Двигатель внутреннего сгорания

редактировать
Двигатель, в котором сгорание топлива происходит с окислителем в камере сгорания Схема цилиндра, как показано на 4-тактных бензиновых двигателях : Диаграмма, описывающая идеальный цикл сгорания по Карно

двигатель внутреннего сгорания (ДВС ) - это тепловой двигатель, в сгорание топлива топлива с помощью окислителя (обычно воздух) в камере сгорания, которая является неотъемлемой частью контура потока рабочего тела. В двигателе внутреннего сгорания расширение газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании, прикладывает прямую силу к некоторому компоненту двигателя. Усилие обычно прикладывают к поршням, лопаткам турбины, ротору или к соплу . Эта сила перемещает компонент на расстояние, превращая химическую энергию в полезную работу.

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

Термин двигатель внутреннего сгорания обычно относится к двигателю, в котором происходит сгорание прерывистым, например, более знакомые четырехтактные и двухтактные поршневые двигатели, а также варианты, такие как шеститактные поршневые двигатели и роторные двигатели Ванкеля. Второй класс двигателей внутреннего сгорания использует непрерывное сгорание: газовые турбины, реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей, каждый из двигателей внутреннего сгорания по тому же принципу. как описано ранее. Огнестрельное оружие также является одной из разновидностей двигателей внутреннего сгорания, хотя и настолько специализированного типа, что обычно его рассматривают как отдельную категорию.

Напротив, в двигателях внешнего сгорания, таких как паровые или двигатели Стирлинга, энергия передается рабочему телу, не состоящему из: смешанные с продуктами сгорания или загрязненные ими. Рабочая жидкость для двигателей внешнего сгорания включает жидкий воздух, горячую воду, воду под давлением или даже нагретый в бойлере..

ДВС обычно работают на энергоемком топливе, таком как бензин или дизельное топливо., жидкости, полученного из ископаемого топлива. Хотя существует множество общих приложений, большинство ДВС используются в мобильных приложениях и основным основным источником питания для транспортных средств, таких как автомобили, самолеты и лодки, известные как автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ICEV ).

Обычно ДВС используют ископаемое топливо, такое как природный газ или нефтепродукты, такие как бензин, дизельное топливо или мазут. Растет использование возобновляемого топлива, такого как биодизель для двигателей с воспламенением от сжатия и биоэтанол или метанол для SI (искровое зажигание).) двигателей. Водород иногда используется, и его можно получить либо из ископаемого топлива, либо из возобновляемых источников энергии.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Этимология
  • 3 Области применения
  • 4 Классификация
    • 4.1 Поршневые
    • 4.2 Роторные
    • 4.3 Непрерывное сгорание
  • 5 Поршневые двигатели
    • 5.1 Конструкция
    • 5.2 4-тактные двигатели
    • 5.3 2-тактные двигатели
      • 5.3.1 продувка картера
      • 5.3.2 продувка нагнетателем
      • 5.3.3 Историческая конструкция
    • 5.4 Зажигание
      • 5.4.1 Процесс искрового зажигания
      • 5.4.2 Процесс воспламенения от сжатия
    • 5.5 Смазка
    • 5.6 Конфигурация цилиндра
    • 5.7 Дизельный цикл
    • 5.8 Цикл Отто
    • 5.9 Пятитактный двигатель
    • 5.10 Шесть -тактный двигатель
    • 5.11 Другие циклы
  • 6 Турбины внутреннего сгорания
    • 6.1 Реактивный двигатель
    • 6.2 Газовые турбины
    • 6.3 Цикл Брайтона
  • 7 Двигатели Ванкеля
  • 8 Принудительная индукция
  • 9 Топливо и окислители
    • 9.1 Топливо
      • 9.1.1 Вод
    • 9.2 Окислители
  • 10 Охлаждение
  • 11 Запуск
  • 12 Измерения характеристик двигателя
    • 12.1 Энергоэффекти вность
    • 12.2 Измерения топлива КПД и расход топлива
  • 13 Загрязнение воздуха и шум
    • 13.1 Воздух загрязнение
      • 13.1.1 Внедорожные двигатели
    • 13.2 Шумовое загрязнение
    • 13.3 Холостой ход
  • 14 См. также
  • 15 Ссылки
  • 16 Библиография
  • 17 Дополнительная литература
  • 18 Внешние ссылки

История

Различные ученые и инженеры внеслиесли свой вклад в двигатель внутреннего сгорания. В 1791 году Джон Барбер разработал газовую турбину. В 1794 году Томас Мид запатентовал газовый двигатель . Также в 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель внутреннего сгорания, который также был первым, кто использовал жидкое топливо, и построил двигатель примерно в то же время. В 1798 году Джон Стивенс построил американский двигатель внутреннего сгорания. В 1807 году швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз изобрел двигатель внутреннего сгорания на водородной основе, который приводит в действие электрическую искру. В 1808 году Де Риваз применил свое изобретение на примитивном рабочем автомобиле - «первом в мире автомобиле с двигателем внутреннего сгорания». В том же году французские инженеры Нисефор Ньепс (которые продемонстрировали изобрели ) и Клод Ньепс запустили прототип двигателя внутреннего сгорания., используя контролируемые взрывы пыли, Пиреолофор. Этот двигатель приводил в действие лодку на реке Сона, Франция. В 1823 году Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для применения.

В 1854 году в Великобритании итальянские изобретатели Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи получили сертификат: «Получение движущей силы путем взрыва газов». В 1857 году Патентное бюро «Усовершенствованное устройство для усиления силы из газов». Барсанти и Маттеуччи получили другие патенты на то же изобретение во Франции, Бельгии и Пьемонте между 1857 и 1859 годами. В 1860 году Бельгия Жан Жозеф Этьен Ленуар произвел газовый двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году Николай Отто запатентовал первый атмосферный газовый двигатель. В 1872 году американец Джордж Брайтон изобрел первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе. В 1876 году Николай Отто, работая с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, запатентовал четырехтактный двигатель со сжатием зарядом. В 1879 году Карл Бенц запатентовал надежный двухтактный бензиновый двигатель. Позже, в 1886 году, Бенц начал первое коммерческое производство автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. В 1892 году Рудольф Дизель разработал первый двигатель со сжатым зарядом и воспламенением от сжатия. В 1926 году Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе. В 1939 году Heinkel He 178 стал первым в мире реактивным самолетом.

Этимология

Одно время слово двигатель (через старофранский язык, от латинского ingenium, «способность») означало любую часть техники - смысл, который сохраняется в выражениях, как осадная машина. «Мотор» (от латинского «мотор» - «движитель») - это любая машина, вырабатывающая механическая мощность. Традиционно электродвигатели не называются «двигателями»; однако двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». (Под электродвигателем понимается локомотив, работающий на электричестве.)

В лодке двигатель внутреннего сгорания, установленный в корпусе, называется двигателем., но двигатели, расположенные на транце, называются двигателями.

Применения

Поршневой двигатель автомобиля Дизель-генератор для резервного питания

Поршневые двигатели наиболее распространенным источником энергии для наземных и водных транспортных средств, включая автомобили, мотоциклы, корабли и, в меньшей степени, локомотивы (некоторые из них электрические, но в большинстве используются дизельные двигатели). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых самолетах и ​​мотоциклах. В совокупности они известны как транспортные средства с двигателем сгорания (ICEV).

Там, где требуется высокое соотношение мощности к массе, двигатели внутреннего сгорания появляются в виде турбин внутреннего сгорания или Ванкеля. двигатели. Самолет с двигателем может использовать ДВС, который быть поршневым двигателем. Вместо этого в самолетах маяки реактивные двигатели, а в вертолетах вместо них вертолетные двигатели их вертолетальные двигатели ; оба типа турбин. Помимо обеспечения тяги, авиалайнер может использовать отдельный ДВС в качестве вспомогательной силовой установки. Двигатели Ванкеля устанавливаются на многие беспилотные летательные аппараты.

ДВС вызывают в действие большие электрические генераторы, питающие сети. Они в представлении турбин внутреннего сгорания с типичной электрической мощностью около 100 МВт. Электростанции с комбинированным циклом используют высокотемпературный выхлоп для кипячения и перегрева водяного пара для работы паровой турбины . Таким образом, эффективность выше, потому что из топлива извлекается больше энергии, чем может быть извлечено одним двигателем внутреннего сгорания. Электростанции с комбинированным циклом достижимые КПД от 50% до 60%. В меньшем масштабе стационарные двигатели, такие как Газовый двигатель или Дизель-генераторы, используются для резервного копирования или подачи электроэнергии в области, не подключенные к электрическому сетке.

Небольшие двигатели (обычно 2-тактные бензиновые двигатели) являются обычным устройством питания для газонокосилок, триммеров, цепных пил, лебедки, мойки высокого давления, снегоходы, водные мотоциклы, лодочные моторы, мопеды, и мотоциклы.

Классификация

Существует несколько способов классификации двигателей внутреннего сгорания.

Возвратно-поступательный

По количеству ходов:

По типу зажигания:

Механические двигатели / термодинамический цикл (эти 2 цикл не охватывает все поршневые двигатели и используются нечасто):

роторный

непрерывное сгорание

Поршневые двигатели

Конструкция

Оголенный блок цилиндров двигателя V8 Поршень, поршневое кольцо, поршневой палец и шатун

Основание поршневого двигателя внутреннего сгорания - это блок цилиндров, который обычно изготавливается из чугуна или алюминия. Блок цилиндров содержит цилиндры. В двигателях с более чем одним цилиндром они обычно располагаются либо в 1 ряд (прямой двигатель ), либо в 2 рядах (оппозитный двигатель или V-образный двигатель ) ; В современных двигателях иногда используются 3 ряда (двигатель W ), и другие конфигурации двигателя возможны и уже использовались. Одноцилиндровые двигатели распространены на мотоциклах и небольших двигателях машин. Двигатели с водяным охлаждением содержат каналы в блоке цилиндров, по которой циркулирует охлаждающая жидкость (водяная рубашка ). Некоторые малые двигатели имеют воздушное охлаждение, и вместо водяной рубашки у блока цилиндров выступают ребра, которые охлаждают за счет прямой передачи тепла воздух. Стенки цилиндров обычно обрабатываются хонингованием для поперечной штриховки, которая лучше удерживает масло. Слишком шероховатая поверхность может быстро повредить двигатель из-за чрезмерного износа поршня.

Поршни представляют собой короткие цилиндрические части, которые изолируют один конец цилиндра от высокого давления сжатого воздуха и продуктов сгорания и непрерывно скользят внутри него, пока двигатель работает. Верхняя стенка поршня называется его головкой и обычно бывает плоской или вогнутой. В некоторых двухтактных двигателях используются поршни с дефлекторной головкой . Поршни открыты снизу и полые, за исключением единой конструкции усиления (перемычки поршня). Когда двигатель работает, давление газа в камере сгорания создает давление на головку поршня, которое передается через его перемычку на поршневой палец . Каждый поршень имеет кольца , расположенные по окружности, которые предотвращают утечку газов в картер двигателя или масла в камеру сгорания. Система вентиляции выводит небольшое количество газа, выходящего за поршни во время нормальной работы (картерные газы), из картера, чтобы он не накапливался, загрязняя масло и создавая коррозию. В двухтактных бензиновых двигателях картер является частью воздушно-топливного тракта, и благодаря его непрерывному потоку не требуется отдельной системы вентиляции картера.

