Ключ к знанию

Двигатель внутреннего возгорания


Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания – это такой тип мотора, у которого топливо воспламеняется в рабочей камере внутри, а не в дополнительных внешних носителях. ДВС преобразует давление от сгорания топлива в механическую работу.

Из истории

Первый ДВС являлся силовым агрегатом Де Риваза, по имени его создателя Франсуа де Риваза, родом из Франции, который сконструировал его в 1807 году.

В этом двигателе уже было искровое зажигание, он был шатунный, с поршневой системой, то есть, это своего рода прообраз современных моторов.

Спустя 57 лет соотечественник де Риваза Этьен Ленуар изобрел уже двухтактный агрегат. Этот агрегат имел горизонтальное расположение своего единственного цилиндра, наличествовал искровым зажиганием и работал на смеси светильного газа с воздухом. Работы двигателя внутреннего сгорания в то время хватало уже на малогабаритные лодки.

Еще через 3 года конкурентом стал немец Николаус Отто, детищем которого стал уже четырехтактный атмосферный мотор с вертикальным цилиндром. КПД в данном случае увеличился на 11%, в отличие от кпд двигателя внутреннего сгорания Риваза, он стал 15-процентным.

Чуть позже, в 80-х годах этого же столетия, российский конструктор Огнеслав Костович впервые запустил агрегат карбюраторного типа, а инженеры из Германии Даймлер и Майбах усовершенствовали его в облегченный вид, который стал устанавливаться на мото- и автотехнике.

В 1897 году Рудольф Дизель выводит в свет ДВС по типу воспламенения от сжатия, используя нефть в качестве топлива. Этот вид двигателя стал родоначальником дизельных моторов, использующихся по настоящее время.

Виды двигателей

  • Бензиновые моторы карбюраторного типа работают от топлива, смешанного с воздухом. Смесь эта предварительно подготавливается в карбюраторе, далее поступает в цилиндр. В нем смесь сжимается, воспламеняется искрой от свечи зажигания.
  • Инжекторные двигатели отличаются тем, что смесь подается напрямую от форсунок во впускной коллектор. У этого вида имеются две системы впрыска – моновпрыск и распределенный впрыск.
  • В дизельном моторе воспламенение происходит без свечей зажигания. В цилиндре данной системы находится воздух, разогретый до температуры, которая превышает температуру воспламенения топлива. В этот воздух через форсунку подается топливо, и вся смесь воспламеняется по образу факела.
  • Газовый ДВС имеет принцип теплового цикла, топливом может являться как природный газ, так и углеводородный. Газ поступает в редуктор, где давление его стабилизируется в рабочее. Затем попадает в смеситель, а в итоге воспламеняется в цилиндре.
  • Газодизельные ДВС работают по принципу газовых, только в отличие от них, смесь воспламеняется не свечой, а дизельным топливом, впрыск которого происходит также, как и у обычного дизельного мотора.
  • Роторно-поршневые типы двигателей внутреннего сгорания принципиально отличаются от остальных наличием ротора, который вращается в камере, имеющей форму восьмерки. Чтобы понять, что такое ротор, нужно усвоить, что в данном случае ротор выполняет роль поршня, ГРМ и коленчатого вала, то есть специальный механизм ГРМ здесь полностью отсутствует. При одном обороте происходит сразу три рабочих цикла, что сравнимо с работой двигателя с шестью цилиндрами.

Принцип работы

В настоящее время преобладает четырехтактный принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это объясняется тем, что поршень в цилиндре проходит четыре раза – вверх и вниз одинаково по два.

Как работает двигатель внутреннего сгорания:

  1. Первый такт – поршень при движении вниз втягивает топливную смесь. При этом клапан впуска находится в открытом виде.
  2. После достижения поршнем нижнего уровня, он двигается вверх, сжимая горючую смесь, которая, в свою очередь, принимает объем камеры сгорания. Этот этап, включенный в принцип работы двигателя внутреннего сгорания, является вторым по счету. Клапаны, при этом, находятся в закрытом виде, и чем плотнее, тем качественнее происходит сжатие.
  3. В третий такт включается система зажигания, так как здесь происходит воспламенение топливной смеси. В назначении работы двигателя он называется «рабочим», так как при этом начинается процесс привода в работу агрегата. Поршень от взрыва топлива начинает движение вниз. Как и во втором такте, клапаны находятся в закрытом состоянии.
  4. Завершающий такт – четвертый, выпускной, который дает понять, что такое завершение полного цикла. Поршень через выпускной клапан избавляется от отработавших газов цилиндра. Затем все циклически повторяется снова, понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, можно представив цикличность работы часов.

Устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания логично рассматривать с поршня, так как он является основным элементом работы. Он представляет собой своеобразный «стакан» с пустой полостью внутри.

Поршень имеет прорези, в которых фиксируются кольца. Отвечают эти самые кольца за то, чтобы горючая смесь не выходила под поршень (компрессионное), а так же за то, чтобы масло не попадало в пространство над самим поршнем (маслосъемное).

Порядок работы

  • При попадании внутрь цилиндра топливной смеси, поршень проходит четыре вышеописанных такта, и возвратно-поступательное движение поршня приводит в движение вал.
  • Дальнейший порядок работы двигателя следующий: верхняя часть шатуна закреплена на пальце, который находится внутри юбки поршня. Кривошип коленвала фиксирует шатун. Поршень, при движении, вращает коленвал и последний, в свое время, передает крутящий момент системе трансмиссии, оттуда на систему шестерен и далее к ведущим колесам. В устройстве двигателей автомобилей с задним приводом посредником до колес выступает еще и карданный вал.

Конструкция ДВС

Газораспределительный механизм (ГРМ) в устройстве двигателя внутреннего сгорания отвечает за впрыск топлива, а так же за выпуск газов.

Механизм ГРМ состоит из верхнеклапанного и нижнеклапанного, может быть двух видов – ременной или цепной.

Шатун чаще всего изготавливается из стали путем штамповки или ковки. Есть виды шатунов, изготовленные из титана. Шатун передает усилия поршня коленвалу.

Коленвал из чугуна или из стали представляет собой набор коренных и шатунных шеек. Внутри этих шеек есть отверстия, отвечающие за подачу масла под давлением.

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма в двигателях внутреннего сгорания заключается в преобразовании движений поршня в движения коленвала.

Головка блока цилиндров (ГБЦ), большинства двигателей внутреннего сгорания, как и блок цилиндров, чаще всего изготавливается из чугуна и реже из различных сплавов алюминия. В ГБЦ находятся камеры сгорания, каналы впуска – выпуска, отверстия свечей. Между блоком цилиндров и ГБЦ находится прокладка, обеспечивающая полную герметичность их соединения.

В систему смазки, которую включает в себя двигатель внутреннего сгорания, входит поддон картера, маслозаборник, маслонасос, масляный фильтр и масляный радиатор. Все это соединено каналами и сложными магистралями. Система смазки отвечает не только за уменьшения трения между деталями мотора, но и за их охлаждение, а также за уменьшение коррозии и износа, увеличивает ресурс ДВС.

Устройство двигателя, в зависимости от его вида, типа, страны изготовителя, может быть чем-либо дополнено или, напротив, могут отсутствовать какие-то элементы ввиду устаревания отдельных моделей, но общее устройство двигателя остается неизменным так же, как и стандартный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Дополнительные агрегаты

Само собой, двигатель внутреннего сгорания не может существовать как отдельный орган без дополнительных агрегатов, обеспечивающих его работу. Система запуска раскручивает мотор, приводит его в рабочее состояние. Существуют разные принципы работы запуска в зависимости от типа мотора: стартерный, пневматический и мускульный.

Трансмиссия позволяет развить мощность при узком диапазоне оборотов. Система питания обеспечивает ДВС двигатель малым электричеством. В нее входит аккумуляторная батарея и генератор, обеспечивающий постоянный поток электричества и заряд АКБ.

Выхлопная система обеспечивает выпуск газов. В любое устройство двигателя автомобиля входят: выпускной коллектор, который собирает газы в единую трубу, каталитический конвертер, который снижает токсичность газов путем восстановления оксида азота и использует образовавшийся кислород, чтобы дожечь вредные вещества.

Глушитель в этой системе служит для того, чтобы уменьшить выходящий из мотора шум. Двигатели внутреннего сгорания современных автомобилей должны соответствовать установленным законом нормам.

Тип топлива

Следует помнить и об октановом числе топлива, которое используют двигатели внутреннего сгорания разных типов.

Чем выше октановое число топлива – тем больше степень сжатия, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Но существуют и такие двигатели, для которых увеличение октанового числа выше положенного заводом изготовителем, приведет к преждевременной поломке. Это может произойти путем прогорания поршней, разрушения колец, закопченности камер сгорания.

Заводом предусмотрено свое минимальное и максимальное октановое число, которое требует двигатель внутреннего сгорания.

Тюнинг

Любители увеличить мощность работы двигателей внутреннего сгорания зачастую устанавливают (если это не предусмотрено заводом изготовителем) различного рода турбины или компрессоры.

Компрессор на холостых оборотах выдает небольшую мощность, при этом держит стабильные обороты. Турбина же, наоборот, выжимает максимальную мощность при ее включении.

Установка тех или иных агрегатов требует консультации с мастерами, имеющими опыт работы в узком направлении, поскольку ремонт, замена агрегатов, или же дополнение двигателя внутреннего сгорания дополнительными опциями – это отклонение от назначения работы двигателя и уменьшают ресурс ДВС, а неправильные действия могут привести к необратимым последствиям, то есть работа двигателя внутреннего сгорания может быть навсегда окончена.

dvigatels.ru

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя (Изучаем вместе) — DRIVE2

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроены бензиновые и дизельные двигатели".

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте "впуск" в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта "сжатие" воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

www.drive2.ru

Nissan Patrol GR Y61 ۞ (YOZHIK) › Бортжурнал › Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №4. Опять степень сжатия.

