Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Содержание

Двигатель в разрезе: описание, детали

Строение двигателя внутреннего сгорания известно широкой массе автолюбителей. Но, вот не все, зная какие детали установлены в моторе, знают их расположение и принцип работы. Чтобы полностью понять устройство автомобильного движка необходимо посмотреть разрез силового агрегата.

Работа двигателя в разрезе представлена в данном видеоматериале

Работа двигателя

Что понимать расположение деталей автомобильного двигателя и перед тем, как показать двигатель в разрезе необходимо понимать принцип работы мотора. Итак, рассмотрим, что приводит в движение колеса автомобиля.

Топливо, которое находиться в бензобаке при помощи топливного насоса подаётся на форсунки или карбюратор. Стоит отметить, что горючее проходит такой важный этап, как фильтрующий топливный элемент, который останавливает примеси и чужеродные элементы, что не должны попасть в камеру сгорания.

После нажатия педали акселератора электронный блок управления даёт команду подать горючее во впускной коллектор. Для карбюраторных ДВС — педаль газа привязана к карбюратору и чем больше давление идёт на педаль, тем больше топлива льётся в камеру сгорания.

Далее, со второй стороны подаётся воздух, проходя воздушный фильтр и дроссель. Чем больше открывается заслонка, тем большее количество воздуха поступит непосредственно во впускной коллектор, где образуется воздушно-топливная смесь.

В коллекторе воздушно-топливная смесь равномерно разделяется между цилиндрами и поочерёдно поступает через впускные клапана в камеры сгорания. Когда поршень движется в ВТМ, создаётся давление смеси и свеча зажигания образует искру, которая поджигает горючее. От данной детонации и взрыва поршень начинает двигаться вниз в НМТ.

Движение поршня передаётся на шатун, который прикреплён к коленчатому валу и приводит его в действие. Так, делает каждый поршень. Чем быстрее движутся поршни, тем больше обороты коленчатого вала.

После того, как воздушно-топливная смесь сгорела, открывается выпускной клапан, который выпускает отработанные газы в выпускной коллектор, а затем сквозь выхлопную систему наружу. На современных автомобилях, часть отработанных газов помогает работе двигателя, поскольку приводит в работу турбонаддув, который увеличивает мощность ДВС.

Также, стоит отметить, что на современных движках не обойтись без системы охлаждения, жидкость которой циркулирует через рубашку охлаждения и подкапотное пространство, чем обеспечивает постоянную рабочую температуру.

Двигатель в разрезе

Теперь можно рассмотреть, как выглядит ДВС в разрезе. Для большей наглядности и понятности рассмотрим двигатель ВАЗ в разрезе, с которым знакомы большинство автомобилистов.

На схеме представлен двигатель ВАЗ 2121 в продольном разрезе:

1. Коленчатый вал; 2. Вкладыш коренного подшипника коленчатого вала; 3. Звёздочка коленчатого вала; 4. Передний сальник коленчатого вала; 5. Шкив коленчатого вала; 6. Храповик; 7. Крышка привода механизма газораспределения; 8. Ремень привода насоса охлаждающей жидкости и генератора; 9. Шкив генератора; 10. Звёздочка привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 11. Валик привода масляного насоса, топливного насоса и распределителя зажигания; 12. Вентилятор системы охлаждения; 13. Блок цилиндров; 14. Головка цилиндров; 15. Цепь привода механизма газораспределения; 16. Звёздочка распределительного вала; 17. Выпускной клапан; 18. Впускной клапан; 19. Корпус подшипников распределительного вала; 20. Распределительный вал; 21. Рычаг привода клапана; 22. Крышка головки цилиндров; 23. Датчик указателя температуры охлаждающей жидкости; 24. Свеча зажигания; 25. Поршень; 26. Поршневой палец; 27. Держатель заднего сальника коленчатого вала; 28. Упорное полукольцо коленчатого вала; 29. Маховик; 30. Верхнее компрессионное кольцо; 31. Нижнее компрессионное кольцо; 32. Маслосъёмное кольцо; 33. Передняя крышка картера сцепления; 34. Масляный картер; 35. Передняя опора силового агрегата; 36. Шатун; 37. Кронштейн передней опоры; 38. Силовой агрегат; 39. Задняя опора силового агрегата.

Кроме рядного расположения цилиндров двигателя, как показано на схеме выше существуют ДВС с V- и W-образным расположением поршневого механизма. Рассмотри W-образный мотор в разрезе на примере силового агрегата Audi. Цилиндры ДВС располагаются так, что если смотреть на мотор спереди, то образуется английская буква W.

Данные движки обладают повышенной мощностью и используются на спорткарах. Данная система была предложена японским производителем Субару, но из-за высокого расхода горючего не получила широкого и массового применения.

V- и W-образные ДВС имеют повышенную мощность и крутящий момент, что делает их спортивной направленности. Единственным недостатком такой конструкции является то, что такие силовые агрегаты потребляют значительное количество топлива.

С развитием автомобилестроения компания General Motors предложила систему отключения половины цилиндров. Так, эти неработающие цилиндры приводятся в действие, только когда необходимо увеличить мощность или быстро разогнать автомобиль.

Такая система позволила значительно экономить топливо в повседневном использовании транспортного средства. Эта функция привязана к электронному блоку управления двигателем, поскольку, она регулирует, когда необходимо задействовать все цилиндры, а когда они не нужны.

Вывод

Принцип работы двигателя достаточно простой. Так, если посмотреть на разрез ДВС и понять расположение деталей можно легко разобраться с устройством движка, а также последовательности его процесса работы.

Вариантов расположения деталей мотора достаточно много и каждый автопроизводитель сам решает, как расположить цилиндры, сколько их будет, а также какую систему впрыска установить. Все это и даёт конструктивные особенности и характеристики мотора.

Устройство двигателя внутреннего сгорания — видео, схемы, картинки

Двигатель внутреннего сгорания – это одно из тех изобретений, которые в корне перевернули нашу жизнь – с лошадиных повозок люди смогли пересесть на быстрые и мощные автомобили.

Первые ДВС обладали малой мощностью, а коэффициент полезного действия не доходил даже до десяти процентов, но неутомимые изобретатели – Ленуар, Отто, Даймлер, Майбах, Дизель, Бенц и множество других – привносили что-то новое, благодаря чему имена многих увековечены в названиях известных автомобильных компаний.

ДВС прошли длительный путь развития от коптящих и часто ломающихся примитивных моторов, до сверхсовременных битурбированных двигателей, но принцип их работы остался все тот же – теплота сгорания топлива преобразуется в механическую энергию.

Название “двигатель внутреннего сгорания” используется потому, что топливо сгорает в середине двигателя, а не снаружи, как в двигателях внешнего сгорания – паровых турбинах и паровых машинах.

Благодаря этому ДВС получили множество положительных характеристик:

  • они стали намного легче и экономичнее;
  • стало возможным избавиться от дополнительных агрегатов для передачи энергии сгорания топлива или пара к рабочим частям двигателя;
  • топливо для ДВС обладает заданными параметрами и позволяет получать значительно больше энергии, которую можно преобразовать в полезную работу.

Устройство ДВС

Вне зависимости от того, на каком топливе работает двигатель – бензин, дизель, пропан-бутан или экотопливо на основе растительных масел – главным действующим элементом является поршень, который находится внутри цилиндра. Поршень похож на металлический перевернутый стакан (скорее подойдет сравнение с бокалом для виски – с плоским толстым дном и прямыми стенками), а цилиндр – на небольшой кусок трубы, внутри которой и ходит поршень.

В верхней плоской части поршня имеется камера сгорания – углубление круглой формы, именно в нее попадает топливно воздушная смесь и здесь же детонирует, приводя поршень в движение. Это движение передается на коленчатый вал с помощью шатунов. Шатуны верхней своей частью прикреплены к поршню с помощью поршневого пальца, который просовывается в два отверстия по бокам поршня, а нижней – к шатунной шейке коленчатого вала.

Первые ДВС имели всего один поршень, но и этого было достаточно, чтобы развить мощность в несколько десятков лошадиных сил.

В наше время тоже применяются двигатели с одним поршнем, например пусковые двигатели для тракторов, которые выполняют роль стартера. Однако больше всего распространены 2-х, 3-х, 4-х, 6-и и 8-цилиндровые двигатели, хотя выпускаются двигатели на 16 цилиндров и более.

Поршни и цилиндры находятся в блоке цилиндров. От того, как расположены цилиндры по отношению к друг другу и к другим элементам двигателя, выделяют несколько видов ДВС:

  • рядные – цилиндры расположены в один ряд;
  • V-образные – цилиндры расположены друг против друга под углом, в разрезе напоминают букву “V”;
  • U-образные – два объединенных между собой рядных двигателя;
  • X-образные – ДВС со сдвоенными V-образными блоками;
  • оппозитные – угол между блоками цилиндров составляет 180 градусов;
  • W-образные 12-цилиндровые – три или четыре ряда цилиндров установленные в форме буквы “W”;
  • звездообразные двигатели – применяются в авиации, поршни расположены радиальными лучами вокруг коленчатого вала.

Важным элементом двигателя является коленчатый вал, на который передается возвратно-поступательное движение поршня, коленвал преобразует его во вращение.

Когда на тахометре отображаются обороты двигателя, то это как раз и есть количество вращений коленвала в минуту, то есть он даже на самых низких оборотах вращается со скоростью 2000 оборотов в минуту. С одной стороны коленвал соединен с маховиком, от которого вращение через сцепление подается на коробку передач, с другой стороны – шкив коленвала, связанный с генератором и газораспределительным механизмом через ременную передачу. В более современных авто шкив коленвала связан также со шкивами кондиционера и гидроусилителя руля.

Топливо подается в двигатель через карбюратор или инжектор. Карбюраторные ДВС уже отживают свое из-за несовершенства конструкции. В таких ДВС идет сплошной поток бензина через карбюратор, затем топливо смешивается во впускном коллекторе и подается в камеры сгорания поршней, где детонирует под действием искры зажигания.

В инжекторных двигателях непосредственного впрыска топливо смешивается с воздухом в блоке цилиндров, куда подается искра от свечи зажигания.

Газораспределительный механизм отвечает за согласованную работу системы клапанов. Впускные клапаны обеспечивают своевременное поступление топливновоздушной смеси, а выпускные отвечают за выведение продуктов сгорания. Как мы уже писали раньше, такая система используется в четырехтактных двигателях, тогда как в двухтактных необходимость в клапанах отпадает.

На данном видео показано как устроен двигатель внутреннего сгорания, какие функции выполняет и как он это делает.

Устройство четырехтактного ДВС

Загрузка…

Поделиться в социальных сетях

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания (18

Для того, чтобы понять принцип работы двигателя, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:
Смотрите также: Вся правда о полном приводе

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.




Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.



Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.


Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.
Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.


Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
Первый такт — такт впуска


Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.


Второй такт — такт сжатия


Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.


Третий такт — рабочий ход


Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.


Четвертый такт — такт выпуска


Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.


После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Газораспределительный механизм


Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.


Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.


Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.


Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.

Кривошипно-шатунный механизм


Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.




Устройство КШМ
Поршень


Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.


Шатун


Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.


Коленчатый вал


Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в получении усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.


Маховик


Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.


Блок и головка цилиндров


Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.


В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.
Источник: autoustroistvo.ru

Двигатель (ДВС): устройство, принцип работы, классификация

Называть двигатель сердцем автомобиля – сравнение банальное, но точное. Можно сколько угодно перебирать подвеску, настраивать рулевое управление или совершенствовать тормоза – если мотор не в порядке, всё это превращается в пустую трату времени.

Сегодня на дорогах можно встретить автомобили разных поколений: и со старенькими карбюраторными ДВС, и с мощными дизельными моторами, управляемыми электроникой, и даже новейшие водородные двигатели, которые еще только начинают совершенствоваться. И во всём этом разнообразии довольно сложно сориентироваться, если не знать основ и принципов работы двигателя внутреннего сгорания.

Что такое ДВС и для чего он нужен?

Устройство двигателя

Чтобы транспорт ехал, что-то должно приводить его в движение. В разные времена это были запряженные животные, затем на смену пришли паровые и электродвигатели (да, прародители современных автомобилей появились даже раньше, чем традиционные ДВС), затем моторы, работающие на горючем топливе.

Современный двигатель внутреннего сгорания – это механизм, преобразующий энергию вспышки топлива (тепла) в механическую работу. Несмотря на достаточно громоздкую конструкцию, на сегодняшний день ДВС остается самым удобным источником энергии.

Электротранспорт, конечно, всё больше входит в обиход, но время его «заправки» сводит на нет все преимущества – канистру с электричеством в багажник не положишь.

Свое применение ДВС нашел во многих сферах: по одинаковому принципу работают автомобили, мотоциклы и скутеры, сельскохозяйственная и строительная техника, водный транспорт, двигатели самолетов, военная техника, газонокосилки… То есть, практически всё, что ездит или летает.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.

Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.

  1. Блок цилиндров (БЦ) – «оболочка» ЦПГ и всего двигателя в целом, в том числе с рубашкой системы охлаждения.

    Блок цилиндров

  2. Кривошипно-шатунный механизм, он же КШМ – узел, в котором происходит преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное. Состоит из коленвала, поршней, шатунов, маховика, а также подшипников скольжения (вкладышей), на которые опирается коленвал и крепления шатунов.

    Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — колено; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.

  3. Газораспределительный механизм (ГРМ) – это система подачи в цилиндры топливно-воздушной смеси и отвода выхлопных газов. Состоит из распредвалов, клапанов с коромыслами или штангами, ремня ГРМ, благодаря которому вся система работает синхронно с оборотами коленвала.

    Газораспределительный механизм

  4. Система питания – это узел, в котором происходит подготовка топливно-воздушной смеси, которая затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки установлены перед впускным клапаном каждого цилиндра), с непосредственным впрыском (форсунка установлена внутри камеры сгорания). Включает в себя топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опционально), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (в дизельных двигателях), воздухозаборника с воздушным фильтром.

    Система питания

  5. Система смазки двигателя – обеспечивает подачу смазки в каждый из узлов трения, а также на участки, требующие дополнительного охлаждения (например, на нижнюю часть поршней). Состоит из масляного насоса, подключенного к коленвалу, системы трубок и каналов, выходящих на пары трения, масляного фильтра, масляного поддона. В зависимости от конструкции различаются двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. У первых емкость для сбора моторного масла расположена отдельно, во вторых – непосредственно под двигателем.

    Система смазки двигателя: 1 – масляный насос; 2 – пробка сливного отверстия картера; 3 – маслоприемник; 4 – редукционный клапан; 5 – отверстие для смазывания распределительных шестерен; 6 – датчик сигнальной лампы аварийного давления масла; 7 – датчик указателя давления масла; 8 – кран масляного радиатора; 9 – масляный радиатор; 10 – масляный фильтр.

  6. Система зажигания – нужна для поджига топливной смеси в камере сгорания. Применяется только на бензиновых двигателях, поскольку дизтопливо воспламеняется само от сжатия. Включает в себя свечи зажигания, высоковольтные провода, катушки зажигания, а также распределитель (трамблер) на двигателях старого типа. В современных моторах система зажигания обходится без трамблера и даже без проводов: используется конструкция «катушка на свече».