Клапанный механизм над головкой блока цилиндров дизельного двигателя. В этом двигателе используются коромысла, но нет толкателей.

Головка блока цилиндров прикреплена к блоку цилиндров с помощью числа болтов или шпилек. Он выполняет несколько функций. Головка блока цилиндров герметизирует цилиндры со стороны, противоположной поршням; он содержит короткие воздуховоды (порты) для впуска и выпуска и соответствующие впускные клапаны, которые открываются, позволяя заполнить цилиндр свежим воздухом, и выпускные клапаны, которые открываются для выхода продуктов сгорания. Однако в двухтактных двигателях с продувкой картера газовые порты соединяются со стенкой цилиндра без тарельчатых клапанов; вместо этого поршень контролирует их открытие и закупорку. В головке блока цилиндров также находится свеча зажигания в случае двигателей с искровым зажиганием и инжектор для двигателей с прямым впрыском. Все двигатели CI используют впрыск топлива, обычно прямой впрыск, но в некоторых двигателях вместо этого используется непрямой впрыск. Двигатели SI могут использовать карбюратор или впрыск топлива в впрыска в порт или прямой впрыск. Большинство двигателей SI имеют одну свечу зажигания на цилиндр, но некоторые имеют 2. Прокладка головки блока цилиндров предотвращает утечку газа между головкой блока цилиндров и блоком двигателя. Открытие и закрытие клапанов управляется одним или использованием распределительными валами и пружинами, а в некоторых двигателях - десмодромным механизмом, в котором не используются пружины. Распределительный вал может непосредственно прижимать шток или воздействовать на коромысло коромысла, опять же, либо непосредственно, либо через толкатель .

блок двигателя, если смотреть снизу. Хорошо видны цилиндры, форсунка для распыления масла и половина подшипников.

Картер герметизирован снизу с помощью поддона, который собирает падающее масло во время нормальной работы для повторного включения. В полости, образованной между блоком цилиндров и поддоном, находится коленчатый вал , который преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатый вал удерживается на месте относительно блока двигателя с помощью американских подшипников, которые позволяют ему вращаться. Переборки в картере двигателя составляют половину каждого коренного подшипника; другая половина - съемный колпачок. В некоторых случаях используется одна основная опора, а не несколько крышек меньшего размера. Шатун соединен со смещенными частями коленчатого вала (кривошипные шейки ) на одном конце и с поршнем на другом конце через поршневой палец и, таким образом, передает усилие и перемещает возвратно-поступательное движение поршней до кругового движения коленчатого вала. Конец шатуна, прикрепленный к поршневому пальцу, называется его малым концом, а другой конец, на котором он соединен с коленчатым валом, большим концом. Шатун имеет съемную половину, позволяющую собирать его вокруг коленчатого вала. Он крепится к шатуну съемными болтами.

Головка блока цилиндров имеет впускной коллектор и выпускной коллектор, прикрепленные к соответствующим портам. Впускной коллектор подключается к воздушному фильтру напрямую или к карбюратору, если таковой имеется, который затем подключается к воздушному фильтру. Он распределяет воздух, поступающий от этих устройств, по отдельным цилиндрам. Выпускной коллектор является первым элементом выхлопной системы . Он собирает выхлопные газы из цилиндров и направляет их к следующему компоненту на пути. Система выхлопа ДВС может также включать в себя каталитический нейтрализатор и глушитель. Последним участком пути выхлопных газов является выхлопная труба.

4-тактные двигатели

Схема, показывающая работу 4-тактного двигателя SI. Ярлыки:. 1- Индукция. 2- Сжатие. 3- Мощность. 4- Выпуск

Верхняя мертвая точка (ВМТ) поршня - это положение, в котором он находится ближе всего к клапанам; нижняя мертвая точка (НМТ) - это противоположное положение, в котором она наиболее удалена от них. Ход - это перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот вместе с соответствующим процессом. Во время работы двигателя коленчатый вал непрерывно вращается с почти постоянной скоростью. В 4-тактном ДВС каждый поршень совершает 2 хода за оборот коленчатого вала в следующем порядке. Начиная описание в ВМТ, это:

  1. Впуск, впуск или всасывание : впускные клапаны открыты в результате давления кулачка на клапан. стебель. Поршень движется вниз, увеличивая объем камеры сгорания и позволяя воздуху поступать в случае двигателя с прямым впрыском или к воздушно-топливной смеси в случае двигателей с системой внутреннего сгорания, которые не используют непосредственный впрыск. Воздух или топливовоздушная смесь в любом случае называется зарядом.
  2. Сжатие : в этом такте оба клапана закрываются, и поршень движется вверх, уменьшая объем камеры сгорания, которыйдостижения своего минимума, когда поршень находится в ВМТ. Поршень работа над зарядом при его сжатии; в результате его давление, температура и плотность увеличиваются; приближение к такому поведению закон идеального газа. Непосредственно перед достижением поршнем ВМТ начинается зажигание. В случае двигателя SI на свечу зажигания импульс импульс высокого напряжения, который генерирует искру, который дает ей свое название, и зажигает заряд. В случае двигателя CI топливная форсунка быстро впрыскивает топливо в камеру сгорания в виде спрея; топливо воспламеняется из-за высокой температуры.
  3. Мощность или рабочий ход : Давление газов сгорания толкает поршень вниз, вызывая больше работы, чем требуется для сжать заряд. В дополнение к такту сжатия газы сгорания расширяются, и в результате их температура, давление и плотность снижаются. Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается. Газы сгорания расширяются необратимо из-за остаточного давления - сверх противодавления, манометрического давления на выпускном отверстии -; это называется продувкой.
  4. Выхлоп : выпускной клапан остается открытым, в то время как поршень движется вверх, вытесняя дымовые газы. В двигателях без наддува небольшая часть газов может оставаться в цилиндре при нормальной работе, поскольку поршень не полностью закрывает камеру сгорания; эти газы растворяются в следующей загрузке. В конце этого хода выпускной клапан закрывается, открывается впускной клапан. Впускной клапан может открываться до закрытия выпускного клапана, чтобы обеспечить лучшую продувку.

2-тактные двигатели

Определяющей характеристикой этого типа двигателя является то, что каждый поршень завершает цикл при каждом обороте коленчатого вала. Четыре процесса впуска, сжатия, и мощности выпуска выполнены всего за 2 такта. Начиная с ВМТ цикл состоит из:

  1. Мощность : пока поршень опускается, газы срабатывают над ним работу, как в 4-тактном двигателе. Применяются те же термодинамические соображения относительно расширения.
  2. продувка : около 75 ° вращения коленчатого вала до НМТ открывается выпускной клапан или порт и происходит продувка. Вскоре после этого открывается впускной клапан или передаточное отверстие. Поступающий заряд вытесняет оставшиеся газы сгорания в выхлопной системе, и часть заряда может попасть в выхлопную систему. Поршень достигает НМТ и меняет направление. После того, как поршень прошел небольшое расстояние вверх в цилиндр, выпускной клапан или канал закрываются; Вскоре впускной клапан или передаточный порт также закрываются.
  3. Сжатие : При закрытых впуске и выпуске поршень продолжает движение вверх, сжимая заряд и выполняя с ним работу. Как и в случае с 4-тактным двигателем, зажигание начинается непосредственно перед тем, как поршень достигает ВМТ, и те же соображения относительно термодинамики сжатия заряда.

В то время как 4-тактный двигатель использует поршень в поршневой поршневой насос для выполнения продувки за 2 из 4 тактов, двухтактный двигатель использует последнюю часть рабочего такта и первую часть такта сжатия для комбинированного впуска и выпуска. Работа, необходимая для вытеснения наддува и выхлопных газов, осуществляется либо картером, либо нагнетателем. Для очистки, удаления сгоревшего газа и ввода свежей смеси двигателей два основных: очистка петлей и очистка Uniflow. Новости SAE, опубликованные в 2010-х годах, показывают, что «очистка петлей» лучше при любых обстоятельствах, чем очистка Uniflow.

Очистка картера

Схема работающего 2-тактного двигателя с продувкой картера

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

  • Они используют систему смазки с полным отсутствием смазки : все смазочное масло в итоге сгорает вместе с топливом.
  • Существуют противоречивые требования к продувке: с одной стороны, в каждом цикле необходимо ввести достаточно свежего заряда для почти всех дымовых газов, но введение слишком большого количества его означает, что его часть попадет в выхлоп.
  • Они должны использовать передаточное отверстие (-а) как тщательно спроектированное и размещенное сопло, чтобы поток газа создавался таким образом, чтобы он очищает весь цилиндр до того, как достигнет выхлопного отверстия, чтобы удалить газы сгорания, но минимизирует количество выхлопного заряда. Преимущество 4-тактных двигателей заключается в принудительном удалении почти всех газов сгорания, поскольку во время выпуска камера сгорания уменьшается до минимального объема. В двухтактных двигателях с продувкой картера выхлоп и впуск осуществляются в основном одновременно и камерой сгорания в максимальном объеме.

Основным преимуществом двухтактных двигателей этого типа является механическая простота и более высокая мощность. удельная масса по сравнению с их 4-тактными аналогами. Несмотря на вдвое большее количество ходов за цикл, на практике можно достичь менее чем вдвое большей мощности, чем у сопоставимого четырехтактного двигателя.

В США двухтактные двигатели были запрещены для дорожных транспортных средств из-за загрязнения окружающей среды. Мотоциклы, предназначенные только для бездорожья, по-прежнему часто бывают двухтактными, но редко разрешены к использованию на дорогах. Однако используются многие тысячи двухтактных двигателей для ухода за газонами.

Очистка продувкой нагнетателем

Схема однопоточной продувки

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

В двигателях CI, в котором используется нагнетатель, обычно используется однопоточная продувка. В этой конструкции стенка цилиндра содержится несколько впускных отверстий, равномерно расположенных по окружности чуть выше положения, которого достигает головка поршня при НМТ. Используется выпускной клапан или несколько таких же, как у 4-тактных двигателей. Последней части впускного коллектора является воздушный рукав, который питает впускные каналы. Впускные каналы расположены под горизонтальным к стенке цилиндра (т.е. они находятся в плоскости днища поршня), чтобы обеспечить завихающему заряду и улучшить угол сгорание. Самыми крупными поршневыми ИС являются низкооборотные двигатели CI этого типа; они используются для морских силовых установок (см. судовой дизельный двигатель ) или выработки электроэнергии и достигают наивысшего теплового КПД среди двигателей внутреннего сгорания любого типа. Некоторые дизель-электрические локомотивные двигатели работают по двухтактному циклу. Самые мощные из них имеют тормозную мощность около 4,5 МВт или 6000 л.с.. Примером таких локомотивов является класс EMD SD90MAC. Сопоставимый класс GE AC6000CW, первичный двигатель которого имеет почти такую ​​же тормозную мощность, использует 4-тактный двигатель.

Примером этого типа двигателя является Wärtsilä-Sulzer RT-flex96-C 2-тактный дизельный двигатель с турбонаддувом, используемый на больших контейнеровозах. Это самый эффективный и мощный поршневой двигатель внутреннего сгорания в мире с тепловым КПД более 50%. Для сравнения: наиболее эффективные четырехтактные малые двигатели имеют термический КПД около 43% (SAE 900648); размер является преимуществом для эффективности из-за увеличения размера к площади поверхности.

См. внешние ссылки для видео сгорания в цилиндре в 2-тактном двигателе мотоцикла с оптическим доступом.

