Четырехтактный двигатель

редактировать

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

A четырехтактный (также четырехтактный ) двигатель - это двигатель внутреннего сгорания (IC), в котором поршень совершает четыре отдельных хода при вращении коленчатого вала. Под ходом понимается полный ход поршня по цилиндру в любом направлении. Четыре отдельных хода называются:

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

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Цикл Отто
    • 1.2 Цикл Аткинсона
    • 1.3 Дизельный цикл
  • 2 Термодинамический анализ
  • 3 Рекомендации по топливу
  • 4 Принципы проектирования и разработки
    • 4.1 Ограничения выходной мощности
      • 4.1.1 Поток через впускное / выпускное отверстие
    • 4.2 Рекуперация отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания
      • 4.2.1 Наддув
      • 4.2.2 Турбонаддув
    • 4.3 Отношение штока и поршня к ходу поршня
    • 4.4 Клапанный механизм
      • 4.4.1 Клапанный зазор
    • 4.5 Энергетический баланс
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Общие источники
  • 8 Внешние ссылки

История

Цикл Отто

Двигатель Отто, производство в США 1880-х годов

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

. При испытании копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто узнал о влиянии сжатия на топливный заряд. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, улучшающий низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь до воспламенения, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель работал не более чем за несколько минут до своего разрушения. Многие другие инженеры пытались решить эту проблему, но безуспешно.

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

Daimler и Maybach оставили свою работу в Otto and Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Otto в 1883 году. В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Otto. Daimler Reitwagen использовал систему зажигания с горячей трубкой и топливо, известное как Ligroin, чтобы стать первым в мире транспортным средством с двигателем внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель, основанный на конструкции Отто. В следующем году Карл Бенц произвел автомобиль с четырехтактным двигателем, который считается первым автомобилем.

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

цикл Аткинсона

Этот гибрид 2004 Toyota Prius имеет двигатель с циклом Аткинсона в качестве бензиново-электрического гибридного двигателя Газовый цикл Аткинсона

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

Первоначальный поршневой двигатель с циклом Аткинсона позволял такты впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного цикла происходить за один оборот коленчатого вала и был разработан таким образом, чтобы избежать нарушения определенных патентов, охватывающих Отто- тактовые двигатели.

Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала двигателя Atkinson, его степень расширения может отличаться от степени сжатия, и, если рабочий ход больше, чем его ход сжатия, двигатель может достичь более высокий тепловой КПД, чем у традиционного поршневого двигателя. Хотя первоначальная конструкция Аткинсона является не более чем исторической диковинкой, во многих современных двигателях используются нетрадиционные фазы газораспределения для создания эффекта более короткого хода сжатия / увеличения рабочего хода, таким образом реализуя экономию топлива, которую может обеспечить цикл Аткинсона..

Дизельный цикл

Audi Diesel R15 в Ле-Мане

дизельный двигатель представляет собой техническую усовершенствованную версию двигателя Отто 1876 года. В то время как Отто в 1861 году понял, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжав топливную смесь перед ее воспламенением, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе.. Двигатели Ленуара, Отто Атмосферик и Отто Компрессион (как 1861, так и 1876) были разработаны для работы на освещающем газе (угольный газ). С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который дал бы небольшим промышленным компаниям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, уйти от требования быть привязанным к городским источникам топлива.. Как и у Отто, потребовалось более десяти лет, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который мог самовоспламеняться, распыляясь в цилиндр. В своем первом двигателе Дизель использовал распыление воздуха в сочетании с топливом.

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

Четырехтактный дизельный двигатель уже много десятилетий используется в большинстве тяжелых условий эксплуатации. В нем используется тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньше переработки для производства. Наиболее эффективные двигатели с циклом Отто работают с тепловым КПД около 30%.

Термодинамический анализ

Идеализированный четырехтактный цикл Отто диаграмма pV : такт впуска (A) выполняется посредством изобарного расширения, за которым следует сжатие (B) ход, выполненный посредством адиабатического сжатия. При сгорании топлива происходит изохорный процесс, за которым следует адиабатическое расширение, характеризующее рабочий ход (C). Цикл замыкается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующим ход выпуска (D).

термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов - непростая задача. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные допущения по воздуху. Результирующий цикл, который очень похож на реальные условия эксплуатации, и есть цикл Отто.

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

Рекомендации по топливу

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

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

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

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

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

Принципы проектирования и разработки

Ограничения выходной мощности

Четырехтактный цикл. 1 = ВМТ. 2 = НМТ. A: Впуск . B: Сжатие . C: Мощность . D: Выпуск

Максимальное количество мощности, вырабатываемой двигателем, составляет определяется максимальным количеством всасываемого воздуха. Количество мощности, вырабатываемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный двигатель или четырехтактный двигатель, объемный КПД, потери, соотношение воздух-топливо, теплотворная способность топлива, содержание кислорода в воздухе и скорость (об / мин ). Скорость в конечном итоге ограничена прочностью материала и смазкой. Клапаны, поршни и шатуны испытывают сильные ускоряющие силы. При высоких оборотах двигателя может произойти физическое повреждение и трепетание поршневого кольца , что приведет к потере мощности или даже к разрушению двигателя. Дрожание поршневого кольца возникает, когда кольца колеблются вертикально в канавках поршня, в которых они находятся. Дрожание кольца нарушает уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает потерю давления и мощности в цилиндре. Если двигатель вращается слишком быстро, пружины клапанов не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Это обычно называется «поплавок клапана », и это может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка стыка стенки поршневого цилиндра имеет тенденцию к разрушению. Это ограничивает скорость поршня промышленных двигателей примерно до 10 м / с.

Поток через впускной / выпускной канал

Выходная мощность двигателя зависит от способности впускного канала (воздушно-топливной смеси) и выхлопных газов быстро перемещаться через клапанные отверстия, обычно расположенные в головка блока цилиндров. Чтобы увеличить выходную мощность двигателя, неровности впускного и выпускного трактов, такие как дефекты литья, могут быть устранены, а с помощью стенда для измерения расхода воздуха радиусы поворотов порта клапана и конфигурацию седла клапана можно изменить для уменьшения сопротивления. Этот процесс называется портированием, и его можно выполнить вручную или с помощью станка с ЧПУ .

Рекуперация отходящего тепла двигателя внутреннего сгорания

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

Было разработано множество методов для извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя и его дальнейшего использования. для извлечения полезной работы, в то же время уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах. Использование цикла Ренкина, турбонаддува и термоэлектрической генерации может быть очень полезным в качестве системы утилизации отходящего тепла.

Хотя эти системы используются чаще, некоторые проблемы, такие как их низкая эффективность при более низких расходах теплоснабжения и высоких насосных потерях, остаются причиной для беспокойства.

Наддув

Один Способ увеличения мощности двигателя состоит в том, чтобы нагнетать больше воздуха в цилиндр, чтобы можно было производить больше мощности за каждый рабочий ход. Это можно сделать с помощью устройства сжатия воздуха, известного как нагнетатель, которое может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.

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

Турбонаддув

A Турбонагнетатель - это нагнетатель, который приводится в действие выхлопными газами двигателя с помощью турбины. Турбокомпрессор встроен в выхлопную систему автомобиля, чтобы использовать выхлопные газы. Он состоит из двухкомпонентной высокоскоростной турбины в сборе, одна сторона которой сжимает всасываемый воздух, а другая сторона приводится в действие за счет выхода выхлопных газов.

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

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

Отношение штока и поршня к ходу поршня

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

«Прямоугольный двигатель» - это двигатель с диаметром внутреннего отверстия, равным длине его хода. Двигатель, у которого диаметр канала больше, чем длина его хода, является двигателем квадратной формы, и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, меньшим, чем длина его хода, является двигателем прямоугольной формы.

Клапанный механизм

Клапаны обычно приводятся в действие распредвалом, вращающимся на половину скорости коленчатого вала. Он имеет ряд кулачков по своей длине, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части хода впуска или выпуска. толкатель между клапаном и кулачком - это контактная поверхность, по которой кулачок скользит для открытия клапана. Во многих двигателях используется один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как показано на рисунке, на котором каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателей распределительный вал находится в картере, и в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с штоком толкателем, который контактирует с коромыслом, который открывает клапан, или в случае двигателя с плоской головкой толкатель не требуется. Конструкция кулачка верхнего расположения обычно допускает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Клапанный зазор

Клапанный зазор - это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. В двигателях с механической регулировкой клапанов чрезмерный зазор вызывает шум клапанного механизма. Слишком малый зазор клапана может привести к тому, что клапаны не закроются должным образом. Это приводит к снижению производительности и возможному перегреву выпускных клапанов. Как правило, зазор необходимо регулировать каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.

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

Энергетический баланс

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

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

. В Соединенных Штатах Корпоративная средняя экономия топлива требует, чтобы транспортные средства достигли среднего уровня. 34,9 миль на галлон ‑US (6,7 л / 100 км; 41,9 миль на галлон ‑imp) по сравнению с текущим стандартом 25 миль на галлон ‑US (9,4 л / 100 км; 30,0 миль на галлон ‑imp). Поскольку автопроизводители стремятся соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы разработки традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения топливной эффективности для соответствия новым требованиям включают запуск после того, как поршень находится дальше всего от коленчатого вала, известная как верхняя мертвая точка, и применение цикла Миллера. Вместе этот редизайн может значительно снизить расход топлива и выбросы NO. x.

Верхняя мертвая точка перед началом цикла 1 - Ход впуска 2 - Ход сжатия . Исходное положение, такт впуска и такт сжатия.. Топливо воспламеняется 3 - Рабочий ход 4 - Такт выпуска . Зажигание топлива, рабочий ход и такт выпуска.

См. Также

Ссылки

Общие источники

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

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-20 12:43:51
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте