, что топливо сжигается внутри рабочего органа (цилиндра), промежуточный теплоноситель, например пар, здесь не нужен, как это организовано в паровозах. Если рассматривать паровой двигатель и двигатель, но уже внутреннего сгорания автомобиля, устройство их сходно, это очевидно (на рисунке справа паровой двигатель, слева – ДВС).

Принцип работы одинаков: на поршень, действует какая-то сила. От этого поршень вынужден двигаться вперед или назад (возвратно-поступательно). Эти движения при помощи специального механизма (кривошипного) преобразуются во вращение (колеса у паровоза и коленчатого вала «коленвала» у автомобиля). В двигателях внешнего сгорания нагревается вода, превращаясь в пар, и уже этот пар совершает полезную работу толкая поршень, а в ДВС мы нагреваем воздух внутри (непосредственно в цилиндре)и он (воздух) двигает поршень. От этого коэффициент полезного действия, у ДВС, конечно, выше.

История создания ДВС

История гласит, что первый работающий двигатель внутреннего сгорания коммерческого использования, то есть выпускаемый для продажи, был разработан французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель работал на светильном газе в смеси с воздухом. Причем именно он догадался поджигать эту смесь путем электрической искры. Только в 1864 году документально зафиксирована продажа более 310 таких двигателей. На этом он разбогател. Жан Этьен Ленуар потерял интерес к изобретательству и вскоре(в 1877 году) его моторы были вытеснены более совершенными, на тот момент, двигателями Отто, изобретателя из Германии. Донат Банки (венгерский инженер) в 1893 году произвел настоящую революцию в двигателестроении. Он изобрел карбюратор. С этого момента история не знает бензиновых двигателей без этого устройства. И так продолжалось около 100 лет. На смену ему пришла система непосредственного впрыска, но это уже новейшая история.
Все первые двигатели внутреннего сгорания были только одноцилиндровыми. Увеличение мощности велось путем увеличения диаметра рабочего цилиндра. Только к концу 19-го века появились ДВС с двумя цилиндрами, а в начале 20-го века – четырехцилиндровые. Теперь, повышение мощности производилось уже путем увеличения числа цилиндров. На сегодняшний день можно встретить автомобильный двигатель в 2-мя, 4-мя, 6-ю цилиндрами. Реже 8 и 12. Некоторые спортивные автомобили имеют 24 цилиндра. Расположение цилиндров может быть как рядным, так и V-образным.
Вопреки расхожему мнению ни Готлиб Даймлер, ни Карл Бенц, ни Генри Форд устройство двигателя автомобиля не изменяли кардинально (разве что мелкие доработки), но оказали огромное влияние в автомобилестроение как таковое. Что такое ДВС в авто мы сейчас и рассмотрим.

Общее устройство двигателя внутреннего сгорания

Итак, ДВС состоит из корпуса, в котором все остальные детали монтируются. Чаще всего это блок цилиндров.

На данном рисунке показан один цилиндр без блока. Устройство ДВС направлено на максимально комфортные условия для цилиндров, ведь именно в них производится работа. Цилиндр, это металлическая (чаще всего стальная) труба, в которой двигается поршень. Он обозначен на рисунке цифрой 7. Над цилиндром устанавливается головка цилиндра 1, в которую вмонтированы клапана (5 – впускной и 4 — выпускной), а также свеча зажигания 3 и коромысла 2.
Над клапанами 4 и 5 есть пружины, которые удерживают их в закрытом состоянии. Коромысла при помощи толкателей 14 и распределительного вала 13 открывают клапана в определенный момент (тогда, когда это необходимо). Распределительный вал с кулачками вращается от коленвала 11 через приводные шестерни 12.
Движения поршня 7 преобразуются во вращение коленвала 11 при помощи шатуна 8 и кривошипа. Этим кривошипом служит «колено» на валу (смотри рисунок), именно поэтому вал и называется коленчатым. В связи с тем, что воздействие на поршень происходит не постоянно, а только когда в цилиндре горит топливо. У ДВС есть маховик 9, довольно массивный. Маховик как бы запасает энергию вращения и отдает ее при необходимости.
В любом двигателе много трущихся деталей, для их смазывания используют автомобильное масло. Масло это хранится в картере 10 и специальным насосом подается к трущимся деталям.
Синим цветом, показаны детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Голубым – смесь топлива и воздуха. Серым – свеча зажигания. Красным – выхлопные газы.

Принцип работы ДВС

Разобрав двигатель внутреннего сгорания, его устройство, необходимо уяснить, как взаимодействуют его детали, как он работает. Знать строение еще не все, а вот как взаимодействуют механизмы, в чем преимущество дизельных автомобилей и в чем их недостатки для начинающих (для чайников) очень важно.
Ничего сложного в этом нет. Пошаговым рассмотрением процессов мы постараемся рассказать, как взаимодействуют между собой основные части двигателя при работе. Из какого материала выполнены механические составляющие ДВС.
Все автомобильные двигатели работают на одном принципе: сжигание бензина или дизельного топлива. Для чего? Для получения необходимой нам энергии, конечно. Двигатели автомобилей, иногда говорят – моторы, могут быть двухтактными и четырехтактными. Тактом считается движение поршня либо вверх, либо вниз. Говорят еще от верхней мертвой точки (ВМТ), до нижней (НМТ). Мертвой эта точка называется потому, что поршень как бы замирает на мгновение и начинает движение в обратную сторону.
Итак, в двухтактном двигателе весь процесс (или цикл) происходит за 2 хода поршня, в четырехтактном – за 4. И совершенно не важно, бензиновый это двигатель, дизельный или работающий на газу.
Как ни странно, рассказывать принцип работы лучше на 4-х тактном бензиновом карбюраторном двигателе.

Первый такт — всасывание.

Поршень идет вниз и затягивает за собой смесь из воздуха и топлива. Эта смесь готовится в отдельном устройстве – в карбюраторе. При этом впускной, его еще называют «всасывающий» клапан, конечно, открыт. На рисунке он показан синим.

Следующий, второй такт – сжатие смеси.

Поршень поднимается вверх от НМТ до ВМТ. При этом растет давление и, естественно, температура над поршнем. Но этой температуры недостаточно, для того, чтобы смесь самовоспламенилась. Для этого служит свеча. Она выдает искру в нужный момент. Обычно это 6…8 угловых градусов не доходя до ВМТ. Для начала понимания процесса можно предположить, что искра зажигает смесь точно в верхней точке.

Третий такт – расширение продуктов сгорания.

При сгорании столь энергоемкого топлива, продуктов сгорания в цилиндре очень мало, а вот усилие появляется только потому, что воздух нагрелся при повышении температуры, а значит, расширился, в нашем случае увеличил давление. Именно это давление и совершает нужную работу. Нужно знать, что нагревая воздух на 273 0С, получаем увеличение давления практически в 2 раза. Температура зависит от того сколько топлива сжечь. Максимальная температура внутри рабочего цилиндра может достигать 2500 0С при работе ДВС на полной мощности.

Четвертый такт последний.

После него опять будет первый. Поршень направляется от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт. Цилиндр очищается, выбрасывая все что сгорело, и что не сгорело, в атмосферу.
Что касается дизельного двигателя, то все основные детали с карбюраторным практически одинаковы. Ведь и тот и другой, это двигатель внутреннего сгорания. Исключение составляет смесеобразование. В карбюраторном смесь готовится отдельно, в том самом карбюраторе. А вот в дизельном – смесь готовиться непосредственно в цилиндре, перед сжиганием. Топливо (солярка) подается специальным насосом в определенный момент времени. Зажигание смеси происходит от самовоспламенения. Температура внутри цилиндра в дизеле гораздо выше, чем в карбюраторном ДВС. По этой причине детали там детали мощнее и система охлаждения лучше. Необходимо отметить, что, несмотря на высокую температуру внутри цилиндра, рабочая температура двигателя никогда не повышается выше 90…95 0С. Иногда, детали дизельных двигателей делают из более твердого металла, что позволяет снизить массу, но увеличивает цену ДВС. Однако, коэффициент полезного действия (КПД) в дизельном двигателе выше. То есть он более экономичен и дороговизна деталей себя окупает.
У дизельного ДВС ресурс выше, если соблюдать правила эксплуатации. Особенно часто механизмы дизелей выходят из строя из-за плохого топлива.
Схема работы дизельного двигателя представлена на рисунке слева. В третьем такте подача топлива показана в момент ВМТ, хотя это и не совсем так.
Системы ДВС обеспечивающие их работоспособность практически одинаковы: система смазки, топливная система, система охлаждения и система газообмена. Есть еще несколько, но они не относятся к главным.
Глядя на устройство любого двигателя внутреннего сгорания можно подумать, что все детали выполнены из стали. Это далеко не так. Корпуса бывают и чугунные и выполненные из алюминиевого сплава, а вот поршни из чугуна не делают, они либо стальные, либо из высокопрочного алюминиевого сплава. Зная общее устройство данного двигателя внутреннего сгорания и условия работы его деталей, очевидно, что и клапана и головку цилиндра нужно делать прочными, поскольку они должны выдерживать давление внутри цилиндра более 100 атмосфер. А вот поддон, где собирается масло не несет на себе особой механической нагрузки и выполняется из тонкой листовой стали или алюминия.
Характеристики ДВС
Когда говорят об автомобиле, то обычно, в первую очередь отмечают двигатель внутреннего сгорания, не его устройство, а его мощность. Она (мощность) измеряется как обычно (по-старинке) в лошадиных силах или (по-современному) киловаттах. Безусловно, чем больше мощность, тем быстрее автомобиль набирает скорость. И в принципе экономичность тем выше, тем двигатель машины более мощный. Однако, это только тогда, когда двигатель постоянно работает на номинальных (экономически оправданных) оборотах. Но на малых скоростях (при неиспользовании полной мощности) КПД сильно падает и если на номинальных режимах дизельный двигатель имеет 40…42% КПД, то на малых только 7%. Бензиновый двигатель не может похвастаться даже этим. Использование полной мощности позволяет экономить топливо. По этой причине расход топлива на 100 километров в малолитражных автомобилях ниже. Этот показатель может составлять и 5 и даже 4 л/100 км. Расход у мощных внедорожников может составлять и 10 и даже 15 л/100 км.
Еще одним показателем для автомобилей является разгон от 0 км/час до 100 км/час. Конечно, чем мощнее двигатель, тем быстрее разгон автомобиля, но про экономичность при этом говорить вообще не приходится.
Итак, двигатель внутреннего сгорания устройство которого Вы теперь знаете, совсем не кажется сложным. И на вопрос «ДВС – что это такое?» Вы можете ответить «Это то, что я знаю».