Исторический дизайн

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

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

При первом ходе двигателя вверх не было бы подачи топлива в цилиндр, поскольку картер был пуст. При ходе вниз поршень сжимает топливную смесь, которая смазывает поршень в цилиндре и подшипники из-за того, что в топливную смесь добавлено масло. Когда поршень движется вниз, сначала открывается выхлоп, но на первом такте сгоревшее топливо не выходит. По мере того, как поршень движется дальше вниз, он открывает впускной канал, имеющий канал, идущий к картеру. Топливная смесь в картере находится под давлением, смесь перемещается по каналу в цилиндр.

Используется поршень в цилиндре для замедления потока топлива. Позже топливо «резонировало» обратно в цилиндр с использованием конструкции камеры расширения. Когда поршень приближается к ВМТ, искра воспламеняет топливо. Когда поршень движется вниз с усилием, он сначала открывает выпускное отверстие, через которое сгоревшее топливо выбрасывается под высоким давлением, а впускное отверстие, через которое процесс завершился и будет повторяться.

В более поздних двигателях использовался тип переноса, используемый компанией Deutz для повышения производительности. Это было названо системой Schnurle Reverse Flow. DKW лицензировала эту конструкцию для всех своих мотоциклов. Их DKW RT 125 был одним из первых автомобилей, который в результате достигли более 100 миль на галлон.

Зажигание

Двигатели внутреннего сгорания требуют воспламенения смеси либо путем искровое зажигание (SI) или воспламенение от сжатия (CI). До изобретения надежных электрических методов использовались методы горячей трубы и пламени. Созданы экспериментальные двигатели с лазерным зажиганием.

Процесс искрового зажигания

Магнито Bosch Точки зажигания и катушки зажигания

Двигатель с искровым зажиганием был усовершенствованием ранних двигателей с использованием зажигания Hot Tube. Когда компания Bosch разработала магнето, он стал основной системой для выработки электроэнергии для возбуждения свечи зажигания. Во многих небольших двигателях все еще используется зажигание от магнето. Малогабаритные двигатели запускаются вручную с помощью ручного стартера или ручного кривошипа. До Чарльза Ф. Кеттеринга разработки Delco автомобильного стартера во всех автомобилях с бензиновым двигателем использовался ручной кривошип.

Большие двигатели обычно приводили в действие их пусковые двигатели и <637.>системы зажигания, использующие электрическую энергию, хранящуюся в свинцово-кислотной батарее. Заряженное состояние аккумулятора поддерживается автомобильным генератором или (ранее) генератором, который использует мощность двигателя для создания накопителя электроэнергии.

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

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

Бензиновые двигатели впитывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее за счет движения поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, когда топливо находится в при максимальном сжатии. Уменьшение размера рабочей площади цилиндра с учетом объема камеры сгорания описывается воздушным потоком. Ранние двигатели имели степени сжатия от 6 до 1. По степени сжатия двигателя также увеличивалась.

В ранних системах индукции и зажигания степени сжатия должны быть низкими. Благодаря достижениям в топливных технологиях и управлении сгоранием высокопроизводительные двигатели могут надежно работать при помощи сторон 12: 1. Использование топлива с низким уровнем сжатия увеличивалась, поскольку топливо воспламенялось из-за повышения температуры. Чарльз Кеттеринг разработал свинцовую присадку, которая позволила добиться более высоких степеней сжатия, от которой с 1970-х годов постепенно отказались от использования в автомобилях частично из-за отравления свинцом. проблемы.

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

Необходимое высокое напряжение, обычно 10 000 вольт, подается с помощью индукционной катушки или трансформатора. Индикаторная катушка представляет собой обратную систему, использующую прерывание электрического тока первичной системы через некоторый тип синхронизированного прерывателя. Прерыватель может быть либо контактным, либо силовым транзистором. Проблема с этим типом зажигания заключается в том, что по мере увеличения числа оборотов доступность электрической энергии уменьшается. Это особенно проблема, так как количество энергии, необходимое для воспламенения более плотной топливной смеси, выше. Результатом часто были пропуски зажигания при высоких оборотах.

Разработано зажигание конденсаторного разряда. Он создающее напряжение, которое подается на свечу зажигания. Напряжение системы CD может достигать 60 000 вольт. В зажиганиях CD используются повышающие трансформаторы. Повышающий трансформатор использует энергию, накопленную в емкости, для генерации электрической искры. В любой системе механической или электрической системы управления под тщательно синхронизированное высокое напряжение на соответствующий цилиндр. Эта искра через свечу зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь в цилиндрах двигателя.

В то время как бензин с двигателем внутреннего сгорания легче запускать в холодную погоду, чем дизельные двигатели, они могут иметь проблемы с запуском в холодную погоду в экстремальных условиях. В течение многих лет решением было оставить машину в отапливаемых помещениях. В некоторых частях мира масло фактически сливали и нагревали за ночь и возвращали в двигатель для холодного запуска. В начале 1950-х годов был разработан блок бензинового газогенератора, в котором при запуске в холодный погоду сырой бензин направлялся в блок, где часть топлива сжигалась, в результате чего другая часть превращалась в горячий пар, направляемый непосредственно во впускной коллектор. Это устройство было довольно популярно, пока электрические обогреватели блока цилиндров не сталитом для бензиновых двигателей, продаваемых в холодном климате.

Процесс воспламенения от сжатия

Дизель, PPC и HCCI двигатели, для воспламенения полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе. Уровень сжатия обычно в два раза или больше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух и незадолго до пикового сжатия распыляют небольшое дизельное топливо в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI потребляют как воздух, так и топливо, но продолжают действовать на процесс самовозгорания без посторонней помощи из-за более высокого давления и тепла. По этой же причине дизельные двигатели и двигатели HCCI более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они работают так же хорошо в холодную погоду. Легкие дизельные двигатели с непрямым впрыском в автомобилех и легких грузовиках используют свечи накаливания (или другой предварительный нагрев: см. Cummins ISB # 6BT ), которые имеют нагревают камера сгорания непосредственно перед запуском, чтобы уменьшить количество запусков в холодную погоду. У многих дизелей также есть аккумулятор и система зарядки; Тем не менее, эта система является вторичной и добавляется производителями для простоты запуска топлива, включения и выключения топлива. В большинстве новых двигателей используются электрические и электронные блоки управления двигателем (ECU), которые также регулируют процесс повышения эффективности и выбросов выбросов.

