Устройство двигателя внутреннего сгорания: Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Современный двигатель внутреннего сгорания далеко ушел от своих прародителей. Он стал крупнее, мощнее, экологичнее, но при этом принцип работы, устройство двигателя автомобиля, а также основные его элементы остались неизменными.

Двигатели внутреннего сгорания, массово применяемые на автомобилях, относятся к типу поршневых. Название свое этот тип ДВС получил благодаря принципу работы. Внутри двигателя находится рабочая камера, называемая цилиндром. В ней сгорает рабочая смесь. При сгорании смеси топлива и воздуха в камере увеличивается давление, которое воспринимает поршень. Перемещаясь, поршень преобразует полученную энергию в механическую работу.

Как устроен ДВС

Первые поршневые моторы имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В процессе развития для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. Мотор современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Современный ДВС состоит из нескольких механизмов и вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. КШМ — кривошипно-шатунный механизм.
2. ГРМ   — механизм регулировки фаз газораспределения.
3. Система смазки.
4. Система охлаждения.
5. Система подачи топлива.
6. Выхлопная система.

Также к системам ДВС относятся электрические системы пуска и управления двигателем.

КШМ — кривошипно-шатунный механизм

КШМ — основной механизм поршневого мотора. Он выполняет главную работу — преобразует тепловую энергию в механическую. Состоит механизм из следующих частей:

• Блок цилиндров.
• Головка блока цилиндров.
• Поршни с пальцами, кольцами и шатунами.
• Коленчатый вал с маховиком.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал.
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками.
• Детали привода клапанов.
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их

В зависимости от конструкции и количества клапанов на двигатель может быть установлен один или два распределительных вала на каждый ряд цилиндров. При двухвальной системе каждый вал отвечает за работу своего ряда клапанов — впускных или выпускных. Одновальная конструкция имеет английское название SOHC (Single OverHead Camshaft). Систему с двумя валами называют DOHC (Double Overhead Camshaft).

Система охлаждения двигателя

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя
• Насос (помпа)
• Термостат
• Радиатор
• Вентилятор
• Расширительный бачок

Рубашку охлаждения двигателей внутреннего сгорания образуют полости внутри БЦ и ГБЦ, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Она отбирает избыточное тепло у деталей двигателя и относит его к радиатору. Циркуляцию обеспечивает насос, привод которого осуществляется с помощью ремня от коленчатого вала.

Термостат обеспечивает необходимый температурный режим двигателя автомобиля, перенаправляя поток жидкости в радиатор либо в обход него. Радиатор, в свою очередь, призван охлаждать нагретую жидкость. Вентилятор усиливает набегающий поток воздуха, тем самым увеличивая эффективность охлаждения. Расширительный бачок необходим современным моторам, так как применяемые охлаждающие жидкости сильно расширяются при нагреве и требуют дополнительного объема.

Система смазки ДВС

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон).
• Насос подачи масла.
• Масляный фильтр с редукционным клапаном.
• Маслопроводы.
• Масляный щуп (индикатор уровня масла).
• Указатель давления в системе.
• Маслоналивная горловина.

Насос забирает масло из масляного картера и подает его в маслопроводы и каналы, расположенные в БЦ и ГБЦ. По ним масло поступает в места соприкосновения трущихся поверхностей.

Система питания

Система подачи для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак.
• Датчик уровня топлива.
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой.
• Топливные трубопроводы.
• Впускной коллектор.
• Воздушные патрубки.
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, но в силу различных физических свойств бензина и дизельного топлива конструкция их имеет существенные различия. Сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом. Детали, обеспечивающие очистку воздуха и поступление его цилиндры — воздушный фильтр и патрубки — тоже относятся к топливной системе.

Система выпуска

Система выпуска предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор.
• Приемная труба глушителя.
• Резонатор.
• Глушитель.
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

В заключение необходимо упомянуть системы пуска и управления двигателем автомобиля. Они являются важной частью двигателя, но их необходимо рассматривать вместе с электрической системой автомобиля, что выходит за рамки этой статьи, рассматривающей внутреннее устройство двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания | Encyclopedia.com

Принципы

Структура двигателя внутреннего сгорания

Ресурсы

Двигатель внутреннего сгорания — это любой тепловой двигатель, который получает механическую энергию путем сжигания химической энергии (топлива) в замкнутом пространстве (камере сгорания). Изобретение и разработка двигателя внутреннего сгорания в девятнадцатом веке оказали глубокое влияние на человеческую жизнь. Двигатель внутреннего сгорания представляет собой относительно небольшой и легкий источник энергии, который он производит. Использование этой мощности сделало возможным создание практичных машин, начиная от самой маленькой модели самолета и заканчивая самым большим грузовиком. Электричество часто вырабатывается двигателями внутреннего сгорания. Газонокосилки, бензопилы и генераторы также могут использовать двигатели внутреннего сгорания. Важным устройством на основе двигателя внутреннего сгорания является автомобиль.

Однако во всех двигателях внутреннего сгорания основные принципы остаются одинаковыми. Топливо сжигается внутри камеры, обычно цилиндра. Энергия, создаваемая сгоранием или сжиганием топлива, используется для движения устройства, обычно поршня, через камеру. Прикрепив поршень к валу вне камеры, движение и сила поршня могут быть преобразованы в другие движения.

Горение – это сжигание топлива. Когда топливо сгорает, оно выделяет энергию в виде тепла, которое вызывает расширение газа. Это расширение может быть быстрым и мощным. Силу и движение расширения газа можно использовать для толкания объекта. Встряхнуть банку газировки — это способ увидеть, что происходит, когда газ расширяется. Встряхивание вызывает реакцию углекислого газа — шипение газировки, которое, когда банка открыта, выталкивает газированную жидкость из банки и через отверстие.

Однако простое сжигание топлива не очень полезно для создания движения. Зажигание спички, например, сжигает кислород в окружающем ее воздухе, но поднявшееся тепло рассеивается во всех направлениях и, следовательно, дает очень слабый толчок. Чтобы расширение газа, вызванное горением, было полезным, оно должно происходить в ограниченном пространстве. Это пространство может направлять или направлять движение расширения; он также может увеличить свою силу.

Цилиндр представляет собой полезное пространство для направления силы сгорания. Круглая внутренняя часть цилиндра позволяет газам легко течь, а также увеличивает силу движения газов. Круговое движение газов также может способствовать втягиванию воздуха и паров в цилиндр или их обратному вытеснению. Ракета — это простой пример использования внутреннего сгорания в цилиндре. В ракете нижний конец цилиндра открыт. Когда топливо внутри цилиндра взрывается, газы быстро расширяются к отверстию, создавая толчок, необходимый для того, чтобы оттолкнуть ракету от земли.

Эта сила может быть еще более полезной. Его можно заставить толкать объект внутри цилиндра, заставляя его двигаться через цилиндр. Пуля в пистолете — пример такого объекта. Когда горючее, в данном случае порох, взрывается, возникающая сила проталкивает пулю через цилиндр или ствол пистолета. Это движение полезно для некоторых вещей; однако его можно сделать еще более полезным. Замыкая концы цилиндра, можно управлять движением предмета, заставляя его двигаться вверх и вниз внутри цилиндра. Затем это движение, называемое возвратно-поступательным движением, можно использовать для выполнения других задач.

Двигатели внутреннего сгорания обычно используют возвратно-поступательное движение, хотя газотурбинные, ракетные и роторные двигатели являются примерами других типов двигателей внутреннего сгорания. Однако поршневые двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными и используются в большинстве автомобилей, грузовиков, мотоциклов и других машин с приводом от двигателя.

Основными компонентами двигателя внутреннего сгорания являются цилиндр, поршень и коленчатый вал. К ним присоединены другие компоненты, которые повышают эффективность возвратно-поступательного движения и преобразуют это движение во вращательное движение коленчатого вала. Топливо должно быть подано в цилиндр, а выхлоп, образующийся при взрыве топлива, должен быть обеспечен выходом из цилиндра. Также должно быть произведено воспламенение или зажигание топлива. В поршневом двигателе внутреннего сгорания это делается одним из двух способов.

Дизельные двигатели также называют двигателями с компрессией, потому что они используют сжатие для самовоспламенения топлива. Воздух сжимается, то есть выталкивается в небольшое пространство в цилиндре. Сжатие заставляет воздух нагреваться; когда топливо попадает в горячий сжатый воздух, топливо взрывается. Давление, создаваемое сжатием, требует, чтобы дизельные двигатели были более прочными и, следовательно, более тяжелыми, чем бензиновые двигатели, но они более мощные и требуют менее дорогого топлива. Дизельные двигатели обычно используются в крупных транспортных средствах, таких как грузовики и тяжелая строительная техника, или в стационарных машинах, но в 2000-х годах они находят свое применение и в автомобилях по мере совершенствования технологий и поиска потребности в менее дорогом топливе.

Бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием, потому что они зависят от электрической искры, вызывающей взрыв топлива в цилиндре. Легче дизельного двигателя, газовый двигатель требует топлива более высокой степени очистки (таким образом, более дорогого).

В двигателе цилиндр размещается внутри блока цилиндров, достаточно прочного, чтобы сдерживать взрывы топлива. Внутри цилиндра находится поршень, который точно подходит к цилиндру. Поршни обычно имеют куполообразную форму сверху и полые снизу. Поршень прикреплен через шатун, установленный в полом дне, к коленчатому валу, который преобразует движение поршня вверх и вниз в круговое движение. Это возможно, потому что коленчатый вал не прямой, а имеет изогнутую часть (по одной на каждый цилиндр), называемую кривошипом.

Подобная конструкция приводит в движение велосипед. При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека сродни поршню. От колена до ступни нога действует как шатун, который крепится к коленчатому валу кривошипом или педальным узлом велосипеда. Когда сила воздействует на верхнюю часть ноги, эти части приходят в движение. Возвратно-поступательное движение голени преобразуется во вращательное или вращательное движение коленчатого вала.

Обратите внимание, что при езде на велосипеде нога совершает два движения, одно вниз и одно вверх, чтобы завершить цикл вращения педалей. Это так называемые инсульты. Поскольку двигателю также необходимо всасывать топливо и снова выбрасывать топливо, большинство двигателей используют четыре такта для каждого цикла, который совершает поршень. Первый такт начинается, когда поршень находится в верхней части цилиндра, называемой головкой цилиндра. Когда он вытягивается, он создает вакуум в цилиндре. Это связано с тем, что поршень и цилиндр образуют герметичное пространство. Когда поршень опускается, пространство между ним и головкой цилиндра увеличивается, а количество воздуха остается прежним. Этот вакуум помогает подавать топливо в цилиндр, подобно действию легких. Поэтому этот такт называется тактом впуска.

Следующий такт, называемый тактом сжатия, происходит, когда поршень снова проталкивается вверх внутри цилиндра, сжимая или сжимая топливо во все более и более плотное пространство. Сжатие топлива к верхней части цилиндра вызывает нагрев воздуха, который также нагревает топливо. Сжатие топлива также облегчает его воспламенение и делает результирующий взрыв более мощным. Для расширяющихся газов взрыва меньше места, а это значит, что они будут сильнее давить на поршень, чтобы вырваться.

В верхней части такта сжатия топливо воспламеняется, вызывая взрыв, толкающий поршень вниз. Этот ход называется рабочим ходом, и это ход, при котором вращается коленчатый вал. Последний такт, такт выпуска, снова поднимает поршень, который выбрасывает выхлопные газы, образовавшиеся в результате взрыва, из цилиндра через выпускной клапан. Эти четыре удара также обычно называют «сосать, сжимать, хлопать и дуть». Двухтактные двигатели исключают такты впуска и выпуска, совмещая их с тактами сжатия и рабочего хода. Это позволяет использовать более легкий и мощный двигатель относительно размера двигателя, требуя менее сложной конструкции. Однако двухтактный цикл является менее эффективным методом сжигания топлива. Остаток несгоревшего топлива остается внутри цилиндра, что препятствует сгоранию. Двухтактный двигатель также воспламеняет свое топливо в два раза чаще, чем четырехтактный двигатель, что увеличивает износ деталей двигателя. Поэтому двухтактные двигатели используются в основном там, где требуется двигатель меньшего размера, например, на некоторых мотоциклах и с небольшими инструментами.