Общее устройство и работа ДВС

Почти на всех современных автомобилях в качестве силовой установки применяется двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (рис. 2.1).

Существуют еще электромобили, но их мы рассматривать не будем.

Рис. 2.1. Внешний вид двигателя внутреннего сгорания

В основе работы каждого ДВС лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.

При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.

ПРИМЕЧАНИЕ

В ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

ДВС, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипношатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

? питания;

? выпуска отработавших газов;

? зажигания;

? охлаждения;

? смазки.

Основные детали ДВС:

? головка блока цилиндров;

? цилиндры;

? поршни;

? поршневые кольца;

? поршневые пальцы;

? шатуны;

? коленчатый вал;

? маховик;

? распределительный вал с кулачками;

? клапаны;

? свечи зажигания.

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восьмью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 2.2). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Рис. 2.2. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:

а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (? — угол развала)

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 2.3). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 2.4).

Рис. 2.3. Поршень

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.

Рис. 2.4. Поршень с шатуном:

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна; 3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.5).

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 2.3). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис. 2.3). А расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Рис. 2.5. Коленчатый вал с маховиком:

1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра.

В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливо-воздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт.

Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливо-воздушной смеси.

В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 2.6), в дизельных — от сжатия.

Рис. 2.6. Свеча зажигания

При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.

Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 2.5). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.

А сейчас поговорим немного подробнее о работе одноцилиндрового двигателя.

Повторим, первое действие — попадание внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливо-воздушной смеси, которую приготовил карбюратор или инжектор. Этот процесс называется тактом впуска (первый такт). Заполнение цилиндра двигателя топливо-воздушной смесью происходит, когда поршень из верхнего положения движется в нижнее. При этом к цилиндру двигателя подведены два канала: впускной и выпускной. Горючая смесь впускается через первый канал, а продукты ее сгорания выходят через второй. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: клапан — это подобие гвоздя с большой круглой шляпкой, перевернутый шляпкой вниз, которой закрывается вход из канала в цилиндр.

При этом шляпка прижимается к кромке канала мощной пружиной и закупоривает его.

Если нажать на клапан (тот самый гвоздь), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала откроется (рис. 2.7).

Первый такт — впуск

Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол-оборота.

Второй такт — сжатие

После того как топливо-воздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.

Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.7). Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °C.

Рис. 2.7. Процесс работы четырехтактного двигателя:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт рабочего хода; г — такт выпуска

Третий такт — рабочий ход

Третий такт — самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис. 2.8). Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает двигаться вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь сгорает с выделением большого количества тепла, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800–2000 °C, а давление — до 2,5–3,0 МПа.

Рис. 2.8. Искра между электродами свечи

Обратите внимание, что главная цель создания самого двигателя — это как раз и есть третий такт (рабочий ход). Поэтому остальные такты называют вспомогательными.

Четвертый такт — выпуск

Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод). Далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известная часть которой — глушитель, отработавшие газы уходят в атмосферу (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Фрагмент глушителя

Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом.

Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия от рабочего цикла бензинового. В нем во время такта впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух.

Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце первого такта, когда поршень приближается к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство — форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, — под большим давлением впрыскивается дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают.

При этом выделяется большое количество тепла и температура в цилиндре повышается до 1700–2000 °C, а давление — до 7–8 МПа.

Под действием давления газов поршень перемещается вниз, и происходит рабочий ход.

Такт выпуска дизельного двигателя аналогичен такту выпуска бензинового двигателя.

Вспомогательные такты (первый, второй и четвертый) совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя — маховика, о котором также шла речь выше. Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал передает запас инерции маховику. Инерция помогает ему осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. Из этого следует, что при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень ходит в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается таким образом, чтобы рабочий ход хотя бы одного поршня помогал осуществлять вспомогательные такты и плюс ко всему вращал маховик.

А теперь подведем итоги: совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.

Порядок работы цилиндров четырехцилиндрового двигателя: 1-3-4-2. Пятицилиндрового, как правило, — 1-2-4-3-5.

Устройство ДВС

Как устроен двигатель внутреннего сгорания? Давайте разберемся.

В начале нашего разговора о двигателе внутреннего сгорания (ДВС), стоит уточнить, что на данный момент времени такой двигатель является основой всего мирового автомобилестроения. Именно двигатель внутреннего сгорания, в силу своих характеристик, таких как автономность, компактность и довольно не высокая стоимость производства занимает лидирующие позиции среди автомобильных производителей и потребителей.

Основные типы ДВС используемые в производстве автомобилей:

• Поршневой двигатель
• Роторный или Роторно-поршневой двигатель
• Существует еще несколько типов двигателя, но они не применяются в конструкциях автомобилей, поэтому в данной статье их упоминание излишне.

Для общего понимания вопроса рассмотрим устройство самого востребованного двигателя внутреннего сгорания – поршневого типа. Философия такого двигателя заключается в воспламенении топлива для получения энергии, которая с помощью сложных деталей преобразуется в механическую работу для создания крутящего момента. Вследствие этих операций машина набирает скорость. Как же это происходит?

Главная деталь поршневого двигателя – это цилиндр, составляющий элемент блока цилиндров. Все современные двигатели многоцилиндровые. Как правило, от 4 до 8 цилиндров, но встречаются экземпляры и 2-3 цилиндровые. Распространенным примером 3-х цилиндрового автомобиля является Skoda Fabia с двигателем 1,2 литра. Следующая очень важная деталь, это поршень с установленными на него поршневыми кольцами. Шатун, который имеет верхнюю головку не разъемную и нижнюю головку, разъемную. Шатун закрепляется поршневым пальцем на поршне через верхнюю не разъемную головку, нижней же частью крепится к коленчатому валу двигателя при помощи нижней крышки шатуна на шатунной шейке и надежно затягивается при помощи болтов и гаек. Поршень в собранном виде устанавливается в цилиндр. Поверх блока цилиндров устанавливается головка блока цилиндров (ГБЦ) с резьбовым отверстием для установки свечи зажигания. Свечей зажигания будет ровно столько, сколько цилиндров у имеющегося двигателя. ГБЦ также имеет каналы для впуска горючей смеси в цилиндр и выпуска сгоревших, отработавших газов. Эти каналы закрывают соответственно впускной клапан и выпускной клапан.

В ходе рабочего цикла двигателя, а происходит он за 4 такта во всех современных автомобилях. Поршня производя работу, приводят в движение коленчатый вал при помощи шатунов. На нем в самом конце закреплена массивная шестерня, называется она маховик. Он необходим для равномерного вращения коленвала.

Классификация двигателей.

Классифицировать двигатель внутреннего сгорания довольно просто. Пунктов может быть много если ходить в дебри и брать за основу всего автомобилестроения, когда-то давно вымученные новаторские идеи. Но мы с вами такой ерундой заниматься не будем. Мы рассматриваем реальность.

И так, двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по:

— Виду используемого топлива:

1. Бензин
2. Дизель
3. Газ

— Способ заполнения цилиндров воздухом:

1. Атмосферный двигатель (без наддува) – самый обыкновенный, среднестатистический двигатель;
2. Двигатель с наддувом – на машине установлена турбина или компрессор.

— Принцип формирования горючей смеси:

1. За пределами рабочего цилиндра — как правило, ДВС на бензине;
2. В рабочем цилиндре – как правило, ДВС на дизеле.

— Воспламенение горючей смеси:

1. Принудительное воспламенение в бензиновых двигателях;
2. Воспламенение от сжатия горючей смеси в дизельных двигателях.

— Расположению цилиндров:

1. Рядные – из названия вы уже поняли, что стоят они в один ряд;
2. V-образные – расположение цилиндров друг на против друга в виде буквы латинского алфавита V;
3. Оппозитные – расположение цилиндров под углом в сто восемьдесят градусов.

— Движению рабочих частей:

1. Возвратно-поступательные движения поршней двигателя;
2. Использование ротора с тремя гранями в качестве поршня. Пример автомобиля с данным типом двигателя: Mazda RX-8.