Давайте ещё раз посмотрим на процесс сгорания топлива в обычной "бензинке":

Если выбросить из головы привычные сказки на эту тему и посмотреть трезвым взглядом — то ВСЁ в "обычном" двигателе организовано через задницу:

1). Воспламенение топлива производится до ВМТ в довольно холодной и разряжённой атмосфере.
Да, разумеется, сжатие повышает и температуру и давление — потому условия воспламенения топлива, без спору, становятся намного более благоприятными, чем вообще без сжатия. Но оптимальными назвать их — язык не поворачивается.
Именно поэтому топливо даже при принудительном зажигании так медленно и неохотно воспламеняется — посмотрите, сколько по времени длится одно только образование очага горения…
А распространение фронта пламени?!
ПОЛОВИНУ времени "сгорания" на самом деле занимает ВОСПЛАМЕНЕНИЕ!
Зажигание и вынесли ПЕРЕД ВМТ с единственной целью — дать время топливу разгореться в неблагоприятных условиях, чтобы после ВМТ оно уже горело более-менее активно. Если воспламенять топливо ПОСЛЕ ВМТ — оно не то что сгореть не успеет, оно ВОСПЛАМЕНИТЬСЯ полностью не сможет.

2). Поскольку часть сгорания топлива происходит ДО ВМТ и ТОРМОЗИТ коленвал — нам в обязательном порядке придётся компенсировать это сгорание после ВМТ, что увеличивает расход топлива…
Ну или снижает КПД — если так понятнее.

3). Приблизительно до 10 градусов после ВМТ поршень еле движется вниз — потому энергия сгорающего топлива преобразуется не столько в работу, сколько в дальнейшее лавинообразное повышение температуры и давления в "камере сгорания" — что приводит к появлению детонации…
Высокая плотность сгорающих газов при высокой их температуре вызывает колоссальные теплопотери в стенки "камеры сгорания" — до 90-95(!)% всего тепла передаётся двигателю именно в зоне ВМТ.
Пик прорыва газов в картер через компрессионные кольца опять таки расположен в зоне ВМТ…

4). Пик сгорания приходится на 15 градусов после ВМТ — при этом положении коленвала все детали двигателя испытывают максимальные механические и термические нагрузки. Но кривошипно-шатунный механизм в этом положении передаёт на коленвал только четверть давления газов. Полезной работы всё ещё выполняется мизер. Если бы двигатель мог запасать энергию сгорания в давлении газов, чтобы отдать эту энергию коленвалу позже, когда тот займёт более выгодное с точки передачи момента, положение — это было бы не страшно. Но объём "камеры сгорания" начинает стремительно увеличиваться и по факту повышается только температура газов, а давление уже начинает падать. Передаточный коэффициент КШМ увеличивается, но давление падает всё стремительнее на фоне всё быстрее опускающегося поршня и стремительно увеличивающегося объёма "камеры сгорания".

5). На 30 градусах после ВМТ КШМ передаёт уже около 50% давления газов, но и объём камеры сгорания к этому моменту удваивается — давление и температура газов стремительно уменьшаются, нарастает концентрация продуктов сгорания, а концентрация топлива и кислорода стремительно падает.
Сгорание замедляется…

6). К 35-40 градусам после ВМТ активное догорание топлива прекращается. В этом положении КШМ передаёт уже больше половины давления газов в работу, но выделение тепла уже не происходит — генерация давления прекращается полностью. С этого момента давление газов в "камере сгорания" начинает снижаться прямо пропорционально увеличению объёма камеры сгорания и кривопропорционально снижению температуры.

7). К 80 градусам после ВМТ КШМ передаёт почти 100% давления, но объём "камеры сгорания" к этому моменту увеличивается уже в 5 РАЗ(!) и продолжает стремительно расти. Давление газов катастрофически снижается и работы опять производится мизер.

В итоге — КПД современной бензинки по оценкам официальной науки не превышает 30%.
Наука неофициальная иногда рожает несколько странные на первый взгляд цифры, имеющие на мой взгляд больше отношения к реальности. После начала эксплуатации первого серийного электромобиля EV1 были получены удивительные результаты, оставленные официальной наукой без должного внимания. Было подсчитано, что количество электроэнергии, затраченной EV1 с массой около 1,5 тонн на преодолении пути в 100 км — эквивалентно энергии, заключенной менее чем в одном литре бензина. Этот результат вызвал огромное недоумение у американских специалистов, ведь аналогичный автомобиль на 100 км тратит в среднем около 10 литров бензина. Действительно эти цифры невозможно объяснить, если за основу брать КПД двигателя в районе 30…40%. Однако, если реальный КПД равен 7% — то эти цифры прекрасно объясняются.

Получается — при расходе автомобиля 10 литров на сто километров на движение АВТОМОБИЛЯ тратится около одного литра бензина, остальные 9 литров своим сгоранием тупо греют атмосфэру.
Если же задуматься — а сколько тратится топлива на перемещение непосредственно ГРУЗА или ПАССАЖИРОВ — то картина получится совсем удручающая…

У "дизельного" двигателя всё тоже самое, что и у "бензинового" — с небольшими отличиями в лучшую сторону, но сама концепция — как под копирку:
1). Сжать рабочее тело в несокрушимом замкнутом объёме для обеспечения приемлемой скорости ВОСПЛАМЕНЕНИЯ топлива.
2). Спалить топливо в этом практически неменяющемся объёме и НАКОПИТЬ к концу сгорания "максимальное давление цикла", балансируя на грани взрыва и механического разрушения двигателя.
3). На этапе рабочего хода начать сливать всё накопленное давление в ненасытную утробу стремительно расширяющейся "камеры сгорания", судорожно тщась преобразовать стремительно падающее давление в момент на коленвалу с помощью кривошипа, который работает почти в противофазе и потому теряет в среднем около половины передаваемого давления.

ОСНОВНОЕ узкое место этой модели — выделяющаяся энергия преобразуется в работу не НЕМЕДЛЕННО по мере сгорания топлива, а только СПУСТЯ некоторое время, уже ПОСЛЕ фактического завершения сгорания.
Именно это и обуславливает колоссальные потери энергии.
Высокие максимальные температуры цикла вызывают ускоренную теплопередачу в стенки "камеры сгорания". Высокое максимальное давление цикла — чрезмерные потери через малейшие неплотности "камеры сгорания".

.

.

.

Что делать с этим безобразием умные головы придумали уже давно.
Нужно ходить пешком!
Нужно СИНХРОНИЗИРОВАТЬ два важнейших "механизма" ДВС таким образом, чтобы вырабатываемая при сгорании топлива энергия совершала работу НЕМЕДЛЕННО.

Тогда максимальная отдача от одного "механизма" будет оптимальным образом приумножать отдачу другого.

А добиться этого можно только повышая степень сжатия.
Повышая не на проценты, а в разы.

Давайте прикинем:
У двигателя температура смеси в конце такта всасывания достигает +65С.
При прокручивании стартером у "бензинки" со СС=9 температура в ВМТ поднимается до +380С, а давление — до 19 атмосфер. Это очень мало. Чтобы топливо успело сгореть — воспламенять смесь приходится за 15 градусов до ВМТ. Тогда в зоне ВМТ температура поднимается до +800С, а давление — до 33 атмосфер.
Получается, что дополнительное увеличение температуры на +420С и давления на 14 атмосфер на такте сжатия получено за счет топлива, сгорающего до ВМТ.
Грубо говоря — сжатие смеси поршневой группой в привычном двигателе обеспечивает только ПОЛОВИНУ давления и температуры, требуемых для нормального сгорания воздушно-топливной смеси.

Если прикинуть — при какой геометрической степени сжатия в "камере сгорания" создаются подобные "климатические" условия в ВМТ без подвода тепла до ВМТ — то окажется, что фактическая степень сжатия обычной "бензинки" при полностью открытом дросселе равна 12.
При полностью закрытом дросселе — 4… :(

Но давайте на минутку отвлечёмся.
В ДВС есть два ключевых "механизма", на которых нам есть смысл концентрироваться — это КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ и "МЕХАНИЗМ" СГОРАНИЯ.
Всё остальное вторично.

У КШМ на рабочем ходу есть две "мёртвые" точки и одна "живая". В "мёртвых" точках преобразование давления газов на днище поршня не происходит вообще. Приблизительно посередине(75-80 градусов после ВМТ) между "мёртвыми" точками расположена "живая", в которой преобразование наиболее эффективно и составляет почти 100%.
Кривая эффективности преобразования давления газов на поршень в момент на коленвалу с помощью КШМ выглядит как-то так:

В переводе на человеческий язык — чем ближе к середине хода поршня мы обеспечим сгорание(выделение ДАВЛЕНИЯ газов), тем больше момента мы получим на коленвалу!

У КШМ есть ещё одина важнейшая характеристика, про которую почему-то ВООБЩЕ никто не заикается.
Я даже не слышал никогда про неё явно, при том что именно она НАПРЯМУЮ определяет функционирование второго важнейшего "механизма" ДВС.
Эта характеристика — СКОРОСТЬ изменения ОБЪЁМА "камеры сгорания".
Именно эволюция объёма "камеры сгорания" в ходе РАБОЧЕГО ЦИКЛА определяет протекание процессов СГОРАНИЯ топлива.
Подробнее на эту тему поговорим ниже.
В принципе, больше ничего про КШМ знать и не нужно.

Графическое представление "механизма" сгорания смесей топлива с окислителем в замкнутом объёме очень похоже по форме на предыдущий график.
У "механизма" сгорания так же есть две "мёртвые" точки и одна "живая".
В "мёртвых" точках преобразование энергии топлива в давление не происходит вообще.
В начале — смесь ещё не горит.
В конце — смесь уже не горит.
Между двумя "мёртвыми" точками расположена "живая", в которой преобразование наиболее эффективно — именно в области этой точки ДАВЛЕНИЕ сгорающих газов максимально.
Процесс сгорания очень сильно зависит от исходных параметров смеси. Этих параметров довольно много, но нам наиболее важны такие как стехиометрия, температура и давление. Я не

www.drive2.ru

Двигатель внутреннего сгорания - история создания / Техника / stD

Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания, являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.

В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:

• Шатунно-поршневые
• Роторные
• Турбореактивные
• Реактивные

Паровая машина, послужившая прародителем ДВС, по своей сути являлась двигателем внешнего сгорания, так как горение топлива происходило в отдельно стоявшем котле, а рабочее тело (пар) подавалось в цилиндр по трубам.
Такая конструкция приводила к большим потерям тепла (энергии) и черезмерному расходу топлива.

Для преодоления этих недостатков необходимо было сделать так, чтоб топливо сгорало непосредственно в самом цилиндре. Реализацией этой идеи и стал Двигатель Внутреннего Сгорания.

ДВС различного действияДвухтактный ДВС — на первом такте происходит впуск и сжатие горючей смеси, а на втором такте расширение и выпуск отработанных газов.

Четырёхтактный ДВС — на первом такте происходит впуск, на втором сжатие, на третьем расширение, на четвёртом выпуск.

Звёздообразный, или радиальный ДВС — имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров.

Ротативный ДВС — двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.

Роторный ДВС — за один оборот двигатель выполняет один рабочий цикл.


Слово «Детонация» здесь неуместно, правильно будет — расширение. Детонация же, это разрушительное следствие неправильной работы двигателя.

Турбореактивный ДВС — в основном используются на самолётах.

Реактивный ДВС — используется в ракетах.



К первым попыткам создать ДВС (если не брать в расчёт артиллерийские орудия) можно отнести проект порохового двигателя в виде цилиндра с поршнем, предложенный Христианом Гюйгенсом и Дени Папеном, в 17 веке.

Идея заключалась в том, что насыпанный внутрь цилиндра и подожжённый порох, выталкивал поршень вверх.
Конечно, назвать эту конструкцию двигателем можно лишь с большой натяжкой, однако нужно помнить что на дворе был 1690 год.

           

Чуть позже, Папен, вместо пороха залил в цилиндр воду, которая доводилась до кипения костром, разожженным под цилиндром, а образующийся пар толкал поршень.
Тогда эта идея, отчасти, поспособствовала созданию паровой машины, а сейчас поршень и цилиндр используется в современных шатунно-поршневых ДВС.

Существовали и другие изобретатели 17-18 веков пытавшиеся создавать ДВС, но им не удалось добиться сколько-нибудь значимых результатов, да и информации о них крайне мало.


    В 1801 году, Филипп Лебон — французский инженер и изобретатель газового освещения, зарегистрировал патент на двигатель внутреннего сгорания работающий на смеси газа и воздуха.

В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый «светильный газ» из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где и воспламенялась.

В связи со смертью Лебона, в 1804 году, двигатель так и остался проектом на бумаге.

К сожалению, не нашёл никаких картинок.


В 1806 году, французский изобретатель Джозеф Ньепс вместе со своим братом Клодом, сконструировали прототип двигателя внутреннего сгорания и назвали его «Pyreolophore».

Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона. Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.

Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…

Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.

Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение.
Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся.
Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.

Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска.
В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна».

Принято считать, что братья Ньепс были авторами первой в мире системы впрыска.

Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».

Справа стоит самокат (дрезина — лат. быстроя нога), который Джозеф Ньепс построил в 1817 году.


В том же 1807 году, швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Рива сконструировал двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием. Топливом для двигателя служил водород, а идею электрического поджига, де Рива позаимствовал у Алессандро Вольта.

Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.

Про Алессандро ВольтаВольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб»).

В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет — «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.

В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.

Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.


A — цилиндр, B — «свеча» зажигания, C — поршень, D — «воздушный» шар с водородом, E — храповик, F — клапан сброса отработанных газов, G — рукоятка для управления клапаном.

Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.

Принцип работы:

• Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух.
• Клапан закрывался.
• Открывался кран подачи водорода из шара.
• Кран закрывался.
• Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу».
• Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх.
• Открывался клапан сброса отработанных газов.
• Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.

После этого цикл повторялся.

В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну.
Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов) и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч.
С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.

Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.

В Парижском «Музее искусств и ремёсел» экспонируется модель автомобиля Франсуа де Рива.


В 1825 году, английский инженер и изобретатель Сэмюэль Браун, создал двигатель работающий на газе (водород).

Принцип работы двигателя основывался на сжигании воздуха в цилиндре, что приводило к созданию вакуума и втягивании поршня, а для более эффективного охлаждения, цилиндр окружала водяная рубашка.

Двигатель использовался для перекачки воды и для приведения в движение речных судов. Браун создал компанию по производству двигателей для лодок и барж, некоторые из которых достигали скорости 14 км/ч. Тем не менее, предприятие оказалось неудачным из-за перебоев с поставками топлива и высокой стоимости.


В 1826 году, Сэмюэль Мори, пионер американского «паростроения», запатентовал двигатель внутреннего сгорания работающий на скипидаре и спирте.

Двигатель имел много общего с современными, он состоял из двух цилиндров с водяной рубашкой, карбюратора и выпускных клапанов.

Информации очень мало, поэтому пишу что есть:

Мори продемонстрировал свой ​​двигатель в Нью-Йорке и Филадельфии, о чём есть свидетельства очевидцев. Двигатели были установлены на лодку и на телегу. Во время демонстрации «автомобиля», Мори не справился с управлением и съехал в канаву. Это была первая в США поездка на автомобиле. Несмотря на успех, Мори не смог найти покупателя.

Популяризатором идеи Мори был Чарльз Дьюри, изобретатель, сконструировавший первый бензиновый двигатель в Америке. Он профинансировал создание двух рабочих реплик двигателя Мори, одна из которых находится в распоряжении Смитсоновского института, а другая принадлежит Дин Камен.


В 1833 году, американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт, зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.

Дугалд Клерк (см. ниже) в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:

«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»

Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:


В 1838 году, английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.

Первый двигатель — двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.

Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.

Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.

Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.

Чертёж одного из двигателей Барнетта:


В 1853-57 годах, итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с.
Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.

Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica), и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.

Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:

Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:

Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.

В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.

Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.

Национальный музей науки и техники Леонардо да Винчи в Милане.


В 1860 году, бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением, представлявший собой переделанную одноцилиндровую горизонтальную паровую машину двойного действия, работавший на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием. Мощность двигателя составляла 12 л/с.

Двигатели Ленуара использовались как стационарные, судовые, на локомотивах и на дорожных экипажах.

Современная модель:

Принцип работы прост: смесь, с помощью одного золотникового устройства, попеременно подавалась в полости цилиндра и поджигалась от «свечи», а через другой золотник выбрасывались отработанные газы.

Золотник

В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.

Это был первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания. К 1865 году более 400 единиц использовались во Франции и около 1000 в Великобритании.


Двигатель Ленуара. «Музей искусств и ремёсел». Париж.

В 1862 году Ленуар построил первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, адаптировав свой ​​двигатель для работы на жидком топливе.

Даже капот есть

После появления четырёхтактного двигателя конструкции Николауса Отто, двигатель Ленуара быстро потерял свои позиции на рынке.


В 1861 году, французский инженер Альфонс Эжен Бо де Роша получил патент на четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Проект был реализован только на бумаге.

Картинок я не нашёл.


В 1863 году, Николаус Август Отто и Карл Ойген Ланген сконструировали атмосферный двигатель внутреннего сгорания и основали завод по его производству «N. A. Otto & Cie».

В 1867 году на «Парижской Всемирной Выставке» их двигатель был удостоен золотой медали.

После банкротства в 1872 году, Ланген и Отто основали новую компанию, которая сегодня известна как «Deutz AG». На должность топ-менеджера был принят Готлиб Даймлер, который в свою очередь, взял на должность главного конструктора своего друга Вильгельма Майбаха.

Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом — циклом Отто. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто, но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Роша (см. выше). Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.

Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область их применения.
Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге.


В 1865 году, французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.

Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.


Science Museum, London.


В 1870 году, австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку.

Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».

В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль — «Second Marcus Car».

Technisches Museum Wien


В 1872 году, американский изобретатель Джордж Брайтон запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине.
Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».

Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй — рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.

Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона».


В 1878 году, шотландский инженер Сэр (в 1917 году посвящён в рыцари)Дугалд Клерк разработал первый двухтактный двигатель с воспламенением сжатой смеси. Он запатентовал его в Англии в 1881 году.

Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня опускались, из левого цилиндра (через левый патрубок) выбрасывались выхлопные газы, а в правый цилиндр всасывалась новая порция воздуха и топлива. Следуя по инерции поршни поднимались и цикл повторялся.


В 1879 году, Карл Бенц, построил вполне надежный бензиновый двухтактный двигатель и получил на него патент.

Однако настоящий гений Бенца проявился в том, что в последующих проектах он сумел совместить различные устройства (дроссель, зажигание с помощью искры с батареи, свеча зажигания, карбюратор, сцепление, КПП и радиатор) на своих изделиях, что в свою очередь стало стандартом для всего машиностроения.

В 1883 году, Бенц основал компанию «Benz & Cie» по производству газовых двигателей и в 1886 году запатентовал четырехтактный двигатель, который он использован на своих автомобилях.

Благодаря успеху компании «Benz & Cie», Бенц смог заняться проектированием безлошадных экипажей. Совместив опыт изготовления двигателей и давнишнее хобби — конструирование велосипедов, к 1886-му году он построил свой первый автомобиль и назвал его "Benz Patent Motorwagen".


Конструкция сильно напоминает трехколёсный велосипед.

Одноцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания рабочим объёмом 954 см3., установленный на "Benz Patent Motorwagen".

Двигатель был оснащён большим маховиком (использовался не только для равномерного вращения, но и для запуска), бензобаком на 4,5 л., карбюратором испарительного типа и золотниковым клапаном, через который топливо поступало в камеру сгорания. Воспламенение производилось свечой зажигания собственной конструкции Бенца, напряжение на которую подавалось от катушки Румкорфа.

Охлаждение было водяным, но не замкнутого цикла, а испарительным. Пар уходил в атмосферу, так что заправлять автомобиль приходилось не только бензином, но и водой.

Двигатель развивал мощность 0,9 л.с. при 400 об/мин и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

Карл Бенц за «рулём» своего авто.

Чуть позже, в 1896 году, Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель (или плоский двигатель), в котором поршни достигают верхней мертвой точки в одно и то же время, тем самым уравновешивая друг друга.


Музей «Mercedes-Benz» в Штутгарте.


В 1882 году, английский инженер Джеймс Аткинсон придумал цикл Аткинсона и двигатель Аткинсона.

Двигатель Аткинсона — это по существу двигатель, работающий по четырёхтактному циклу Отто, но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. Отличие заключалось в том, что в двигателе Аткинсона все четыре такта происходили за один оборот коленчатого вала.

Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в этом двигателе не требовалось редуктора для привода газораспределительного механизма, так как открытие клапанов приводил в движение коленчатый вал.

Не смотря на ряд преимуществ (включая обход патентов Отто) двигатель не получил широкого распространения из-за сложности изготовления и некоторых других недостатков.
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

Сейчас двигатель Аткинсона применяется на гибридных автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».


В 1884 году, британский инженер Эдвард Батлер, на лондонской выставке велосипедов "Stanley Cycle Show" продемонстрировал чертежи трёхколёсного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, а в 1885 году построил его и показал на той же выставке, назвав «Velocycle». Так же, Батлер был первым кто использовал слово бензин.

Патент на «Velocycle» был выдан в 1887 году.

На «Velocycle» был установлен одноцилиндровый, четырёхтактный бензиновый ДВС оснащенный катушкой зажигания, карбюратором, дросселем и жидкостным охлаждением. Двигатель развивал мощность около 5 л.с. при объёме 600 см3, и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

На протяжении многих лет Батлер улучшал характеристики своего транспортного средства, но был лишен возможности его тестировать из-за "Закона Красного Флага" (издан в 1865 году), согласно которому транспортные средства не должны были превышать скорость свыше 3 км/ч. Кроме того, в автомобиле должны были присутствовать три человека, один из которых должен был идти перед автомобилем с красным флагом (такие вот меры безопасности).

В журнале «Английский Механик» от 1890 года, Батлер написал — «Власти запрещают использование автомобиля на дорогах, в следствии чего я отказываюсь от дальнейшего развития.»

Из-за отсутствия общественного интереса к автомобилю, Батлер разобрал его на металлолом, и продал патентные права Гарри Дж. Лоусону (производителю велосипедов), который продолжил производство двигателя для использования на катерах.

Сам же Батлер перешёл к созданию стационарных и судовых двигателей.

В 1900 году, в журнале "Autocar", Батлер опубликовал статью следующего содержания:

«Теперь, когда внимание общественности приковано к немецким изобретателям — Бенцу и Даймлеру, я надеюсь, что вы найдёте место в вашем журнале для иллюстрации небольшого бензинового автомобиля, который я считаю, был сделан абсолютно первым в этой стране.
Я не могу утверждать, что сделал очень много, однако я проводил свои эксперименты в то время, когда прогресс тормозился из-за предрассудков людей и отсутствия интереса. Тем не менее, часть моих идей до сих пор используется во многих типах двигателей.»


В 1889 году, на Всемирной выставке в Париже, французский инженер Феликс Милле представил и запатентовал 5-цилиндровый ротационный (не роторный) двигатель, встроенный в колесо велосипеда.


Мотоцикл Феликса Милле, 1897 год.

Ротационный двигатель основан на стандартном цикле Отто, но вместо вращения коленчатого вала вращается весь двигатель выступая в роли маховика, а коленчатый вал стоит на месте.

Подобные двигатели широко использовались в авиации во времена Первой мировой войны.

Достоинства и недостатки этих двигателей будут описаны в отдельной статье, однако интересующиеся могут почитать википедию.


В 1891 году, Герберт Эйкройд Стюарт в сотрудничестве с компанией "Richard Hornsby and Sons" построил двигатель «Hornsby-Akroyd», в котором топливо (керосин) под давлением впрыскивалось в дополнительную камеру (из-за формы её называли «горячий шарик»), установленную на головке блока цилиндров и соединённую с камерой сгорания узким проходом. Топливо воспламенялось от горячих стенок дополнительной камеры и устремлялось в камеру сгорания.


1. Дополнительная камера (горячий шарик).
2. Цилиндр.
3. Поршень.
4. Картер.

Для запуска двигателя использовалась паяльная лампа, которой нагревали дополнительную камеру (после запуска она подогревалась выхлопными газами). Из-за этого двигатель «Hornsby-Akroyd», который был предшественником дизельного двигателя сконструированного Рудольфом Дизелем, часто называли «полу-дизелем». Однако спустя год Эйкройд усовершенствовал свой двигатель добавив к нему «водяную рубашку» (патент от 1892 г.), что позволило повысить температуру в камере сгорания за счёт увеличения степени сжатия, и теперь уже не было необходимости в дополнительном источнике нагрева.


В 1893 году, Рудольф Дизель получил патенты на тепловой двигатель и модифицированный "цикл Карно" под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу».

В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» (с 1904 года MAN), при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер, был создан первый функционирующий дизель Рудольфа Дизеля
Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн.
Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало живейший интерес промышленности в разных странах.

Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух и концу сжатия впрыскивать топливо в цилиндр под сильным давлением.
Так как температура сжатого воздуха достигала 600—650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя, избавиться от системы зажигания, а вместо карбюратора использовать топливный насос высокого давления (ТНВД).

Позднее, в 1900 году, на "Всемирной выставке", Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).


В 1903 году, норвежский изобретатель Эгидий Эллинг построил первую газовую турбину, развивавшую мощность в 11 лошадиных сил. Патент на это изобретение он получил ещё в 1884 году.

К 1904-му году мощность турбины была увеличена до 44 лошадиных сил, а к 1932-му году турбина уже развивала мощность около 75 лошадиных сил.

В 1933 году Эллинг пророчески писал: «Когда я начал работать над газовой турбиной в 1882 году, я был твёрдо уверен в том, что моё изобретение будет востребовано в авиастроении.»

К сожалению, Эллинг умер в 1949 году, так и не дожив до наступления эры турбореактивной авиации.


Единственное фото, которое удалось найти.

Возможно кто-то найдёт что-либо об этом человеке в "Норвежском музее техники".


В 1903 году, Константин Эдуардович Циолковский, в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. В статье был предложен и первый проект ракеты дальнего действия. Корпус её представлял собой продолговатую металлическую камеру, снабжённую жидкостным реактивным двигателем (который тоже является двигателем внутреннего сгорания). В качестве горючего и окислителя он предлагал использовать соответственно жидкие водород и кислород.


Наверное на этой ракетно-космической ноте и стоит закончить историческую часть, так как наступил 20-ый век и Двигатели Внутреннего Сгорания стали производиться повсеместно.

Философское послесловие…

К.Э. Циолковский полагал, что в обозримом будущем люди научатся жить если не вечно, то по крайней мере очень долго. В связи с этим на Земле будет мало места (ресурсов) и потребуются корабли для переселения на другие планеты. К сожалению, что-то в этом мире пошло не так, и с помощью первых ракет люди решили просто уничтожать себе подобных...

Спасибо всем кто прочитал.

Все права защищены © 2016 istarik.ru
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник.

istarik.ru

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания — Википедия

Бензиновые двигатели — класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Одним из видов дросселя является карбюраторная дроссельная заслонка, регулирующая поступление горючей смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Рабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда. В автомобилях управление дросселем производится с места водителя от ноги педалью. В современных автомобилях нет прямой механической связи между педалью акселератора и дроссельной заслонкой. Заслонка поворачивается с помощью электродвигателя, управляемого электронным блоком управления (ЭБУ). В педальном блоке находится потенциометр, изменяющий своё сопротивление в зависимости от положения педали.

Классификация бензиновых двигателей[править | править код]

  • По способу смесеобразования — карбюраторные и инжекторные;
  • По способу осуществления рабочего цикла — четырёхтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизированных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. Следует заметить, что дизели также могут быть четырёхтактными или двухтактными; двухтактные дизели лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей, однако применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках).;
  • По числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые;
  • По расположению цилиндров — с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд (т. н. «рядный» двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным),W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом (у V-образного двигателя 2 ряда цилиндров), звездообразные;
  • По способу охлаждения — с жидкостным или воздушным охлаждением;
  • По типу смазки смешанный тип (масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип (масло находится в картере)
  • По виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные [1];
  • По степени сжатия— двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия;
  • По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (атмосферные), у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разрежения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя;
  • По частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные;
  • По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
  • Практически не употребляемые виды моторов — роторно-поршневые Ванкеля (производились только фирмами NSU (Западная Германия), Mazda (Япония) и ВАЗ (СССР/Россия)), с внешним сгоранием Стирлинга и т. д..

См. также: Классификация автотракторных двигателей

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя[править | править код]

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.

1. Впуск. Поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степень сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством, центробежным вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель. В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по индуктивному принципу.
4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Рабочий цикл двухтактного двигателя[править | править код]

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи нижней мёртвой точки поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработавшие газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх свежая порция рабочей смеси засасывается в кривошипную камеру.

Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

  • Больший ресурс.
  • Бо́льшая экономичность.
  • Более чистый выхлоп.
  • Не требуется сложная выхлопная система.
  • Меньший шум.
  • Не требуется добавление масла к топливу.

Преимущества двухтактных двигателей[править | править код]

  • Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения.
  • Бо́льшая мощность в пересчёте на единицу рабочего объёма.
  • Проще и дешевле в изготовлении.
  • Проще в ремонте.
  • Меньший вес.

Карбюраторные и инжекторные двигатели[править | править код]

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (система рециркуляции выхлопных газов).

Основные вспомогательные системы бензинового двигателя[править | править код]

Системы, специфические для бензиновых двигателей[править | править код]

  • Система зажигания — обеспечивает поджиг топлива в нужный момент. Она может быть контактной, бесконтактной или микропроцессорной. Контактная система включает в себя: прерыватель-распределитель, катушку, выключатель зажигания, свечи. Бесконтактная система включает то же самое оборудование, только вместо прерывателя стоит датчик Холла или индукционный датчик. Микропроцессорная система зажигания управляется специальным блоком-компьютером, она включает в себя датчик положения коленвала, блок управления зажиганием, коммутатор, катушки, свечи, датчик температуры двигателя. У инжекторного двигателя к этой системе добавляются датчик положения дроссельной заслонки и датчик массового расхода воздуха.
  • Система приготовления топливовоздушной смеси — карбюратор или же инжекторная система.

Некоторые особенности современных бензиновых двигателей[править | править код]

  • Для повышения надёжности работы используется индивидуальная катушка зажигания для каждой свечи.
  • Используется по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр вместо одного впускного и одного выпускного. Это позволяет увеличить суммарную площадь отверстий клапанов в головке цилиндра; кроме того, при 4 клапанах на цилиндр каждый отдельный клапан получается более лёгким, что ускоряет закрывание клапанов под действием пружин — это может быть критичным на больших оборотах двигателя. Также 4 клапана на цилиндр позволяют разместить свечу зажигания в центре головки, а не сбоку.
  • Для управления дроссельной заслонкой используется электропривод, а не тросик педали акселератора.