    Система зажигания двигателя: 1 – генератор; 2 – выключатель зажигания; 3 – распределитель зажигания; 4 – кулачок прерывателя; 5 – свечи зажигания; 6 – катушка зажигания; 7 – аккумуляторная батарея.

  7. Система охлаждения – заботится о поддержании заданной рабочей температуры двигателя. Жидкостная система охлаждения состоит из теплоносителя (охлаждающей жидкости, антифриза), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.

    Система охлаждения

  8. Электросистема – это источники энергии, необходимой для старта двигателя и поддержания его работы. К электросистеме относится аккумуляторная батарея, генератор, стартер, проводка и датчики работы двигателя.
  9. Выхлопная система – отводит продукты сгорания из двигателя, выполняет функцию доочистки выхлопных газов, регулирует звук работы мотора. Состоит из выпускного коллектора, катализатора и сажевого фильтра (опционально), резонатора, глушителя.
Выхлопная система

Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.

Принцип работы двигателя

Во всех ДВС, какой бы конструкции они ни были, используется один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения при сгорании топлива сначала в прямолинейное, а затем во вращательное движение.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации. Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта). Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

  1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
  2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
  3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
  4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.
Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется  большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

  1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
  2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.
Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

Классификация двигателей

Поскольку ДВС растут и совершенствуются уже более 100 лет, набралось довольно много их разновидностей. Классифицируют двигатели по разным признакам и свойствам.

По рабочему циклу

Это уже известное нам деление двигателей на двухтактные и четырехтактные.

  1. Двухтактные – один полный рабочий цикл состоит из двух этапов, при этом коленвал совершает один оборот;
  2. Четырехтактные – за один полный рабочий цикл проходит четыре этапа, а коленвал делает два оборота.

По типу конструкции

Есть два основных типа ДВС: поршневой и роторный.

  1. Поршневой – это тот самый привычный нам двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом, который стоит практически в любом транспорте;
  2. Роторно-поршневой, он же двигатель Ванкеля – особый вид ДВС, в котором вместо поршня используется трехгранный ротор, а камера сгорания имеет овальную форму. Двигатель Ванкеля использовался в некоторых моделях автомобилей, но сложность производства и обслуживания заставила инженеров отказаться от применения этой конструкции.
Работа роторного двигателя

По количеству цилиндров

В ЦПГ двигателя может устанавливаться от 1 до 16 цилиндров, для легковых автомобилей это обычно 3-8. Как правило, конструкторы предпочитают четное количество цилиндров, чтобы уравновесить циклы их работы. Самое известное исключение из правил – двигатель Ecoboost, разработанный концерном Ford, во многих моделях которого ставится как раз три цилиндра.

По расположению цилиндров

Компоновка ЦПГ не всегда рядная (хоть рядный двигатель – самый простой в ремонте и обслуживании). В зависимости от фантазии инженеров, двигатели делятся на несколько типов компоновки:

  1. Рядные – все цилиндры выстроены в один ряд и на один коленвал.

    Работа рядного двигателя

  2. V-образные – два ряда цилиндров, установленные под углом от 45 до 90 градусов на один коленвал.

    Работа V-образного двигателя

  3. VR-образные – два ряда цилиндров с маленьким углом развала, 10-20 градусов, установленные на один коленвал.

    Работа VR-образного двигателя

  4. W-образные – представляют собой блок из 3 или 4 рядов цилиндров, установленных на один коленвал.

    Работа W-образного двигателя

  5. U-образные – два параллельных ряда цилиндров, установленные на два коленвала, объединенных в один силовой блок.

    Работа U-образного двигателя

  6. Оппозитные – с двумя рядами цилиндров, установленными горизонтально под 180 градусов друг к другу на один коленвал.

    Работа оппозитного двигателя

  7. Встречные – особая конструкция двигателя, в котором на каждый цилиндр приходится два поршня, движущихся во встречных направлениях. По сути, это одна цилиндро-поршневая группа, установленная на два коленвала.

    Работа встречного двигателя

  8. Радиальные – с круговым размещением ЦПГ, установленной на коленвал, расположенный в центре.
Работа радиального двигателя

В легковых автомобилях используются рядные, V-, VR-, W- и U-образные двигатели, а в некоторых моделях и оппозитные. А вот радиальные применяются в авиационной технике.

По типу топлива

Классика жанра здесь – бензиновые и дизельные двигатели. Набирают популярность газовые, постепенно совершенствуются гибридные и водородные.

  1. Бензиновые двигатели требуют поджига топливно-воздушной смеси. Для этого используются свечи и катушки зажигания, работающие синхронно с движением коленвала. Особенность бензиновых двигателей – способность развивать большую скорость;
  2. Дизельные двигатели работают по принципу самовоспламенения топливно-воздушной смеси. В них нет свечей зажигания, зато есть система прямого впрыска, требующая подачи топлива под большим давлением. Для запуска двигателя используются свечи накаливания, которые предварительно подогревают воздух и отключаются после прогрева камеры сгорания. Дизельные двигатели способны развивать большую мощность, но не скорость, поэтому используются в тяжелой технике;
  3. Газовые установки популярны за счет низкой стоимости сжиженного газа (по сравнению с бензином). Газовые двигатели работают при более высоких температурах, чем бензиновые или дизельные, что, в свою очередь, требует качественной работы системы охлаждения и особого моторного масла;
  4. Гибридные – это комбинация ДВС и электромотора. В стандартном режиме вождения задействован только электрический мотор, а ДВС задействуется при необходимости повысить нагрузку или подзарядить аккумуляторы;
  5. Водородные двигатели до недавнего времени были довольно опасны: кислород и водород, выработанные из воды путем электролиза, сгорали нестабильно и с риском детонации. Сравнительно недавно был найден другой способ использования водородно-кислородного соединения: водород заправляется в баки (причем заправка длится около 3 минут), кислород захватывается из воздуха, после чего они поступают на электрогенератор, а не в ДВС. По сути, получается процесс, обратный процессу электролиза, в результате которого образуется электроэнергия и вода. Первым автомобилем с водородной силовой установкой стала Toyota Mirai.

По принципу работы ГРМ

Ключевой элемент газораспределительного механизма – распредвал, объединенный с коленвалом двигателя с помощью ремня или цепи ГРМ. Распредвал за счет своей конструкции регулирует работу клапанов, и вся система работает синхронно с частотой оборотов двигателя. Обрыв ремня ГРМ – почти всегда путь на капремонт.

В зависимости от компоновки ЦПГ в двигателе может стоять 1 распредвал, если двигатель рядный, или 2-4 распредвала, если это V-образная компоновка.

Однако стандартная система ГРМ перестала отвечать современным требованиям к мощности и экономичности двигателей. И теперь, кроме стандартной механической системы, есть адаптивные системы, такие как Honda i-VTEC, VTEC-E и DOHC, Toyota VVT-i, Mitsubishi MIVEC, разработки компаний Volkswagen и Eco-Motors, а также пневматическая система ГРМ, установленная на Koenigsegg Regera и в перспективе добавляющая 30% мощности двигателю.

По принципу подачи воздуха

Еще одна классификация, которая часто встречается в обиходе: деление двигателей на атмосферные и турбированные.

  1. Атмосферный двигатель – это тот самый ДВС, который затягивает порцию воздуха при движении поршня в цилиндре вниз. Подача кислорода идет стандартным способом;
  2. Турбина (турбокомпрессор) – это дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания. Турбокомпрессор работает за счет потока выхлопных газов, вращающих турбину, которая, в свою очередь, нагнетает крыльчаткой воздух во впускной коллектор.
Работа двигателя с турбиной

Турбированные двигатели имеют свои преимущества и недостатки: с одной стороны, чем больше воздуха, тем больше мощности может развить двигатель. С другой – эффект турбоямы способен серьезно попортить нервы любителю спортивной езды. Да и лишний узел – лишнее слабое место, так что турбированные двигатели (или битурбо, как называют мотор с двумя турбинами) нравятся далеко не всем. Иногда хорошо собранный атмосферник может «заткнуть за пояс» любой наддув.

Преимущества и недостатки ДВС

  1. Если говорить о преимуществах двигателей внутреннего сгорания, то на первое место выйдет удобство для пользователя. За столетие бензиновой эпохи мы обросли сетью АЗС и даже не сомневаемся, что всегда будет возможность заправить машину и ехать дальше. Есть риск не встретить заправочную станцию – не беда, можно взять с собой бензин в канистрах. Именно инфраструктура делает использование ДВС таким комфортным.
  2. С другой стороны, заправка двигателя топливом занимает пару минут, проста и доступна. Залил бак – и едь себе дальше. Это не идет ни в какое сравнение с подзарядкой электромобиля.
  3. Способность служить долго при грамотном обслуживании – то, чем могут похвастаться знаменитые двигатели-миллионники. Регулярное своевременное ТО способно сохранить работоспособность мотора на очень долгий срок.
  4. И, конечно, не будем забывать про милый сердцу рев мощного мотора. Настоящий, честный, совершенно не похожий на озвучку современных электрокаров. Не зря же некоторые автоконцерны специально настраивали звук двигателей своих машин.

Какой же основной недостаток у ДВС?

  1. Конечно, это низкий КПД — в пределах 20-25%. Самый высокий на сегодняшний день показатель КПД среди ДВС – 38%, который выдал двигатель Toyota VVT-iE. По сравнению с этим электромоторы смотрятся гораздо выигрышней, особенно с системами рекуперативного торможения.
  2. Второй значительный минус – это общая сложность всей системы. Современные двигатели давно перестали быть такими «простачками», как описывается в схеме классического ДВС. Наоборот, требования к моторам становятся всё выше, сами моторы – более точными и сложными, появляются новые технологии и инженерные решения. Всё это дополнительно усложняет конструкцию двигателя, и чем она сложней, тем больше в ней слабых мест.

Так что, если раньше сосед дядя Вася перебирал двигатель своей «копейки» самостоятельно, но на новеньких современных машинах вряд ли кто-то полезет в тонкую систему ДВС без специального оборудования и инструментов.

И, наконец, нефтяная эра сама по себе отходит в прошлое. Не зря же растут требования к экологической безопасности транспорта, а заодно и эффективность солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные моторы еще не скоро исчезнут с улиц, но уже Европа борется за внедрение электромобилей, благодаря которым человечество когда-нибудь забудет слово «бензиновый смог».

Заключение

Несмотря на любые недостатки, ДВС остается «главным по транспорту». Химики придумывают новые моторные масла, инженеры разрабатывают новые системы ГРМ, а производители бензина не спешат снижать цены. Всё потому, что с удобством и автономностью привычных нам двигателей пока не может сравниться ни один вид транспорта.

Oдноцилиндровый ДВС

Описание устройства простейшего двигателя

Чтобы сразу не смущать сложными терминами и громоздкими определениями, сначала рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на бензине, устройство которого представлено на рисунке 4.1.

Состоит этот двигатель из блока с цилиндрическим отверстием внутри – гильзой цилиндра. В гильзе находится поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом. Коленчатый вал, в свою очередь, связан с распределительным валом через цепь (эта связь постоянна и передаточное отношение (О том, что такое «передаточное отношение», будет рассказано в главе 5 «Трансмиссия») составляет 1 к 2, то есть распределительный вал делает один оборот за два оборота коленчатого вала).


Рисунок 4.1 Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.


Рисунок 4.2 Разрез бензинового двигателя внутреннего сгорания.


Рисунок 4.4 Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.

Распределительный вал вместе с клапанами расположен в головке блока цилиндров, которая установлена соответственно на блок цилиндров.

Теперь разложим все по частям.

Блок цилиндра — литая деталь из чугуна или из алюминиевого сплава. Блок цилиндров образует картер. По сути, это корпус, внутри которого находятся основные элементы кривошипно-шатунного механизма (о котором речь пойдет ниже). Этот корпус имеет двойные стенки (именуемые рубашкой блока). В полостях между стенками течет охлаждающая жидкость, если двигатель с жидкостным охлаждением. Если двигатель с воздушным охлаждением, то блок имеет одну стенку с многочисленными ребрами для отвода тепла, как показано на рисунке 4.3.

В блоке имеются гильза и масляные каналы для подвода смазки к трущимся деталям. Рабочая поверхность гильзы, с которой соприкасается поршень, называется зеркалом цилиндра.

Поршень имеет вид перевернутого стакана, обычно отлит из алюминиевого сплава. В цилиндр поршень устанавливается с очень небольшим зазором (обычно сотые доли миллиметра). Чтобы газы, образовавшиеся при сгорании топлива, через этот зазор не прорвались в картер блока цилиндров, поршень уплотнен кольцами. Обычно устанавливают два компрессионных кольца (они воспринимают основную нагрузку при перемещении поршня) и одно маслосъемное (оно состоит из нескольких элементов), необходимое для снятия со стенок цилиндра моторного масла. Поршень, шарнирно, то есть через палец соединен с верхней головкой шатуна, а шатун, в свою очередь, шарнирно соединен с коленчатым валом. Шатун вместе с коленчатым валом и называют кривошипно-шатунным механизмом. Благодаря шатуну поступательное движение поршня вверх и вниз преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Примечание
Уважаемый читатель может подумать, что пропустил целый раздел, ведь на рисунке 4.1 отсутствует и палец, и верхняя головка шатуна, но это не так — вышеприведенное описание дано для общего представления о двигателе внутреннего сгорания, а вот устройство каждого из элементов подробно рассмотрено в разделе 4.7 «Блок цилиндров и кривошипно-шатунный механизм».

Головка блока цилиндра — по сути, это корпус (обычно из алюминиевого сплава), в котором, в зависимости от конструкции (Слова «в зависимости от конструкции» означают, что не всегда распределительный вал или валы располагают в головке блока. Об этом подробнее будет рассказано в главе 4.6 «Головка блока цилиндров»), находится распределительный вал (или валы), а также клапаны – впускной и выпускной. Распределительный вал и клапаны называют газораспределительным механизмом (ГРМ). Распределительный вал необходим для своевременного открытия впускных и выпускных клапанов. Клапаны плотно прилегают к головке блока цилиндра и прижимаются с помощью клапанных пружин.

Вот и весь четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Сложного ничего нет.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактным двигатель называется потому, что полный рабочий процесс разбит на четыре промежутка – такта. Из этих тактов только один рабочий, то есть тот, во время которого происходит перемещение поршня под действием газов, выделяющихся при сгорании топливовоздушной смеси. Каждый такт приходится (приблизительно) на один полуоборот коленчатого вала.

Примечание
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее положение поршня в верхней части цилиндра.
Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее положение поршня в нижней части цилиндра.
Расстояние от ВМТ до НМТ называется ходом поршня.

Наверняка, у каждого в детстве был велосипед. И, если спускала шина, то ее необходимо было подкачать насосом. Так вот, хотя и отдаленно, но этот насос для накачивания шин напоминает нам наш одноцилиндровый двигатель. Внутри цилиндрического корпуса насоса тоже есть клапаны и так же двигается поршень. Когда вы тяните ручку поршня на себя, через клапан в корпусе всасывается воздух, когда двигаете поршень вниз — клапан на впуске закрывается и воздух выходит через клапан на выпуске в трубку, попадая в шину колеса велосипеда. Теперь мысленно представим перевернутый насос, у которого мы начали перемещать поршень вниз, набирая при этом внутрь корпуса воздух, так же мысленно закрываем выпускное отверстие, например, пальцем, и начинаем перемещать поршень насоса вверх – воздух при этом начнет сжиматься, так как деваться ему некуда. Доведя поршень насоса до упора, мы возьми и подожги засыпанный до начала этого действа порох в корпусе. Сгорая, этот порох будет выделять большое количество газа, который, в свою очередь, повысит давление внутри корпуса и начнет перемещать поршень, только уже без нашего участия – самостоятельно. Когда порох полностью выгорит, а поршень дойдет до самой нижней точки, мы откроем выпускное отверстие, и начнем снова перемещать поршень вверх, выталкивая из корпуса насоса уже отработавшие свое газы. Вытолкнув продукты горения наружу, мы снова закрываем пальцем выпускное отверстие насоса и начинаем повторять все вышеперечисленное в той же последовательности. Вот так же приблизительно работает любой четырехтактный бензиновый двигатель. Поместите корпус насоса в блок, клапаны установите в головку, которую в свою очередь смонтируйте на блок, а поршень соедините через шатун с коленвалом и получите наш простейший одноцилиндровый двигатель.

Есть такое понятие, как «рабочий цикл». Это совокупность процессов, происходящих последовательно в цилиндре двигателя при вращении коленчатого вала на два полных оборота (720o). Рабочий цикл состоит из тактов.

Примечание
Читая далее описание процессов, вспомните о насосе, который был описан перед этим.

Собственно, ничего сложного. Практически все четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива бензин, работают по такому принципу.

Первый такт. Впуск воздуха, смешанного с топливом

Коленвал, вращаясь, перемещает поршень вниз из ВМТ. В этот момент открыт впускной клапан, через него в цилиндр всасывается воздух вперемешку с распыленным топливом (в виде очень мелких капелек). Далее поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается

Второй такт. Сжатие

Коленвал продолжает вращаться, а поршень начинает от НМТ перемещаться вверх, сжимая при этом топливовоздушную смесь, дополнительно более тщательно смешивая топливо с воздухом, чтобы смесь была максимально однородная. Оба клапана закрыты

Третий такт. Рабочий ход

Поршень в ВМТ, в камере сгорания сжатая и нагретая до высокой температуры смесь, в этот момент возникает разряд между электродами свечи, который поджигает топливо. Сгорая, топливовоздушная смесь выделяет газы, которые, к слову, разогреты до 800 градусов Цельсия, создается высокое давление, под действием которого поршень перемещается вниз, толкая коленчатый вал. Весь процесс протекает до НМТ

Четвертый такт. Выпуск

Газы свое дело сделали, теперь от них необходимо избавиться, чтобы подготовить цилиндр для следующей порции топливовоздушной смеси. После НМТ, открывается выпускной клапан, поршень под действием силы инерции поднимается вверх, выталкивая отработанные газы. После того, как поршень достигнет ВМТ и будут удалены все отработанные газы, весь процесс повторится заново.

Проект по физике на тему; «Двигатель внутреннего сгорания»

Муниципальное общеобразовательное учреждение-

средняя общеобразовательная школа №1

имени 397-й Сарненской дивизии

города Аткарска Саратовской области

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проект по физике

«Двигатель внутреннего сгорания»

 

 

 

 

 

Выполнил:

ученик 8 «Б» класса

Глухов Антон

Руководитель:

Илларионова Наталья Викторовна

 

 

 

 

 

 

г.Аткарск

 

2018 год

 

Цель проекта:

  Узнать, что такое двигатель внутреннего сгорания, и где он используется.

 

 Задачи проекта:

Ø  Изучить историю ДВС

Ø  Изучить строение ДВС

Ø  Составить схему строения ДВС

Ø  Провести анкетирование

Ø  Сделать выводы

 

 

  Содержание

1) Цели и задачи……………………………………………………………………………2

2) Введение…………………………………………………………………………………3

3) История создания двигателя внутреннего  сгорания…………………………………4

4) Строение двигателя внутреннего сгорания……………………………………………7

5) Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду…………………..10

6) Анкетирование…………………………………………………………………………..13

7) Практическое применение двигателя внутреннего сгорания…………………………14

8) Заключение………………………………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был изобретен французским инженером Ленуаром в 1860 г. Этот двигатель во многом повторял паровую машину, работал на светильном газе по двухтактному циклу без сжатия. Мощность такого двигателя составляла примерно 8 л.с., КПД – около 5%. Этот двигатель Ленуара был очень громоздким и поэтому не нашел дальнейшего применения.

Через 7 лет немецкий инженер Н. Отто (1867 г.) создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. Этот двигатель имел мощность 2 л.с., с числом оборотов 150 об/мин. Двигатель мощностью 10 л.с. имел КПД 17% , массу 4600 кг нашел широкое применение. Всего таких двигателей было выпущено более 6 тыс.1880 г. мощность двигателя была доведена до 100 л.с.

В 1885 г. в России капитан Балтийского флота И.С.Костович создал двигатель для воздухоплавания мощностью 80 л.с. с массой 240 кг. Тогда же в Германии Г.Даймлер и независимо от него К.Бенц создали двигатель небольшой мощность для самодвижущихся экипажей – автомобилей. С этого года началась эра автомобилей.

В конце 19 в. немецким инженером Дизелем был создан и запатентован двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора двигателем Дизеля. Топливо в двигателе Дизеля подавалось в цилиндр сжатым воздухом от компрессора и воспламенялось от сжатия. КПД такого двигателя составляло примерно 30%.

Интересно, что за несколько лет до Дизеля русский инженер Тринклер разработал двигатель, работающий на сырой нефти по смешанному циклу – по которому работают все современные дизельные двигатели, однако он не был запатентован, а имя Тринклера мало кто теперь знает.

Двигатели внутреннего сгорания, особенно дизельные, нашли самое широкое применение в качестве силового оборудования на разнообразных строительных и дорожных машинах, требующих независимости от внешних источников энергии. Это, в первую очередь, транспортные (автомобили общего и специального назначения, седельные тягачи, тракторы), погрузочно-разгрузочные машины (вилочные и ковшовые погрузчики, многоковшовые погрузчики), стреловые самоходные краны, машины для земляных работ и т.д. На строительных и дорожных машинах применяются двигатели мощностью от 2 до 900 кВт. Особенностью их эксплуатации является то, что эти машины длительное время эксплуатируются на режимах близких к номинальным, при значительном и непрерывном изменении внешней нагрузки, повышенной запыленности воздуха, в существенно различных климатических условиях и нередко без гаражного хранения.

 

История создания двигателя внутреннего сгорания

Филипп Лебон

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. 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 потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

Жан Этьен Ленуар

В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.

Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.

Николаус Отто

К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Николаусом Отто.

В 1864 году он получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение.

Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.

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. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. 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.

Хотя конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним производством 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 применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге.

Бензиновый двигатель

Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнёсся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.

Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом, была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счёт увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки. Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалось за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.

 

Строение и принцип действия ДВС

Строение ДВС

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом, тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

 

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка.

 

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

 

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

 

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

 

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

 

Влияние ДВС на окружающую среду

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Однако полного сгорания в поршневых ДВС достичь технически невозможно. Сегодня порядка 60% из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, приходится на автомобильный транспорт.

В состав отработавших газов ДВС входит более 200 различных химических веществ. Среди них:

§  продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, водорода, перекисных соединений, сажи;

§  продукты термических реакций азота с кислородом – оксиды азота;

§  соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива, – свинца и других тяжелых металлов, диоксид серы и др.;

§  избыточный кислород..

Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их кислородом воздуха оксид азота превращается в диоксид. Оксид азота (NO) – бесцветный газ, диоксид азота (NO2 ) – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 способствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 часов в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Причиной образования углеводородов (СН) является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах цилиндра (паразитных объемах) топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов.

Оксиды азота и углеводороды тяжелее воздуха и могут накапливаться вблизи дорог и улиц. В них под воздействием солнечного света проходят различные химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О3 ). В нормальных условиях озон не стоек и быстро распадается, но в присутствии углеводородов процесс его распада замедляется. Он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями, образуя смог. Кроме того, озон разъедает глаза и легкие.

Состав отработавших газов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота.

В отработавших газах также обнаружен акреолин (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров и при содержании более 0.004 мг/л вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.

 

Чтобы предотвратить экологические проблемы люди стали искать альтернативные виды двигателей:

а) Электродвигатель — электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую.

Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году. Первый двухместный электромобиль русского инженера-изобретателя Ипполита Романова образца 1899 года изменял скорость движения в девяти градациях — от 1,6 км в час до максимальной в 37,4 км в час. В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тысяч электромобилей. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили, а также электрические омнибусы (электробусы). Возрождение интереса к электромобилям произошло в 1960-е годы из-за экологических проблем автотранспорта, а в 1970-е годы и из-за резкого роста стоимости топлива в результате энергетических кризисов.

 

б) Гибридный двигатель — двигатель, комбинирующий преимущества обоих моторов: ДВС и электродвигателя. Применяется в автомобилях как альтернатива двигателю внутреннего сгорания. Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические провода, была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах. Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche. Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в 1900 — 1901 годах. В Советском Союзе также велись работы по разработке гибридных автомобилей. Так, работы советского ученого Нурбея Гулиа привели к созданию прототипа гибридного автомобиля на базе автомобиля-грузовика УАЗ-450.

 

в) Водородный ДВС — это двигатель, использующий в качестве топлива водород.

В конце 70-ых годов прошлого века исследователи пришли к выводу, что заменителем нефти и ее производных станет водород. Работы по созданию 21 двигателей, работающих на водородном топливе, велись в США, Германии, Японии и в СССР. Ученые Ленинградского Политехнического института начали исследования по возможности создания автомобиля, двигатель которого работает на водороде. В Германии, США и Японии работы не прекращаются и сейчас, там довольно большой парк экспериментальных водородных автомобилей. Необходимые затраты для получения сжиженного водорода довольно быстро окупаются при больших пробегах автомобиля. Для поездок на малые расстояния могут быть более выгодны установки с гидридным способом хранения водорода — в порошке. Порошок подогревается отработавшими газами, и водород переходит в газообразное состояние. За эти 15 лет технологии сделали определенный шаг вперед по водородной тематике.

 Сейчас компания Дженерал Моторс разработала автомобиль, работающий на водородном топливе. Его эффективность в четыре раза превышает обычные машины, использующие бензин. Экономия топлива в этой машине эквивалентна потреблению бензина 3 литра на 100 км. По внешнему виду машина не отличается от традиционных моделей. Топливный бак придется заполнять через каждые 800 км. До скорости 90 км\ ч машине понадобится 9 секунд. Специалисты Мюнхенского Технического университета перевели на чистый водород некоторые модели ВМW. Сжиженный водород хранится на автомобиле в криогенном баке. Широкое внедрение водородного топлива сдерживается более высокой ценой водорода по сравнению с привычными топливами, а также отсутствием необходимой инфраструктуры.

Анкетирование

1.      Вопрос: «Вы знаете, что такое двигатель внутреннего сгорания?»

  Количество опрошенных: 30 человек

Ответы:    Да — 21 человек

                       Нет — 9 человек

 

 

2.      Вопрос: «Как Вы считаете, где чаще используются двигатели внутреннего сгорания?»

Количество опрошенных:30 человек

Ответы:

§  В легковых автомобилях:8 человек

§  В самолетах: 5 человек

§  В поездах: 1 человек

§  В морских судах: 5 человек

§  В грузовых автомобилях: 7 человек

§  В тракторах:4 человека

 

 

 

 

Практическое применение ДВС

 

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, строительные краны.  Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.  

Применение двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе, однако, ограничивается транспортными и судовыми установками вследствие меньших ресурсов жидкого топлива сравнительно с каменным углем. Двигатели внутреннего сгорания на стационарных установках применяются также в районах, где жидкое и газообразное топливо используется в качестве основного.

Эффективность применения двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяется их долговечностью и надежностью в эксплуатации. Одним из важных факторов при этом является износостойкость, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки. Для обеспечения надежной работы современных двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет предотвращение образования в них лаков, нагаров, низкотемпературных осадков, коррозии поверхностей некоторых деталей, а также очистка масла в двигателях ( фильтрация, центрифугирование) от образующихся в нем механических примесей. Все перечисленные вопросы отражены в книге.

Повышение экономичности применения двигателей внутреннего сгорания, снижение трудоемкости технического ухода за ними имеет важное народнохозяйственное значение. Большую роль при этом играет установление обоснованных сроков замены масла. Малые сроки замены масла приводят к значительному его перерасходу; особенно это заметно в связи с тем, что ряд удачных конструктивных и технологических решений способствовал снижению проникновения масла в камеры сгорания и его расхода на угар в современных двигателях.

В настоящее время применение двигателей внутреннего сгорания на промыслах весьма ограничено, а  с расширением применения двигателей внутреннего сгорания потребность в бензине непрерывно увеличилась.

Исключительное разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания обусловливает соответственно и многообразие конструктивных форм этих двигателей, а также значительные трудности их классификации.

В виду чрезвычайного разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать единые нормы испытаний для всех двигателей внутреннего сгорания.

 Вместе с тем по условиям работы двигатели внутреннего сгорания могут быть разделены на три основные группы:

1) двигатели, работающие при постоянном числе оборотов под воздействием скоростного регулятора, — стационарные и с ручной регулировкой – судовые

 2) двигатели, работающие при переменных числах оборотов, обычно быстроходные

3) двигатели, работающие при постоянном высоком числе оборотов. 

 

Заключение

В итоге проделанной работы цели и задачи, поставленные в начале, достигнуты. Я выяснил, что такое ДВС. ДВС — поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

Также изучил историю создания ДВС. Первый ДВС был изобретен Ленуаром в 1860 г. Через 7 лет немецкий инженер Отто создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. В 1885 г. в России капитан Балтийского флота Костович создал двигатель для воздухоплавания. В конце 19 века немецким инженером Дизелем был создан двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора. В настоящее время дизели применяются на разных транспортных машинах.

После узнал строение ДВС. Главным элементом является поршень. Внутри поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, тот шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. В надпоршневом пространстве расположены впускной и выпускной клапаны, а также свеча зажигания.

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух- и четырехтактные. На современных автомобилях чаще ставят четырехтактные.

1 такт – впуск смеси бензина с воздухом

2 такт – сжатие горючей смеси

3 такт – рабочий ход (расширение газа)

4 такт – выпуск отработанных газов

ДВС оказывает на окружающую среду отрицательное влияние. Углеводороды, которые должны разделяться на воду и углекислый газ, полностью не сгорают и выбрасываются в атмосферу вместе с оксидом азота, диоксидом серы и других металлов.

Чтобы предотвратить экологические проблемы люди стали искать альтернативные виды двигателей, таких как:

·         Электродвигатель

·         Гибридный двигатель

·         Водородный ДВС

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания ставят на легковые и грузовые автомобили, самолеты, теплоходы, тракторы, тепловозы, строительные краны, а также на речные и морские суда.