Смазка

Схема двигателя, использующего смазку под давлением
На сайте Wikimedia Commons есть материалы, относящиеся к системам поршневых двигателей внутреннего сгорания.

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

  • Между поршнями и цилиндрами
  • Малые подшипники
  • Подшипники с шатунами
  • Коренные подшипники
  • Шестерня клапана (Следующие элементы могут отсутствовать):
    • толкатели
    • коромысла
    • толкатели
    • приводная цепь или шестерни. Зубчатые ремни не требуют смазки.

В двухтактных двигателях с продувкой картера внутренняя часть картера и, следовательно, коленчатый вал, шатун и нижняя часть поршней орошаются маслом для двухтактных двигателей в смеси воздух-топливо-масло, которая сжигается вместе с топливом. Клапанный механизм может находиться в отсеке, заполненном смазкой, поэтому масляный насос не требуется.

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

В системе принудительной (также называемой под давлением) смазки смазка осуществляется в замкнутом контуре, который переносит моторное масло на поверхности, обслуживаемой системой, а возвращает масло в резервуар. Вспомогательное оборудование двигателя обычно не обслуживается этим контуром; например, генератор может использовать шарикоподшипники, залитые смазкой. Резервуаром для масла обычно является поддон, и в этом случае он называется системой мокрый картер. Когда есть другой масляный резервуар, картер все еще захватывает его, но он постоянно сливается специальным насосом; это называется системой сухим картером.

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

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

Обычно принудительной смазки имеют смазочного материала выше, чем требуется для удовлетворительного смазочного смазывания, к охлаждению. В частности, система смазки помогает перемещать тепло от горячих частей двигателя к охлаждающей жидкости (в двигателях с водяным охлаждением) или ребрам (в двигателех с воздушным охлаждением), которые передают его в новую систему. Смазка должна быть химически стабильной и поддерживать подходящую вязкость в пределах того температурного диапазона, которому она соответствует в двигателе.

Конфигурация цилиндра

Общая конфигурация цилиндра включает прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоская или боксерская конфигурация. Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию, которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как H, U, X и W.

Некоторые популярные конфигурации цилиндров:. a - прямой. b - V. c - противоположный. d - W

В многоцилиндровых двигателейх клапанный механизм и коленчатый вал сконфигурирован таким образом, что поршни разные части их цикла. Желательно, чтобы циклы поршней были равномерно распределены (это равномерно срабатыванием), особенно в двигателе с принудительной индукцией; это уменьшает пульсацию момента и делает рядные двигатели с более чем 3 цилиндрами, статически сбалансированными в своих основных крутящих силах. Однако некоторые конфигурации двигателя требуют нечетного срабатывания для достижения лучшего баланса, чем то, что возможно с четным срабатыванием. Например, 4-тактный двигатель I2 имеет лучший баланс, когда угол между кривошипами составляет 180 °, потому что поршни движутся в противоположных направлениях, и силы инерции частично компенсируются, но это дает странную картину зажигания, когда один цилиндр срабатывает на 180 ° вращения коленчатого вала за другим, ни один цилиндр не срабатывает на 540 °. При равномерной схеме выстрела поршни будут двигаться синхронно, и соответствующие силы будут складываться.

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

Дизельный цикл

Диаграмма P-V для идеального дизельного цикла. Цикл следует за номерами 1–4 по часовой стрелке.

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

Цикл Отто

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

Пятитактный двигатель

В 1879 г. Николай Отто изготовил и продал двигатель двойного расширения (принципы двойного и тройного расширения широко использовались в паровых двигателях), с два небольших цилиндра по обе стороны от большего диаметра низкого давления, где имело место второе расширение выхлопного газа; владелец вернул его, сославшись на плохую работу. В 1906 году эта концепция была воплощена в автомобиле, построенном EHV (Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); и в 21 веке Ilmor разработал и успешно испытал 5-тактный двигатель внутреннего сгорания двойного расширения с высокой выходной мощностью и низким SFC (удельным расходом топлива).

Шеститактный двигатель

шестицилиндровый двигатель был изобретен в 1883 году. Четыре вида шестицилиндрового двигателя используют обычный поршень в обычном цилиндре (шестицилиндровый Griffin, шестицилиндровый Bajulaz, шестицилиндровый Velozeta). и Crower с шестицилиндровым двигателем), срабатывая каждые три оборота коленчатого вала. Эти системы улавливают потери тепла четырехтактного цикла Отто с впрыском воздуха или воды.

Двигатели Передняя головка и поршневые двигатели работают как двигатели с оппозитными поршнями, два поршня в одномре, срабатывающие каждые два оборота, что больше похоже на обычный четырехтактный цилиндр.

Другие циклы

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

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

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

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

Срабатывание ATDC может быть выполнено с использованием воздуха под высоким давлением в проходном канале для создания звукового потока и высокой турбулентности в силовом цилиндре.

Турбины затемнения внутреннего сгорания

Реактивный двигатель

Турбореактивный реактивный двигатель

Реактивные двигатели используют несколько рядов лопастей для сжатия воздуха, который поступает в камеру сгорания , где он смешивается с топливом (обычно с топливом JP) и затем воспламеняется. Сгорание топлива повышает температуру воздуха, который выходит из двигателя, создавая тягу. Современный турбовентиляторный двигатель может работать с КПД до 48%.

Турбореактивный двигатель состоит из шести секций:

  • Вентилятор
  • Компрессор
  • Камера сгорания
  • Турбина
  • Смеситель
  • Сопло

Газовые турбины

Турбинная электростанция

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

Газовая турбина представляет собой вращающуюся машину, аналогичную по принципу паровую турбину, состоящую из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Воздух после сжатия в компрессоре нагревается за счет сжигания в нем топлива. Нагретый воздух и продукты сгорания расширяются в турбине, производя работу. Около ⁄ 3 работы приводит в движении компрессор: остальное (около ⁄ 3) доступно как полезная рабочая мощность.

Газовые турбины являются одними из самых эффективных двигателей внутреннего сгорания. Электростанции General Electric 7HA и 9HA с турбонаддувом комбинированным циклом имеют КПД более 61%.

цикл Брайтона

цикл Брайтона

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

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

Двигатели Ванкеля

Роторный цикл Ванкеля. Вал поворачивается три раза за каждый оборот ротора вокруг кулачка и один раз за каждый орбитальный оборот вокруг эксцентрикового вала.

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

Принудительная индукция

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

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

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

Топливо и окислители

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

Топливо

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

В настоящее время используемые топлива включают:

Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли свое применение. Двигатели, в которых в качестве топлива используются газы, называются газовыми двигателями, а двигатели, в которых используются жидкие углеводороды, - масляными двигателями; однако бензиновые двигатели также часто в просторечии называют «газовыми двигателями» («бензиновые двигатели » за пределами Северной Америки).

Основные ограничения на топливо состоят в том, что его необходимо легко транспортировать через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточное энергии в виде тепла при сгорании для практического использования двигателя.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (особенно из-за их повышенной топливной эффективности посравнению с бензиновыми двигателями), кораблей, железных дорог локомотивы и легкие самолеты. Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем заняли около 45% рынка с 1990-х годов. Существуют также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (LPG), биодизеле, парафин и тракторное испарительное масло (TVO).

Водород

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

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

Окислители

Одноцилиндровый бензиновый двигатель, c. 1910

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

  • Сжатый воздух обычно использовался в торпедах .
  • Сжатый кислород, а также некоторое количество сжатого воздуха использовалось в японской торпеде Тип 93. Некоторые подводные лодки несут чистый кислород. В ракетах очень часто используется жидкий кислород.
  • Нитрометан добавляется к некоторым гоночным топливам и модели топлива для увеличения мощности и контроля сгорания.
  • Закись азота использовалась - с дополнительный бензин - в тактических самолетах и ​​в специально оборудованных автомобилях, чтобы обеспечить короткие всплески дополнительной мощности от двигателей, которые в противном случае работают на бензине и воздухе. Он также используется в ракетном космическом корабле Берта Рутана.
  • Энергия перекиси водорода разрабатывалась для немецких подводных лодок времен Второй мировой войны. Возможно, он использовался на некоторых неатомных подводных лодках и на некоторых ракетных двигателях (в частности, Black Arrow и ракетный истребитель Messerschmitt Me 163 ).
  • Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, использовались экспериментально, но не нашли практического применения.

Охлаждение

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

Запуск

Файл: InleHandCrank.webm Воспроизвести медиа Ручной запуск дизельного двигателя лодки в озере Инле (Мьянма ). Электрический стартер, используемый в автомобилях

Внутреннее сгорание двигатели должны иметь свои циклы запуска. В поршневых двигателях это достигается путем вращения коленчатого вала (вал ротора Ванкеля), который вызывает циклы впуска, сжатия, сгорания и выпуска.Первые двигатели запускались поворотом маховиков, в то время как первый автомобиль (Daimler Reitwagen) запускался с помощью ручного рычага. Все автомобили с двигателем ICE запускались с помощью ручных кривошипов, пока Чарльз Кеттеринг не разработал электрический стартер для автомобилей. Этот метод в настоящее время является наиболее широко используемым, даже среди неавтомобильные.

Поскольку дизельные двигатели стали больше, а их механизмы - тяжелее, стали применяться пневматические стартеры. Это связано с отсутствием крутящего момента в электрических стартерах. Пневм атические стартеры работают по закачивание сжатого воздуха в цилиндры двигателя, чтобы запустить его. нг.

Двигатели двухколесных транспортных средств могут запускаться одним из четырех способов:

  • педалированием, как на велосипеде
  • толканием транспортного средства с последующим включением сцепления, известным как « запуск с разбегом "
  • нажатием одной педали вниз, известный как" кикстарт "
  • с помощью электрического стартера, как в автомобилях

Есть также стартеры, у которых Пружина сжимается кривошипным движением и затем используется для запуска двигателя.

В некоторых небольших двигателях используется тяговый тросовый механизм, называемый «пусковой механизм с отдачей», так как трос перематывается после того, как его вытащили, чтобы запустить двигатель. Этот метод обычно используется в толкаемых газонокосилках и других установках, где требуется лишь небольшой крутящий момент для поворота двигателя.

Турбинные двигатели часто запускаются электродвигателем или сжатым воздухом.

Показатели производительности двигателя

Т ипы двигателей сильно различаются по разным причинам:

Энергоэффективность

После зажигания и При сжигании продукты сгорания - горячие газы - имеют более доступную тепловую энергию, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (у которой была более высокая химическая энергия ). Доступная энергия проявляется в виде высокой температуры и давления, которые могут быть переведены двигателем в работу. В поршневом двигателе газы высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того, как доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы удаляются (часто путем открытия клапана или открытия выпускного отверстия), что позволяет поршню вернуться в прежнее положение (верхняя мертвая точка или ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя. Любое тепло, которое не переводится в работу, обычно считается отходом и удаляется из двигателя с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения.

