Содержание
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания – универсальный силовой агрегат, используемый практически во всех видах современного транспорта. Три луча заключенные в окружность, слова «На земле, на воде и в небе» — товарный знак и девиз компании Мерседес Бенц, одного из ведущих производителей дизельных и бензиновых двигателей. Устройство двигателя, история его создания, основные виды и перспективы развития – вот краткое содержание данного материала.
Содержание
- Немного истории
- Как это работает
- Два такта
- Четыре такта
- Виды ДВС
- Бензиновые карбюраторные ДВС
- Бензиновые инжекторные ДВС
- Дизельные ДВС
- Пути дальнейшего развития ДВС
Немного истории
Принцип превращения возвратно-поступательного движения во вращательное, посредством использования кривошипно-шатунного механизма известен с 1769 года, когда француз Николя Жозеф Кюньо показал миру первый паровой автомобиль.
В качестве рабочего тела двигатель использовал водяной пар, был маломощным и извергал клубы черного, дурнопахнущего дыма. Подобные агрегаты использовались в качестве силовых установок на заводах, фабриках, пароходах и поездах, компактные же модели существовали в виде технического курьеза.
Все изменилось в тот момент, когда в поисках новых источников энергии человечество обратило свой взор на органическую жидкость — нефть. В стремлении повысить энергетические характеристики данного продукта, ученные и исследователи, проводя опыты по перегонке и дистилляции, получили неизвестное доселе вещество – бензин. Эта прозрачная жидкость с желтоватым оттенком сгорала без образования копоти и сажи, выделяя намного большее, чем сырая нефть, количество тепловой энергии.
Примерно в то же время Этьен Ленуар сконструировал первый газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший по двухтактной схеме, и запатентовал его в 1880 году.
В 1885 году немецкий инженер Готтлиб Даймлер, в сотрудничестве с предпринимателем Вильгельмом Майбахом, разработал компактный бензиновый двигатель, уже через год нашедший свое применение в первых моделях автомобилей.
Рудольф Дизель, работая в направлении повышения эффективности ДВС (двигателя внутреннего сгорания), в 1897 году предложил принципиально новую схему воспламенения топлива. Воспламенение в двигателе, названном в честь великого конструктора и изобретателя, происходит за счет нагревания рабочего тела при сжатии.
А в 1903 году братья Райт подняли в воздух свой первый самолет, оснащенный бензиновым двигателем Райт-Тейлор, с примитивной инжекторной схемой подачи топлива.
Как это работает
Общее устройство двигателя и основные принципы его работы станут понятны при изучении одноцилиндровой двухтактной модели.
Такой ДВС состоит из:
- камеры сгорания;
- поршня, соединенного с коленвалом посредством кривошипно-шатунного механизма;
- системы подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси;
- клапана для удаления продуктов горения (выхлопных газов).
При пуске двигателя поршень начинает путь от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ), за счет поворота коленвала.
Достигнув нижней точки, он меняет направление движения к ВМТ, одновременно с чем проводится подача топливно-воздушной смеси в камеру сгорания. Движущийся поршень сжимает ТВС, при достижении верхней мертвой точки система электронного зажигания воспламеняет смесь. Стремительно расширяясь, горящие пары бензина отбрасывают поршень в нижнюю мертвую точку. Пройдя определенную часть пути, он открывает выхлопной клапан, через который раскаленные газы покидают камеру сгорания. Пройдя нижнюю точку, поршень меняет направление движения к ВМТ. За это время коленвал совершил один оборот.
Данные пояснения станут более понятными при просмотре видео о работе двигателя внутреннего сгорания.
Два такта
Основным недостатком двухтактной схемы, в которой роль газораспределительного элемента играет поршень, является потеря рабочего вещества в момент удаления выхлопных газов.
А система принудительной продувки и повышенные требования к термостойкости выхлопного клапана приводят к увеличению цены двигателя. В противном случае добиться высокой мощности и долговечности силового агрегата не представляется возможным. Основная сфера применения подобных двигателей – мопеды и недорогие мотоциклы, лодочные моторы и бензокосилки.
Четыре такта
Описанных недостатков лишены четырехтактные ДВС, используемые в более «серьезной» технике. Каждая фаза работы такого двигателя (впуск смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов), осуществляется при помощи газораспределительного механизма.
Разделение фаз работы ДВС очень условно. Инерционность отработавших газов, возникновение локальных вихрей и обратных потоков в зоне выхлопного клапана приводит к взаимному перекрыванию во времени процессов впрыска топливной смеси и удаления продуктов горения. Как результат, рабочее тело в камере сгорания загрязняется отработанными газами, вследствие чего меняются параметры горения ТВС, уменьшается теплоотдача, падает мощность.
Проблема была успешно решена путем механической синхронизации работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. Проще говоря, впрыск топливно-воздушной смеси в камеру сгорания произойдет только после полного удаления отработанных газов и закрытия выхлопного клапана.
Но данная система управления газораспределением так же имеет свои недостатки. Оптимальный режим работы двигателя (минимальный расход топлива и максимальная мощность), может быть достигнут в достаточно узком диапазоне оборотов коленвала.
Развитие вычислительной техники и внедрение электронных блоков управления дало возможность успешно разрешить и эту задачу. Система электромагнитного управления работой клапанов ДВС позволяет на лету, в зависимости от режима работы, выбирать оптимальный режим газораспределения. Анимированные схемы и специализированные видео облегчат понимание этого процесса.
На основании видео не сложно сделать вывод, что современный автомобиль это огромное количество всевозможных датчиков.
Виды ДВС
Общее устройство двигателя остается неизменным достаточно долгое время. Основные различия касаются видов используемого топлива, систем приготовления топливно-воздушной смеси и схем ее воспламенения.
Рассмотрим три основных типа:
- бензиновые карбюраторные;
- бензиновые инжекторные;
- дизельные.
Бензиновые карбюраторные ДВС
Приготовление гомогенной (однородной по своему составу), топливно-воздушной смеси происходит путем распыления жидкого топлива в воздушном потоке, интенсивность которого регулируется степенью поворота дроссельной заслонки. Все операции по приготовлению смеси проводятся за пределами камеры сгорания двигателя. Преимуществами карбюраторного двигателя является возможность регулировки состава топливной смеси «на коленке», простота обслуживания и ремонта, относительная дешевизна конструкции. Основной недостаток – повышенный расход топлива.
Историческая справка.
Первый двигатель данного типа сконструировал и запатентовал в 1888 году российский изобретатель Огнеслав Костович. Оппозитная система горизонтально расположенных и двигающихся навстречу друг другу поршней, до сих пор успешно используется при создании двигателей внутреннего сгорания. Самым известным автомобилем, в котором использовался ДВС данной конструкции, является Фольксваген Жук.
Бензиновые инжекторные ДВС
Приготовление ТВС осуществляется в камере сгорания двигателя, путем распыления топлива инжекторными форсунками. Управление впрыском осуществляется электронным блоком или бортовым компьютером автомобиля. Мгновенная реакция управляющей системы на изменение режима работы двигателя обеспечивает стабильность работы и оптимальный расход топлива. Недостатком считается сложность конструкции, профилактика и наладка возможны только на специализированных станциях технического обслуживания.
Дизельные ДВС
Приготовление топливно-воздушной смеси происходит непосредственно в камере сгорания двигателя.
По окончании цикла сжатия воздуха, находящегося в цилиндре, форсунка проводит впрыск топлива. Воспламенение происходит за счет контакта с перегретым в процессе сжатия атмосферным воздухом. Всего лишь 20 лет назад низкооборотистые дизеля использовались в качестве силовых агрегатов специальной техники. Появление технологии турбонагнетания открыло им дорогу в мир легковых автомобилей.
Пути дальнейшего развития ДВС
Конструкторская мысль никогда не стоит на месте. Основные направления дальнейшего развития и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания – повышение экономичности и минимизация вредных для экологии веществ в составе выхлопных газов. Применение слоистых топливных смесей, конструирование комбинированных и гибридных ДВС – лишь первые этапы долгого пути.
Аксиальные двигатели внутреннего сгорания / Хабр
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век.
Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС.
Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Не остались в стороне и советские инженеры. В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г — двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.
Двигатель Старостина из музея авиации в Монино
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала.
Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице.
Экзотический вариант аксиального двигателя — «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном.
Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием «Цилиндрический энергетический модуль» с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями.
Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения.
В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.
Демострация малых вибраций двигателя Duke
В течение сорока лет после Механическая операция На верхнем рисунке показаны основные компоненты электрической системы двигателя Wright 1903. Электроэнергия вырабатывается В каждой камере сгорания шина проводит электричество к В этой анимации мы разрезали цилиндр №3, чтобы вы могли наблюдать за Как это работает? Чтобы понять, как работает электрическая система, мы нарисовали Мы пронумеровали цилиндры (и камеры сгорания) от 1 до 4. На протяжении почти всего цикла для данного цилиндра Историческая справка — Виды деятельности: Экскурсии с гидом Навигация..
|
В движущейся проволоке индуцируется электрический ток.
На анимации мы обрезали шину, чтобы позволить нам
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Что такое двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС или двигатель внутреннего сгорания) — тепловой двигатель , в котором сгорание топлива происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания , являющейся составной частью контура протока рабочего тела.
В двигателе внутреннего сгорания расширение газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании, оказывает прямое воздействие на некоторые компоненты двигателя.
Такие двигатели получают энергию за счет тепла, выделяющегося при сгорании непрореагировавшего рабочего тела, смеси окислителя и топлива. Этот процесс происходит внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства.