Двигатель внутреннего сгорания — обзор

26.3.2.6 Бензин

Бензин — это уникальный продукт, имеющий одно конкретное применение: топливо для двигателей внутреннего сгорания, например, используемых в автомобилях. Практически все другие категории являются классификациями, которые включают продукты с аналогичным химическим составом, но могут иметь заметно разное конечное использование. Бензин, однако, не имеет другого коммерческого использования; его единственное предназначение — это топливо для двигателя внутреннего сгорания.Большая часть процесса нефтепереработки направлена ​​на максимальное производство бензина. Это наиболее экономически важный производимый нефтепродукт [22]. Для того, чтобы выполнять свою задачу в качестве эффективного топлива, бензин должен иметь диапазон летучести, обеспечивающий достаточное количество пара для воспламенения, а также он должен иметь адекватные антидетонационные характеристики. Очистить продукт до необходимого давления пара не сложно. Старые автомобильные топлива имели состав, аналогичный LPD, и удовлетворяли потребности двигателя в том, что касалось давления паров и летучести.Однако с годами двигатели совершенствовались и становились мощнее. Принципиальная конструкция четырехтактного двигателя не претерпела серьезных изменений; скорее, большая часть дополнительной мощности поступала от дополнительных цилиндров и повышенной степени сжатия. Использование увеличенных степеней сжатия для увеличения мощности двигателя имело одну проблему. С увеличением степени сжатия усилилась тенденция к преждевременному воспламенению, также известному как детонация. Чтобы свести к минимуму детонацию и получить максимальную потенциальную мощность двигателей с высокими рабочими характеристиками, необходимо было увеличить октановое число бензина.Октановое число — это просто показатель способности топлива сопротивляться ударам. Он определяется путем использования стандартного двигателя и сравнения характеристик тестируемого топлива с различными комбинациями стандартных видов топлива. Для определения октанового числа используются два стандартных испытательных двигателя. Один имитирует вождение по шоссе, а другой — вождение по городу. В зависимости от используемого двигателя можно получить октановое число по исследовательскому методу (RON) или моторное октановое число (MON). Размещенное октановое число (PON), которое указывается на бензоколонках в Соединенных Штатах, представляет собой среднее арифметическое RON и MON.В большинстве других частей мира в насосе и в целях сравнения используется именно RON. Чистые соединения изооктан и n -гептан используются в качестве стандартов, и им присвоены значения 100 и 0, соответственно, потому что изооктан имеет хорошие антидетонационные свойства, тогда как n -гептан очень плохо работает в этом отношении. Следовательно, топливу, которое демонстрирует такие же антидетонационные характеристики, что и смесь, состоящая из 89% изооктана и 11% n -гептана, будет присвоено октановое число 89.

К сожалению, состав сырой нефти в диапазоне температур кипения, необходимом для бензина — примерно C ₄ –C ₁₁ — не приводит к получению высокооктанового топлива. Прямая фракционная перегонка сырой нефти приведет к продукту типа LPD, который будет иметь правильный диапазон температур кипения, но неадекватное октановое число. Чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к современному автомобильному топливу, для производства бензина требуется значительная переработка сырой нефти.

Состав большей части нефти довольно богат нормальными алканами и циклоалканами, с меньшими количествами изопарафинов и ароматических углеводородов, хотя относительные количества этих классов соединений будут варьироваться в зависимости от источника [23]. Как правило, ароматические соединения имеют наивысшее октановое число, при этом изопарафины также очень хороши. Нафтены и алканы с прямой цепью значительно хуже. Следовательно, для производства бензина необходимо выполнить дополнительные операции на нефтеперерабатывающем заводе, чтобы повысить октановое число до приемлемого уровня.Хотя на современном интегрированном нефтеперерабатывающем заводе существует множество процессов, которые используются для повышения качества бензина, двумя наиболее важными процессами являются риформинг и изомеризация. Проще говоря, основная цель процесса риформинга состоит в увеличении доли ароматических углеводородов, в первую очередь за счет превращения нафтенов в ароматические соединения. Целью изомеризации является превращение нормальных парафинов в изопарафины [22]. Использование процессов риформинга и изомеризации обеспечивает смешивание компонентов, которые используются для улучшения октанового числа конечного бензина.Из-за этих процессов химический состав получаемого бензина сильно отличается от сырой нефти. Бензин намного богаче ароматическими и изопарафиновыми соединениями, чем соответствующая легкая прямогонная фракция. Эти методы очистки бензина не удаляют нормальные парафины или нафтены; однако, поскольку многие из этих компонентов превращаются в изопарафины и ароматические углеводороды, их относительные количества значительно снижаются. Поэтому типичный бензин будет богат ароматическими соединениями, такими как одноядерные алкилбензолы, а также парафинами с разветвленной цепью.Нормальные алканы и нафтены также будут присутствовать, хотя и в гораздо меньших количествах, чем в менее очищенных продуктах типа дистиллятов. ПНА на основе индана и нафталина также будут присутствовать, но не в качестве основных компонентов. Таким образом, имеющийся в продаже бензин является уникальным нефтепродуктом, состав которого отражает предполагаемое использование и требуемые характеристики.

Устройство и принцип действия двигателей -Английский-

Устройство и принцип действия двигателей Мы широко используем тепловые двигатели с момента их изобретения в 17 веке.Есть много видов двигателей, и они используются в нашей жизни. На этом занятии представлены конструкция, принцип и характеристики тепловых двигателей и источника энергии. Поршневой паровой двигатель Поршневой паровой двигатель — первый двигатель, получивший практическое применение. Этот двигатель получает механическую мощность за счет статического давления пара. После промышленной революции он долгое время использовался в качестве источника энергии для промышленности и транспорта.Но его заменяют двигатели внутреннего сгорания, и в настоящее время он не используется. Обычно паровой двигатель состоит из котла, нагревателя, поршня, цилиндра, конденсатора и водяного насоса, как показано на правом рисунке. Впускной и выпускной клапаны расположены в верхней части цилиндра. Двигатель Стирлинга Двигатель Стирлинга состоит из двух поршней, как показано на правом рисунке. Это двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом, который многократно использует рабочий газ без какого-либо клапана.Запоминающейся характеристикой этого двигателя является то, что для получения высокого КПД используется регенератор. В те дни был изобретен двигатель, который назывался «Двигатель горячего воздуха» вместе с двигателем Эрикссон, описанным ниже. После многих разработок двигатели Стирлинга в настоящее время получают высокую мощность и высокий КПД за счет использования гелия или водорода под высоким давлением в качестве рабочего газа. Но этот двигатель еще не получил практического применения, потому что у него есть несколько проблем, таких как большой вес и высокая стоимость производства. Двигатель Ericsson Дж. Эрикссон разработал несколько двигателей, модернизировав двигатель Стирлинга (в наши дни называемый двигателем горячего воздуха). Один из них сегодня называется движком Ericsson. Это двигатель внешнего сгорания с открытым циклом с двумя клапанами на подающем цилиндре и силовом цилиндре, как показано на правом рисунке. Также в большинстве двигателей, изобретенных Дж. Эриксоном, использовался регенератор. Бензиновый двигатель В настоящее время бензиновый двигатель (двигатель с искровым зажиганием) широко используется в качестве источника энергии для автомобилей.По принципу этого двигателя смесь топлива и воздуха сначала сжимается в цилиндре. А газ взрывается от свечи зажигания и генерирует выходную мощность. В качестве хороших характеристик двигателя может быть реализован двигатель меньшего размера и легкого веса, при этом возможны высокие обороты двигателя и большая мощность. Также обслуживание двигателя очень простое. Паровая турбина Паровая турбина имеет вращающиеся лопатки вместо поршня и цилиндра поршневого парового двигателя.Этот двигатель используется в качестве источника энергии на тепловых и атомных электростанциях. Паровая турбина использует динамическое давление пара и преобразует тепловую энергию в механическую, хотя поршневой паровой двигатель использует статическое давление пара. Оба двигателя используют энергию, получаемую при расширении пара. Дизельный двигатель Дизельный двигатель (двигатель с воспламенением от сжатия) является двигателем внутреннего сгорания, а также бензиновым двигателем и широко используется в качестве источника энергии для кораблей и автомобилей.По принципу этого двигателя воздух поступает в цилиндр и сначала адиабатически сжимается до высокой температуры. Когда туман топлива впрыскивается в высокотемпературный цилиндр, он автоматически сгорает, и двигатель получает выходную мощность. Он может получить более высокий КПД, чем у бензинового двигателя, при высокой степени сжатия. Кроме того, этот двигатель имеет экономическое преимущество, потому что он может использовать в качестве топлива недорогие легкие и тяжелые нефти. Однако могут возникнуть такие проблемы, как сильные вибрации и шумы, а также увеличение веса двигателя из-за высокого давления в цилиндре. Газовая турбина По принципу газовой турбины рабочий газ (воздух) сжимается компрессором и сначала нагревается за счет энергии сгорания топлива. Рабочий газ становится высокой температуры и высокого давления. Двигатель преобразует энергию рабочего газа во вращающуюся энергию лопастей, используя взаимодействие между газом и лопастями. Как показано на рисунке ниже, существует два типа газовой турбины.Один — это тип открытого цикла (внутренний тип), а другой — тип замкнутого цикла (внешний тип). Основными компонентами обоих типов являются воздушный компрессор, камера сгорания и турбина. Газовая турбина может обрабатывать больший поток газа, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, поскольку в ней используется непрерывное сгорание. Тогда газовая турбина подходит как двигатель большой мощности. Газовая турбина для самолетов (называемая реактивным двигателем) использует это преимущество. Ракетный двигатель Ракетный двигатель получает газообразные продукты сгорания высокой температуры и высокого давления из топлива и окислителя в конбусторе.Газообразные продукты сгорания приобретают высокую скорость с адиабатическим расширением через сопло и выбрасываются в заднюю часть двигателя. Движущая сила получается за счет реакции высокоскоростного газа. Реактивный двигатель и ракетный двигатель получают движущую силу одинаковым образом за счет реакции рабочего газа. Однако отличие от реактивного двигателя в том, что в ракетном двигателе содержится весь газ, включая сам окислитель. Тогда он может получить движущую силу, даже если нет воздуха, поэтому он используется как движущий источник энергии в космосе. Топливный элемент Вышеупомянутые тепловые двигатели меняют энергию топлива на механическую за счет тепловой энергии. С другой стороны, топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую. Топливный элемент состоит из анода и катода, разделенных слоем электролита. Когда топливо подается на анод, а окислитель подается на катод, он генерирует электрическую энергию.

Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания и их функции

Несмотря на то, что существуют разные типы двигателей внутреннего сгорания, и каждый двигатель состоит из сотен компонентов, есть некоторые основные компоненты, которые присутствуют почти во всех двигателях. Те, кто изучает двигатели IC, должны знать этот базовый компонент и часто используемую терминологию в двигателях IC.
На рисунке показан поперечный разрез двигателя SI, различные компоненты и его функции описаны ниже.

🔗Разница между SI Engine и CI Engine
🔗Сравнение двухтактных и четырехтактных двигателей

Блок цилиндров

BMW 6-цилиндровый блок

Блок цилиндров — это основной корпус двигателя.Это основная несущая конструкция, которая удерживает вместе другие компоненты и обеспечивает точки крепления. Блок цилиндров изготавливается методом литья. Используемый материал может быть железом или алюминием. Для многоцилиндрового двигателя блок цилиндров выполнен как единое целое. Головка блока цилиндров плотно закреплена на верхней части блока цилиндров болтом и шпильками. Эти две части снабжены соответствующей системой охлаждения (водяная рубашка, охлаждающие ребра). Прокладка цилиндра используется для уплотнения всех сопрягаемых поверхностей, в том числе между головкой цилиндров и блоком цилиндров.Материал прокладки может быть резиной, бумагой, пробкой или металлом. Нижняя часть блока цилиндров называется картером.

Цилиндр
Цилиндр — это пространство или цилиндрический сосуд, поддерживаемый блоком цилиндров, в котором поршень совершает возвратно-поступательное движение. В процессе работы двигателя объем внутри цилиндра заполняется рабочей жидкостью и подвергается различным термодинамическим процессам.

Поршень

Поршень — это трубчатый элемент, который устанавливается в цилиндр двигателя.Его движение ограничено одним измерением, он совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Поршневые кольца и смазочные материалы, обеспечивающие посадку, являются газонепроницаемыми. Он также действует как связующее звено в передаче сил газа во вращательное движение выходного вала.

Кольца поршневые

На поршне предусмотрены поршневые кольца, обеспечивающие газонепроницаемое уплотнение между поршнем и стенкой цилиндра. Он вставляется в прорези на внешнем диаметре поршня для предотвращения утечки продуктов сгорания во время работы двигателя.

Камера сгорания
Камера сгорания — это пространство, заключенное между цилиндром и верхней частью поршня во время процесса сгорания. В камере сгорания происходит сгорание топлива, выделение тепловой энергии и повышение давления.

Шатуны

Это металлический стержень, который соединяет поршень и коленчатый вал. Он передает усилие от поршня на коленчатый вал. Малый конец шатуна соединял поршень с поршневым пальцем, а большой конец — с коленчатым валом с помощью шатунной шейки.

Коленчатый вал

Коленчатый вал — это компонент, который заключен в картер и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение выходного вала. Подшипники используются для поддержки вала трещины, уменьшения трения и позволяют ему свободно вращаться при различных условиях нагрузки. На них предусмотрена пара шатунов и балансировочные грузы для статической и динамической балансировки вращающейся системы.

Свеча зажигания

Это компонент двигателя с искровым зажиганием, инициирующий процесс сгорания.Обычно он находится на головке блока цилиндров.

Уплотнения
Уплотнения двигателя расположены на конце вала, который выходит за пределы блока цилиндров. Уплотнения защищают подшипник и предотвращают утечку газа и масла.

Кулачки и распредвал
Кулачки и распредвал — это части двигателя, которые контролируют открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Кулачок и распределительный вал приводятся в движение коленчатым валом с помощью синхронизирующих шестерен, и они сконструированы таким образом, чтобы открывать клапаны в правильное время и держать их открытыми в течение необходимого времени.Распредвалы также используются для привода системы зажигания.

Впускные и выпускные клапаны
Клапаны, расположенные в головке блока цилиндров для регулирования потока рабочей жидкости в цилиндр и удаления продуктов сгорания в атмосферу.

Впускной коллектор и выпускной коллектор
Трубы, которые соединяют впускную систему с впускным клапаном, известны как впускной коллектор. Воздух, топливовоздушная смесь втягивается в цилиндр через впускной коллектор.

Выпускной коллектор — это патрубок, соединяющий выхлопную систему с выпускными клапанами. Продукты сгорания, такие как CO, NOx и т. Д., Попадают в атмосферу через выпускной коллектор.

Маховик

Прочтите: Что такое маховик? функция, приложения и уравнение для накопленной энергии

Крутящий момент на коленчатом валу колеблется в течение одного цикла сгорания и вызывает колебания угловой скорости вала. Маховик — это инерционная масса, прикрепленная к выходному валу, чтобы минимизировать эти колебания и добиться равномерного крутящего момента.

Введение в авиационные двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (IC) — это силовая установка, используемая сегодня почти на всех легких самолетах авиации общего назначения. Электрические авиационные двигатели обещают новое и более чистое будущее авиации, но до них еще далеко, поскольку они используются в качестве прототипов, но еще не вошли в массовое распространение. Поэтому мы сосредоточимся на двигателе внутреннего сгорания в этой серии, обсуждая двигательную установку легкого самолета.

Возвратно-поступательное движение

Летательный аппарат в прямом и горизонтальном полете подвергается воздействию четырех основных сил, которые необходимо уравновесить, чтобы самолет оставался в равновесии.Вес самолета уравновешивается подъемной силой, создаваемой крылом и горизонтальным стабилизатором в вертикальном направлении. Когда самолет движется по воздуху, возникает сопротивление или сила сопротивления, которой необходимо противодействовать, чтобы поддерживать скорость полета вперед. Этот противовес лобовому сопротивлению называется силой тяги и создается комбинацией двигателя и гребного винта.

Рисунок 1: Основные силы в полете

Двигатель внутреннего сгорания работает по принципу преобразования возвратно-поступательного движения (поршни движутся вверх и вниз) во вращательное движение (вращение коленчатого вала), которое используется для привода винта.Для перемещения поршней требуется энергия: эта сила создается при сгорании смеси топлива и воздуха, которая заставляет поршень двигаться и таким образом производит полезную работу. Тогда говорят, что химическая энергия (топливо) была преобразована в механическую энергию.

Давайте посмотрим на различные компоненты, из которых состоит типичный двигатель внутреннего сгорания.

Компоненты двигателя внутреннего сгорания

На изображении ниже показан внешний вид типичного двигателя внутреннего сгорания.Далее обсуждается каждый из основных компонентов.

Рисунок 2: Разрез типичного авиационного двигателя внутреннего сгорания

Поршни

Поршень является возвратно-поступательным элементом двигателя и отвечает за передачу усилия от расширяющихся газов в камере сгорания цилиндра на коленчатый вал через шатун. На разрезе выше не показан корпус цилиндра, внутри которого движется каждый поршень.

Рис. 3. Расположение поршня и головки блока цилиндров.

Поршни обычно отливаются из алюминиевых сплавов.В приложениях с более высокими характеристиками (обычно в гоночных двигателях) поршень может быть кованым, а не литым. Поршень не контактирует напрямую с цилиндром, но газовое уплотнение между стенкой цилиндра и поршнем поддерживается за счет использования поршневых колец и масляной смазки. Эти кольца установлены в пазах, вырезанных в поршне, и изготовлены из чугуна. Обычно устанавливается несколько поршневых колец, расположенных чуть ниже днища поршня. На поршень самолета обычно устанавливают три различных типа колец: компрессионные кольца, маслосъемные кольца и маслосъемные кольца.

Рисунок 4: Поршень с установленными поршневыми кольцами

Компрессионные кольца находятся в верхней части поршня, чуть ниже головки. Эти кольца обеспечивают герметичное уплотнение между цилиндром и поршнем во время такта сжатия и сгорания четырехтактного цикла.

Маслосъемные кольца расположены под компрессионными кольцами. Эти кольца предназначены для обеспечения циркуляции масла изнутри поршня к стенкам цилиндра. Эта циркуляция осуществляется через набор небольших отверстий для слива масла.

Маслосъемные кольца расположены рядом с нижней частью поршня и имеют такую ​​форму, что они могут соскребать масло вверх и вниз по цилиндру во время движения поршня. Излишки масла удерживаются во время хода вверх, а затем возвращаются в картер во время хода вниз.

Картер

Картер — это название корпуса, в котором находятся коленчатый вал и шатуны, соединяющие поршень с коленчатым валом. Картер авиационного двигателя обычно изготавливается из литого или кованого алюминия.Это обеспечивает достаточную прочность и жесткость, чтобы удерживать коленчатый вал на месте, сохраняя при этом массовые преимущества алюминия перед сталью.