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

термодинамические пределы предполагают, что двигатель работает в идеальных условиях: мир без трения, идеальные газы, идеальные изоляторы и работа в течение бесконечного времени. В реальных приложениях возникают сложности, снижающие эффективность. Например, настоящий двигатель лучше всего работает при данной нагрузке, называемой его диапазоном мощности. Двигатель автомобиля, движущийся по шоссе, обычно работает значительно ниже идеальной нагрузки, поскольку он рассчитан на более высокие нагрузки, необходимые для быстрого ускорения. Кроме того, такие факторы, как сопротивление ветру, снижают общую эффективность системы. Двигатель экономия топлива измеряется в милях на галлон или в литрах на 100 километров. Объем углеводорода предполагает стандартное энергосодержание.

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

Показатели эффективности использования топлива и топлива

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

Для двигателей внутреннего сгорания в виде реактивных двигателей выходная мощность резко меняется в зависимости от скорости полета, и используется менее изменяемый показатель: удельный расход топлива при тяге (TSFC), который представляет собой массу топлива, необходимого для генерации импульсов, которые измеряются либо в фунтах силы-час, либо в граммах топлива, необходимом для генерации импульса, измеряемого в одну килоньютон-секунду.

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

Загрязнение воздуха и шума

Загрязнение воздуха

Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы загрязнения воздуха из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива. Основными производными процесса являются диоксид углерода CO. 2, вода и некоторое количество сажи, также называемые твердыми частицами (PM). Эффекты от вдыхания твердых частиц были изучены на людях и животных и включают астму, рак легких, сердечно-сосудистые заболевания и преждевременную смерть. Однако есть некоторые дополнительные продукты процесса сгорания, которые включают оксиды азота и серу и некоторые несгоревшие углеводороды, в зависимости от рабочих условий и соотношения топливо-воздух.

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

Увеличение количества воздуха в двигателе снижает выбросы продуктов неполного сгорания, но также способствует реакции между кислородом и азотом в воздухе с образованием оксидов азота (NO. x). NO. x опасен для здоровья растений и животных и приводит к образованию озона (O3). Озон не выделяется напрямую; скорее, это вторичный загрязнитель воздуха, образующийся в атмосфере в результате реакции NO. x и летучих органических соединений в присутствии солнечного света. Приземный озон вреден для здоровья человека и окружающей среды. Хотя это одно и то же химическое вещество, которое защищает Землю от вредных ультрафиолетовых лучей, следует путать с стратосферным озоном или озоновым слоем, который защищает Землю от вредных ультрафиолетовых лучей.

Углеродное топливо содержит серу и примеси, которые в результате приводят к образованию диоксидов моноксидов серы (SO) и серы (SO 2) в выхлопных газах, которые обеспечивают кислотным дождям.

В США оксиды азота, ТЧ, оксид углерода, диоксид серы и озон регулируются как загрязнителей воздуха в соответствии с Законом о чистом воздухе до уровней защиты здоровья и благополучия человека. Другие загрязнители, такие как бензол и 1,3-бутадиен, регулируются как опасные загрязнители воздуха, выбросы которых должны быть сокращены в максимально возможной степени в зависимости от технологических и практических соображений.

NO. x, оксид углерода и другие загрязнители часто регулируются с помощью рециркуляции выхлопных газов, которая возвращает часть выхлопных газов обратно во впуск двигателя, и каталитических нейтрализаторов, которые преобразуют выхлопные химические вещества в безвредные химические вещества.

Внедорожные двигатели

Стандарты выбросов, используемые во многих странах, содержат особые требования для внедорожных двигателей, которые используют оборудование и транспортные средства, которые не работают на дороги общего пользования. Стандарты отделены от дорожных транспортных средств.

Шумовое загрязнение

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

Холостой ход

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

В Англии Правила дорожного движения Выбросы транспортных средств Фиксированные штрафные санкции 2002 г. (Законодательный акт 2002 г. № 1808) вводят понятие «нарушение стационарного режима холостого хода». Это означает, что водителю может быть приказано «уполномоченное лицо... при предъявлении доказательств его полномочий потребовать, чтобы он остановил двигатель этого транспортного средства», «лицо, которое не выполняет требования... должно быть виновным в правонарушении и подлежит наказанию в. Только несколько местных органов власти является одним из них Оксфорд Городской совет.

Во многих европейских странах холостойких правил виде суммарной судимости штраф в размере не более 3-й степени по стандартной шкале. ход по умолчанию отключен системы остановка-запуск..

См. Также

  • icon Энергетический портал

Ссылки

Библиография

  • Anyebe, EA (2009). Двигатель внутреннего сгорания и эксплуатация, Справочник по автомобильной технологии. 2.
  • Нанни, Малкольм Дж. (2007). Технология легких и тяжелых транспортных средств (4-е изд.). Эльзевир Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8037-0. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
  • Рикардо, Гарри (1931). Высокоскоростной двигатель внутреннего сгорания..
  • Singal, RK. Двигателивнутреннего сгорания. Нью-Дели, Индия: Kataria Книги. ISBN 978-93-5014-214-1.
  • Stone, Richard (1992). Введение в двигатели внутреннего сгорания (2-е изд.). Macmillan. ISBN 978-0-333-55083-0. CS1 maint: ref = harv (ссылка )
  • Патенты:
    • ES 156621
    • ES 433850, Ubierna Laciana, «Perfeccionamientos en Motores de Explosion, con Cinco Tiem-Pos y Doble Expansion», опубликовано 1 ноября 1976 г.
    • ES 230551, Ортуно Гарсия Хосе, «Un Nuevo Motor de Explosion», опубликовано 01.03.1957
    • ES 249247, Ортуно Гарсия Хосе, «Motor de Carreras Distintas», опубликовано 1959-09-01

Дополнительная литература

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

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Двигателями внутреннего сгорания.
Последняя правка сделана 2021-05-24 04:19:56
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте