Бензиновый двигатель внутреннего сгорания: Бензиновый двигатель: устройство, принцип действия, достоинства и недостатки

Содержание

История бензинового двигателя (ДВС) — Двигатели автомобилей

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания прочно вошел в нашу жизнь и останется в ней еще на неопределенное время. Развитие альтернативных топливных технологий предполагает, что в некотором будущем бензиновый мотор станет в конечном счете лишь историей, однако его потенциал, по расчетам специалистов, исчерпан лишь на 75 процентов, что позволяет назвать бензиновый ДВС на данный момент одним из главных типов двигателей в нашем мире.

Изобретение бензинового мотора, как и многих других современных вещей, существование без которых сегодня немыслимо, произошло благодаря, в общем-то, случайности, когда в 1799 году французом Ф. Лебоном был открыт светильный газ – смесь водорода, окиси углерода, метана и некоторых других горючих газов. Как предполагает его название, светильный газ использовался для осветительных приборов, заменивших в то время свечи, однако в скором времени Лебон нашел ему и другое применение. Изучая свойства найденного газа, инженер заметил, что его смесь с воздухом взрывается, выделяя большое количество энергии, которую можно использовать в интересах человека. В 1801 году Лебон запатентовал первый газовый двигатель, состоящий из двух компрессоров и камеры сгорания. По существу газовый двигатель Лебона стал примитивным прототипом современного ДВС.

Нужно отметить, что попытки поставить тепловую энергию взрыва на службу человечеству предпринимались задолго до рождения Лебона. Еще в 17-м веке нидерландский ученый Христиан Гюйгенс использовал порох, чтобы приводить в движение водяные насосы, доставляющие воду в сады Версальского дворца, а итальянский физик Алессандро Вольта в конце 80-х годов 18 века изобрел «электрический пистолет», в котором электрическая искра воспламеняла смесь водорода и воздуха, выстреливая из ствола кусок пробки.

В 1804 году Лебон трагически погиб и развитие технологии внутреннего загорания на некоторое время приостановилось, пока бельгиец Жан Этьен Ленуар не догадался использовать принцип электрического зажигания для воспламенения смести в газовом двигателе. После нескольких неудачных попыток, Ленуару удалось создать работающий двигатель внутреннего сгорания, который он запатентовал в 1859 году. К сожалению, Ленуар оказался больше коммерсантом, чем изобретателем. Выпустив несколько сотен своих моторов, он заработал довольно приличную сумму денег и прекратил дальнейшее усовершенствование своего изобретения. Тем не менее, двигатель Ленуара, использовавшийся как привод локомотивов, дорожных экипажей, судов и в стационарном виде, считается первым в истории работающим двигателем внутреннего сгорания.

В 1864 году немецкий инженер Август Отто получил патент на собственную модель газового двигателя, КПД которого достигал 15-ти процентов, то есть был не только эффективнее двигателя Ленуара, но и эффективнее любого парового агрегата, существовавшего в то время. Совместно с промышленником Лангеном, Отто создал фирму «Отто и Компания», в планы которой входило производство новых моторов, которых было выпущено около 5 000 экземпляров. В 1877 году Отто запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, однако, как оказалось, четырехтактный цикл был изобретен еще за несколько лет до этой даты французом Бо де Рошем. Судебная тяжба между этими инженерами закончилась поражением Отто, в результате чего его монопольные права на четырёхтактный цикл были отозваны. Тем не менее, конструкция двигателя Отто во многом превосходила французский аналог, что и предопределило его успех – к 1897 году было выпущено уже 42 000 таких моторов различной мощности.

Светильный газ в качестве топлива для ДВС существенно суживал область их применения, поэтому инженерами из разных стран постоянно проводились поиски нового, более доступного горючего. Одним из первых изобретателей, применивших бензин в качестве топлива для ДВС, был американец Брайтон, разработавший в 1872 году так называемый «испарительный» карбюратор. Однако его конструкция была настолько несовершенной, что он оставил свои попытки.

Лишь через десять лет после изобретения Брайтона был создан работоспособный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Готлиб Даймлер, талантливый немецкий инженер, работавший на фирме Отто, еще в начале 80-х годов 19-го века предложил начальнику разработанный им самим проект бензинового мотора, который можно было бы использовать на дорожном транспорте, однако Отто отверг его начинания. В ответ на это Даймлер и его друг Вильгельм Майбах уволились из «Отто и Компания» и организовали собственное дело. Первый бензиновый двигатель Даймлера-Майбаха появился в 1883 году и предназначался для установки стационарно. Зажигание в цилиндре происходило от полой раскаленной трубочки, но в целом конструкция мотора оставляла желать лучшего именно из-за неудовлетворительного зажигания, а так же процесса испарения бензина.

На этом этапе требовалась более простая и надежная система испарения бензина, которая была изобретена в 1893 году венгерским конструктором Донатом Банки. Он изобрел карбюратор, ставший прообразом карбюраторных систем, известных сегодня. Банки предложил революционную по тем временам идею – не испарять бензин – а равномерно распылять его по цилиндру. Поток воздуха всасывал бензин через дозирующий жиклёр, сделанный в форме трубки с отверстиями. Напор потока поддерживался посредством небольшого бачка с поплавком, обеспечивающим постоянную пропорциональную смесь воздуха и бензина.

С этого момента в истории развитие ДВС пошло по нарастающей. Первые карбюраторные моторы имели всего один цилиндр. Рост мощности достигался за счет увеличения объема цилиндра, однако уже к концу столетия начали появиться двухцилиндровые двигатели, а с началом 20-го века все большее распространение начали получать моторы с четырьмя цилиндрами.

Бензиновый двигатель автомобилей: типы и принцип работы

Содержание

1 Историческая справка
2 Виды бензиновых ДВС
3 Принцип действия и устройство

Бензиновый двигатель представляет собой силовой агрегат со встроенной камерой сгорания, в которой энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Такие моторы относятся к классу двигателей внутреннего сгорания.

Историческая справка

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) построил в 1807 году изобретатель из Швейцарии François Isaac de Rivaz. Правда, работал этот двигатель не на бензине, а на газообразном водороде, однако был оснащен шатунно-поршневой группой и устройством искрового зажигания.

В дальнейшем этот ДВС усовершенствовали француз Jean Joseph Etienne Lenoir (1860) и немецкий инженер Nicolaus August Otto, который в 1863 году создал атмосферный двухтактный, а в 1876 году и четырехтактный ДВС.

Первый бензиновый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания разработали немецкие инженеры Gottlieb Wilhelm Daimler и August Wilhelm Maybach, которые использовали его при создании первых мотоциклов (1885) и автомобилей (1886). Примерно в эти же годы первый карбюраторный ДВС был создан и в России. Построил его Огнеслав Костович (1851-1916).

В дальнейшем никаких принципиальных отличий в схему построения ДВС внесено не было, а усилия большого количества инженеров со всего мира были направлены на создание высокотехнологичных бензиновых двигателей достаточно большой мощности с малым потребления топлива.

Виды бензиновых ДВС

В настоящее время на автомобилях можно встретить бензиновые двигатели, оснащенные:

карбюратором, где происходит смешивание топлива с воздухом. Затем подготовленная смесь подается в цилиндры, где поджигается искрой, которая проскакивает между электродами свечей зажигания.
инжекторной системой смесеобразования, которая осуществляется путем впрыска топливно-воздушной смеси во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры двигателя. Для этого используются специальные форсунки. При этом существуют системы:

моновпрыска топлива (одноточечные).
распределенного впрыска топлива (многоточечные).

Управление форсунками и дозирование топлива может осуществляться при помощи:

Рычажно-плунжерного механизма – в механических системах впрыска.
Специального блока управления ЭБУ – в электронных системах впрыска.
Системой наддува, когда впуск горючей смеси или воздуха происходит под давлением, нагнетаемым турбокомпрессором. При этом значительно увеличивается мощность и коэффициент полезного действия силового агрегата.

Особое место среди бензиновых двигателей занимает роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля). Он отличается от остальных ДВС отсутствием отдельного механизма газораспределения, что значительно упрощает конструкцию мотора.

Принцип действия роторно-поршневого силового агрегата заключается в том, что за один оборот он выполняет три полных рабочих цикла. Происходит это за счет того, что в основе двигателя лежит оригинальный треугольный ротор, который, вращаясь в камере особой формы, выполняет функции поршня, коленчатого вала и механизма газораспределения. По ряду причин конструктивного и технологического характера этот бензиновый мотор широкого распространения не получил.

В автомобилестроении чаще всего используются рядные четырехцилиндровые четырехтактные бензиновые силовые агрегаты, отличающиеся от остальных:

большим ресурсом;
экологичным выхлопом;
экономичностью;
низким уровнем шума.

Принцип действия и устройство

Принцип действия любого бензинового двигателя заключается в том, что при воспламенении небольшого количества предварительно сжатой смеси высокоэнергетического топлива и воздуха в замкнутом пространстве камеры сгорания происходит выделение большого количества энергии, которого достаточно для перемещения поршня.

При этом прямолинейное, поступательно-возвратное движение поршня при помощи кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, который и приводит в движение транспортное средство.

К основным элементам бензиновых ДВС, которые принимают непосредственное участие в процессе преобразования тепловой энергии в механическую, относятся:

впускные и выпускные клапаны газораспределительного механизма;
поршни;
шатуны;
коленчатый вал;
свечи зажигания.

Кроме того, любой бензиновый двигатель оснащается вспомогательными системами, которые обеспечивают его эффективную работу. К ним относятся:

Система зажигания – обеспечивает поджигание топливно-воздушной смеси. Бывает контактной, бесконтактной, микропроцессорной.
Система запуска ДВС – включает в себя стартер и аккумулятор. Используется для того, чтобы принудительно провернуть коленчатый вал при запуске первого рабочего цикла двигателя. Для запуска бензиновых двигателей малой мощности часто используют мускульную силу человека (кик-стартер).
Система приготовления горючей смеси – обеспечивает приготовление и подачу топливно-воздушной смеси в камеры сгорания цилиндров мотора.
Система выпуска выхлопных газов – отвечает за своевременное удаление продуктов сгорания горючей смеси из цилиндров двигателя.
Система охлаждения – служит для отвода тепла от нагревающихся элементов мотора и обеспечивает заданный температурный режим его работы. Охлаждение может осуществляться при помощи воздуха, специальной охлаждающей жидкости, комбинированного способа.
Система смазки – предназначена для подачи моторного масла к трущимся поверхностям ДВС. Также используется для удаления нагара и продуктов износа трущихся поверхностей. Моторное масло может подаваться к местам смазки как методом разбрызгивания, так и под давлением.

Существуют также комбинированные системы смазки, в которых моторное масло смешивается в определенных пропорциях с горючей смесью. Оснащаются ими двигатели бензиновые малой мощности для моторных лодок, средств малой механизации и пр.

Автор статьи:

Николаев Сергей

Автомеханик

Читать автора

Оценка статьи:

↑
1
↓

Поделиться с друзьями:

Бензиновый двигатель | Эксплуатация, топливо и факты

V-образный двигатель

См. все СМИ

Ключевые сотрудники:: Зигфрид Маркус
Готлиб Даймлер
Карл Бенц

Похожие темы:: двигатель Отто
двигатель Ленуара
V-образный двигатель
двигатель с верхним расположением клапанов
двигатель с верхним расположением распредвала

Просмотреть весь связанный контент →

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

бензиновый двигатель , любой из классов двигателей внутреннего сгорания, которые вырабатывают энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением, инициируемым электрической искрой. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого мыслимого применения силовых установок, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, небольшие грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и небольшие внутренние морские установки, стационарные насосные станции среднего размера, осветительные установки, станки, электроинструменты. Четырехтактные бензиновые двигатели используются в подавляющем большинстве автомобилей, легких грузовиков, средних и больших мотоциклов и газонокосилок. Двухтактные бензиновые двигатели менее распространены, но они используются для небольших подвесных судовых двигателей и во многих ручных садовых инструментах, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

Типы двигателей

Бензиновые двигатели можно разделить на несколько типов в зависимости от нескольких критериев, включая их применение, метод управления подачей топлива, зажигание, расположение поршня и цилиндра или ротора, ходы за цикл, систему охлаждения и клапан тип и расположение. В этом разделе они описаны в контексте двух основных типов двигателей: поршневых и цилиндровых двигателей и роторных двигателей. В поршне-цилиндровом двигателе давление, создаваемое сгоранием бензина, создает силу на головке поршня, которая совершает возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение по всей длине цилиндра. Эта сила отталкивает поршень от головки цилиндра и совершает работу. Роторный двигатель, также называемый двигателем Ванкеля, не имеет обычных цилиндров с возвратно-поступательными поршнями. Вместо этого давление газа действует на поверхности ротора, заставляя ротор вращаться и, таким образом, выполнять работу.

Большинство бензиновых двигателей представляют собой поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением. Основные узлы поршневого двигателя показаны на рисунке. Почти все двигатели этого типа работают либо по четырехтактному, либо по двухтактному циклу.

Четырехтактный цикл

Из различных методов извлечения энергии из процесса сгорания наиболее важным до сих пор был четырехтактный цикл, концепция которого впервые была разработана в конце 19 века. Четырехтактный цикл показан на рисунке. При открытом впускном клапане поршень сначала опускается на такте впуска. Воспламеняющаяся смесь паров бензина и воздуха всасывается в цилиндр за счет создаваемого таким образом частичного вакуума. Смесь сжимается по мере того, как поршень поднимается в такте сжатия при закрытых обоих клапанах. По мере приближения к концу хода заряд воспламеняется электрической искрой. Затем следует рабочий такт, когда оба клапана все еще закрыты, а давление газа из-за расширения сгоревшего газа давит на головку или головку поршня. Во время такта выпуска восходящий поршень вытесняет отработавшие продукты сгорания через открытый выпускной клапан. Затем цикл повторяется. Таким образом, для каждого цикла требуется четыре хода поршня — впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск — и два оборота коленчатого вала.

Недостаток четырехтактного цикла состоит в том, что выполняется только половина рабочих тактов по сравнению с двухтактным циклом ( см. ниже ), и только вдвое меньше мощности можно ожидать от двигателя данного размера при заданная рабочая скорость. Однако четырехтактный цикл обеспечивает более надежную очистку от выхлопных газов (продувку) и перезагрузку цилиндров, уменьшая потерю свежего заряда в выхлопных газах.

Как бензиновые двигатели могут выжить в электромобилях будущего

| Характеристики

Благодаря передовым технологиям обычные двигатели могут работать десятилетиями.

Двигатели внутреннего сгорания не исчезнут полностью в ближайшее время, если вообще исчезнут. Некоторые транспортные задачи или операционные условия просто не поддаются электрическим двигателям с батарейным или водородным питанием. Полтора века исследований и разработок значительно повысили эффективность двигателей внутреннего сгорания, и у инженеров есть масса дополнительных хитростей, которые обещают извлечь из молекулы топлива еще больше работы, производя при этом еще меньше вредных выбросов. Вот лишь некоторые из них, за которыми мы следим, перечисленные в порядке сложности и стоимости реализации.

Стандарт топлива с октановым числом 98

Простое создание двигателя для работы со степенью сжатия 15:1 или выше значительно повышает его термодинамическую эффективность и удельную мощность, что позволяет дополнительно уменьшить размеры двигателя. Для этого требуется топливо с более высоким октановым числом, а исследовательское октановое число (RON) 98 представляет собой золотую середину, выше которой производство/переработка топлива потребляет больше энергии, уменьшая выгоду от энергии/CO2.