Смазочное масло двигателя хранится в нижней части картера двигателя с мокрым картером. Масло проходит через двигатель, смазывая коленчатый вал, шатунные подшипники и другие металлические детали. Масло попадает на стенки цилиндра, проходит через поршни, а затем стекает обратно в картер.

В системе с сухим картером масло хранится не в картере, а в отдельном внешнем резервуаре.Система смазки двигателя более подробно обсуждается в посте, посвященном смазке и охлаждению двигателя.

Шатун

Шатун (шатун) — это металлический компонент, который соединяет поршень и коленчатый вал. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для привода гребного винта и создания тяги.

Шатуны прикреплены к коленчатому валу с помощью крышки и стопорных болтов.Подшипник, установленный внутри крышки, позволяет шатуну преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Поршень прикреплен к шатуну с помощью поршневого пальца (также называемого поршневым пальцем или пальцем кисти), удерживаемого на месте с помощью набора пружинных зажимов.

Рисунок 5: Обозначенные компоненты шатуна

Коленчатый вал

Коленчатый вал — это вращающийся вал, на котором крепятся шатуны и поршни. Когда поршни двигаются вверх и вниз, это возвратно-поступательное движение преобразуется коленчатым валом во вращательное движение.Коленчатый вал размещен в картере и состоит из шейки, щеки кривошипа и шатунных штифтов.

Рисунок 6: Компоненты коленчатого вала

Шатуны прикреплены к шатунным шейкам, а коленчатый вал поддерживается блоком двигателя через набор подшипников на шейках коленчатого вала.

К коленчатому валу часто прикрепляют маховик, который накапливает энергию вращения и обеспечивает более постоянную скорость вращения, чем это было бы возможно при возвратно-поступательном движении поршней.

Клапаны

Любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания должен иметь как минимум два клапана на цилиндр: один для впуска топливно-воздушной смеси и один для выпуска газов после сгорания. В авиационных двигателях обычно используется двухклапанная конструкция. Многие автомобильные двигатели используют четырехклапанный механизм (два впускных и два выпускных), что улучшает поток впускных и выхлопных газов.

Клапаны должны сохранять свою прочность и форму при высоких температурах, поэтому их обычно изготавливают из высокопрочных сталей.Выпускные клапаны обычно меньше впускных, чтобы уменьшить вероятность преждевременного воспламенения или детонации. Выпускной клапан обычно является самой горячей частью двигателя, а клапан меньшего размера снижает вероятность того, что высокие температуры могут вызвать преждевременное воспламенение топливно-воздушной смеси, добавленной во время такта впуска.

Впускной и выпускной клапаны известны как тарельчатые клапаны и состоят из длинного штока, шейки и заглушки или головки. Головка состоит из двух поверхностей: поверхности горения и поверхности седла.Клапаны перемещаются вверх и вниз через направляющую клапана, открывая и закрываясь в определенные моменты цикла четырехтактного двигателя. Время газораспределения определяется вращением распределительного вала, о котором идет речь.

Рисунок 7: Типовой клапан двигателя

Распределительный вал

Впускной и выпускной клапаны открываются и закрываются с помощью распределительного вала, который приводится в движение от двигателя приводным ремнем, соединяющим коленчатый вал с распределительным валом. В четырехтактном цикле каждый клапан должен открываться и закрываться один раз за полный цикл, при котором коленчатый вал вращается на два полных оборота.Следовательно, распределительный вал должен приводиться в движение на половине скорости вращения двигателя — это достигается за счет механической передачи.

Распределительный вал изготавливается с несколькими кулачками или кулачками, каждый из которых расположен над клапаном и приводит в движение этот клапан. Форма кулачка определяет, как клапан открывается и закрывается, а ориентация выступа определяет последовательность, в которой работает клапан. Проще всего визуализировать это движение, обратившись к приведенной ниже анимации.

Рис. 8: Клапаны двигателя, приводимые в движение верхним кулачком

В авиационных двигателях клапаны управляются не напрямую через контакт с кулачком, а через систему толкателя и коромысла, которые соединяют кулачок с клапаном. Эта система допускает наличие зазора или зазора между коромыслом и наконечником клапана. Этот зазор важен, поскольку температура двигателя изменяется во время работы, что приводит к расширению клапана при более высоких температурах. Без зазора между наконечником клапана и коромыслом повышение температуры приведет к позднему открытию или преждевременному закрытию клапанов, что приведет к ухудшению работы двигателя и потере мощности.Зазор можно отрегулировать, обычно с помощью винта на узле коромысла.

Наконец, в каждый клапан встроены две пружины, которые помогают быстро закрыть клапан и гасить любой дребезг клапана, который может произойти из-за вибраций, присущих работе двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 9: Коромысло клапана двигателя

Свечи зажигания

Свеча зажигания предназначена для воспламенения топливно-воздушной смеси, поступающей во впускной канал цилиндра.Это сгорание затем заставляет поршень опускаться во время рабочего такта четырехтактного цикла. Свеча зажигания работает, принимая очень высокое напряжение от системы зажигания самолета, которое затем перескакивает между центральным электродом и заземленной внешней стороной свечи, в результате чего возникает искра. Это похоже на то, как молния прыгает между облаком и Землей. Для этого напряжение должно быть очень высоким — обычно в диапазоне от 5000 до 20000 В. Искра возникает, поскольку центральный электрод изолирован от заземленной внешней части вилки, и поэтому высокое напряжение должно преодолевать воздушный зазор. между ними возникает искра.Изоляция чаще всего достигается с помощью керамической вставки, которая не проводит электричество.

Свечи зажигания подразделяются на горячие и холодные. Керамическая вставка на горячей вилке имеет меньшую площадь контакта с металлической частью вилки, чем холодная вилка. Поэтому горячие свечи отводят тепло медленнее, чем холодные свечи, и лучше подходят для работы в более холодных двигателях с более низкой степенью сжатия. И наоборот, холодные свечи лучше подходят для работы в более горячих двигателях с более высокой степенью сжатия, поскольку они способны более эффективно рассеивать тепло.

Свеча зажигания должна потреблять высокое напряжение, генерируемое системой зажигания самолета. Напряжение поступает в вилку через выемку (клемму), которая удерживается гайкой и закрыта водонепроницаемым уплотнением.

Авиационные двигатели всегда имеют две отдельные системы зажигания, чтобы увеличить резервирование и снизить риск отказа двигателя на критическом этапе полета. Поскольку двойные системы зажигания полностью разделены, в каждом цилиндре будут установлены две свечи зажигания — по одной для каждой системы.

Рисунок 10: Свечи зажигания для самолетов с горячим и холодным током

Компоновка поршневого двигателя

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легких самолетах, обычно соответствуют одной из ряда стандартных компоновок, которые классифицируются в соответствии с расположением цилиндров относительно коленчатого вала. Сейчас мы познакомим вас с несколькими распространенными макетами.

Рядный двигатель

Рядные двигатели

характеризуются вертикальным расположением цилиндров, расположенных в одну линию вдоль картера. Одним из преимуществ такой компоновки является низкая площадь лобовой части, которую двигатель представляет для встречного воздуха.Низкая площадь лобовой части означает, что капот двигателя может быть уменьшен, что снижает влияние лобового сопротивления самолета.

Проблемы с охлаждением задних цилиндров при рядном расположении обычно ограничивают количество цилиндров, которые могут быть размещены на двигателе.

Может быть сложно установить инвертированный рядный двигатель (например, deHavilland Gipsy Major, показанный ниже) на самолет с носовым колесом из-за расположения цилиндров. Поэтому эти двигатели обычно устанавливаются на самолетах с хвостовым колесом.

Рисунок 11: Пример встроенного движка. Источник: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DHGipsyMajorengineDrover.JPG

Горизонтально противоположный (плоский) двигатель

Это расположение цилиндров, наиболее часто встречающееся в легких самолетах авиации общего назначения. Здесь цилиндры расположены горизонтально в два ряда с равным количеством цилиндров на каждом из них. Каждый цилиндр соединен с соответствующим цилиндром на противоположном берегу, чтобы свести к минимуму вибрацию. Коленчатый вал расположен по центру между двумя рядами цилиндров.

Горизонтально расположенные двигатели можно сделать короче, чем эквивалентный рядный двигатель, поскольку цилиндры размещены в двух рядах, а не в одном. Однако при такой компоновке двигатель шире и должен изготавливаться с двумя отдельными головками блока цилиндров, а не с одной.

Рисунок 12: Пример горизонтально расположенного двигателя. Источник https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Lycoming_AEIO-540-D4A5.jpg

В таблице ниже перечислены некоторые из наиболее распространенных горизонтально расположенных двигателей, используемых сегодня в легких самолетах, а также некоторые примеры самолет у них мощность.

Название двигателя	Примеры самолетов	№ цилиндров	Рабочий объем	Выходная мощность
Семейство Lycoming O-320	Cessna 172, Cessna 177, Piper PA-28 Cherokee, Piper PA-30 Twin Comanche, Робинсон R22	4	320 куб. Дюймов (5,24 л)	150-160 л.с.
Семейство Lycoming O-540	Cessna 182, Cessna 206, Piper PA-32 Cherokee Six, Vans RV-10	6	541.5 кубических дюймов (8,87 л)	230 — 350 л.с.
Семейство Continental IO-360	Cirrus SR20, Mooney M20, Piper PA-34 Seneca	6	360 куб. Дюймов (5,9 л)	180 — 225 л.с.
Семейство Rotax 912	Tecnam Echo, Diamond DA-20, CSA Sportcruiser	4	1,2 л (74 куб. Дюйма)	80-100 л.с.

Радиальный двигатель

Радиальные двигатели состоят из группы цилиндров, расположенных радиально вокруг центрального коленчатого вала, подобно спицам колеса.Цилиндры данного ряда расположены в одной плоскости радиально от коленчатого вала, так что не все шатуны могут быть прикреплены непосредственно к коленчатому валу. Вместо этого один поршень соединяется непосредственно с коленчатым валом, а все остальные соединяются с кольцом на главном шатуне через узел ведущего и шарнирного штока.

Четырехтактные радиально-поршневые двигатели всегда проектируются с нечетным числом цилиндров, чтобы можно было использовать постоянный порядок зажигания.Это сделано для того, чтобы между поршнями на такте сгорания и такте сжатия оставался однопоршневой зазор.

Радиальные двигатели обычно использовались на более крупных самолетах, где можно было установить несколько рядов поршней для производства двигателя с большой выходной мощностью при сохранении как можно более компактного двигателя. В самолетах времен Второй мировой войны, таких как Republic P-47 Thunderbolt, Douglas C 47 и Avro Lancaster, использовались радиальные двигатели. Большие радиальные двигатели были в значительной степени устаревшими после Второй мировой войны, поскольку реактивные двигатели и газотурбинные двигатели могли производить большую мощность, более надежно при меньшей общей массе.

Рисунок 13: Радиальный двигатель. Источник https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/80/Watercooled_radialengine.jpg/640px-Watercooled_radialengine.jpg

Двигатель V-типа

V-образные двигатели

характеризуются наличием цилиндров, расположенных в два ряда по V-образной схеме, если смотреть вдоль оси коленчатого вала. За счет V-образного расположения цилиндров общие размеры двигателя могут быть уменьшены по сравнению с горизонтально расположенной конфигурацией. Угол между двумя рядами цилиндров обычно называют углом V.Общие углы 90 °, 60 ° и 45 °.

Одним из самых известных двигателей V-образной конфигурации был двигатель Rolls Royce V12 Merlin, который приводил в действие ряд самолетов Второй мировой войны, включая Supermarine Spitfire, Hawker Hurricane и de Havilland Mosquito.

Рисунок 14: Двигатель Rolls Royce Merlin. Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7d/Rolls-Royce_Merlin.jpg/640px-Rolls-Royce_Merlin.jpg

На этом мы подошли к концу нашего знакомства с поршневыми двигателями самолетов. .В следующем посте мы обсудим четырехтактный рабочий цикл, лежащий в основе работы большинства авиационных двигателей внутреннего сгорания.

Вам понравился этот пост? Почему бы не продолжить чтение этой серии статей о поршневых двигателях самолетов и их системах?

Operando Измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания методом нейтронографии.

Пространственное отображение распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать осуществимость пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на.Эта сетка была расположена ниже внешней поверхности двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и головкой блока цилиндров, которая состоит из литой сплав AlCe. Поскольку оба сплава основаны на Al, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки FCC, с помощью

Деформация решетки может быть определена как заданное местоположение (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z):

ϵhklx, y, z = dhklx, y, z −dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.

[2]

При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было выполнено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение измерялось в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли с помощью аппроксимации одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для событийной нейтронной дифракции (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное отображение визуализируется в виде графика псевдоцвета. Граница раздела между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета деформации при работе двигателя.

( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d ₃₁₁ ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены белыми заполненными кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком четко видна на карте d ₃₁₁ и соответствует областям, выделенным на.( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пиков имеет четко видимые (222) и (311) пики, в то время как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное картирование d ₃₁₁ при горячей стационарной работе двигателя — выполнено только частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ ₃₁₁ ), рассчитанная путем сравнения d ₃₁₁ во время работы двигателя в установившемся режиме ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D представляют собой совокупность исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (). ( E ) Примерные спектры из одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.

Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также имеют аннотации и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рисунке), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин от эталонного отображения показаны на. Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.

В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.

Карта операнда d311 (y, z) показана и была подготовлена ​​аналогично справочной карте в. Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом похожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов в была смещена в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на. Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого уровня (2365 ± 112 мкл) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 мкМ) в головке блока цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, который ближе всего к горячему. выхлопное отверстие, как показано на. Использование измеренного коэффициента теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для сплава головки блока цилиндров AlCe и предположение, что деформация полностью вызвана тепловым расширением, приводит к предполагаемому увеличению температуры на 174.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ (26). Использование КТР 21,8 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому увеличению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) в и ИК-измерениями температуры поверхности, показанными на рис.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, та же область была переназначена той же сеткой измерений, и результирующая карта d311 (y, z) показана в формате. Используя справочную карту в качестве d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники. Примеры дифракционных картин до и после от места в головке цилиндров показаны и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения.Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

( A ) Пространственное отображение d ₃₁₁ после того, как двигатель был остановлен и оставлен охлаждаться до комнатной температуры, с таким же масштабированием и в целом похожим внешним видом.( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из и. ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рисунке справа.Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 минут, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин. Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени в этих временных масштабах, для определения изменяющейся во времени реакции системы использовалось непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки.Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах. Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала.Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные ансамбля с разбиением на интервалы показаны на рис. Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

( A ) Решетки Al (222) и Al (311) головки блока цилиндров эволюционируют в течение цикла нагрузки двигателя.Данные показаны в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Контрольные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного a0 = 4,0485 (3) Å с использованием уравнения. 1 . ( B ) Типичная картина TOF-дифракции от блока цилиндров с уточнением Ритвельда. Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.

Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на и, использовался однопиковый фитинг d311, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее подходящим. практичный. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой подгонки, было применено уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ) как показано в .Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично уравнению. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311:

ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z.

[3]

Разрешенная во времени деформация решетки ансамбля в двух точках нанесена на график вместе с типичными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров.Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в ядре, или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после выключения. Напротив, температура поверхности инфракрасного излучения показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе.Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности до изменения тенденции и снижения со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные по совокупности деформаций нанесены на временные интервалы по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями и картированием стационарной деформации, показанными на.

( Top ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Нижний ) Отклик ансамбля на деформацию решетки из выбранных мест, измеренный в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности головки цилиндров.

Деформация решетки, измеренная внутри головки блока цилиндров, отображается в зависимости от температуры инфракрасного излучения, измеренной на поверхности головки блока цилиндров в дюймах. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловому расширению; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке блока цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки блока цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с нейтронографическим измерением) и были извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.С установленными квалификациями действительно наблюдается сильная корреляция между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R ² = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, используемой для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между данными нейтронной дифракции и другими показателями динамического поведения системы, наблюдаемая и демонстрирующая, что стробоскопическая нейтронная дифракция способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.

Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки блока цилиндров с помощью дифракции нейтронов, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.

Проблемы и ограничения.

В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования реальных инженерных устройств и систем на месте сопряжены с рядом проблем.

Геометрическая сложность.

Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на рассматриваемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, вариации, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут вносить неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и юстировки важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних характеристиках образца.

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Размеры зерен.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к пятнистым дифракционным картинам и ошибочным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с измерительным объемом (5 × 5 × 5 мм ³ ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al очень прозрачен с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно более высокое затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния ¹ H означает, что водородосодержащие материалы, такие как пластмасса, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.

Активация.

Хотя нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от нейтронного потока и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа ²⁷ Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации ²⁸ Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, ⁵⁹ Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, ⁶⁰ Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы пользователи имели заранее как можно больше информации о составе их образцов, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.

ISUZU: Дизельные двигатели и бензиновые двигатели

Дизельные двигатели обладают множеством функций, с которыми не могут сравниться другие двигатели внутреннего сгорания.К преимуществам дизельного топлива относятся хороший термический КПД, который приводит к относительно низким выбросам CO, а также высокий крутящий момент даже на низких скоростях и высокая долговечность.
В своей диссертации 1892 года по теме «Теория и структура рационального теплового двигателя, который должен заменить известные сегодня паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания», Рудольф Дизель, изобретатель дизельного двигателя в Германии, описал основные принципы нового двигателя. Это: (1) сначала в камеру сгорания подается только воздух, затем топливо впрыскивается после сжатия воздуха; и (2) степень сжатия воздуха устанавливается высокой, так что температура воздуха становится намного выше точки сгорания топлива.
Дизельные двигатели работают на системе сгорания с самовозгоранием или сжатием, не требующей свечей зажигания, и от метода неравномерного смешивания, при котором воздух и топливо отправляются отдельно в камеру сгорания, где они смешиваются вместе и происходит самовозгорание.

Уровни выбросов выхлопных газов для дизельных и бензиновых двигателей сильно различаются. Дизельные двигатели выделяют более высокие уровни оксидов азота (NOx) и твердых частиц (ТЧ), чем бензиновые двигатели.

Арт. Дизель Бензин Выбросы выхлопных газов NOx – Лучше PM – Лучше CO (в зависимости от расхода топлива) Лучше – Прочие Уровень шума – Лучше Крутящий момент двигателя Лучше – Прочность Лучше –

Характеристики выбросов дизельного топлива

Среди веществ, содержащихся в выбросах выхлопных газов, особенно вредными для окружающей среды являются диоксид углерода (CO), монооксид углерода (CO), углеводороды (HC), оксиды азота (NOx) и твердые частицы. дело (ПМ).В частности, серьезное внимание привлекают CO, PM и NOx, и были разработаны различные технологии для уменьшения их образования.
CO (двуокись углерода)
Что такое CO? CO или углекислый газ — это бесцветный газ без запаха, естественным образом присутствующий в воздухе. Концентрация CO увеличивается из-за сжигания ископаемого топлива и вырубки тропических лесов. Важно максимально экономить ископаемое топливо, чтобы уменьшить количество выделяемого CO. Автомобили с хорошим расходом топлива выделяют меньше CO.
Что происходит при повышении уровня CO в атмосфере?

Больше всего беспокоит его связь с глобальным потеплением. По мере повышения средней температуры уровень моря повышается, и аномальные климатические условия возникают все чаще. Последствия этих изменений для людей во всем мире очень серьезны.

ТЧ (твердые частицы)
Что такое ТЧ?

ТЧ — это общий термин для различных видов твердых частиц, выбрасываемых дизельными и другими двигателями. Это вещество состоит в основном из сажи, полусгоревших частиц топлива, компонента смазочного масла, называемого SOF (растворимая органическая фракция), и сульфатов, образующихся из серы, содержащейся в легком нефтяном топливе.ТЧ также включает взвеси *, которые состоят из особо мелких частиц.

Что происходит, когда выбросы ТЧ увеличиваются?

ТЧ — одно из переносимых по воздуху загрязнителей, оказывающих прямое воздействие на здоровье человека. Вдыхание большого количества PM может привести к респираторным заболеваниям или хроническим заболеваниям легких.

* SPM (взвешенные твердые частицы): среди твердых частиц, присутствующих в выхлопных газах двигателя, частицы диаметром менее 10 микрон относятся к категории твердых частиц. Экологические стандарты устанавливают максимальные уровни выбросов ВОП.

NOx (оксиды азота)
Что такое NOx?

NOx — это общий термин для различных химических соединений, образующихся в реакциях между азотом и кислородом при высоких температурах. Количество образующихся NOx увеличивается по мере того, как сгорание становится более полным, поэтому для уменьшения образования NOx необходимо снизить температуру реакции. Этот факт затрудняет одновременное снижение образования NOx и PM.

Что происходит, когда выбросы NOx увеличиваются?

NOx — основная причина фотохимического смога и кислотных дождей.Он оказывает огромное влияние на природные экосистемы, разрушая леса и подкисляя озера и болота. В крупных городах высокие локальные концентрации NOx могут оказывать негативное воздействие на дыхательную систему человека.

Основы двигателя внутреннего сгорания 2E

Часто используемые символы, индексы и сокращения
ГЛАВА 1 Типы двигателей и их работа
1.1 Введение и историческая перспектива
1.2 Классификация двигателей
1.3 Рабочие циклы двигателя
1.4 Компоненты двигателя
1.5 Многоцилиндровые двигатели
1.6 Работа двигателя с искровым зажиганием
1.7 Различные типы четырехтактных двигателей SI
1.7.1 Двигатели с искровым зажиганием с левым впрыском топлива
1.7.2 SI Двигатели для гибридных электромобилей
1.7.3 Двигатели SI с наддувом
1.7.4 Двигатели SI с непосредственным впрыском
1.7.5 Двигатели SI с форкамерой
1.7.6 Роторные двигатели
1.8 Работа двигателя с воспламенением от сжатия
1.9 различных типов дизельных двигателей
1.10 Работа двигателя с двухтактным циклом
1.11 Топливо
1.11.1 Бензин и дизельное топливо
1.11.2 Альтернативные виды топлива
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 2 Конструкция и рабочие параметры двигателя
2.1 Важные характеристики двигателя
2.2 Геометрические характеристики Взаимосвязи для поршневых двигателей
2.3 Силы в поршневом механизме
2.4 Тормозной момент и мощность
2.5 Указанная работа за цикл
2.6 Механический КПД
2.7 Среднее эффективное давление
2.8 Удельный расход топлива и КПД
2.9 Соотношение воздух / топливо и топливо / воздух
2.10 Объемный КПД
2.11 Удельная мощность, удельный вес и удельный объем
2.12 Поправочные коэффициенты для энергетического и объемного КПД
2.13 Удельные выбросы и Индекс выбросов
2.14 Взаимосвязь между рабочими параметрами
2.15 Конструкция двигателя и рабочие характеристики
2.16 Требования к мощности транспортного средства
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 3 Термохимия топливовоздушных смесей
3.1 Характеристика пламени
3.2 Модель идеального газа
3.3 Состав воздуха и топлива
3.4 Стехиометрия горения
3.5 Первый закон термодинамики и горения
3.5.1 Балансы энергии и энтальпии
3.5.2 Энтальпии образования
3.5.3 Значения нагрева
3.5.4 Процессы адиабатического горения
3.5.5 Эффективность сгорания двигателя внутреннего сгорания
3.6 Второй закон термодинамики применительно к горению
3.6.1 Энтропия
3.6.2 Максимальная работа двигателя внутреннего сгорания и КПД
3.7 Химически реагирующие газовые смеси
3.7.1 Химическое равновесие
3.7.2 Скорость химических реакций
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 4 Свойства рабочих жидкостей
4.1 Введение
4.2 Состав несгоревшей смеси
4.3 Соотношения свойств газа
4.4 Простая аналитическая модель идеального газа
4.5 Графики термодинамических свойств
4.5.1 Графики несгоревшей смеси
4.5.2 Таблицы сгоревшей смеси
4.5.3 Связь между несгоревшими и сгоревшими смесями
4.6 Таблицы свойств и состава
4.7 Компьютерные программы для расчета свойств и состава
4.7.1 Несгоревшие смеси
4.7.2 Сгоревшие смеси
4.8 Транспортные свойства
4.9 Состав выхлопных газов
4.9.1 Виды Данные о концентрации
4.9.2 Определение коэффициента эквивалентности по составляющим выхлопного газа
4.9.3 Влияние неоднородности соотношения топливо / воздух
4.9.4 Неэффективность сгорания
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 5 Идеальные модели циклов двигателя
5.1 Введение
5.2 Идеальные модели процессов в двигателе
5.3 Термодинамические соотношения для процессов в двигателе
5.4 Анализ цикла с идеальной газовой рабочей жидкостью при постоянных cv и cp
5.4.1 Цикл постоянного объема
5.4.2 Циклы ограниченного и постоянного давления
5.4.3 Сравнение циклов
5.5 Анализ топливно-воздушного цикла
5.5.1 Моделирование цикла двигателя SI
5.5.2 Моделирование цикла двигателя CI
5.5.3 Результаты расчетов цикла
5.6 Перерасширенные циклы двигателя
5.7 Анализ доступности процессов двигателя
5.7.1 Взаимосвязи доступности
5.7.2 Изменения энтропии в идеальных циклах
5.7.3 Анализ доступности идеальных циклов
5.7.4 Влияние отношения эквивалентности
5.8 Сравнение с реальными циклами двигателя
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 6 Процессы газообмена
6.1 Процессы впуска и выпуска в четырехтактном цикле
6.2 Объемный КПД
6.2.1 Квазистатические эффекты
6.2.2 Сопротивления потоку на впуске и выпуске
6.2.3 Воздухозаборник и теплопередача внутри цилиндра
6.2.4 Временные эффекты впускного клапана
6.2.5 Дросселирование воздушного потока на впускном клапане
6.2.6 Регулировка впуска и выпуска
6.2.7 Комбинированные эффекты: Двигатели без наддува
6.2.8 Воздействие Турбонаддув
6.3 Расход через клапаны и порты
6.3.1 Геометрия и работа клапана и порта
6.3.2 Скорость потока и коэффициенты нагнетания
6.3.3 Регулируемое время работы клапана и управление
6.4 Доля остаточного газа
6.5 Изменение расхода выхлопного газа и температуры
6.6 Удаление продувки в двухтактных двигателях
6.6.1 Конфигурации двухтактных двигателей
6.6.2 Параметры и модели продувки
6.6.3 Фактические процессы продувки
6.7 Поток через порты двухтактного двигателя
6.8 Наддув и турбонаддув
6.8.1 Методы повышения мощности
6.8.2 Основные взаимосвязи
6.8.3 Компрессоры
6.8.4 Турбины
6.8.5 Согласование компрессора, двигателя, турбины
6.8.6 Устройства волнового сжатия
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 7 Приготовление смеси в двигателях системного монтажа
7.1 Требования к смеси двигателя с искровым зажиганием
7.2 Обзор дозирования топлива
7.2.1 Подходы к образованию смеси
7.2.2 Соответствующие характеристики топлива
7.3 Центральный (дроссельная заслонка) впрыск топлива
7.4 Портовый (многоточечный) впрыск топлива
7.4.1 Система Компоновка, компоненты и функции
7.4.2 Распыление топлива
7.4.3 Воздействие обратного потока
7.5 Явления воздушного потока
7.5.1 Поток мимо дроссельной заслонки
7.5.2 Поток во впускных коллекторах
7.5.3 Модели с воздушным потоком
7.6 Явления потока топлива: Портовый впрыск топлива
7.6.1 Поведение жидкого топлива
7.6.2 Переходные процессы: модели с топливной пленкой
7.7 Прямой впрыск топлива
7.7.1 Обзор подходов с прямым впрыском
7.7.2 DI Процессы приготовления смеси
7.7.3 Система и компоненты двигателя DI
7.8 Датчики кислорода выхлопных газов
7.9 Системы подачи топлива
7.10 Сжиженный углеводородный газ и природный газ
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 8 Движение заряда в цилиндре
8.1 Потоки, создаваемые всасыванием
8.2 Характеристики средней скорости и турбулентности
8.2.1 Определения соответствующих параметров
8.2.2 Применение к данным о скорости двигателя
8.3 Завихрение
8.3.1 Измерение завихрения
8.3.2 Возникновение завихрения во время индукции
8.3.3 Модификация завихрения в цилиндре
8.4 Поток
8.5 Поршневые потоки: сжатие
8.6 Взаимодействие завихрения, опрокидывания, сжатия потока
8.7 Потоки в форкамерном двигателе
8.8 Щелевые потоки и продувка
8.9 Потоки, создаваемые взаимодействием поршневого цилиндра со стенкой
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 9 Сгорание в двигателях с искровым зажиганием
9.1 Существенные особенности процесса
9.1.1 Основы сгорания
9.1.2 Процесс сгорания двигателя SI
9.2 Термодинамика сгорания двигателя SI
9.2.1 Сгоревшая и несгоревшая смесь
9.2.2 Анализ данных давления в цилиндре
9.2.3 Характеристика процесса горения
9.3 Структура пламени и скорость
9.3.1 Общие наблюдения
9.3.2 Структура пламени
9.3.3 Скорость ламинарного горения
9.3.4 Зависимость распространения пламени
9.3.5 Горение с прямым впрыском топлива
9.4 Циклические изменения горения, частичного горения и пропусков зажигания
9.4.1 Наблюдения и Определения
9.4.2 Причины колебаний от цикла к циклу и от цилиндра к цилиндру
9.4.3 Частичное горение, пропуски зажигания и стабильность двигателя
9.5 Искровое зажигание
9.5.1 Основы зажигания
9.5.2 Стандартные системы зажигания
9.5.3 Альтернативные подходы к зажиганию
9.6 Ненормальное горение: самовозгорание и детонация
9.6.1 Описание явлений
9.6.2 Основы детонации
9.6.3 Факторы топлива
9.6.4 Спорадические преждевременные воспламенения и детонация
9.6. 5 Подавление детонации
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 10 Сгорание в двигателях с воспламенением от сжатия
10.1 Основные характеристики процесса
10.2 Типы дизельных систем сгорания
10.2.1 Системы с прямым впрыском топлива
10.2.2 Другие системы сгорания дизельного топлива
10.2.3 Сравнение различных систем сгорания
10.3 Сжигание в дизельном двигателе
10.3.1 Оптические исследования процесса сгорания дизельного топлива
10.3.2 Сгорание в многораспылительных системах с прямым впрыском
10.3.3 Анализ скорости тепловыделения
10.3.4 Концептуальная модель сжигания дизельного топлива в дизельном топливе
10.4 Распыление топлива
10.4.1 Впрыск топлива
10.4.2 Общая структура распылителя
10.4.3 Распыление и развитие распыления
10.4.4 Проникновение распыления
10.4.5 Распределение капель по размеру
10.4.6 Испарение распыления
10.5 Задержка воспламенения
10.5.1 Определение и обсуждение
10.5.2 Качество воспламенения топлива
10.5.3 Самовоспламенение и горение смеси
10.5.4 Физические факторы, влияющие на воспламенение Задержка
10.5.5 Влияние свойств топлива
10.5.6 Корреляция задержки воспламенения в двигателях
10.6 Горение при смешивании
10.6.1 Предпосылки
10.6.2 Структура распыления и пламени
10.6.3 Смешивание топлива с воздухом и скорости горения
10.7 Альтернативные подходы к сжиганию с воспламенением от сжатия
10.7.1 Сжигание дизельного топлива с многократным впрыском
10.7.2 Усовершенствованные концепции сгорания с воспламенением от сжатия
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 11 Образование и контроль загрязняющих веществ
11.1 Природа и Масштабы проблемы
11.2 Оксиды азота
11.2.1 Кинетика образования NO
11.2.2 Образование NO2
11.2.3 Образование NO в двигателях с искровым зажиганием
11.2.4 Образование NOx в двигателях с воспламенением от сжатия
11.3 Окись углерода
11.4 Выбросы углеводородов
11.4.1 Общие сведения
11.4.2 Основы тушения пламени и окисления
11.4.3 Выбросы углеводородов из двигателей с искровым зажиганием
11.4.4 Механизмы выброса углеводородов в дизельном топливе Двигатель
11.5 Выбросы твердых частиц
11.5.1 Твердые частицы двигателя с искровым зажиганием
11.5.2 Характеристики дизельных твердых частиц
11.5.3 Распределение твердых частиц в цилиндре
11.5.4 Основы образования сажи
11.5.5 Окисление сажи
11.5.6 Адсорбция и конденсация
11.6 Очистка выхлопных газов
11.6.1 Доступные опции
11.6.2 Основы катализатора
11.6.3 Каталитические преобразователи
11.6.4 Фильтры или ловушки твердых частиц
11.6 .5 Системы обработки выхлопных газов
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 12 Теплопередача двигателя
12.1 Важность теплопередачи
12.2 Режимы теплопередачи
12.2.1 Проводимость
12.2.2 Конвекция
12.2.3 Излучение
12.2.4 Общий процесс теплопередачи
12.3 Теплопередача и энергетический баланс двигателя
12.4 Конвективная теплопередача
12.4.1 Анализ размеров
12.4.2 Корреляции для усредненного по времени теплового потока
12.4.3 Корреляции для мгновенных пространственных средних коэффициентов
12.4.4 Корреляции для мгновенных локальных коэффициентов
12.4.5 Теплопередача выхлопных и впускных систем
12.5 Радиационная теплопередача
12.5.1 Излучение газов
12.5.2 Излучение пламени
12.6 Измерения мгновенной скорости теплопередачи
12.6.1 Методы измерения
12.6.2 Измерения двигателя с искровым зажиганием
12.6.3 Измерения дизельного двигателя
12.6.4 Оценка теплопередачи Корреляции
12.6.5 Поведение пограничного слоя
12.7 Термическая нагрузка и температура компонентов
12.7.1 Влияние переменных двигателя
12.7.2 Распределение температуры компонентов
12.7.3 Прогрев двигателя
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 13 Трение и смазка двигателя
13.1 Предпосылки
13.2 Определения
13.3 Основы трения
13.3.1 Смазываемое трение
13.3.2 Турбулентное рассеивание
13.3.3 Общее трение
13.4 Методы измерения
13.5 Данные о трении двигателя
13.5.1 Двигатели SI
13.5.2 Дизельные двигатели
13,6 Механические фрикционные компоненты
13.6.1 Испытания на поломку моторизованного двигателя
13.6.2 Система смазки двигателя
13.6.3 Трение и смазка поршневого узла
13.6.4 Трение коленчатого вала
13.6.5 Трение клапана
13.7 Трение нагнетания
13.8 Требования к мощности дополнительных устройств
13.9 Моделирование трения двигателя
13.10 Расход масла
13.10.1 Контекст потребления масла
13.10.2 Транспортировка масла в цилиндр
13.10.3 Испарение масла
13.10.4 Прорыв и масло Унос
13.11 Смазочные материалы
Проблемы
Ссылки
ГЛАВА 14 Моделирование реального потока в двигателе и процессов сгорания
14.1 Назначение и классификация моделей
14.2 Управляющие уравнения для открытой термодинамической системы
14.2.1 Сохранение массы
14.2.2 Сохранение энергии
14.3 Модели потока на входе и выходе
14.3.1 Предпосылки
14.3.2 Модели квазистационарного потока
14.3.3 Заполнение и опорожнение Методы
14.3.4 Газодинамические модели
14.4 Термодинамические модели в цилиндрах
14.4.1 Предпосылки и общая структура модели
14.4.2 Модели двигателей с искровым зажиганием
14.4.3 Модели двигателей с прямым впрыском
14.4.4 Модели двигателя с форкамерой
14.4.5 Модели многоцилиндровых и сложных систем двигателя
14.4.6 Анализ процессов двигателя по второму закону
14.5 Многомерные модели на основе гидромеханики
14.5.1 Базовый подход и управляющие уравнения
14.5. 2 Модели турбулентности
14.5.3 Численная методология
14.5.4 Прогнозы поля потока
14.5.5 Моделирование распыления топлива
14.5.6 Моделирование горения
Ссылки
ГЛАВА 15 Рабочие характеристики двигателя
15.1 Цели проектирования двигателя
15.2 Рабочие характеристики двигателя
15.2.1 Основные характеристики SI и дизельных двигателей
15.2.2 Характеристики двигателя
15.2.3 Крутящий момент, мощность и среднее эффективное давление
15.2.4 Карты рабочих характеристик двигателя
15.3 Рабочие переменные, которые Влияние на производительность, эффективность и выбросы двигателя SI
15.3.1 Время искры
15.3.2 Состав смеси
15.3.3 Нагрузка и скорость
15.3.4 Степень сжатия
15.4 Конструкция системы сгорания двигателя SI
15.4.1 Цели и варианты
15.4.2 Факторы, контролирующие горение
15.4.3 Факторы, контролирующие производительность
15.4.4 Требование октанового числа камеры
15.4.5 Выбросы двигателя SI
15.4.6 Оптимизация
15.5 Переменные, влияющие на работу дизельного двигателя, эффективность, и выбросы
15.5.1 Нагрузка и скорость
15.5.2 Конструкция системы сгорания
15.5.3 Впрыск топлива и EGR
15.