 

Выводы:

Ø Если бы не было двигателя внутреннего сгорания то, возможно, некоторые отрасли человеческой деятельности также не существовали бы.

Ø Хоть двигатель внутреннего сгорания полезен для людей, но для экологии он приносит вред.

Ø Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд недостатков, следовательно, их скоро заменят на более современные типы двигателей.

Все о двс как работает. Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Способы впрыска топлива

У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая.

Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.

История разработки автомобильного двигателя

В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение». Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.

В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.

Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.

Типы автомобильных двигателей

Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.

Классификация двигателей автомобиля:

  • Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
  • Бензиновые двигатели. Они бывают и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и . Работают такие моторы на бензине.
  • Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.


Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.

1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и .

2. Поршень , являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.

3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.

4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.

Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).

Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора.

В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Содержание статьи:

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу.

Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

  • Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
  • карбюраторные , в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные , в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные , в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
  • Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
  • Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался.

В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

  • блок цилиндров , внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
  • кривошипно-шатунный механизм , который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
  • газораспределительный механизм , который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
  • система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси ;
  • система удаления продуктов горения (выхлопных газов).
Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности.

По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных.

При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.


Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

  • Такт первый, впуск . Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
  • Такт второй, сжатие . При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2-1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
  • Такт третий, расширение . Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
  • Такт четвёртый, выпуск . Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры , воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

  • Источник питания . Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
  • Включатель, или замок зажигания . Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
  • Накопитель энергии . Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
  • Распределитель зажигания (трамблёр) . Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

  • Воздухозаборник . Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
  • Воздушный фильтр . Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
  • Дроссельная заслонка . Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
  • Впускной коллектор . Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

— Топливная система

Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси. В состав топливной системы входят:

  • Топливный бак — ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
  • Топливопроводы — комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
  • Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор — специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
  • Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском — в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
  • Топливный насос — электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
  • Топливный фильтр — расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.

Схема топливной системы ДВС
— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла ; удаление продуктов нагара и износа ; защита металла от коррозии . Система смазки ДВС включает в себя:

  • Поддон картера — резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
  • Масляный насос — качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
  • Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
  • Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.

— Выхлопная система

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

  • Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
  • Приёмная труба — изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
  • Резонатор , или, говоря народным языком, «банка» глушителя — ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
  • Катализатор — устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
  • Глушитель — ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

  • Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
  • Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
  • Водяной насос (помпа) — «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
  • Термостат — специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор — при прогретом двигателе.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

На наших дорогах чаще всего можно встретить автомобили, потребляющие бензин и дизельной топливо. Время электрокаров пока не настало. Поэтому рассмотрим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Отличительной чертой его является превращение энергии взрыва в механическую энергию.

При работе с бензиновыми силовыми установками различают несколько способов формирования топливной смеси. В одном случае это происходит в карбюраторе, а потом это все подается в цилиндры двигателя. В другом случае бензин через специальные форсунки (инжекторы) впрыскивается непосредственно в коллектор или камеру сгорания.

Для полного понимания работы ДВС необходимо знать, что существует несколько типов современных моторов, доказавших свою эффективность в работе:

  • бензиновые моторы;
  • двигатели, потребляющие дизельное топливо;
  • газовые установки;
  • газодизельные устройства;
  • роторные варианты.

Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.

Такты ДВС

В каждом есть топливо, которое взрываясь в камере сгорания, расширяется и толкает поршень, установленный на коленчатом валу. Далее это вращение посредством дополнительных механизмов и узлов передается на колеса автомобиля.

В качестве примера будем рассматривать бензиновый четырехтактный мотор, так как именно он является самым распространенным вариантом силовой установки в машинах на наших дорогах.

Такты :

  1. открывается впускное отверстие и происходит заполнение камеры сгорания подготовленной топливной смесью
  2. происходит герметизация камеры и уменьшение ее объема в такте сжатия
  3. взрывается смесь и выталкивает поршень, который получает импульс механической энергии
  4. камера сгорания освобождается от продуктов горения

В каждом из этих этапов работы ДВС заложена своя происходит несколько одновременных процессов. В первом случае поршень находится в самой нижней своей позиции, при этом открыты все клапаны, впускающие топливо. Следующий этап начинается с полного закрытия всех отверстий и перемещения поршня в максимальную верхнюю позицию. При этом все сжимается.

Достигнув снова крайней верхней позиции поршня, на свечу поступает напряжение, и она создает искру, зажигая смесь для взрыва. Сила этого взрыва толкает поршень вниз, а в это время открываются выпускные отверстия и камера очищается от остатков газа. Затем все повторяется.

Работа карбюратора

Формирование топливной смеси в машинах первой половины прошлого века происходило с помощью карбюратора. Чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, нужно знать, что автомобильные инженеры сконструировали топливную систему так, что в камеру сгорания подавалась уже подготовленная смесь.

Устройство карбюратора

Ее формированием занимался карбюратор. Он в нужных соотношениях перемешивал бензин и воздух и отправлял это все в цилиндры. Такая относительная простота конструкции системы позволяла ему долгое время оставаться незаменимой частью бензиновых агрегатов. Но позже его недостатки стали преобладать над достоинствами и не обеспечивать повышающихся требований к автомобилям в целом.

Недостатки карбюраторных систем:

  • нет возможности обеспечивать экономные режимы при внезапных переменах режимов езды;
  • превышение лимитов вредных веществ в выхлопных газах;
  • низкая мощность автомобилей из-за несоответствия подготовленной смеси состоянию автомобиля.

Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.

Работа инжекторных моторов

Принцип работы инжекторного двигателя заключается в непосредственном впрыске бензина во впускной коллектор или камеру сгорания. Визуально все схоже с работой дизельной установки, когда подача выполняется дозировано и только в цилиндр. Разница лишь в том, что у инжекторных агрегатов установлены свечи для поджигания.

Конструкция инжектора

Этапы работы бензиновых моторов с прямым впрыском не отличаются от карбюраторного варианта. Разница лишь в месте формирования смеси.

За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:

Но при таких достоинствах есть и недостатки. Основными являются обслуживание, ремонтопригодность и настройка. В отличие от карбюраторов, которые можно самостоятельно разобрать, собрать и отрегулировать, инжекторы требуют специального дорогостоящего оборудования и установленного большого числа разных датчиков в автомобиле.

Способы впрыска топлива

В ходе эволюции подачи топлива в двигатель происходило постоянное сближение этого процесса с камерой сгорания. В наиболее современных ДВС произошло слияние точки подачи бензина и места сгорания. Теперь смесь формируется уже не в карбюраторе или впускном коллекторе, а впрыскивается в камеру напрямую. Рассмотрим все варианты инжекторных устройств.

Одноточечный вариант впрыска

Наиболее простой вариант конструкции выглядит как впрыск топлива через одну форсунку во впускной коллектор. Разница с карбюратором в том, что последний подает готовую смесь. В инжекторном варианте проходит подача топлива через форсунку. Выгода заключается в получении экономии при расходе.

Моноточечный вариант подачи топлива

Такой способ также формирует смесь вне камеры, но здесь задействованы датчики, которые обеспечивают подачу непосредственно к каждому цилиндру через впускной коллектор. Это более экономичный вариант использования топлива.

Прямой впрыск в камеру

Этот вариант пока наиболее эффективно использует возможности инжекторной конструкции. Топливо напрямую распыляется в камере. За счет этого снижается уровень вредных выхлопов, и автомобиль получает кроме большей экономии бензина увеличенную мощность.

Увеличенная степень надежности системы снижает негативный фактор, касающийся обслуживания. Но такие устройства нуждаются в качественном топливе.

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.

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.

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.

компонентов двигателя внутреннего сгорания


Двигатели внутреннего сгорания или двигатели внутреннего сгорания являются первичными двигателями, которые преобразуют химическую энергию топлива в механическую энергию. Они получили название «двигатели внутреннего сгорания», потому что их камера сгорания является их неотъемлемой частью. В отличие от двигателей внешнего сгорания, камера сгорания которых находится в стороне от первичного двигателя. Изобретение двигателей внутреннего сгорания было одним из величайших достижений в истории человечества.Они были одной из ключевых причин огромных достижений, которые мы сделали. В этом посте мы рассмотрим различные компоненты двигателя внутреннего сгорания, чтобы получить общее представление об их работе. Весь двигатель можно разделить на три секции для целей исследования:

Головная секция содержит такие детали, как впускной и выпускной коллекторы, свеча зажигания, клапаны и механизм срабатывания клапана, а также распределительный вал

.

Блок-секция

Секция блока состоит из таких частей, как блок цилиндров, гильза цилиндра, рубашка охлаждения, поршень и шатун.

Картер картера

В картере находятся коленчатый вал и масляный поддон. Он также имеет масляный насос для циркуляции моторного масла по двигателю.

Теперь давайте подробно обсудим все эти части

Блок цилиндров

Блок цилиндров представляет собой конструкцию, в которой размещены цилиндры двигателя. Это сплошной металлический блок, внутри которого вырезаны цилиндры. Он также может иметь охлаждающую рубашку для хранения охлаждающей жидкости.Как правило, изготавливается из чугуна. Он также может быть изготовлен из алюминиевых сплавов. Чугунные блоки дешевы и просты в изготовлении. С другой стороны, алюминиевые блоки легче и обладают лучшей теплопроводностью, необходимой для правильного охлаждения.

Гильза цилиндра

Поршневые кольца, совершающие возвратно-поступательное движение, трутся о стенки цилиндра и создают огромное трение. Это трение может повредить стенки цилиндра. Следовательно, на внутренней поверхности цилиндров двигателя предусмотрены вкладыши для предотвращения их износа.Гильзы не являются составной частью блоков цилиндров, их можно заменить, если они изношены. Это избавляет владельца транспортного средства от огромных затрат на замену всего блока цилиндров. Вкладыши, как правило, изготавливаются из очень твердых материалов, так как они должны выдерживать большие температуры и трение. В качестве материала для них обычно используются сплавы железа на основе никеля и хрома. Они могут быть двух типов в зависимости от конструкции:

   1. Мокрый вкладыш

Они остаются в прямом контакте с охлаждающей жидкостью.

   2. Сухой вкладыш

Они не имеют никакого контакта с охлаждающей жидкостью.

Головка цилиндра

Это самая верхняя часть двигателя, расположенная над блоком цилиндров. Между их сопрягаемыми поверхностями предусмотрена прокладка для предотвращения утечки моторного масла и несгоревшей воздушно-топливной смеси. Если вы не знаете, что такое прокладка? Просто посмотрите на изображение ниже.

В головке блока цилиндров находятся такие компоненты, как впускные и выпускные клапаны, свеча зажигания, впускная труба, распределительный вал и т. д.Они должны выдерживать огромную температуру горения, поэтому изготавливаются из алюминиевых сплавов. Алюминий, будучи хорошим теплопроводником, легко рассеивает тепло и охлаждает головку.

Клапаны

В каждом цилиндре по два клапана. Один на впуск, другой на выхлоп. Клапаны приводятся в действие распределительным валом через механизм привода клапанов. Клапаны постоянно открываются и закрываются, чтобы облегчить впуск и выпуск газов. Клапаны должны выдерживать огромное количество тепла и динамических нагрузок.Следовательно, они должны быть изготовлены из прочного материала, такого как сталь. Впускной клапан больше, чем выпускной. Причина увеличения впускного отверстия и впускного клапана заключается в том, чтобы пропустить большое количество воздуха или воздушно-топливной смеси. Выпускной клапан остается меньшим, поскольку давление внутри камеры сгорания становится чрезвычайно высоким после рабочего такта. Этого давления достаточно, чтобы выбросить выхлопные газы из цилиндра двигателя.

Распредвал

Распределительные валы представляют собой вращающиеся компоненты, содержащие кулачки кулачка.Через эти лепестки осуществляется приведение в действие впускных и выпускных клапанов. Распределительные валы изготовлены из стали с поверхностной закалкой. Лепестки обработаны методом прецессии для обеспечения точности срабатывания клапана. Распределительный вал вращается коленчатым валом с помощью цепи привода ГРМ.

Поршень

Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри двигателя за счет сил, возникающих внутри камеры сгорания. Это возвратно-поступательное движение отвечает за впуск и выпуск газов из цилиндра двигателя.Поршень воспринимает взрывную силу, возникающую при сгорании топлива, и преобразует ее в механическую энергию за счет вращения коленчатого вала. Поршень соединен с коленчатым валом через шатун. Как правило, изготавливается из алюминиевых сплавов. Алюминиевые поршни легкие и обладают хорошей теплопроводностью. Более легкий поршень может совершать возвратно-поступательные движения легко и с большей скоростью. Более высокая теплопроводность помогает им отводить тепло к стенкам цилиндра, сохраняя их холодными. Одна проблема с алюминием заключается в том, что он имеет очень высокий коэффициент теплового расширения.Следовательно, между поршнем и стенками цилиндра должен быть обеспечен надлежащий зазор. В случае меньшего зазора тепловое расширение поршня также может вызвать заклинивание двигателя.

Поршневые кольца

Поршневые кольца установлены вокруг поршня, чтобы предотвратить прямой контакт между поршнем и стенками цилиндра. Прямой контакт между поршнем и стенками цилиндра вызывает огромное трение во время работы. Следовательно, кольца уменьшают трение и износ поверхности поршня.Обычно вокруг поршня 3 кольца. Два верхних кольца называются компрессионными, а одно нижнее – маслосъемным. Компрессионные кольца препятствуют попаданию продуктов сгорания в картер. Масляное кольцо помогает соскребать излишки масла со стенок цилиндра.

Соединительный стержень

Шатун соединяет поршень и коленчатый вал. Его узкий конец соединяется с поршнем с помощью поршневого пальца, а большой конец соединяется с шатунной шейкой.Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение кривошипного вала. Во время этого процесса он несет огромное количество динамических сил. Шатуны обычно изготавливаются из кованой стали или алюминиевых сплавов. Шатуны из кованой стали прочнее и могут выдерживать огромные динамические нагрузки. Алюминиевые шатуны являются подъемными и могут поглощать значительные силы удара.

Картер


Картер представляет собой кожух, состоящий из коленчатого вала и масляного картера.Как правило, он состоит из двух частей: левой и правой частей картера. Эти две части собраны вместе, чтобы сформировать полный картер. Он содержит отверстия с обеих сторон, в которые устанавливаются подшипники для установки коленчатого вала.

Коленчатый вал

Коленчатый вал — это компонент, который вращается поршнем для преобразования химической энергии сгорания в механическую энергию. Оба его конца установлены в подшипниках коленчатого вала на картере.Большой конец шатуна надет на шатунную шейку. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Маховик установлен на одном конце коленчатого вала. Другой его конец соединен с системой трансмиссии через шестерни. Такое расположение помогает передавать мощность на колеса от двигателя. Коленчатый вал содержит масляную галерею по всему поперечному сечению для смазки подшипников и шатунной шейки. Балансировочные грузы прикреплены к противоположной стороне шатунной шейки.Это помогает сбалансировать динамические силы, возникающие из-за передачи усилия от шатуна к коленчатому валу. Они также связаны с распределительным валом через цепь ГРМ. Это помогает вращать распределительный вал, что еще больше облегчает срабатывание клапана.


Впускной коллектор

Впускной коллектор помогает в распределении воздуха по различным цилиндрам многоцилиндрового двигателя. Он находится между корпусом дроссельной заслонки и цилиндрами двигателя.На нем установлены такие компоненты, как датчик температуры впускного воздуха, датчик MAP, клапан управления холостым воздухом и топливные форсунки. Как правило, он изготавливается из чугуна или алюминиевых сплавов.


Выпускной коллектор

Выпускной коллектор находится между цилиндрами двигателя и глушителем. Это помогает собирать продукты сгорания из разных цилиндров многоцилиндрового двигателя. Такие компоненты, как датчики кислорода , также установлены на выпускном коллекторе. Как правило, они изготавливаются из чугуна или нержавеющей стали.

Это был небольшой обзор различных компонентов двигателя внутреннего сгорания. Есть много других компонентов, которые нельзя было бы здесь упомянуть. Тем не менее, мы включили все основные компоненты и их работу. Эта информация поможет расширить ваше базовое понимание двигателей внутреннего сгорания. Мы надеемся, что вам понравилось читать пост. Пожалуйста, оставьте свой отзыв в разделе комментариев ниже.

Operando измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов

Пространственное картирование распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать возможность дифракции операндо нейтронов с пространственным разрешением в ДВС, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано в . Эта сетка располагалась под внешней поверхностью двигателя в области, охватывающей поверхность раздела между блоком цилиндров, состоящим из литого алюминиевого сплава, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и головкой блока цилиндров, состоящей из литой сплав AlCe.Поскольку оба сплава основаны на алюминии, они оба содержат гранецентрированную кубическую (ГЦК) матричную фазу с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, d-промежуток данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связан с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки ГЦК, соотношением

. Деформация решетки может быть определена при заданное местоположение (x,y,z) путем сравнения измеренного значения dhkl(x,y,z) с эталонным значением dhkl0(x,y,z):

ϵhklx, y, z=dhklx, y, z −dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.

[2]

При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений состава. Остаточные напряжения от литья, производства, сборки и предыдущей эксплуатации затрудняют неразрушающее измерение истинных d-расстояний без напряжений во всей системе.Во многих случаях информация о том, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступна из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика лишь частично заполнен материалом в некоторых точках измерения (частичное заглубление) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали эталонные значения решетки d3110(y, z) на основе отображения с пространственным разрешением в начальных условиях двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было выполнено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (∼25 °C) по ранее описанной двумерной сетке, и каждое место измерялось примерно в течение 1 минуты. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, потому что на него меньше всего влияют межкристаллитные деформации, возникающие в результате анизотропии материала (10) и другой локализованной информации, такой как текстура отливки. D-расстояния между пиками (311) определяли путем подгонки одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction and Interactive Visualization для нейтронной дифракции в событийном режиме (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное отображение визуализируется в виде графика псевдоцвета. Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, при этом головка имеет более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственных изменений скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. показывает, что d3110(y, z) для конкретного местоположения имеет важное значение для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.

( A ) Пространственное картирование положения пика Брэгга (311) ( d 311 ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подбора пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены закрашенными белыми кружками и показаны в B . Граница между ГБЦ и блоком хорошо видна на карте d 311 и соответствует областям, выделенным на .( B ) Место с хорошей статистикой совпадения пиков имеет четко видимые пики (222) и (311), в то время как место с плохой статистикой не имеет различимых пиков относительно фона. ( C ) Пространственное картирование d 311 при устойчивой работе двигателя в горячем состоянии — выполнено лишь частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформаций решетки ( ϵ 311 ), рассчитанная путем сравнения d 311 при работе двигателя в установившемся режиме ( C ) и статических эталонных условиях ( A ).Исключенные точки в D представляют собой объединение исключений из A и C . Деформация монотонно возрастает в направлении правого верхнего угла рисунка, который находится вблизи горячего выпускного отверстия (). ( E ) Примеры спектров из одного места, использованного для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термической деформации.

Обратите внимание, что не все местоположения измерений использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые из них были исключены из-за плохой статистики подбора пиков.Эти места также аннотированы и делятся на две основные группы. Кластер в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рисунке), где небольшое количество материала или его отсутствие занимает объем датчика. Скопление около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение калибровочного объема. Два примера дифракционных картин из эталонного сопоставления показаны на . Один из местоположений с хорошей статистикой подбора пиков, который имеет четко различимые пики (222) и (311).Другой образец находится в выпускном отверстии, не имеет различимых пиков по отношению к фону и был исключен из визуализации картирования.

Следуя эталонному отображению, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут в каждом месте. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые воздействуют топливные форсунки (5, 23, 24), и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), подвержены быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в масштабе времени порядка мс, а проникновение тепловой волны в структуру двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет практически постоянной при условии, что двигатель работает на постоянной выходной мощности и достиг установившегося теплового состояния.

Карта операндо d311(y, z) показана и была подготовлена ​​таким же образом, как эталонная карта в . Карта операндо была измерена ближе к концу выделенного времени луча, а утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для устранения неполадок и ремонта.Тем не менее, доказательство принципа демонстрируется этим измеренным набором данных. Две карты имеют в целом схожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндо была смещена в сторону больших значений d-промежутка из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация решетки операндо ϵ311y, z была рассчитана по уравнению. 2 и показан в . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений на входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от минимального значения 2 365 ± 112 микродеформаций (µϵ) в блоке цилиндров до высокого значения 4 096 ± 86 µϵ в головке блока цилиндров и монотонно возрастала к верхнему правому углу карты, ближайшему к горячему. выпускной порт, как показано на . Используя измеренный коэффициент теплового расширения (КТР) 23,5 × 10 -6 °C -1 для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением, получаем расчетное повышение температуры на 174.3 ± 5,2 ° C или абсолютная температура ~ 200 ° C в месте наибольшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 90 199 -6 90 200 °C 90 199 -1 90 200 (26). Использование КТР 21,8 × 10 -6 °C -1 для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, дает расчетное повышение температуры на 108,5 ± 5,7 °C или абсолютную температуру примерно на 133 °C в месте наименьшей деформации на карте. Видно хорошее качественное соответствие между деформацией подповерхностной решетки (и предполагаемой температурой) и измерениями поверхностной температуры в ИК-диапазоне, показанными на рис.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, та же область была повторно отображена на той же сетке измерений, и результирующая карта d311(y, z) показана на . Используя эталонную карту в виде d3110(y, z), деформацию решетки ϵ311y, z рассчитывали для каждого местоположения по уравнению. 2 . Полученная карта микродеформаций довольно плоская, с большинством точек в пределах ±100 мкε, что приближается к пределу разрешения метода дифракции. Примеры дифракционных картин до и после от места в головке цилиндра показаны на и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения.Это сопоставление до и после показывает, что литая головка двигателя из сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов для конкретных мест эффективен для устранения вклада вариаций d-промежутка эталонной решетки и обеспечения количественной оценки деформаций, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

( A ) Пространственное картирование d 311 после выключения двигателя и охлаждения до комнатной температуры, с таким же масштабированием и в целом похожим внешним видом.( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкϵ. Исключенные точки представляют собой объединение исключений из и . ( C ) Примеры дифракционных картин из одного места до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Реакция деформации решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции на динамическую деформацию решетки во время работы двигателя были выбраны одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров AlCe, как показано на рисунке справа.Двигатель работал в ручном режиме в переходных циклах с тремя частями нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого перехода на нагрузку генератора 2 кВт (∼50% номинальной мощности) в течение 5 минут и остановка двигателя с 6-минутным периодом охлаждения. Поскольку поток нейтронов недостаточен для регистрации дифракционных картин в реальном времени в этих временных масштабах, были использованы непрерывные асинхронные стробоскопические измерения нескольких циклов переходных процессов нагрузки для определения изменяющегося во времени отклика системы.Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные дифракции нейтронов во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Нарезка стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и каротажных журналов были выполнены с использованием программного обеспечения VDRIVE (21), которое позволяло создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных интервалах времени. Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах заданного временного интервала.В общем, для достижения меньшего размера интервала времени потребуется пропорционально большее количество повторений. Данные дифракции объединенного ансамбля показаны на ; сдвиги пиков ГЦК (311) и ГЦК (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

( A ) Решетка головки блока цилиндров Al (222) и Al (311) меняется в зависимости от цикла нагрузки двигателя.Данные представлены в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Эталонные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного значения a0=4,0485(3) Å с использованием уравнения 1 . ( B ) Типичная дифракционная картина TOF от блока цилиндров с уточнением по Ритвельду. Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.

В то время как однопиковая аппроксимация d311 использовалась для пространственного картирования в статических или стационарных условиях, показанных на и , размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичный. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой аппроксимации, было использовано полное уточнение Ритвельда, в котором используется метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всему измеренному дифракционному спектру, а не к отдельным пикам (27). ) как показано в .Это было реализовано на каждой из срезов дифракционных картин с использованием общей системы анализа структуры (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), а параметры решетки алюминиевых сплавов были извлечены как a(t, y, z) для каждого местоположения. Затем по аналогии с уравнением рассчитывали деформацию решетки с временным разрешением. 2 , где вместо d311 использовался параметр решетки a :

ϵt, y, z=at, y, z−a0y, za0y, z

[3]

Разрешенная по времени совокупная деформация решетки в двух точках нанесена на график вместе с репрезентативными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке блока цилиндров.При запуске двигателя на холостом ходу температура сначала быстро росла и асимптотически приближалась к стационарному состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотика наблюдались при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, потому что термопара находилась в сердцевине или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после остановки. И наоборот, температура поверхности ИК показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку выключение двигателя также выключало охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе.Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся кондуктивная теплопередача от более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности, прежде чем изменить тенденцию на противоположную и снизиться значительно медленнее, чем температура выхлопных газов. Ансамбль данных о деформации нанесен на временные интервалы по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на кривые температуры с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывало на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндра, и согласуется с ИК-изображениями и картой стационарной деформации, показанной на .

( Top ) Последовательность ИК-изображений, показывающая изменение температуры поверхности во время цикла переходного режима нагрузки. ( Внизу ) Реакция ансамблевой решетки на деформацию в выбранных точках, измеренная в блоке цилиндров и головке цилиндров с помощью дифракции нейтронов во время циклов переходного режима нагрузки, сравнивалась с однократными измерениями температуры выхлопных газов и температуры поверхности головки цилиндров с помощью инфракрасного излучения.

Деформация решетки, измеренная внутри головки блока цилиндров, нанесена на график в зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндра в . В отношении этого сравнения следует сделать несколько предостережений: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловому расширению; измерительный объем, измеренный методом нейтронной дифракции, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка длины измерительного прибора (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; коэффициент излучения для ИК-измерения откалиброван поверхностной термопарой в одной точке на головке блока цилиндров и считается одинаковым для всей головки блока цилиндров; ИК-измерение взято из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с измерением нейтронной дифракции) и были извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселя, которая была выбрана вручную. как место на поверхности, ближайшее к объему нейтронного датчика, как видно из камеры позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.С установленными этими квалификациями действительно наблюдается сильная корреляция между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R 2 = 0,95). Данные были подобраны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов, при этом масштабированная ошибка, связанная с каждой точкой, использовалась для взвешивания данных как ωi=(max(σx)/σx,i)2+(max(σy)/σy,i)2 в дополнение к использованию двухквадратичных весов в остаточной минимизации, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 90 199 -6 90 200 °C 90 199 -1 90 200 примерно на 10 % больше, чем сообщаемый КТР материала, но вполне разумно согласуется с учетом отмеченных выше предостережений и указывает на то, что деформация решетки происходит преимущественно за счет теплового расширения.Сильная корреляция между данными дифракции нейтронов и другими показателями динамического поведения системы, наблюдаемая и демонстрирующая, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать эволюцию динамической деформации решетки во время переходного режима работы в работающем двигателе.

Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки блока цилиндров с помощью дифракции нейтронов, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.

Проблемы и ограничения.

В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования на месте реальных технических устройств и систем сопряжены с рядом проблем.

Геометрическая сложность.

Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на изучаемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, отклонения, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут внести неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и выравнивания важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних особенностях образца.

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это несложно, так как один и тот же материал всегда присутствует в пределах измерительного объема. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным опробованием объема. Поэтому, как правило, рекомендуется поддерживать смещение объема манометра ниже 10 % длины манометра. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя ее можно преодолеть, если движение можно синхронизировать с нейтронным импульсом или если положение можно измерить в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Зернистость.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами при использовании дифракции для измерения деформации решетки объемных материалов. Если одно зерно занимает значительную часть объема датчика, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к пятнистой дифракционной картине и вводящим в заблуждение результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по отношению к объему датчика (5 × 5 × 5 мм 3 ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, в которых обычно используются гораздо меньшие объемы датчика.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут создавать проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, поскольку каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al обладает высокой прозрачностью с общей глубиной проникновения 1/e 102 мм (1 Å нейтронов), Fe вызывает значительно более высокое затухание с глубиной проникновения 1/e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния 1 H означает, что водородосодержащие материалы, такие как пластик, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы, поскольку глубина проникновения 1/e для воды составляет всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают объема датчика, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое справедливо и для нейтронов, рассеянных из измерительного объема в сторону детектора, с дополнительным осложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение детектора.Материалы с высокой степенью рассеяния также могут увеличивать фоновую скорость счета, что еще больше увеличивает необходимое время счета. Как правило, рекомендуемые подходы заключаются в удалении или замене твердых компонентов, таких как сталь, пластик или другие звукопоглощающие материалы, на алюминий, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность алюминия является ограничением, также можно использовать титан. Точно так же водородосодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать специальные ориентации образцов, чтобы избежать помех.

Активация.

В то время как нейтронная диагностика, как правило, является неразрушающей с точки зрения механического или химического изменения образцов, радиоактивность, вызванная нейтронами (активация), действительно представляет опасность для некоторых материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от потока нейтронов и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа 27 Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации 28 Al имеет относительно короткий период полураспада, равный 2,245 м, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже пределов высвобождаемой радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, 59 Со, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, 60 Со, имеет период полураспада 5.275 лет (30). В зависимости от концентрации Со и общего нейтронного облучения образцам стали могут потребоваться дни или десятилетия, чтобы они разложились ниже пределов высвобождаемой радиоактивности. Поэтому важно, чтобы пользователи заранее имели как можно больше информации о составе своих образцов, и пользователи всегда должны быть готовы к возможности того, что образцы не могут быть немедленно выпущены.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания — Yamabiko Corporation

Настоящая заявка претендует на приоритет японской патентной заявки №2011-174936, поданной 10 августа 2011 г., которая включена в настоящий документ в качестве ссылки.

1. Область изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к двухтактному двигателю внутреннего сгорания и, более конкретно, относится к двухтактному двигателю внутреннего сгорания, смесь.

2. Описание предшествующего уровня техники

Двухтактные двигатели внутреннего сгорания, состоящие лишь из небольшого количества деталей, легкие и компактные.Поэтому их удобно использовать в качестве источников питания цепных пил и кусторезов. Двухтактные двигатели внутреннего сгорания, как правило, имеют конструкцию, в которой поршень открывает и закрывает выпускные отверстия цилиндра при движении вверх и вниз в цилиндре. Поскольку такие двигатели выполнены с возможностью выпуска отработавших газов из камеры сгорания при одновременной подаче топливовоздушной смеси в камеру сгорания, возникает проблема, связанная с тем, что смесь, загруженная в камеру сгорания, но еще не сгоревшая, выбрасывается наружу.Это проблема так называемого «прорыва». Прорыв воздушно-топливной смеси не только снижает расход топлива, но и способствует увеличению несгоревшего компонента (HC=углеводород) в отработавших газах.

Выложенная патентная публикация Японии № S59-170423 A (№ 170423 от 1984 г.) направлена ​​на уменьшение «прорыва» воздушно-топливной смеси и предлагает предусмотреть множество отверстий для продувки, открывающихся в камеру сгорания, тем самым вводя воздушно-топливную смесь из некоторых продувочных отверстий, более удаленных от выпускного отверстия, в камеру сгорания и вводя свежий воздух из других продувочных отверстий, расположенных ближе к выпускному отверстию.Согласно этому предложению, поскольку свежий воздух вводится в камеру сгорания в дополнение к воздушно-топливной смеси и действует на продувку камеры сгорания, количество прорыва воздушно-топливной смеси уменьшается. Этот метод очистки называется «стратифицированной очисткой».

Выложенная патентная публикация Японии № S59-170423 A (№ 170423 от 1984 г.) предлагает другой метод послойной очистки. Предложение этой публикации поясняется ниже более подробно. Изобретение, раскрытое в этой публикации, основано на теории о том, что для уменьшения явления прорыва газов в двухтактном двигателе внутреннего сгорания новый воздух (воздушно-топливная смесь) вводится в камеру сгорания, а сгоревший газ остается в камере сгорания. желательно предотвратить слияние.С этой точки зрения в данной публикации предлагается изобретение, относящееся к двигателю, в котором продувочные отверстия предусмотрены в положениях, симметричных воображаемой линии, соединяющей центр отверстия цилиндра и центр выпускного отверстия. По обе стороны от воображаемой линии продувочное отверстие состоит из пары раздельных продувочных отверстий, разделенных перегородкой, которая регулирует направления воздушно-топливной смеси, вытекающей из отдельных продувочных отверстий. Кроме того, двигатель имеет полость, действующую в качестве аттенюатора продувочного воздушного потока в месте, противоположном выпускному отверстию, около центра отверстия цилиндра.Первое из каждой пары раздельных продувочных отверстий, расположенное ближе к выпускному отверстию, ориентировано от выпускного отверстия, то есть вверх. Напротив, второй из каждой пары раздельных продувочных отверстий, расположенный ближе к полости ослабления продувочного воздушного потока, ориентирован на эту полость.

В соответствии с изобретением публикации № S59-170423 A, продувочные воздушные потоки выходят из правого и левого вторых продувочных портов, в которых перегородки регулируют направления потоков к полости, ослабляющей продувочный воздушный поток.Эти потоки продувочного воздуха сталкиваются друг с другом в полости ослабления потока продувочного воздуха и ударяются о внутреннюю стенку полости ослабления потока продувочного воздуха. Таким образом, потоки продувочного воздуха ослабляются по скорости потока и, следовательно, предотвращается их диффузия к выпускному отверстию за счет полости, ослабляющей поток продувочного воздуха. С другой стороны, потоки продувочного воздуха, выходящие из первых раздельных продувочных отверстий, текут к верхней части цилиндра, сталкиваясь друг с другом и выбрасывая сгоревший газ в выпускное отверстие.Таким образом, можно осуществить послойное распределение газов для послойной продувки, при котором продувочный газ, представляющий собой топливовоздушную смесь, вводимую в камеру сгорания через первый и второй разделительные продувочные окна, распределяется в пространстве в цилиндр, кроме выпускного отверстия, которое представляет собой область в камере сгорания, кроме выпускного отверстия. С другой стороны, сгоревший газ распределяется в области рядом с выпускным отверстием.

Публикация выложенного патента Японии №S60-156933 (№ 156933 от 1985 г.) обращает внимание на роль продувочного канала, который обеспечивает сообщение между продувочным отверстием, открывающимся в камеру сгорания, и картером в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, и предлагает усовершенствование для решения проблемы прорыва газов, упомянутой выше. В частности, в этой публикации предлагается предусмотреть основные очистные каналы и вспомогательные очистные каналы, отделенные от основных очистных каналов перегородками соответственно.Основные продувочные каналы непрерывны от первых продувочных отверстий, а вспомогательные продувочные отверстия идут от вторых продувочных отверстий. Таким образом, в этом предложении используются вторые продувочные воздушные потоки с более высокой скоростью из вторых продувочных отверстий для управления первыми продувочными воздушными потоками из первых продувочных отверстий. Короче говоря, в публикации № S60-156933 предлагается управлять направлениями потока первых продувочных воздушных потоков посредством использования вторых продувочных воздушных потоков, вытекающих из вторых продувочных отверстий с более высокой скоростью.Таким образом, он раскрывает вариант осуществления в качестве типичного примера, в котором вторые потоки продувочного воздуха предотвращают частичное протекание первых потоков продувочного воздуха в выпускное отверстие посредством циркуляторного шунта.

Патент США. US 6848398 нацелен на более высокую выходную мощность и более низкий уровень выбросов и предлагает регулировать углы боковых стенок продувочного отверстия приблизительно прямоугольного сечения в двухтактном двигателе внутреннего сгорания.

Изобретатели провели исследования явления прорыва газов в местах расположения продувочных отверстий, открывающихся в камеру сгорания.ИНЖИР. 10 схематично показан типичный из известных двухтактных двигателей внутреннего сгорания. Ссылочный номер 1 на фиг. 1 указывает на выпускное отверстие. Пара первого и второго продувочных отверстий 2 и 3 расположены соответственно справа и слева симметрично воображаемой линии CL, соединяющей центр О отверстия цилиндра и центр по ширине выпускного отверстия 1. . Эти первое и второе продувочные отверстия 2 и 3 ориентированы в сторону от выпускного отверстия.Этот двигатель с несколькими продувочными портами представляет собой так называемый четырехпоточный продувочный двигатель, имеющий в сумме четыре продувочных порта 2 , 2 , 3 , 3 .

РИС. 11 показан трехмерный вид первого и второго продувочных каналов 4 и 5 , которые проходят в продольном направлении (параллельно осевой линии отверстия цилиндра) от картера к камере сгорания, и первый и второй продувочные порты 2 , 3 , которые являются верхними концами первого и второго продувочных каналов 4 , 5 .Как понятно из фиг. 11, в обычном двухтактном двигателе внутреннего сгорания с несколькими продувочными каналами каждое продувочное отверстие ( 2 , 3 ) связано с собственным продувочным каналом, и каждый продувочный канал по существу независим от друг с другом. ИНЖИР. 12 показано расположение выпускного отверстия 1 , впускного отверстия 8 , первого и второго продувочных каналов 4 и 5 относительно цилиндрического отверстия 7 цилиндра .

РИС. 13 и 14 представляют собой схемы, аналогичные фиг. 10, на котором ФИГ. 13 показан вариант с первым и вторым продувочными отверстиями 2 и 3 , удаленными от выпускного отверстия 1 , а на фиг. 14 показан вариант с первым и вторым продувочными отверстиями 2 и 3 , расположенными ближе к выпускному отверстию 1 . На обоих рисунках стрелками указаны направления продувочных воздушных потоков.

В схеме на фиг. 13, поскольку продувочные каналы 2 и 3 расположены дальше от выпускного канала 1 , газообмен в области DS между первым продувочным каналом 2 и выпускным каналом 1 затруднен. .В компоновке на фиг. 14, напротив, когда продувочные отверстия 2 и 3 расположены ближе к выпускному отверстию 1 , потоки продувочного воздуха, подаваемые из первых продувочных отверстий 2 , частично подвержены шунтированию и выходу через выпускное отверстие . 1 в первой половине каждого такта выпуска двигателя.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание двухтактного двигателя внутреннего сгорания, способного эффективно предотвращать явление прорыва газов без необходимости значительных модификаций его типовой конструкции.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается двухтактный двигатель внутреннего сгорания, выполненный с возможностью выбрасывания сгоревших газов за пределы камеры сгорания через выпускное отверстие при одновременной подаче воздушно-топливной смеси в камеру сгорания из картера через продувочные каналы, содержащий :

первые продувочные отверстия, открывающиеся в указанную камеру сгорания и ориентированные в сторону от указанного выпускного отверстия;

главные продувочные каналы, обеспечивающие сообщение между каждым указанным первым продувочным отверстием и указанным картером;

вторые продувочные отверстия, открывающиеся в указанную камеру сгорания в местах, более удаленных от указанного выпускного отверстия, чем указанные первые продувочные отверстия, соответственно, и ориентированные от указанного выпускного отверстия; и

ответвления продувочных каналов, ответвляющиеся от указанных основных продувочных каналов и идущие под наклоном от указанного выпускного отверстия до каждого указанного второго продувочного отверстия,

, где указанные ответвленные продувочные каналы имеют среднюю площадь поперечного сечения меньше, чем средняя площадь поперечного сечения указанных основных продувочных каналов, и

    • , в котором каждое указанное первое продувочное отверстие и каждое указанное второе продувочное отверстие имеют площади отверстий, которые в целом больше, чем площадь поперечного сечения каждого указанного основного продувочного канала на его входной части, затем к указанному картеру.

В этой конструкции изобретения, поскольку продувочные каналы открываются в каналах камеры сгорания с большей площадью, чем у каналов в картере, продувочные воздушные потоки, поступающие в камеру сгорания из продувочных каналов, имеют меньшая скорость потока, чем в обычных двигателях. Кроме того, поскольку ответвленный продувочный канал тоньше основного продувочного канала, скорость второго продувочного воздушного потока из второго продувочного отверстия, сообщающегося с ответвленным продувочным каналом, выше, чем скорость первого продувочного воздушного потока из второго продувочного отверстия.Кроме того, ответвление продувочного канала, проходящее под наклоном, способствует улучшению направленности второго продувочного воздушного потока из второго продувочного отверстия.

Из-за вышеупомянутого механизма первый продувочный воздушный поток из первого продувочного отверстия, расположенного ближе к выпускному отверстию, направляется ко второму продувочному воздушному потоку из второго продувочного отверстия, расположенного дальше от выпускного отверстия. Это способствует уменьшению явления короткого замыкания, когда часть первого продувочного воздушного потока выходит из выпускного отверстия наружу на начальном этапе каждого такта выпуска.Кроме того, поскольку скорость первого и второго продувочных воздушных потоков, выбрасываемых из первого и второго продувочных отверстий, относительно мала, и поскольку первый продувочный воздушный поток, выбрасываемый из первого продувочного отверстия, отводится от выпускного отверстия вторым продувочным воздушным потоком, проходящим через Относительно быстрее из второго продувочного отверстия первый продувочный воздушный поток из первого продувочного отверстия отходит от выпускного отверстия, затем сталкивается с внутренней стенкой канала цилиндра и тем самым изменяет направление своего потока в сторону выпускного отверстия.Следовательно, расстояние прохождения первого продувочного воздушного потока от первого продувочного отверстия до выпускного отверстия увеличивается. Это способствует предотвращению прорыва газов, который в противном случае возникнет в более поздней половине каждого такта выпуска (см. фиг. 2, упомянутую в последующем пояснении).

Предполагаемый эффект предотвращения прорыва газов с помощью настоящего изобретения в первой и второй половине каждого такта выпуска может быть достигнут простой модификацией обычного двигателя, как правило, четырехпоточного типа с продувкой.Конечно, второй продувочный воздушный поток, подаваемый из второго продувочного отверстия, может быть либо топливно-воздушной смесью из картера, либо свежим воздухом, который может подаваться через ответвленный продувочный канал.

Другие цели и особенности этого изобретения станут очевидными из подробного объяснения предпочтительных вариантов осуществления, которые следуют ниже.

РИС. 1 представляет собой схему, показывающую канал цилиндра двигателя, взятого в качестве варианта осуществления, на котором также показаны выпускной канал, впускной канал и каналы многократной продувки, открывающиеся в канал цилиндра, для пояснения проходов продувочных каналов, продолжающихся к отверстиям множественной продувки.

РИС. 2 представляет собой схему для пояснения функций системы очистки, предусмотренной в варианте осуществления, показанном на фиг. 1.

РИС. 3 представляет собой трехмерную схему, показывающую продувочные каналы и продувочные порты системы продувки, предусмотренной в варианте осуществления, показанном на фиг. 1

РИС. 4 представляет собой схему, иллюстрирующую площадь поперечного сечения основного продувочного канала у порта, открывающегося в картер.

РИС. 5 представляет собой схему, поясняющую каналы очистки в первой модификации варианта осуществления, показанного на фиг.1.

РИС. 6 представляет собой схему, поясняющую каналы очистки во второй модификации варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

РИС. 7 представляет собой схему, поясняющую проходы очистки в третьей модификации варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

РИС. 8 представляет собой схему, поясняющую проходы очистки в четвертой модификации варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

РИС. 9 представляет собой схему, поясняющую проходы очистки в пятой модификации варианта осуществления, показанного на фиг. 1.

РИС.10 представляет собой схему, поясняющую систему продувки, используемую в обычном двухтактном двигателе.

РИС. 11 представляет собой трехмерную схему, показывающую продувочные каналы и продувочные отверстия, продолжающиеся от продувочных каналов и открывающиеся в камеру сгорания в обычном двухтактном двигателе.

РИС. 12 представляет собой схему, показывающую канал цилиндра обычного двухтактного двигателя, на котором также показаны выпускной канал, впускной канал и каналы многократной продувки, открывающиеся в канал цилиндра, для пояснения каналов продувки, продолжающихся к отверстиям многократной продувки.

РИС. 13 представляет собой схему для пояснения проблем с расположением продувочных отверстий в обычном двухтактном двигателе рядом с впускным отверстием.

РИС. 14 представляет собой схему для пояснения проблем с расположением многоступенчатых продувочных отверстий в обычном двухтактном двигателе рядом с выпускным отверстием.

Некоторые варианты осуществления изобретения поясняются ниже со ссылкой на чертежи.

РИС. 1-3 показывают вариант осуществления изобретения. Как показано на фиг. 1, одноцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением 10 имеет отверстие цилиндра 12 , которое может быть, например, алюминиевым литьем под давлением.Впускное отверстие 14 и выпускное отверстие 16 сформированы в диаметрально противоположных положениях отверстия 12 цилиндра. Топливно-воздушная смесь, поступающая из впускного отверстия 14 , заправляется в картер (не показан).

Со ссылкой на фиг. 2 пара первого и второго продувочных отверстий 20 и 22 предусмотрена в каждом из осесимметричных положений относительно воображаемой линии CL, которая соединяет центр отверстия O цилиндра и центр выпускного отверстия 16 .Первое и второе продувочные отверстия 20 и 22 открываются и закрываются ходами поршня (не показаны). Эти характеристики двухтактного двигателя внутреннего сгорания 10 в соответствии с показанным до сих пор вариантом осуществления изобретения идентичны характеристикам обычных двигателей четырехпоточного продувочного типа.

Со ссылкой на фиг. 3, которая иллюстрирует систему продувки, предусмотренную в варианте осуществления, первые продувочные каналы 20 ближе к выпускному каналу 16 сообщаются с картером (не показаны) через главные продувочные каналы 24 , образованные в блоке цилиндров (не показаны). ) растягиваться в продольном направлении.Первые продувочные отверстия 20 ориентированы в сторону от выпускного отверстия 20 , как и в обычных двигателях.

Все еще ссылаясь на РИС. 3, двухтактный двигатель внутреннего сгорания 10 имеет ответвленные продувочные каналы 26 , ответвляющиеся от основных продувочных каналов 24 и проходящие под наклоном к впускному отверстию 14 . Каждый ответвленный продувочный канал 26 имеет верхнюю стенку 26 a и нижнюю стенку 26 b , каждая из которых проходит под наклоном от основного продувочного канала 24 примерно параллельно каждому впускному отверстию 10 Другие.Отводные продувочные каналы 26 могут иметь любую геометрию поперечного сечения, как и основной продувочный канал 24 выше. Каждый ответвленный продувочный канал 26 плавно переходит на своем верхнем конце во второй продувочный канал 22 , который открывается в камеру сгорания так же, как и первый продувочный канал 20 . Как и в обычных двигателях, второе продувочное отверстие 22 ориентировано в сторону от выпускного отверстия 16 .

Пусть каждый основной продувочный канал 24 имеет среднюю площадь поперечного сечения S 1 (РИС.3) по всей длине от впускного отверстия 24 а отверстия в картер до первого продувочного отверстия 20 отверстия в камеру сгорания, причем патрубок продувочного канала 26 имеет среднее поперечное сечение участок S 2 (фиг. 3) на всем протяжении от точки разветвления до второго продувочного отверстия 22 , открывающегося в камеру сгорания. При сравнении этих средних площадей поперечного сечения S 1 и S 2 средняя площадь поперечного сечения S 2 отводящего очистного канала 26 меньше средней площади поперечного сечения S 1 главного мусоросборника 24 .В частности, средняя площадь поперечного сечения S 2 ответвленного очистного канала 26 приблизительно в 0,56-0,75 раза превышает среднюю площадь поперечного сечения S 1 основного очистного канала 24 . Более предпочтительно, чтобы минимальная площадь поперечного сечения ответвленного очистного канала 26 примерно в 0,29-0,38 раз превышала минимальную площадь поперечного сечения основного очистного канала 24 . То есть ответвленный очистной канал 24 является более тонким, чем основной очистной канал 26 .

В двигателе 10 , имеющем описанные выше конструктивные особенности продувочных каналов, как и в обычных двигателях, поршень (не показан) при своих ходах открывает и закрывает выпускное окно 16 , первую и вторую продувку порты 20 , 22 , тем самым подавая топливовоздушную смесь в камеру сгорания из картера и продувая камеру сгорания введенной в нее топливовоздушной смесью. Однако в двигателе 10 согласно варианту осуществления впуск 24 a (фиг.3) главного продувочного канала 24 , открывающегося в картер, служит не только портом для подачи топливовоздушной смеси из картера для создания первого продувочного воздушного потока, подаваемого в камеру сгорания из первого продувочного порта 20 , но также действует как отверстие для подачи воздушно-топливной смеси из картера для создания второго продувочного воздушного потока, подаваемого в камеру сгорания из второго продувочного отверстия 22 . То есть в системе продувки двигателя 10 согласно варианту осуществления, как показано на фиг.3, топливовоздушная смесь в картере поступает в главный продувочный канал 24 из его впускного отверстия 24 a на картере, а топливовоздушная смесь распределяется в ответвленный продувочный канал 26 на путь к первому очистному порту 20 через главный очистной проход 24 .

Следовательно, в системе очистки согласно варианту осуществления общая площадь отверстия (S 4 + S 5 на фиг.3) нескольких продувочных отверстий, открывающихся в камеру сгорания, то есть первое продувочное отверстие 20 и второе продувочное отверстие 22 больше, чем площадь поперечного сечения S 3 канала в поперечном сечении (РИС. 4) части общего впускного канала 24 b , открывающейся в картер. Более конкретно, в варианте осуществления общая площадь отверстия (S 4 + S 5 ) первого продувочного отверстия 20 и второго продувочного отверстия 22 составляет приблизительно 1.В 2-1,4 раза больше площади поперечного сечения S 3 канала на входе 24 b . В результате скорости первого и второго воздушных потоков 28 и 30 (фиг. 2) из ​​первого и второго продувочных отверстий 20 и 22 ниже, чем в обычных двигателях.

Кроме того, ответвление продувочного канала 26 продолжается до второго продувочного отверстия 22 ближе к впускному отверстию 14 проходит вверх под наклоном от основного продувочного канала 24 ближе к выпускному отверстию 16 по направлению к впускной порт 14 как уже объяснялось.Поскольку это направление расширения ответвленного продувочного канала 26 является общим для ориентации второго продувочного отверстия 22 , ответвление продувочного канала 26 улучшает управление направлением второго продувочного воздушного потока 30 из каждого второго продувочного отверстия 22 .

В результате улучшенного управления направлением вторых продувочных воздушных потоков 30 из вторых продувочных отверстий 22 первые продувочные воздушные потоки 28 из первых продувочных отверстий 20 ближе к выпускному отверстию 1600090 1 0 1 0 1 0 1 0 1 направляются ко вторым продувочным воздушным потокам 30 или внутрь них.Благодаря этим движениям можно уменьшить явление короткого замыкания, когда первые продувочные воздушные потоки , 28, частично выходят наружу из выпускного отверстия на начальном этапе каждого такта выпуска.

Кроме того, скорость первого и второго продувочных воздушных потоков 28 и 30 , подаваемых из первого и второго продувочных отверстий 20 и 22 в камеру сгорания, относительно мала, поскольку их общая площадь открытия первое и второе продувочные отверстия 20 и 22 больше площади поперечного сечения частей общего прохода 24 a .Более того, поскольку первые продувочные воздушные потоки 28 из первых продувочных отверстий 20 ближе к выпускному отверстию 16 , продолжающиеся к основному продувочному каналу 24 , направляются к впускному отверстию 14 вторыми продувочными воздушными потоками 0. 30 из вторых продувочных отверстий 22 , первые продувочные воздушные потоки 28 , вытекающие из первых продувочных отверстий 22 , с относительно низкой скоростью смещаются в сторону впускного отверстия 14 , а затем меняют направление своего потока, отскакивая от внутренняя стенка отверстия цилиндра 12 .Это приводит к существенному увеличению длины пути первых продувочных воздушных потоков 28 вверх по выпускному отверстию 16 . Относительно низкая скорость первого и второго продувочных воздушных потоков 28 , 30 и удлинение пути прохождения первых продувочных воздушных потоков 28 способствуют предотвращению прорыва картерных газов во второй половине каждого такта выпуска. .

Для оценки эффекта изобретения Изобретатели подготовили прототип двигателя и сравнили его с существующими двигателями.Изобретатели смогли подтвердить приблизительно 1,3-3,3%-ное увеличение и приблизительно 30%-ное снижение HC в соответствии с настоящим изобретением.

Двигатель, взятый в качестве варианта осуществления, был объяснен выше. Однако двигатель можно модифицировать по-разному. Например, что касается первого и второго продувочных портов 20 , 22 , до сих пор объяснялся пример воплощения предмета изобретения. Что касается первого и второго продувочных отверстий 20 и 22 , углы боковых стенок 20 a , 20 b (фиг.2) первого и второго продувочных отверстий 20 , 22 , которые являются углами пересечения боковых стенок 20 a , 20 b каждого первого продувочного отверстия и углов 10/0/09 пересечения боковин 22 a , 22 b каждого второго продувочного отверстия 22 относительно воображаемой линии CL (рис. 2), соединяющей центр O отверстия цилиндра 12 и центр выпускное отверстие 16 может регулироваться, как указано U.С. Пат. № 6 848 398. Что касается углов пересечения, подробное описание патента США No. В настоящее описание включен патент № 6848398, и в настоящем описании его объяснение опущено.

Вариант осуществления был объяснен выше на примере, в котором главные продувочные каналы 24 и ответвленные продувочные каналы 26 выполнены за одно целое с блоком цилиндров. Однако эти проходы 24 и/или 26 могут быть образованы с помощью элементов, изготовленных отдельно от блока цилиндров.Например, съемный элемент, образующий каналы, может быть прикреплен к блоку цилиндров для образования основных продувочных каналов 24 и ответвленных продувочных каналов 26 . Также возможно съемное соединение трубчатых элементов с блоком цилиндров для определения главных продувочных каналов 24 и ответвленных продувочных каналов 26 .

РИС. 5-9 представляют собой схемы для пояснения некоторых модифицированных структур. ИНЖИР. 5 показан вариант, в котором нижний конец каждого основного продувочного канала 24 смещен к выпускному отверстию 16 для наклона основного продувочного канала 24 .ИНЖИР. 6 показан вариант, в котором основной канал продувки наклонен больше до такой степени, что его нижний конец вертикально выровнен с выпускным отверстием 16 .

РИС. 7 показана конструкция, в которой имеется несколько ответвлений очистных каналов ( 26 A, 26 B), ответвляющихся от каждого основного очистного канала 24 таким образом, что они сообщаются с основным очистным каналом 24 в его удаленных по вертикали положениях. . Хотя основной очистной канал , 24, показан на фиг.7, он может быть наклонен, как показано на фиг. 5 и 6.

РИС. 8 показан вариант, в котором несколько ответвлений 26 ( 26 A, 26 B) продувочных каналов ответвляются от каждого основного продувочного канала 24 , как в варианте на фиг. 7. Фиг. 8, однако, показано, что один ответвленный очистной канал 26 A может ответвляться непосредственно от основного очистного канала 24 и сообщаться с ним, а единственный ответвленный очистной канал 26 A может разделяться на множество ответвлений, образуя другие очистные проходы ответвлений 26 B.

РИС. 9 схематично показан пример продувки свежим воздухом. Это показано как продувка камеры сгорания путем подачи свежего воздуха в ответвленный продувочный канал 26 и подачи его в камеру сгорания через ответвленный продувочный канал 26 . Что касается подачи свежего воздуха, этот пример может быть изменен для подачи свежего воздуха в главный продувочный канал 24 и подачи его в камеру сгорания через первое продувочное отверстие 20 или из первого и второго продувочных отверстий . 20 , 22 .

В варианте осуществления и модифицированных примерах, описанных выше, эффективно определять углы наклона (углы возвышения) первых продувочных отверстий 20 ближе к выпускному отверстию 16 и вторых продувочных отверстий 22 ближе к впускному отверстию относительно горизонтальной плоскости отверстия цилиндра таким образом, что угол возвышения вторых продувочных отверстий 22 больше, чем угол возвышения первых продувочных отверстий 20 .Эта конструкция вторых продувочных отверстий , 22, , имеющих относительно большой угол возвышения, способствует трехмерной продувке сгоревших газов из камеры сгорания.

Настоящее изобретение подходит для использования в качестве источника питания портативной рабочей машины или компактной рабочей машины, такой как цепная пила, кусторез, кусторез или воздуходувка.

Описание курса | Combustion Energy Frontier Research Center

Теория горения и приложения в CFD

Лектор: проф.Heinz Pitsch , Рейнско-Вестфальский технический университет Ахена, Германия
Продолжительность курса: 15 часов (пн-пт)

Сессия: Утренняя сессия

Цель: Фундаментальные знания о ламинарном и турбулентном горении и приложениях в CFD: ламинарная структура предварительного смешения и диффузионного пламени, пределы воспламеняемости, введение в турбулентность, LES, введение в турбулентное горение и моделирование, режимы предварительного смешения горения, скорости турбулентного горения, концепция факела и его приложения для турбулентного сгорания без предварительного смешения, CFD и численного сгорания с применением к двигателям внутреннего сгорания и газовым турбинам.

Количественная лазерная диагностика химии горения и двигателей

Лектор: Проф. Рональд К. Хэнсон, Стэнфордский университет, США
Продолжительность курса: 15 часов (пн-пт)

Сессия: Утренняя сессия

Цель: Основы лазерного поглощения и лазерно-индуцированной флуоресценции в газах, включая молекулярную спектроскопию и фотофизику. Основы ударных труб как основного инструмента для изучения химии горения, включая последние достижения.Пример современного применения видового зондирования для изучения кинетики ударной трубы и многопараметрического зондирования в различных типах движущих сил и двигателей.

Химия горения

Лектор: Проф. Майкл Дж. Пиллинг, Университет Лидса, Великобритания
Продолжительность курса: 15 часов (пн-пт)

Сессия: Дневная сессия

Цель: цель этого курса — дать учащимся понимание того, как коэффициенты скорости и продукты элементарных реакций, важных для горения, определяются экспериментально и теоретически, и как они включаются в химические механизмы для использования в горении. модели.Курс будет охватывать аспекты экспериментальных методов, термодинамики, статистической механики и теории кинетики, включая теории переходного состояния и RRKM, а также модели основных уравнений. Некоторые элементарные реакции, связанные с окислением водорода, химией самовоспламенения и образованием сажи, будут обсуждены более подробно.

Двигатели внутреннего сгорания

Продолжительность курса: 15 часов (пн-пт)

Сессия: Дневная сессия

Часть I:  Основы и показатели эффективности

Лектор: проф.Рольф. Рейц, Университет Висконсина в Мэдисоне

Продолжительность курса: 9 часов (пн-ср)

Цель: Основы двигателя и показатели производительности, компьютерное моделирование, подкрепленное глубоким пониманием основных процессов двигателя и подробными экспериментами по оптимизации конструкции двигателя.

Часть II:  Перспективы двигателей и топлива будущего

Лектор: д-р Гаутам Калгатги, Saudi Aramco, Саудовская Аравия

Продолжительность курса: 6 часов (чт-пт)

Цель: Широкие перспективы будущей роли двигателей внутреннего сгорания в транспорте; топливные эффекты и детонация в S.I. двигатели; топливные эффекты в C.I. двигатели, отложения и присадки к топливу, последствия для будущих видов топлива.

Дополнительные темы в Propulsion

Продолжительность курса: 15 часов (пн-пт)

Сессия: Дневная сессия

Часть I: Нестационарные процессы сгорания

Лектор: Timothy C. Lieuwen, Технологический институт Джорджии, США

Продолжительность курса: 9 часов (пн-ср)

Цель: Этот курс представляет собой унифицированное рассмотрение связанных процессов горения, акустики и гидромеханики, которые управляют ключевыми нестационарными процессами горения.Во многих случаях схема сжигания ограничена нестабильностью горения или явлением предела горения, таким как воспламенение или продувка. Содержание включает: акустику систем горения, гидродинамическую устойчивость реагирующих потоков и аэродинамику пламени, растяжение пламени, гашение пламени, краевые факелы, устойчивость пламени и реакцию пламени на возмущения потока.