Интеллектуальная деактивация цилиндра

Двигатели рассчитаны на наихудшие сценарии, такие как ускорение на четверть мили или буксировка тяжелых прицепов по плотине Дэвис. Деактивация цилиндров повышает эффективность в менее экстремальных дорожных ситуациях, заставляя несколько цилиндров усиленно работать на Davis Dam, в то время как другие ничего не делают. Динамическое управление подачей топлива может отключить любой или все цилиндры 5,3- и 6,2-литровых двигателей GM V-8, чтобы повысить экономию топлива EPA почти на 12 процентов. Tula Technologies и Eaton теперь предлагают аналогичные системы для дальнемагистральных дизельных двигателей, где меньший выигрыш в эффективности использования топлива (1,5-4,0 процента) приносит огромные дивиденды по NOx за счет поддержания температуры выхлопных газов, необходимой для поддержания работы катализаторов.

Инновационные воздуходувки

Мощность двигателя ограничена количеством воздуха, которое он может проглотить, поэтому более века назад были разработаны нагнетатели с приводом от коленчатого вала и турбокомпрессоры с приводом от выхлопных газов. Электрические нагнетатели, использующие рекуперированную энергию, питают, в частности, двигатели Volvo Drive E и Mercedes M256; добавление двигателя/генератора к турбонагнетателю устраняет отставание по мощности и позволяет собирать энергию во время движения. Два интересных варианта нагнетателей с кривошипным приводом — это центробежный нагнетатель Torotrak V-Charge, в котором используется вариатор для быстрого согласования скорости с потребностью, и нагнетатель типа Lysholm от Hansen Engine Corp, который имеет окно, которое открывается или закрывается в соответствии с потребностью в воздухе. давление при минимальных потерях для обеспечения турбоэффективности с повышенной отзывчивостью.

Fancy Ignition Systems

Поскольку для сгорания топлива требуется время, обычные свечи зажигания срабатывают, когда поршень уже движется вверх, что делает начальное сгорание контрпродуктивным. Схемы одновременного воспламенения большего количества смеси обещают более быстрое сгорание, что позволяет в основном происходить при ходе вниз. Форд разработал лазеры ближнего инфракрасного диапазона для зажигания нескольких точек в камере сгорания, но стоимость и надежность остаются проблематичными. Сменная свеча зажигания Transient Plasma впрыскивает листы низкотемпературной плазмы, которая обещает быстрое и холодное воспламенение сверхбедных смесей для повышения экономии топлива на 10-15 процентов и значительного снижения выбросов NOx. Даже новая форкамерная система Twin-Combustion от Maserati считается ускорителем воспламенения.

Переменная степень сжатия

Эта простая концепция обещает высокое сжатие для экономичного плавания с легким дросселем и низкое сжатие при работе наддува. Составной шатун Руба-Голдберга от Nissan изменяет ход двигателя, бесступенчато изменяя степень сжатия от 8:1 до 14:1. Нас не впечатлили характеристики Nissan/Infiniti VC-Turbo и экономия топлива, и мы задаемся вопросом, может ли эксцентриковый шатун FEV быть проще и работать лучше. Давление масла, подаваемое через коленчатый вал, приводит во вращение эксцентриковый подшипник в конце поршня, изменяя ход поршня в более узком диапазоне, скажем, от 8:1 до 12:1, обещая снижение расхода топлива на 5 процентов.

Воспламенение от сжатия с однородным зарядом

Эффективность дизеля с выбросами бензина! Это дихотомическое обещание HCCI, которое стремится спонтанно воспламенить обедненные бензиновые смеси путем сжатия. У GM, Mercedes и Hyundai были многообещающие программы HCCI, но только Mazda запустила HCCI в производство. Вроде, как бы, что-то вроде. SkyactivX иногда использует свечу зажигания, и его продажа в Северной Америке по-прежнему считается слишком дорогой. Nautilus Engineering предложила концепцию HCCI, в которой небольшой поршень поверх основного поршня входит в свой собственный небольшой цилиндр с более высокой степенью сжатия в верхней части такта, чтобы инициировать воспламенение от сжатия. Однако нам ничего не известно о каких-либо OEM-контрактах, заключенных с компанией.