Для горения требуется присутствие кислорода, поэтому для воспламенения топливо необходимо смешать с воздухом. Дизельные двигатели подают топливо непосредственно для реакции с горячим воздухом внутри цилиндра. Однако двигатели с искровым зажиганием сначала смешивают топливо с воздухом вне цилиндра. Это делается либо через карбюратор, либо через систему впрыска топлива. Оба устройства испаряют бензин и смешивают его с воздухом в соотношении около 14 частей воздуха на каждую часть бензина. Дроссельная заслонка в карбюраторе регулирует количество воздуха, смешиваемого с топливом; на другом конце дроссельная заслонка контролирует, сколько топливной смеси будет отправлено в цилиндр.

Вакуум, создаваемый при движении поршня вниз через цилиндр, втягивает топливо в цилиндр. Поршень должен точно входить в цилиндр, чтобы создать этот вакуум. Резиновые компрессионные кольца, вставленные в канавки поршня, обеспечивают герметичность. Бензин поступает в цилиндр через впускной клапан. Затем бензин сжимается в цилиндре следующим движением поршня, ожидая воспламенения.

Двигатель внутреннего сгорания может иметь от одного до двенадцати или более цилиндров, все они действуют вместе в точно рассчитанной последовательности для привода коленчатого вала. Велосипедиста на велосипеде можно описать как двухцилиндровый двигатель, каждая нога которого помогает другой в создании мощности для движения велосипеда и в подтягивании друг друга через цикл гребков. Автомобили обычно имеют четырех-, шести- или восьмицилиндровые двигатели, хотя также доступны двухцилиндровые и двенадцатицилиндровые двигатели. Количество цилиндров влияет на объем двигателя; то есть общий объем топлива, прошедшего через цилиндры. Больший рабочий объем позволяет сжигать больше топлива, создавая больше энергии для привода коленчатого вала.

Искра подается через свечу зажигания, расположенную в головке блока цилиндров. Искра вызывает взрыв бензина. Свечи зажигания содержат два металлических конца, называемых электродами, которые входят в цилиндр. Каждый цилиндр имеет свою свечу зажигания. Когда электрический ток проходит через свечу зажигания, ток переходит от одного электрода к другому, создавая искру.

Этот электрический ток возникает в батарее. Однако ток батареи недостаточно силен, чтобы создать искру, необходимую для воспламенения топлива. Поэтому он проходит через трансформатор, который значительно увеличивает его напряжение или силу. Затем ток может быть направлен на свечу зажигания.

Однако в случае двигателя с двумя или более цилиндрами искра должна подаваться на каждый цилиндр по очереди. Последовательность запуска цилиндров должна быть рассчитана таким образом, чтобы, пока один поршень находился в такте рабочего хода, другой поршень находился в такте сжатия. Таким образом, усилие, действующее на коленчатый вал, может поддерживаться постоянным, что позволяет двигателю работать плавно. Количество цилиндров влияет на плавность работы двигателя; чем больше цилиндров, тем постояннее усилие на коленчатом валу и тем ровнее будет работать двигатель.

Момент зажигания цилиндров контролируется распределителем. Когда ток поступает в распределитель, он направляется к свечам зажигания по проводам, по одному на каждую свечу зажигания. Механические распределители, по сути, представляют собой вращающиеся роторы, которые по очереди подают ток в каждый вывод. Электронные системы зажигания используют компьютерные компоненты для выполнения этой задачи.

В самых маленьких двигателях используется аккумулятор, который при разрядке просто заменяется. Однако в большинстве двигателей предусмотрена возможность подзарядки аккумулятора с использованием движения вращающегося коленчатого вала для выработки тока обратно в аккумулятор.