Системы, общие для большинства типов двигателей[править | править код]

  • Система охлаждения
  • Система выпуска отработанных газов. Включает выпускной коллектор, каталитический конвертер (на современных машинах), и глушитель.
  • Система смазки — бывает с отдельным маслобаком (авиация) и без него (почти все современные автомобили; масло заливается в маслозаливную горловину на клапанной крышке двигателя).
  • Система запуска двигателя. Для приготовления двигателя к работе необходимо произвести хотя бы один оборот коленчатого вала, для того, чтобы в одном из цилиндров произошли такты впуска и сжатия. Для запуска четырёхтактного двигателя обычно применяется специальный электромотор — стартер, работающий от аккумулятора. Для запуска маломощных двухтактных бензиновых двигателей можно применять мускульную силу человека, например так работает кикстартер в мотоцикле.

ru.wikipedia.org

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия — Википедия

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия (HCCI, от англ. Homogeneous charge compression ignition) — двигатель внутреннего сгорания, в котором хорошо смешанное топливо и окислитель (обычно воздух) сжимаются до точки самовоспламенения. Как и при других видах сгорания, эта экзотермическая реакция выделяет энергию, которая может быть преобразована двигателем в тепло и полезную работу.

Такой двигатель сочетает в себе характеристики обычных бензинового и дизельного двигателей. Бензиновые двигатели используют однородную смесь и искровое зажигание. Современные дизельные двигатели используют стратифицированную смесь и зажигание от сжатия.

Также как в бензиновом двигателе, в HCCI впрыск топлива происходит на такте впуска. Однако вместо использования электрической искры для зажигания небольшой части топливной смеси, HCCI увеличивает плотность и температуру смеси до тех пор, пока по всему объёму не начнётся спонтанная реакция сгорания.

Таким же образом работают современные дизельные двигатели, однако в них впрыск происходит позже, во время цикла сжатия. Сгорание происходит на границе воздуха и топлива, создавая больше выбросов, позволяя как более обедненную смесь так и высокую температуру сгорания, что приводит к более высокому КПД.

Управление HCCI двигателем требует применения микропроцессорной системы управления и понимание физики воспламенения. Такие двигатели могут достигать сравнительно низких выбросов как бензиновые и такого же высокого КПД как дизельные.

Также HCCI двигатели достигают чрезвычайно низких выбросов оксидов азота NOx даже без применения каталитического нейтрализатора. Тем не менее для соответствия экологическим стандартам требуется нейтрализация несгоревших углеводородов и угарного газа.

Последние исследования показали что использование гибридного топлива(например смеси дизтоплива и бензина)помогает лучше контролировать процессы зажигания и сгорания в HCCI двигателях.

HCCI двигатели имеют долгую историю, хотя и не получили столь широкого распространения как бензиновые и дизельные. Такие двигатели были популярны до появления электрического искрового зажигания. Одним из таких двигателей является нефтяной(калоризаторный) двигатель в котором использовалась горячая испарительная камера для смешивания топлива с воздухом. Дополнительный нагрев совместно со сжатием создает условия для сгорания. Другим примером является компрессионный карбюраторный двигатель широко используемый в авиамоделизме.

Принцип[править | править код]

Смесь воздуха и топлива воспламеняется когда температура и давление смеси достаточно высоки. Концентрация и/или температура могут быть увеличены одним из следующих способов:

  • Увеличение степени сжатия
  • Предварительный нагрев газов наддува
  • Наддув
  • Увеличение или снижение рециркуляциии выхлопных газов

Сразу после воспламенения начинается сгорание, которое протекает очень быстро. При слишком раннем самовоспламенении или выделении чрезмерно большого количества энергии, высокое давление в цилиндрах может привести к разрушению двигателя. Поэтому при работе двигателя как правило используется обедненная смесь.

Преимущества[править | править код]

  • Так как HCCI двигатель работает в режиме обедненной смеси, он может работать с высокой степенью сжатия(>15) как у дизеля и имеют до 30% более высокую топливную чем обычные бензиновые двигатели.
  • Однородная топливная смесь позволяет более полное сгорание с меньшими выбросами. Так как максимальные температуры ниже чем в двигателях с искровым зажиганием, то количество образующихся оксидов азота NOx минимально. Также такой двигатель не выбрасывает сажу.
  • Двигатель может работать как на бензине, так и на дизеле и на большинстве альтернативных видов топлива.
  • Также HCCI позволяет избежать потерь на дросселирование, что дополнительно увеличивает эффективность.

Недостатки[править | править код]

  • Сложности с холодным пуском.
  • Высокие температура и скорость нарастания давления приводят к повышенному износу.
  • Самовоспламенение трудно контролировать, в отличие от традиционных двигателей, контролируемых с помощью свечей зажигания и топливных форсунок (у дизеля).
  • HCCI двигатели имеют малых диапазон мощности ограниченный при малых нагрузках условиями воспламенения обедненной смеси и при высоких нагрузках пределом давления в цилиндрах.
  • Выбросы угарного газа и несгоревших углеводородов выше чем у обычных бензиновых двигателей из-за неполного окисления (из-за низкой температуры и высокой скорости сгорания).

Способы управления[править | править код]

Двигатель с воспламенением однородной горючей смеси от сжатия сложнее в управлении чем другие ДВС. В бензиновых двигателях используются свечи зажигания для воспламенения топливной смеси. В дизельных двигателях сгорание начинается когда топливо впрыскивается в предварительно сжатый воздух. И в том и в другом случае зажигание происходит в определенный момент времени. В HCCI двигателях же, сжимается однородная смесь топлива и воздуха и сгорание начинается в произвольный момент когда температура и давление становятся достаточными для самовоспламенения. Это означает отсутствие какого-либо определенного инициатора зажигания который бы можно было контролировать. Двигатель должен быть спроектирован таким образом, чтобы условия самовоспламенения достигались своевременно. Для стабильной работы система управления двигателем должна управлять условиями которые инициируют сгорание. Такими способами могут быть: степень сжатия, температура и давление наддува, изменение процента рециркуляции выхлопных газов.

Степень сжатия[править | править код]

Имеют значения две степени сжатия. Геометрическая степень сжатия может изменяться с помощью подвижного поршня в верхней части ГБЦ. Такая система используется в авиамодельных компрессионных карбюраторных двигателях. Эффективная степень сжатия может быть уменьшена относительно геометрической закрытием впускного клапана либо слишком рано, либо слишком поздно с помощью системы изменения фаз газораспределения(VVT). Оба способа требуют энергозатрат для достижения нужного быстродействия. Также они являются дорогостоящими, но эффективными. Влияние степени сжатия на процесс сгорания в HCCI двигателе является предметом исследований.

Температура наддува[править | править код]

Самовоспламенение в HCCI весьма чувствительно к температуре. Простейшим способом используемым для контроля температуры является использование резистивных нагревателей на впуске, однако быстродействие такого подхода недостаточно для изменения температуры в ходе одного такта. Другим способом является быстрое управление температурой(FTM), он реализуется путём смешивания горячего и холодного воздуха на впуске. Этот способ обладает необходимым быстродействием, но дорог и имеет ограничения по производительности.

Процент рециркуляции выхлопных газов[править | править код]

Выхлопные газы могут быть очень горячими если подаются обратно в цилиндры непосредственно из выпускного тракта, либо холодными если они прошли рециркуляцию через впуск как это делается в системах рециркуляции выхлопных газов(EGR). Выхлопные газы влияют на процесс сгорания в HCCI двояким образом. Они разбавляют свежий заряд, отсрочивая воспламенение и уменьшая выделение энергии и соответственно результирующую мощность. Горячие же продукты сгорания напротив увеличивают температуру в цилиндре и ускоряют начало зажигания. Управление HCCI двигателями с помощью EGR было продемонстрировано экспериментально.

Изменяемые фазы газораспределения[править | править код]

Изменяемые фазы газораспределения(VVA) расширяют рабочий диапазон HCCI двигателя позволяя более точно контролировать совокупность параметров температура-давление-время в камере сгорания. Это может быть достигнуто следующими способами:

  • Управлением эффективной степенью сжатия: VVA на впуске может регулировать момент в который закрывается клапан впуска. Если это сделать после прохождения нижней мертвой точки, степень сжатия изменится за счет изменения давления.
  • Регулируя количество возвращённых в камеру сгорания горячих выхлопных газов: VVA может регулировать это либо повторным открытием клапанов, либо временем одновременного открытия впуска и выпуска. Изменение баланса поступающих холодных и горячих выхлопных газов позволяет контролировать температуру внутри цилиндра.

Электрогидравлические и бесклапанные системы изменения фаз газораспределения хотя и дают контроль над работой двигателя чрезмерно сложны и дороги, в то время как широко распространённые механические системы могут быть настроены для достижения необходимых режимов работы двигателя.

Смесь различных видов топлива[править | править код]

Другим способом увеличения рабочего диапазона двигателя является контроль за началом самовоспламенения и тепловыделением с помощью изменения самого состава топлива. Обычно это достигается за счёт смешивания нескольких топлив "на лету" в одном двигателе. Примером являются доступные на рынке двигатели использующие природный газ и этанол совместно с бензином/дизелем. Достичь этого можно различными способами:

  • Смешивание на входе: различные виды топлива смешиваются в жидкой фазе, одно с высокой воспламеняемостью(дизель) и другое с низкой(бензин). Момент зажигания в этом случае определяется составом смеси.
  • Смешивание в камере сгорания: одно топливо может впрыскиваться во впускной тракт, а другое непосредственно в цилиндр.
Непосредственный впрыск: PCCI или PPCI Сгорание[править | править код]

Непосредственный впрыск с воспламенением от сжатия(CIDI) - отработанная технология контроля момента самовоспламенения и тепловыделения использующаяся в дизельных двигателях. Двигатель с воспламенением предварительно смешанной(частично) горючей смеси от сжатия(PPCI или PCCI) это компромисс между простыми в управлении CIDI двигателями и более экологически чистыми HCCI двигателями, в частности с малым образованием сажи. Тепловыделение контролируется созданием горючей смеси которая дольше горит и менее склонна к детонации. Это делается путём впрыскивания смеси в такой момент, чтобы к началу воспламенения в цилиндре образовывались участки с различным соотношением топлива и воздуха. Сгорание начинается в разных точках камеры сгорания в различный момент времени там самым замедляя тепловыделение. Смесь формируется таким образом чтобы избежать обогащённых участков смеси приводящих к образованию сажи. Применение EGR и дизтоплива с высокой устойчивостью к воспламенению даёт больше времени на смешивание до воспламенения снижая число обогащённых участков смеси.