Полезная работа, производимая двигателем внутреннего сгорания (ВС), происходит от горячих газообразных продуктов сгорания, воздействующих на движущиеся поверхности двигателя, такие как поршни, лопатки турбины или сопла.
Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является наиболее широко применяемым и широко используемым устройством для производства электроэнергии. Например, можно упомянуть бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.
Двигатели внутреннего сгорания делятся на две группы: двигатели непрерывного сгорания и двигатели прерывистого сгорания.
Двигатели с непрерывным сгоранием характеризуются постоянным потоком топлива и окислителя в двигатель.
Поддерживает стабильное пламя в двигателе (например, в реактивном двигателе). Двигатели прерывистого сгорания характеризуются периодическим сгоранием воздуха и топлива и широко известны как поршневые двигатели. Отдельные объемы воздуха и топлива обрабатываются циклически. Бензиновые поршневые двигатели и дизельные двигатели являются примерами этой второй группы.
Наиболее распространенными двигателями внутреннего сгорания являются четырехтактные двигатели, бензиновые двигатели с гомогенным зарядом, двигатели с искровым зажиганием. Это связано с его превосходными характеристиками в качестве движущей силы в отрасли наземного транспорта.
Подробнее: Что такое двигатель внешнего сгорания?
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня.
Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень , который, в свою очередь, вращает коленчатый вал . В конечном счете, через систему шестерен в трансмиссии это движение приводит в движение колеса автомобиля.
Горение, также называемое горением, представляет собой основной химический процесс, при котором выделяется энергия из смеси топлива и воздуха. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит в самом двигателе.
Двумя основными типами двигателей внутреннего сгорания являются двигатели с искровым зажиганием (SI), в которых топливо воспламеняется от искры. В двигателях с воспламенением от сжатия (CI) повышения температуры и давления при сжатии достаточно для самопроизвольного воспламенения топлива.
Двигатели с искровым зажиганием называются бензиновыми, бензиновыми или газовыми двигателями из-за их общего топлива, и они называются двигателями Отто в честь их изобретателей. Компрессионные двигатели также известны как дизельные или масляные двигатели.
Название этого топлива взято от имени его изобретателя.
При каждом обороте коленчатого вала поршень совершает два хода, и оба типа двигателей могут быть рассчитаны на работу с четырьмя или двумя ходами поршня. Четырехтактный рабочий цикл выглядит следующим образом.
- Такты впуска. Такт впуска открывает впускной клапан, поршень перемещается в нижнюю часть цилиндра и всасывает воздух. В двигателях с искровым зажиганием топливо обычно смешивается с воздухом.
- Такты сжатия. В ходе такта сжатия оба клапана закрываются, и поршень перемещается к верхней части цилиндра. Зажигание происходит, когда поршень приближается к верхней мертвой точке (ВМТ). В двигателях с воспламенением от сжатия топливо впрыскивается ближе к концу такта сжатия.
- Горение и рабочий ход. Горение распространяется по заряду, повышая давление и температуру и толкая поршень вниз. В конце рабочего такта выпускные клапаны открываются, и необратимое расширение выхлопных газов называется «продувкой».
- На такте выпуска выпускной клапан остается открытым, а оставшийся газ выбрасывается за счет движения поршня к верхней части цилиндра. Когда выпускной клапан закрывается в конце такта выпуска, выхлопные газы остаются. Это разбавит следующую зарядку.
Четырехтактный цикл иногда описывают как «всасывание, сжатие, удар и выдувание». Этот цикл завершается только один раз каждые два оборота, поэтому клапанный механизм (и топливные форсунки) должен приводиться в действие механизмом, который работает на пол оборота двигателя. Часть силы от такта расширения накапливается в маховике для питания трех других тактов.
Применение двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее широко применяемыми и широко используемыми в настоящее время энергетическими устройствами. Примеры включают бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.
IC Engine имеет много применений, таких как,
- Бензиновые двигатели: Автомобили, морская пехота, самолет
- Газовые двигатели: Промышленная мощность
- Дизельные эн. : Power, Aircraft, Industrial, Marine
: Power, Aircraft, Industrial, MarineЧасто задаваемые вопросы.
Что такое двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС или двигатель внутреннего сгорания) — тепловая машина, в которой сгорание топлива происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания, являющейся составной частью контура протока рабочего тела.
Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?
В 1823 году Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения в США; один из его двигателей перекачивал воду по Кройдонскому каналу с 1830 по 1836 год.
Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года, а первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в 1876 году Николаусом Отто.
В 1872 году американец Джордж Брайтон изобрел первый серийный двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе .
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. В конечном счете, через систему шестерен в трансмиссии это движение приводит в движение колеса автомобиля .
Когда был изобретен двигатель внутреннего сгорания?
Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года , а первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в 1876 году Николаусом Отто (двигатель Отто).
Где используются двигатели внутреннего сгорания?
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и поездах.