Поршень или поршни давят и тянут вверх коленчатый вал, заставляя его вращаться. Такой переход от возвратно-поступательного движения поршня к вращательному движению коленчатого вала возможен потому, что для каждого поршня коленчатый вал имеет кривошип, т. е. участок, поставленный под углом к ​​возвратно-поступательному движению положения. На коленчатом валу с двумя или более цилиндрами эти кривошипы также расположены под углом друг к другу, что позволяет им действовать согласованно. Когда один поршень толкает кривошип вниз, второй кривошип толкает поршень вверх.

Большое металлическое колесообразное устройство, называемое маховиком, прикреплено к одному концу коленчатого вала. Его функция заключается в поддержании постоянного движения коленчатого вала. Это необходимо для четырехтактного двигателя, потому что поршни выполняют рабочий ход только один раз за каждые четыре такта. Маховик обеспечивает импульс для перемещения коленчатого вала до тех пор, пока он не получит следующий рабочий ход. Он делает это, используя инерцию, то есть принцип, согласно которому движущийся объект стремится остаться в движении. Как только маховик приводится в движение вращением коленчатого вала, он будет продолжать двигаться и вращать коленчатый вал. Однако чем больше цилиндров у двигателя, тем меньше ему нужно будет полагаться на движение маховика, потому что большее количество поршней будет поддерживать вращение коленчатого вала.

Когда коленчатый вал вращается, его движение можно приспособить для самых разных целей, прикрепив шестерни, ремни или другие устройства. Колеса можно заставить вращаться, пропеллеры можно заставить вращаться, а двигатель можно использовать просто для выработки электроэнергии. К коленчатому валу также прикреплен дополнительный вал, называемый распределительным валом, который открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра в соответствии с четырехтактным циклом поршней. Кулачок — это колесо, имеющее форму яйца, с длинным и коротким концами. К распределительному валу крепятся несколько кулачков, в зависимости от количества цилиндров двигателя. Поверх кулачков установлены толкатели, по два на каждый цилиндр, которые открывают и закрывают клапаны. Когда распределительный вал вращается, короткие концы позволяют толкателям отходить от клапана, заставляя клапан открываться; длинные концы кулачков толкают штоки обратно к клапану, снова закрывая его. В некоторых двигателях, называемых двигателями с верхним расположением распредвала, распределительный вал опирается непосредственно на клапаны, что устраняет необходимость в узле толкателя. Двухтактные двигатели, поскольку впуск и выпуск достигаются за счет движения поршня по каналам или отверстиям в стенке цилиндра, не требуют распределительного вала.

Еще два компонента могут управляться коленчатым валом: системы охлаждения и смазки. Взрыв топлива создает сильное тепло, которое может быстро привести к перегреву двигателя и даже плавлению, если оно не рассеивается или не отводится должным образом. Охлаждение достигается двумя способами: через систему охлаждения и, в меньшей степени, через систему смазки.

Существует два типа систем охлаждения. В системе жидкостного охлаждения используется вода, которую часто смешивают с антифризом для предотвращения замерзания. Антифриз снижает температуру замерзания, а также повышает температуру кипения воды. Вода, которая очень хорошо собирает тепло, прокачивается вокруг двигателя через ряд проходов, содержащихся в рубашке. Затем вода циркулирует в радиаторе, который содержит множество трубок и тонких металлических пластин, увеличивающих площадь поверхности воды. Вентилятор, прикрепленный к радиатору, пропускает воздух по трубкам, еще больше снижая температуру воды. И насос, и вентилятор приводятся в действие движением коленчатого вала.

В системах с воздушным охлаждением для отвода тепла от двигателя используется воздух, а не вода. Большинство мотоциклов, многие небольшие самолеты и другие машины, при движении которых создается сильный ветер, используют системы с воздушным охлаждением. В них металлические ребра прикреплены к внешней стороне цилиндров, создавая большую площадь поверхности; когда воздух проходит над ребрами, тепло, отдаваемое металлическим ребрам от цилиндра, уносится воздухом.