Предельное давление и скорость выделения тепла[править | править код]

В обычном ДВС сгорание происходит в режиме горения. Таким образом в каждый конкретный момент времени горит лишь некоторая часть топлива. Результатом этого являются сравнительно низкие давление и выделение энергии. В HCCI двигателях же вся топливовоздушная смесь воспламеняется одновременно и сгорает за меньшее время, при этом давление и выделение энергии значительно выше. Это повышает требования к прочности деталей двигателя.

Мощность[править | править код]

В ДВС изменение(увеличение) мощности происходит простым введением большего количества топлива в цилиндры. Так как скорость выделения тепла в таких двигателях сравнительно невелика, они могут выдерживать подобное увеличение мощности. Однако, в HCCI двигателях увеличение соотношения топливо/воздух приводит к росту давления и тепловыделения. К тому же многие способы управления HCCI двигателями подразумевают предварительный нагрев топлива, что приводит к уменьшению плотности, а следовательно и массы топливовоздушной смеси в камере сгорания снижая мощность. Из-за этого регулирование мощности HCCI двигателя является сложной задачей. Одним из способов является использование смешение топлив с различной стойкостью к самовоспламенению. Это уменьшает пиковое давление и тепловыделение и позволяет снизить коэффициент избытка воздуха. Другим способом является термическая стратификация топливовоздушной смеси таким образом, чтобы в разных точках сжимаемая смесь имела различную температуру и скорость горения. Третьим способом является ограничение работы двигателя в HCCI режиме только до при частичных нагрузках, переводя его в режим обычного сгорания(дизельного/бензинового) при полной мощности.

Выбросы в окружающую среду[править | править код]

Так как HCCI работает на обеднённой смеси, максимальная температура в нём меньше чем в двигатлеях с искровым зажиганием и дизелях. Это приводит к уменьшению выбросов NOx, но также ведёт и к неполному сгоранию топлива, особенно вблизи стенок камеры сгорания. Это приводит к повышенному образованию угарного газа и повышенным выбросам углеводородов. Окислительный катализатор может улавливать подобные выбросы, т.к. в выхлопе всё ещё много кислорода.

Отличия от детонации[править | править код]

Детонация происходит когда в бензиновом двигателе с искровым зажиганием несгоревшие газы самопроизвольно воспламеняются до подачи искры. Эти газы сжимаются по мере распостранения горения и давление в камере сгорания растёт. Это вызывает ударную волну исходящую от смеси вблизи поршня и волну расширения движущуюся к поршню. Две волны отражаются от стенок камеры сгорания и взаимодействуют создавая высокоамплитудные стоячие волны, тем самым формируя простейшее термоакустическое устройство где резоананс усиливается увеличивающимся выделением тепла в процессе прохождения волны также как труба Рийке. Подобный процесс происходит и в HCCI, однако в нём воспламенение происходит при поршневом сжатии более или менее одновременно по всему объёму сжимающейся смеси. Различия в давлении между различными регионами смеси, поэтому ударные волны не формируются и не происходит детонации, но достигается быстрый рост давления необходимый для достижения точки максимальной эффективности при почти изохорной реакции.

Моделирование HCCI двигателей[править | править код]

Компьютерные модели для моделирования сгорания и тепловыделения в HCCI двигателях требуют подробных химических моделей. Это связано с тем что воспламенение больше свзяано с химической кинетикой чем с турбулентностью или искровыми процессами в обычных бензиновых и дизельных двигателях. Компьютерное моделирование показало важность определения фактической однородности смеси в цилиндрах, особенно в части её температуры. Эта гомогенность достигается за счёт турбулентности и теплопередачи от стенок цилиндра. Уровень температурной стратификации определяет скорость тепловыделения и соответственно склонность к детонации. Это ограничивает полезность допущения о рассмотрении всей смеси как единой зоны, поэтому потребовалась интеграция кода трёхмерной компьютерной гидрогазодинамики, как например KIVA CFD и кода быстрого решения функции вероятностного распределения плотности.

На 2019 год до стадии серийного производства доведены только двигатели Mazda SkyActive-G второго поколения(Skyactive-X), устанавливающиеся на Mazda 3. Двухлитровый двигатель оснащён турбонаддувом и имеет степень сжатия 18:1.

Также были продемонстрированы:

  • В 1994 году Honda представила мотоцикл EXP-2. Для имитации HCCI в двухтактном двигателе использовался выпускной клапан.
  • В 2007-2009 General Motors демонстрировала модифицированный 2.2L двигатель Ecotec. Двигатель работал в HCCI режиме при спокойной езде и переходил в обычный режим(цикл Отто, искровое зажигание) при максимальной мощности.
  • Mercedes-Benz создал прототип двигателя DiesOtto с управляемым самовоспламенением. Он был подемонстрирован в 2007 на Франкфуртском автошоу в составе прототипа F700.
  • Volkswagen разработал 2 прототипа на основе дизельного и бензинового двигателей соответственно.
  • В ноябре 2011 Hyundai представила GDCI двигатель работающие без свечей зажигания и использующий одновременно турбину и компрессор для контроля за самовоспламенением.
  • Британская компания Oxy-Gen Combustion в партнерстве с Michelin и Shell создала прототип HCCI двигателя работающего на максимальной мощности.

На данный момент большинство HCII двигателей остаются прототипами, но исследования в этой области привели к прогрессу в разработках топлива и двигателей, например:

  • PCCI/PPCI сгорание - гибрид HCCI и обычных дизельных двигателей дающий больше контроля над процессами сгорания и тепловыделения с меньшими выбросами сажи и NOx.
  • Прогресс в моделировании топлива - HCCI сгорание больше зависит от химической кинетики чем от турбулентности или искры, уменьшая сложность моделирования химии, от которой зависят окисление топлива и образование выбросов. Это привело к росту интереса и развитию химической кинетики описывающей окисление углеводородов.
  • Применение топливных смесей - всвязи с прогрессом в моделировании топлива, теперь можно производить детальное моделирование окисления углеводородов, оценивая топливные смеси бензин/дизель или этанол.

ru.wikipedia.org

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 августа 2014; проверки требуют 6 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 18 августа 2014; проверки требуют 6 правок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (комбинированный ДВС) — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины.

Схемы с механической связью поршневых и лопаточных машин[править | править код]

  • Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем — простейший и наиболее старый тип комбинированных ДВС. Лопаточный компрессор-нагнетатель приводится в действие через механическую передачу от коленчатого вала поршневого ДВС. В лопаточной машине происходит часть процесса сжатия заряда. Широко применялся до 60-х годов в авиации (например, на самолете Ан-2), а также на судовых высокофорсированных дизелях М400. К достоинствам следует отнести хорошую согласованность производительности нагнетателя и потребности поршневой машины в свежем заряде как в установившемся режиме работы, так и в режиме разгона. Основной недостаток — значительный отбор полезной мощности от поршневой машины, из за чего эта схема в новых типах двигателей применяется сравнительно редко.
  • Поршневой ДВС с дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал — в этой схеме энергия отработавших газов поршневого ДВС совершает работу в газовой турбине, которая, посредством механической передачи поступает на коленчатый вал поршневого двигателя. То есть часть процесса расширения происходит в лопаточной машине (газовой турбине). К достоинствам схемы следует отнести преобразование энергии отработавших газов в механическую, что позволяет повысить КПД агрегата. К недостаткам следует отнести сложность согласования моментно-скоростных характеристик поршневого ДВС и газовой турбины (для этих целей приходится применять гидротрансформатор). Наилучшие результаты достигаются при работе поршневого ДВС при высоких давлениях наддува (от приводного компрессора или турбокомпрессора). На практике такая схема (под торговой маркой Turbo Compound используется в двигателях большегрузных автомобилей Scania.
  • Поршневой ДВС с лопаточным нагнетателем и дополнительной турбиной, отдающей мощность на коленчатый вал, — комбинация двух вышеуказанных схем.
  • Газотурбинный ДВС c поршневым компрессором — в лопаточной машине (газовой турбине) осуществляются процессы сгорания и расширения, а поршневая машина, приводимая в движение от газовой турбины, используется для сжатия заряда. Информация о практической реализации подобной схемы отсутствует.

Схемы с газовой связью поршневых и лопаточных машин[править | править код]

  • Поршневой ДВС с турбокомпрессором — отработавшие газы поршневого ДВС совершают работу в газовой турбине, которая приводит в действие лопаточный компрессор, обеспечивающий наддув поршневого ДВС. Данная схема, называемая турбонаддувом, в настоящее время получила очень широкое распространение, так как позволяет получать высокие литровые мощности поршневых ДВС, не расходуя на наддув полезную мощность, развиваемую поршневой машиной. Однако по приемистости ДВС с турбонаддувом уступают ДВС с приводным компрессором, что обусловлено инерцией ротора турбокомпрессора и инерцией газов во впускном и выпускном трактах. Для устранения указанного недостатка на автомобилях и тепловозах применяют ДВС, снабженные несколькими турбокомпрессорами, имеющими рабочие колеса с малым моментом инерции и расположенные в непосредственной близости от впускных и выпускных клапанов. На тракторах и судах, где специальных требований к приемистости не предъявляется, наоборот, применяются турбокомпрессоры с крупногабаритными рабочими колесами, которые лучше переносят длительную работу в режимах, близких к максимальной мощности.
  • ДВС с турбиной для привода вспомогательных агрегатов — для привода вспомогательных агрегатов (электрогенераторов, систем кондиционирования воздуха) могут использоваться газовые турбины, использующие энергию отработавших газов ДВС (в том числе и оснащенных турбонаддувом). Такой способ нашел применение на речных и морских судах для привода электрических генераторов, так как привод генератора от коленчатого вала низкооборотистого судового двигателя затруднен. На речных судах типа «Заря» (выпущенных в 80-х годах) и «Восход» газовая турбина служила приводом компрессора системы кондиционирования воздуха.
  • Поршневой ДВС с наддувом в роли генератора горячего газа с отбором мощности от газовой турбины — при высоком давлении наддува двигателя внутреннего сгорания большая часть энергии, выделяемой в ходе рабочего процесса, уходит с отработавшими газами. Удельная мощность такой газовой струи весьма высока, что позволяет использовать её в газовой турбине. Рассматриваемая схема получила распространение, хотя и ограниченное, в стационарных силовых установках, там, где требуется получение большой мощности при высокой частоте вращения выходного вала — свыше 6000 об/мин. В качестве поршневого ДВС-генератора газа преимущественно используются свободно-поршневые генераторы газа. С развитием стационарных газотурбинных ДВС применение рассмотренной схемы сокращается.
  • Газотурбинный ДВС в роли компрессора воздуха, отдаваемого в поршневой двигатель — часть воздуха (как правило, большая), сжимаемого в газотурбинном ДВС, отводится в поршневую машину — пневматический двигатель или поршневой ДВС в режиме пуска сжатым воздухом. Схема нашла применение в системах пуска крупных судовых, стационарных, а также танковых двигателей. Рассматривался подобный вариант и для привода локомотивов (при этом двигатель-компрессор, установленный на паровозе вместо котла, должен был питать сжатым воздухом цилиндры паровой машины).