Системы регенерации отработанной энергии

Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла и вибрации; почему бы не использовать его для получения энергии пара, термоэлектрической или пьезоэлектрической энергии? От предложенной BMW системы Turbosteamer и многих других отказались по причинам стоимости и веса. Твердотельные термоэлектрические генераторы обещают превращать тепло, обычно от выхлопных газов, непосредственно в электричество. (Возможность производства зависит от повышения эффективности необходимых материалов по сравнению с сегодняшним примерно 5-процентным уровнем.) А исследователи из Университета Дьюка предлагают использовать пьезоэлектрические кристаллы, подобные тем, которые расширяются под напряжением, для приведения в действие топливных форсунок прямого действия для выработки энергии под действием вибрации.

Совершенно новые концепции двигателей

Любая радикально новая конструкция двигателя сталкивается с огромной промышленной инерцией. Тем не менее, несколько «лучших мышеловок», похоже, не сдаются. Achates Power недавно получила еще один грант в размере 5 миллионов долларов от армии для продолжения разработки своего трехцилиндрового двухтактного двигателя с шестью оппозитными поршнями и двумя коленчатыми валами (показан выше). Сообщается, что у 4,9-литрового прототипа с супер- и турбонаддувом мощностью 275 л.с. и 811 фунт-футов его эффективность превзошла 6,7-литровый турбодизель Power Stroke в Ford F-Series на 20 процентов. Scuderi и Primavis предложили двигатели с разделенным циклом, в которых циклы впуска/сжатия и сгорания/выпуска выполняются в отдельных цилиндрах, каждый из которых предназначен для выполнения различных задач. Это снижает температуру. У Scuderi возникли юридические проблемы со своими инвесторами, Primavis планировала свой крошечный двухтактный двигатель в первую очередь как средство для увеличения запаса хода, и ни один из них в последнее время не делал много новостей, хотя их научная база кажется обоснованной. Концепция LiquidPiston X-1 представляет собой роторный двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку, с ротором в форме корпуса Ванкеля, качающимся через треугольный корпус с тремя камерами сгорания. Монтаж сальников на стационарном корпусе облегчает их смазку. Он все еще находится в активной разработке в качестве расширителя диапазона. Кроме того, есть более серьезные конструктивные скачки, такие как концепция роторной турбины внутреннего сгорания Astron Aerospace, которая сочетает в себе работу с разделенным циклом, HCCI, сверхдлинный цикл расширения и другие замечательные идеи. Он также все еще находится в активной разработке, производя впечатляющие заявления о мощности, крутящем моменте и эффективности.

Зеленое топливо обещает безуглеродное сжигание. Сейчас

Биотопливо: Использование зеленой энергии для производства топлива из растений, которые вытягивают CO2 из атмосферы, теоретически не добавляет нового CO2 в нашу «теплицу». Но работа на чистом этаноле, полученном из кукурузы, обычно не считается, потому что земля, используемая для выращивания этой кукурузы, обычно преобразовывала одинаковое количество CO2, независимо от того, становилась ли она топливом или кукурузным сиропом с высоким содержанием фруктозы, поэтому нельзя заявить о чистом сокращении выбросов углерода. . Биотопливо, изготовленное из целлюлозного сырья, такого как стебли кукурузы, трава мискантуса или новые культуры, посаженные там, где до этого ничего не выращивалось или не могло быть выращено/собрано, и существует множество процессов преобразования целлюлозных материалов или даже мусора в этанол, метанол или бутанол. . Также выявлено несколько процессов превращения водорослей в биодизель. К сожалению, они слишком дороги, чтобы конкурировать с дешевым бензином.

Прямое улавливание углерода: Было предложено несколько схем извлечения CO2 из воздуха и его гидрогенизации с образованием углеводородного топлива. Prometheus Fuels планирует производить бензин из CO2, а коллаборация Audi и Sunfire намерена производить дизельное топливо из «голубой нефти», созданной с использованием зеленого электричества для объединения углерода из CO2 с водородом из воды. Компания Carbon Engineering в Британской Колумбии, Канада, планирует начать промышленное производство к 2022 году.