Смазка двигателя жизненно важна для его работы. Движение деталей друг относительно друга вызывает сильное трение, которое вызывает нагрев и износ деталей. Смазочные материалы, такие как масло, создают тонкий слой между движущимися частями. Прохождение масла

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Инерция —Склонность движущегося объекта оставаться в движении и тенденция покоящегося объекта оставаться в состоянии покоя.

Возвратно-поступательное движение — Движение, при котором объект перемещается вверх и вниз или вперед и назад.

Вращательное движение — Движение, при котором объект вращается.

через двигатель также помогает отводить часть выделяемого тепла.

Коленчатый вал в нижней части двигателя упирается в картер. Он может быть заполнен маслом, или отдельный масляный поддон под картером служит резервуаром для масла. Насос подает масло через проходы и отверстия к различным частям двигателя. Поршень также оснащен резиновыми маслосъемными кольцами, в дополнение к компрессионным кольцам, для подачи масла вверх и вниз внутри цилиндра. Двухтактные двигатели используют масло как часть топливной смеси, обеспечивая смазку двигателя и устраняя необходимость в отдельной системе.

КНИГИ

Кроул, Дэниел А. Понимание взрывов . Нью-Йорк: Центр безопасности химических процессов, Американский институт инженеров-химиков, 2003.

Ниссен, Уолтер, Р. Процессы сжигания и сжигания . Нью-Йорк: Марсель Деккер, 2002.

Полицер, Питер и Джейн С. Мюррей, ред. Энергетические материалы . Амстердам, Нидерланды, и Бостон, Массачусетс: Elsevier, 2003.

М. Л. Коэн

Измерение давления в цилиндре двигателя внутреннего сгорания с помощью LabVIEW

Любой, кто работал над проектированием двигателя внутреннего сгорания (ДВС), поймет огромное преимущество, которое дает конструктору недорогое точное устройство для измерения и анализа давления в цилиндрах. Creative Technical Solutions, Inc. использовала плату сбора данных National Instruments DAQ и LabVIEW для создания OPTIMIZER, системы на базе ПК для использования производителями двигателей, исследовательскими лабораториями, небольшими гоночными магазинами и любителями.

Фон

Производительность двигателя внутреннего сгорания зависит от ряда переменных. Для данной степени сжатия оптимальная мощность и крутящий момент двигателя создаются, когда:

• Каждый цилиндр получает максимальное количество воздуха от узла впускных и впускных клапанов

• Соотношение топливо/воздух правильно отрегулировано для условий эксплуатации

• Топливо и воздух хорошо перемешаны

• Опережение зажигания отрегулировано с учетом начальной детонации

Поскольку давление, возникающее при сгорании топливно-воздушной смеси, создает крутящий момент и мощность, наиболее фундаментальным параметром, который необходимо исследовать при разработке двигателя, является величина и синхронизация давления в цилиндре во время такта сжатия и рабочего такта. Стендовые испытания впускного коллектора документируют расход при заданном падении давления в условиях установившегося потока. Но при установке на двигатель поток во впускном коллекторе представляет собой нестационарный процесс, обусловленный движением поршня, площадью впускных клапанов, фазами газораспределения, перекрытием и геометрией рабочего колеса. Сочетание этих параметров часто приводит к неравномерной загрузке разных цилиндров в многоцилиндровом двигателе.

Первым шагом в оптимизации работы двигателя является проектирование впускного коллектора и клапанного механизма для подачи максимальных и равных масс воздуха в цилиндры. Для данной степени сжатия и температуры воздуха на входе оператор может получить эту информацию о зарядке из уровня давления в цилиндре во время такта сжатия до воспламенения. Поскольку сгорание топливно-воздушной смеси является сложной функцией ряда геометрических переменных камеры сгорания, а также многих других переменных, таких как местное смешивание топлива и воздуха, октановое число, локальное отношение эквивалентности, температура двигателя, температура воздуха и влажность и угол опережения зажигания — настройка этих параметров для достижения оптимальной производительности является серьезной проблемой.