История появления комбинированных ДВС[править | править код]

Создание комбинированных ДВС связано с попытками устранить недостатки, присущие поршневым двигателям внутреннего сгорания, выявленные еще на ранних этапах их развития.

Одним из существенных недостатков поршневого двигателя внутреннего сгорания является то, что значительное количество энергии (тепловой и кинетической), получаемой при сжигании топливно-воздушной смеси в цилиндрах, уносится с отработавшими газами, не совершая работы в поршневой машине. Другим недостатком чисто поршневых двигателей внутреннего сгорания является невозможность получения больших значений мощности на единицу рабочего объема, что связано с ограниченным количеством воздуха (смеси), всасываемого в цилиндр в процессе впуска, а именно — давление воздуха (смеси) в цилиндре в конце такта всасывания всегда будет меньше атмосферного. Последний недостаток особенно остро проявляется в авиации, где по мере набора высоты из-за снижения атмосферного давления ухудшалось наполнение цилиндров, и, следовательно, падала мощность поршневых двигателей.

Для улучшения наполнения цилиндров авиационных ДВС, особенно на больших высотах, в 30-х годах 20-го века стали применять предварительное сжатие воздуха в лопаточном компрессоре (нагнетателе), приводимом в действие от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. В такой комбинированной машине часть теплового цикла ДВС, а именно часть цикла сжатие осуществлялось в лопаточном копмрессоре. В такте впуска воздух (горючая смесь) поступал в цилиндр двигателя под избыточным давлением, что увеличивало массу заряда. Это позволило, во-первых, повысить мощность двигателей без увеличения рабочего объема (и соответственно массы двигателя) и без повышения числа оборотов (повышение числа оборотов снижает КПД воздушного винта и увеличивает механические потери в двигателе). Также решилась проблема падения мощности на больших высотах.

Однако на привод лопаточного компрессора от коленчатого вала затрачивалась часть (притом весьма существенная — порядка 10 % — 20 %) мощности двигателя, а возможность отбора возросшей при наддуве мощности отработавших газов не использовалась.

С развитием газовых турбин в 50-х, 60-х годах появилась возможность осуществлять привод лопаточного компрессора нагнетателя не от коленчатого вала, а от газовой турбины, приводимой в действие энергией отработавших газов поршневой машины. Возникли двигатели с турбонаддувом, которые в настоящее время получили весьма широкое распространение.

Другие схемы комбинированных ДВС используются для решения специфических задач и широкого применения не нашли.

ru.wikipedia.org

устройство, работа, КПД :: SYL.ru

В подавляющем большинстве автомобилей используются в качестве топлива для двигателей производные нефти. При сгорании этих веществ выделяются газы. В замкнутом пространстве они создают давление. Сложный механизм воспринимает эти нагрузки и трансформирует их сначала в поступательное движение, а затем - во вращательное. На этом основан принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Далее вращение уже передается на ведущие колеса.

Поршневой двигатель

В чем преимущество такого механизма? Что дал новый принцип работы двигателя внутреннего сгорания? В настоящее время им оборудуются не только автомобили, но и сельскохозяйственный и погрузочный транспорт, локомотивы поездов, мотоциклы, мопеды, скутера. Двигатели такого типа устанавливаются на военной технике: танках, бронетранспортерах, вертолетах, катерах. Еще можно вспомнить о бензопилах, косилках, мотопомпах, генераторных подстанциях и другом мобильном оборудовании, в котором используется для работы дизельное топливо, бензин или газовая смесь.

До изобретения принципа внутреннего сгорания топливо, чаще твердое (уголь, дрова), сжигалось в отдельной камере. Для этого применялся котел, который грел воду. В качестве первоисточника движущей силы использовался пар. Такие механизмы были массивными и габаритными. Ими оборудовались локомотивы паровозов и теплоходы. Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало возможность в разы уменьшить габариты механизмов.

Система

При работе двигателя постоянно происходит ряд цикличных процессов. Они должны быть стабильными и проходить за строго определенный промежуток времени. Это условие обеспечивает бесперебойную работу всех систем.

У дизельных двигателей топливо предварительно не подготавливается. Система подачи топлива доставляет его из бака, и оно подается под высоким давлением в цилиндры. Бензин же по пути предварительно смешивается с воздухом.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания таков, что система зажигания воспламеняет эту смесь, а кривошипно-шатунный механизм принимает, трансформирует и передает энергию газов на трансмиссию. Газораспределительная система выпускает из цилиндров продукты горения и выводит их за пределы транспортного средства. Попутно снижается звук выхлопа.

Система смазки обеспечивает возможность вращения подвижных узлов. Тем не менее трущиеся поверхности нагреваются. Система охлаждения следит за тем, чтобы температура не выходила за пределы допустимых значений. Хотя все процессы происходят в автоматическом режиме, за ними все же необходимо наблюдать. Это обеспечивает система управления. Она передает данные на пульт в кабину водителя.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Достаточно сложный механизм должен иметь корпус. В нем монтируются основные узлы и агрегаты. Дополнительное оборудование для систем, обеспечивающих нормальную его работу, размещается поблизости и монтируется на съемных креплениях.

В блоке цилиндров располагается кривошипно-шатунный механизм. Основная нагрузка от сгоревших газов топлива передается на поршень. Он шатуном соединен с коленчатым валом, который преобразует поступательное движение во вращательное.

Также в блоке размещается цилиндр. По его внутренней плоскости перемещается поршень. На нем прорезаны канавки, в которых помещаются уплотнительные кольца. Это необходимо для минимизации зазора между плоскостями и создания компрессии.

Сверху к корпусу крепится головка блока цилиндров. В ней монтируется газораспределительный механизм. Он состоит из вала с эксцентриками, коромысел и клапанов. Их поочередное открытие и закрытие обеспечивают впуск топлива внутрь цилиндра и выпуск затем отработанных продуктов горения.

К низу корпуса монтируется поддон блока цилиндров. Туда стекает масло после того, как оно смажет трущиеся соединения деталей узлов и механизмов. Внутри двигателя еще расположены каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Принцип работы ДВС

Суть процесса заключается в преобразовании одного вида энергии в другой. Это происходит при сжигании топлива в замкнутом пространстве цилиндра двигателя. Выделяющиеся при этом газы расширяются, и внутри рабочего пространства создается избыточное давление. Его воспринимает поршень. Он может двигаться вверх-вниз. Поршень посредством шатуна соединен с коленчатым валом. По сути это главные детали кривошипно-шатунного механизма – основного узла, отвечающего за преобразование химической энергии топлива во вращательное движение вала.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на поочередной смене циклов. При поступательном движении поршня вниз совершается работа – на определенный угол проворачивается коленчатый вал. На одном его конце закреплен массивный маховик. Получив ускорение, он по инерции продолжает движение, и это еще проворачивает коленчатый вал. Теперь шатун толкает поршень вверх. Он занимает рабочее положение и снова готов принять на себя энергию воспламененного топлива.

Особенности

Принцип работы ДВС легковых автомобилей чаще всего основан на преобразовании энергии сгораемого бензина. Грузовики, трактора и специальная техника оборудуются в основном дизельными двигателями. Еще в качестве топлива может использоваться сжиженный газ. Дизельные двигатели не имеют системы зажигания. Воспламенение топлива происходит от создаваемого давления в рабочей камере цилиндра.

Рабочий цикл может осуществляться за один или два оборота коленчатого вала. В первом случае происходит четыре такта: впуск топлива и его воспламенение, рабочий ход, сжатие, выпуск отработанных газов. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания полный цикл осуществляет за один оборот коленчатого вала. При этом за один такт происходит впуск топлива и его сжатие, а на втором – воспламенение, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Роль газораспределительного механизма в двигателях такого типа играет поршень. Двигаясь вверх-вниз, он поочередно открывает окна впуска топлива и выпуска отработанных газов.

Кроме поршневых ДВС существуют еще турбинные, реактивные и комбинированные двигатели внутреннего сгорания. Преобразование в них энергии топлива в поступательное движение транспортного средства осуществляется по другим принципам. Устройство двигателя и вспомогательных систем также существенно отличается.

Потери

Несмотря на то что ДВС отличается надежностью и стабильностью работы, его эффективность недостаточно высока, как это может показаться на первый взгляд. В математическом измерении КПД двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 30-45 %. Это говорит о том, что большая часть энергии сгораемого топлива расходуется вхолостую.

КПД лучших бензиновых двигателей может составлять лишь 30 %. И только массивные экономные дизели, у которых много дополнительных механизмов и систем, могут эффективно преобразовать до 45 % энергии топлива в пересчете на мощность и полезную работу.

Устройство двигателя внутреннего сгорания не может исключить потери. Часть топлива не успевает сгорать и уходит с отработанными газами. Другая статья потерь – это расход энергии на преодоление различного рода сопротивлений при трении сопряженных поверхностей деталей узлов и механизмов. И еще какая-то часть ее тратится на приведение в действие систем двигателя, обеспечивающих его нормальную и бесперебойную работу.

www.syl.ru

Двигатель Ленуара — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2015; проверки требуют 7 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 23 апреля 2015; проверки требуют 7 правок. Двигатель Ленуара в двух проекциях. Двигатель Ленуара (музейный экспонат).

Двигатель Ленуара — исторически первый серийно выпускавшийся двигатель внутреннего сгорания, запатентованный 24 января 1860 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.

На конструкцию одноцилиндрового двухтактного газового двигателя заметное влияние оказали технические решения, использованные в паровой машине Уатта: поршень двойного действия (рабочими ходами являются и прямой и обратный), золотниковый механизм, управляющий подачей рабочего тела в цилиндр и удалением отработанного. Только рабочим телом является не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

Рабочий процесс двигателя Ленуара можно рассмотреть, начиная с движения поршня из одного из крайних положений. При этом золотники установлены в позицию, при которой в рабочую (расширяющуюся) полость цилиндра поступает воздух и светильный газ, а из другой полости поршнем вытесняются продукты сгорания, образовавшиеся в предшествующем такте. На этой стадии цикла движение механизма происходит за счёт инерции маховика. Когда объём рабочей полости достигнет некоторой величины, определяемой кинематикой механизма, золотник перекрывает подачу топливной смеси, и на свечу зажигания подаётся высоковольтный электрический разряд, топливная смесь воспламеняется и сгорает прежде, чем поршень успевает значительно продвинуться, то есть практически при постоянном объёме. При этом давление и температура газа в рабочей полости многократно увеличиваются, он расширяется и совершает работу, двигая поршень до крайнего положения, противоположного начальному, при этом золотник перемещается в позицию выпуска отработанного газа. После прохождения мёртвой точки (за счёт инерции маховика) процесс повторяется при обратном ходе поршня.

Газовый двигатель был менее громоздким и тяжёлым в сравнении с паровыми, проще в управлении, при запуске не требовал длительной подготовки (разогрева котла), а в стационарном режиме работал полностью автоматически, тогда как для работы паровой машины требовалось постоянное участие кочегара. По этим причинам газовый мотор сразу привлёк к себе внимание потребителей.

Этих двигателей было выпущено свыше 300 единиц (по некоторым источникам — до 500) несколькими французскими фирмами, на которых Ленуар размещал заказы на изготовление. Они использовались как стационарные, судовые, как приводы локомотивов и дорожных экипажей. Но после появления в продаже четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания конструкции Николауса Отто (принцип действия которого широко используется и сегодня), двигатель Ленуара быстро теряет свои позиции на рынке, и, в конце концов, вытесняется двигателем Отто.

Двигатель Ленуара значительно уступал конкуренту по термическому КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра. Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.

Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара — относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении) и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу) не помогли ему выдержать конкуренцию.

В технической термодинамике рабочий процесс двигателя Ленуара описывается циклом Ленуара.

ru.wikipedia.org

Как устроен и как работает двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Невзирая на тот факт, что двигатель внутреннего сгорания в современных автомобилях состоит из множества частей, его принцип работы предельно прост. Давайте подробнее рассмотрим, что же такое ДВС, и как он функционирует в автомобиле.

ДВС что это?

Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение.

ДВС разделяются на категории по рабочим циклам: двух- и четырёхтактные. Также их различают по способу приготовления топливно-воздушной смеси: с внешним (инжекторы и карбюраторы) и внутренним (дизельные агрегаты) смесеобразованием. В зависимости от того, как в двигателях преобразовывается энергия, их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные и комбинированные.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания состоит из огромного количества элементов. Но есть основные, которые характеризуют его производительность. Давайте рассмотрим строение ДВС и основных его механизмов.

1. Цилиндр – это самая важная часть силового агрегата. Автомобильные двигатели, как правило, имеют четыре и более цилиндров, вплоть до шестнадцати на серийных суперкарах. Расположение цилиндров в таких двигателях может находиться в одном из трёх порядков: линейно, V-образно и оппозитно.

2. Свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания. Чтобы двигатель работал «как часы», искра должна подаваться точно в положенное время.

3. Клапаны впуска и выпуска также функционируют только в определённые моменты. Один открывается, когда нужно впустить очередную порцию топлива, другой, когда нужно выпустить отработанные газы. Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

4. Поршень представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. Движение поршня осуществляется вверх-вниз внутри цилиндра.

5. Поршневые кольца служат уплотнителями скольжения внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Их использование обусловлено двумя целями:

• Они не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

• Они не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Многие автомобили, которые сжигают масло, оборудованы старыми двигателями, и их поршневые кольца уже не обеспечивают должного уплотнения.

6. Шатун служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.

8. Картер располагается вокруг коленчатого вала. В его нижней части (поддоне) собирается определённое количество масла.

Это интересно! Самые мощные в мире ДВС выпускает фирма Wartsila. Они предназначены для кораблей. Их мощность достигает 110 000 л.с., что равно 80 мВт.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В предыдущих разделах мы рассмотрели назначение и устройство ДВС. Как вы уже поняли, каждый такой двигатель имеет поршни и цилиндры, внутри которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Это, в свою очередь, заставляет автомобиль двигаться. Данный процесс повторяется с поразительной частотой – по несколько раз в секунду. Благодаря этому, коленчатый вал, который выходит из двигателя, непрерывно вращается.

Рассмотрим подробнее принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Смесь топлива и воздуха попадает в камеру сгорания через впускной клапан. Далее она компрессируется и воспламеняется искрой от свечи зажигания. Когда топливо сгорает, в камере образуется очень высокая температура, которая приводит к появлению избыточного давления в цилиндре. Это заставляет двигаться поршень к «мёртвой точке». Он таким образом совершает один рабочий ход. Когда поршень двигается вниз, он посредством шатуна вращает коленчатый вал. Затем, двигаясь от нижней мёртвой точки к верхней, выталкивает отработанный материал в виде газов через клапан выпуска далее в выхлопную систему машины.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Совокупность таких тактов, которые повторяются в строгой последовательности и за определённый период – это рабочий цикл ДВС.

Впуск

Впускной такт является первым. Он начинается с верхней мёртвой точки поршня. Он движется вниз, всасывая в цилиндр смесь из топлива и воздуха. Этот такт происходит, когда клапан впуска открыт. Кстати, существуют двигатели, у которых присутствует несколько впускных клапанов. Их технические характеристики существенно влияют на мощность ДВС. В некоторых двигателях можно регулировать время нахождения впускных клапанов открытыми. Это регулируется нажатием на педаль газа. Благодаря такой системе количество всасываемого топлива увеличивается, а после его возгорания существенно возрастает и мощность силового агрегата. Автомобиль в таком случае может существенно ускориться.

Сжатие

Вторым рабочим тактом двигателя внутреннего сгорания является сжатие. По достижении поршнем нижней мертвой точки, он поднимается вверх. За счёт этого попавшая в цилиндр смесь во время первого такта сжимается. Топливно-воздушная смесь сжимается до размеров камеры сгорания. Это то самое свободное место между верхними частями цилиндра и поршня, который находится в своей верхней мертвой точке. Клапаны в момент этого такта плотно закрыты. Чем герметичнее образованное пространство, тем более качественное сжатие получается. Очень важно, какое состояние у поршня, его колец и цилиндра. Если где-то присутствуют зазоры, то о хорошем сжатии речи быть не может, а, следовательно, и мощность силового агрегата будет существенно ниже. По величине сжатия определяется то, насколько изношен силовой агрегат.

Рабочий ход

Этот третий по счёту такт начинается с верхней мёртвой точки. И такое название он получил не случайно. Именно во время этого такта в двигателе происходят те процессы, которые двигают автомобиль. В этом такте подключается система зажигания. Она отвечает за поджог воздушно-топливной смеси, сжатой в камере сгорания. Принцип работы ДВС в этом такте весьма прост – свеча системы дает искру. После возгорания топлива происходит микровзрыв. После этого оно резко увеличивается в объёме, заставляя поршень резко двигаться вниз. Клапаны в этом такте находятся в закрытом состоянии, как и в предыдущем.

Выпуск

Заключительный такт работы двигателя внутреннего сгорания – выпуск. После рабочего такта поршнем достигается нижняя мёртвая точка, а затем открывается выпускной клапан. После этого поршень движется вверх, и через этот клапан выбрасывает отработанные газы из цилиндра. Это процесс вентиляции. От того, насколько чётко работают клапан, зависит степень сжатия в камере сгорания, полное удаление отработанных материалов и нужное количество воздушно-топливной смеси.

После этого такта всё начинается заново. А за счёт чего вращается коленвал? Дело в том, что не вся энергия уходит на движение автомобиля. Часть энергии раскручивает маховик, который под действием инерционных сил раскручивает коленчатый вал ДВС, перемещая поршень в нерабочие такты.

А знаете ли вы? Дизельный двигатель тяжелее, чем бензиновый, из-за более высокого механического напряжения. Поэтому конструкторы используют более массивные элементы. Зато ресурс таких двигателей выше бензиновых аналогов. Кроме того, дизельные автомобили возгораются значительно реже бензиновых, так как дизель нелетучий.

Достоинства и недостатки

Мы с вами узнали, что представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, а также каково его устройство и принцип работы. В заключение разберём его основные преимущества и недостатки.

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

Интересный факт! Самый маленький двигатель спроектирован в Кембридже. Его габариты составляют 5*15*3 мм, а его мощность 11,2 Вт. Частота вращения коленвала составляет 50 000 об/мин.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

auto.today

Двигатель внешнего сгорания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 июня 2019; проверки требуют 3 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 июня 2019; проверки требуют 3 правки.

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.

К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены 204 года тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале XIX века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине XIX века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания, в конце XIX века, рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания ниже по сравнению со стоимостью производства двигателя внешнего сгорания.

Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2. Однако до недавнего времени выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

  • «Двигатели внешнего сгорания», Г. В. Смирнов. Новое в жизни, науке, технике: Серия: Промышленность, 1967, М. — Знание. [1]

ru.wikipedia.org


Смотрите также



© 2009-: Каталог автоинструкторов России.
Карта сайта, XML.