Наблюдая за измеренным давлением в цилиндре и местоположением пикового давления по отношению к верхней мертвой точке поршня (ВМТ), оператор двигателя может быстро настроить двигатель для оптимальной работы. Большинство обычных двигателей демонстрируют оптимальные характеристики, когда пиковое давление возникает на 12–15 градусов после ВМТ, а процесс сгорания происходит в условиях почти постоянного объема вблизи ВМТ, на что указывает массовая доля сожженного топлива. Для заданной степени сжатия и октанового числа топлива опережение зажигания, необходимое для максимальной производительности, может привести к перегреву поршней из-за сильного детонации искры. Таким образом, в процессе оптимизации производительности оператору необходимо контролировать давление в цилиндре на предмет искрового детонации в диапазоне от 10 до 40 градусов после ВМТ. При обнаружении детонации необходимо уменьшить опережение зажигания во избежание повреждения поршня.

Описание системы

Мы выбрали LabVIEW для ОПТИМАЙЗЕРА из-за его гибкости в интеграции функций сбора и анализа данных без необходимости в дополнительном программном обеспечении. Мы разработали систему для измерения и представления измерений давления в цилиндрах в различных графических форматах, чтобы оператор двигателя мог оценить влияние изменений конструкции и условий эксплуатации на производительность в зависимости от рабочей частоты вращения и нагрузки двигателя. Распределения давления для каждого цилиндра могут быть усреднены для любого желаемого количества циклов двигателя и на нескольких скоростях двигателя. На рисунке на предыдущей странице показан логарифмический график объемного давления для 100 циклов. Полученные параметры, полученные в результате анализа давления, зарегистрированного как функция угла поворота коленчатого вала, сведены в таблицу вместе с их стандартными отклонениями. Оператор может записать динамометрический крутящий момент на одном из низкоскоростных каналов и использовать его для сравнения тормозной мощности с указанной мощностью, полученной из данных о давлении. Различия в этих значениях являются мерой потерь на трение и перекачку.

Для разработки недорогой системы сбора данных (DAQ) на базе ПК для измерения давления в цилиндрах мы выбрали волоконно-оптические датчики давления Optrand. Эти относительно недорогие манометры успешно использовались в ряде программ разработки и мониторинга. На сегодняшний день одинарные манометры наработали более 800 миллионов циклов при эксплуатации двигателей и системах управления. В дополнение к полной шкале 5 В манометры имеют сигнал датчика, который можно контролировать, чтобы убедиться, что сигнал давления действителен. Мы измерили сигналы преобразователя давления с помощью платы сбора данных National Instruments PCI-MIO-16-E-1, запускаемой оптическим энкодером с разрешением 0,36 градуса. Чтобы убедиться, что индексный импульс энкодера правильно совмещен с ВМТ двигателя, мы использовали волоконно-оптический датчик перемещения Philtec для точного определения ВМТ во время автомобильных испытаний. Этот метод устраняет необходимость использования индексированных колес и маркеров для оценки ВМТ.

Архитектура системы

В системе измерения, основанной на LabVIEW, оператор двигателя использует ряд подпрограмм для настройки параметров двигателя, ввода параметров датчика, определения ВМТ, захвата данных в зависимости от частоты вращения двигателя и представления измеренные и полученные результаты в ряде полезных форматов. Экран настройки двигателя показан на рисунке рядом.

Мы разработали недорогую систему сбора и анализа данных на базе ПК с использованием платы сбора данных и LabVIEW для сбора и анализа давления в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания с целью оптимизации характеристик двигателя. Мы использовали недорогие волоконно-оптические преобразователи давления и волоконно-оптический датчик перемещения для определения ВМТ. Оптический энкодер запускает и синхронизирует плату сбора данных. Доступны как бензиновые, так и дизельные версии системы. Планы дальнейшего развития включают модернизацию до одновременного отбора проб для работы на очень высоких оборотах и ​​точного измерения среднего эффективного давления (MEP) откачки.