Часть II:  Сжигание энергетических материалов

Лектор: проф.Ричард А. Йеттер, Университет штата Пенсильвания, США

Продолжительность курса: 6 часов (чт-пт)

Цель: Этот курс охватывает основы сжигания энергетических материалов, классификацию энергетических материалов и примеры применения. Будут обсуждаться характеристики горения, химия и структура пламени твердого топлива, а также воспламенение и горение твердых частиц металлов. Будущие направления, включая роль самостоятельной сборки и аддитивного производства, будут представлены.

Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания и их функции


Несмотря на то, что существуют различные типы двигателей внутреннего сгорания, и каждый двигатель состоит из сотен компонентов, есть некоторые основные компоненты, которые присутствуют почти во всех двигателях. Те, кто изучает двигатели внутреннего сгорания, должны знать этот основной компонент и часто используемую терминологию в двигателях внутреннего сгорания.
На рисунке показано поперечное сечение двигателя SI, различные компоненты и его функции описаны ниже.

🔗 Difference между двигателем Si и двигателем CI
🔗-сравнение между двумя ходом и четырех ходом двигателя

Блок цилиндра

9999999 9999 99999
BMW 6-цилиндер Блок
BMW 6-цилиндер
BMW 6-цилиндер
. корпус двигателя.Это основная несущая конструкция, которая скрепляет другие компоненты и обеспечивает точки крепления. Блок цилиндров изготавливается методом литья. В качестве материала может использоваться железо или алюминий. В многоцилиндровом двигателе блок цилиндров отлит как единое целое. Головка блока цилиндров плотно закреплена на верхней части блока цилиндров с помощью болта и шпилек. Эти две части снабжены соответствующей системой охлаждения (водяная рубашка, ребра охлаждения). Прокладка цилиндра используется для герметизации всех сопрягаемых поверхностей, в том числе между головкой цилиндров и блоком цилиндров.Материал прокладки может быть резиной, бумагой, пробкой или металлом. Нижняя часть блока цилиндров называется картером.

Цилиндр
Цилиндр — объемный или цилиндрический сосуд, поддерживаемый блоком цилиндров, в котором поршень совершает возвратно-поступательное движение. При работе двигателя объем внутри цилиндра заполняется рабочей жидкостью и подвергается различным термодинамическим процессам.

Поршень


Поршень представляет собой трубчатый компонент, устанавливаемый в цилиндр двигателя.Его движение ограничено одним измерением, оно совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Поршневые кольца и смазочные материалы обеспечивают газонепроницаемость посадки. Он также служит связующим звеном в передаче усилий газа во вращательное движение выходного вала.

Поршневые кольца


Поршневые кольца устанавливаются на поршень для обеспечения газонепроницаемого уплотнения между поршнем и стенкой цилиндра. Он вставляется в прорези на внешнем диаметре поршня, чтобы предотвратить утечку продуктов сгорания во время работы двигателя.

Камера сгорания
Камера сгорания – это пространство, заключенное между цилиндром и верхней частью поршня в процессе сгорания. В камере сгорания происходит сгорание топлива, выделение тепловой энергии и повышение давления.

Шатуны


Металлический стержень, соединяющий поршень и коленчатый вал. Он передает мощность поршня на коленчатый вал. Меньший конец шатуна соединялся с поршнем с помощью поршневого пальца, а большой конец его соединялся с коленчатым валом с помощью шатунной шейки.

Коленчатый вал


Коленчатый вал представляет собой компонент, заключенный в картер и преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вторичного вала. Подшипники используются для поддержки вала трещины, уменьшают трение и позволяют ему свободно вращаться при различных условиях нагрузки. На них предусмотрена пара кривошипов и балансировочных грузов для статической и динамической балансировки вращающейся системы.

Свеча зажигания


Компонент двигателя с искровым зажиганием, запускающий процесс сгорания.Обычно он расположен на головке блока цилиндров.

Уплотнения
Уплотнения двигателя расположены на конце вала, который выходит наружу из блока цилиндров. Уплотнения защищают подшипник и предотвращают утечку газа и масла.

Кулачки и распределительный вал
Кулачки и распределительный вал являются частями двигателя, которые регулируют открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Кулачок и распределительный вал приводятся в движение коленчатым валом с помощью синхронизирующих шестерен, и они сконструированы таким образом, чтобы открывать клапаны в правильное время и удерживать их открытыми в течение необходимого времени.Распределительные валы также используются для привода системы зажигания.

Клапаны впускные и выпускные
Клапаны, предусмотренные в головке блока цилиндров для регулирования подачи рабочей жидкости в цилиндр и выброса продуктов сгорания в атмосферу.

Впускной коллектор и выпускной коллектор
Трубы, соединяющие впускную систему с впускным клапаном, называются впускным коллектором. Воздух, топливовоздушная смесь всасываются в цилиндр через впускной коллектор.

Выпускной коллектор представляет собой трубу, которая соединяет выхлопную систему с выпускными клапанами. Продукты сгорания, такие как CO, NOx и т. д., выбрасываются в атмосферу через выпускной коллектор.

Маховик

Читать: Что такое маховик? функция, применение и уравнение для накопленной энергии

Крутящий момент на коленчатом валу колеблется в течение одного цикла сгорания и вызывает флуктуацию угловой скорости вала. Маховик представляет собой инерционную массу, прикрепленную к выходному валу для минимизации этих колебаний и достижения равномерного крутящего момента.

Практический пример: Cobra Aero переосмысливает цилиндр двигателя внутреннего сгорания с помощью мультифизического моделирования

Введение

Cobra Aero — это малый и средний бизнес из Мичигана с более чем 25-летней историей, предлагающий инженерные знания, возможности для разработки продуктов и услуги по производству двигателей и связанных с ними компонентов. Первоначально компания сосредоточилась на проектировании, разработке и производстве двигателей для внедорожных мотоциклов, но перешла на специализированные аэрокосмические рынки, чтобы адаптироваться к рыночному спросу.Сегодня они производят около 2000 двигателей в год, в основном для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и дронов.

Чтобы сохранить конкурентоспособность, Cobra Aero инвестировала в аддитивное производство металлов — систему Renishaw для прямого лазерного спекания металлов (DMLS). Преодоление конструктивных ограничений литья для производства цилиндра двигателя с ребрами охлаждения, которые были более плотно упакованы, было быстрой победой. Но постобработка, необходимая для удаления опорных конструкций, добавила значительных затрат и лишнего материала.

Команда знала, что модернизация детали для AM даст много преимуществ, но в начале своего пути они не представляли, насколько большего мы можем достичь. Возможности проектирования и моделирования nTopology в полевых условиях сыграли ключевую роль в разработке этого нового продукта в соответствии с передовым опытом DfAM.

«К тому времени, когда мы закончили, наши модели развились до такой степени, что стали просто красивыми! Помимо решетки, мы вскоре поняли, что у использования nTopology есть много других преимуществ, кроме того, что больше не нужны вспомогательные структуры.Нам удалось интегрировать охлаждающий канал с самим цилиндром, соединив детали в единое целое. В целом дизайн стал чище, проще, более плотная упаковка, которая отлично печатается и гораздо лучше выглядит на двигателе».
Шон Гилберт, президент Cobra Aero

Решетки как альтернатива ребрам

Cobra Aero уже имела успешную ребристую систему охлаждения, адаптированную к AM, в коммерческом производстве.Однако первоначальный проект требовал много ручной постобработки для удаления опорных конструкций, которые потребляли столько же материала, сколько и сама концевая часть.

В поисках альтернативы ребрам команда Гильберта была заинтригована решетчатыми структурами, которые, как они видели, используются в различных отраслях промышленности для усовершенствованной конструкции теплообменников. Выполняя твердый кронштейн самолета и заполняя пространство решетчатой, сотовой или гироидной конструкцией, можно уменьшить вес и повысить прочность.В качестве бонуса решетки являются самонесущими — они не требуют каких-либо опорных конструкций.

«Решетчатые структуры очень удобны для печати и позволили нам лучше адаптировать теплопередачу. Двигатель, с которым мы работали, предназначен для использования в небольших беспилотных летательных аппаратах, где любая дополнительная масса может серьезно сказаться на полезной нагрузке, дальности полета и производительности», — отмечает Хилберт.

Модернизированный корпус микротурбогенератора. Он имеет конформный канал охлаждения, созданный с использованием переменного шелушения и автоматического сглаживания.

Используя расширенные возможности моделирования nTopology, компания Cobra Aero смогла быстро сгенерировать решетки различных размеров с различной толщиной распорки, используя решетчатое заполнение внутри цилиндрической геометрии и завершая его плавными переходами. В каждой конфигурации программное обеспечение с легкостью обрабатывало все данные, созданные в результате итераций решетки, автоматически создавая скругления на пересечениях распорок и соединениях с обшивкой детали. Это распределяет напряжение более равномерно, снижает концентрации, которые могут привести к расслаиванию, и способствует как технологичности, так и долговечности.

«Возможности, которые открывало программное обеспечение nTopology, были практически безграничны. Тот факт, что создание сотен и тысяч различных решетчатых форм является математическим и выполняется без необходимости создавать дискретные поверхностные модели, как в традиционных пакетах САПР, означает, что мы можем быть намного более предприимчивыми с нашими проектами для 3D. печать». Кевин Бригден, эксперт по DfAM компании Renishaw, работавший над этим проектом

Оптимизация решетчатой ​​структуры для теплопередачи

Гилберт отмечает: «Проблема, которую мы исследовали, заключается в том, что величина перепада давления в канале охлаждения напрямую связана с величиной сопротивления корпуса.Нам нужно было найти ту золотую середину, где мы получаем достаточное количество тепла, отводимого от цилиндра, но мы не добавляем огромное сопротивление всей конструкции, чтобы БПЛА мог летать дольше и эффективнее».

Чтобы преодолеть эту проблему, Cobra Aero использовала возможности проектирования nTopology на основе полей для пространственного управления свойствами решетки. В качестве исходных данных они использовали ряд мультифизических симуляций — температуру, скорость воздушного потока, перепад давления и механические напряжения — для создания высокооптимизированной структуры.

Проектирование в полевых условиях позволяет использовать результаты моделирования в качестве параметров проектирования для управления вашими проектами

Проще говоря, они усилили решетчатую структуру в областях, где теплопроводность была более важной, а в областях, где более важной была конвекция и требовалось больше воздушного потока для отвода тепла, они ослабили решетчатую структуру.

Кроме того, многоразовые рабочие процессы nTopology позволили разработчикам регенерировать модели без необходимости каждый раз начинать с нуля.Это позволило команде Гильберта выполнять итерации быстрее и сократить общее время разработки продукта

.

Поперечное сечение цилиндра двигателя внутреннего сгорания с указанием внутренних вариантов решетки

Производство и стендовые испытания

Когда команда завершила свой проект, они использовали возможности nTopology по нарезке для экспорта файла CLI, который был отправлен непосредственно в систему обработки металлов Renishaw AM500 для производства.Таким образом, они обошли необходимость преобразования геометрии в формат STL и избежали неточностей, которые могут возникнуть при таком преобразовании.

На этапе разработки было изготовлено и протестировано в лаборатории три варианта окончательной конструкции цилиндра для проверки их работоспособности в реальных условиях.

«Испытания показали, что новая конструкция решетчатой ​​структуры с nTopology обеспечивает более эффективное охлаждение, чем наша конструкция ребер. В каждом случае, при разных оборотах, для поддержания надлежащей температуры двигателя требовалось меньше охлаждающего воздуха.Это было именно то, на что мы надеялись, и именно то, что предсказывало наше моделирование». Шон Гилберт, президент Cobra Aero

Для общей конструкции двигателя это означает, что Cobra Aero теперь может сделать меньший вход в охлаждающий канал, что, в свою очередь, уменьшает лобовую площадь самолета. Другими словами, они могут достичь того же уровня охлаждения при меньшем сопротивлении .

Развитие дизайна с помощью nTopology

Решетчатый цилиндр

Cobra Aero в настоящее время находится в коммерческом производстве.«Наша новая конструкция решетчатого цилиндра во всех отношениях лучше нашего ребристого цилиндра, и это очень важно», — говорит Хилберт. Если вы хотите узнать больше о технических характеристиках и характеристиках двигателя A33N, Cobra Aero предлагает обширную документацию на своем веб-сайте.

Но команда Гильберта не остановилась на цилиндре. Имея в своем распоряжении новые инструменты, они переработали другие ключевые компоненты двигателя своего БПЛА. Отличным примером являются их новые опоры двигателя. После оптимизации топологии этих компонентов и следования рекомендациям DfAM новые крепления теперь обеспечивают лучшее звукопоглощение и весят всего 160 граммов — по сравнению с 385 граммами их самого легкого конкурента.

3D-печать двигателя внутреннего сгорания — быстрее выйти на рынок

Разработка двигателя внутреннего сгорания может занять много времени, от трех до пяти лет. Что, если бы вы могли сократить это время вдвое? Для Lumenium LLC, стартапа из Вирджинии, разрабатывающего инновационное семейство двигателей внутреннего сгорания, 3D-печать с помощью системы Desktop Metal позволила им достичь этой цели.

Асимметрично-вращательный двигатель с обратным рабочим объемом (IDAR) компании представляет собой новую конструкцию для обеспечения мощного и эффективного внутреннего сгорания.Его уникальная геометрия двигателя обеспечивает впечатляющую, но эффективную производительность небольшого и легкого двигателя, который потребляет меньше топлива и производит меньше выбросов. Ключом к разработке этого движка была возможность быстро повторять функции и конструкции деталей во время прототипирования.

Детали Lumenium должны выдерживать экстремальные температуры и нагрузки, присущие работе двигателя внутреннего сгорания. Каждый компонент двигателя должен соответствовать определенным требованиям, включая высокую точность размеров, прочность при динамических нагрузках и низкое тепловое расширение, а вес каждой детали является важным фактором, влияющим на общую удельную мощность и эффективность.

Седло и маятник в сборе рядом с установленным маятником двигателя внутреннего сгорания IDAR.

Аддитивное производство помогло группе разработчиков выполнить эти требования и заняться деталями сложной геометрии, такими как внутренние каналы охлаждения, для повышения производительности двигателя. С Studio System от Desktop Metal команда внедрила эту технологию в существующее рабочее пространство для более быстрой итерации дизайна и функционального прототипирования.

Рынок стоимостью 350 миллиардов долларов

Двигатели внутреннего сгорания представляют собой рынок стоимостью 350 миллиардов долларов с тремя категориями двигателей: традиционный поршневой двигатель, новые оппозитные поршневые двигатели и роторные двигатели.Технология двигателя IDAR от Lumenium добавляет четвертую категорию, стоящую в середине традиционной технологии двигателей, что представляет собой сдвиг парадигмы в производстве энергии. Компоненты двигателя должны выдерживать условия динамической нагрузки, силу сгорания 1500 фунтов на квадратный дюйм и температуру сгорания 1500 °C.

Возможность выполнять частые итерации проекта может улучшить конечную производительность двигателя. Полный цикл разработки двигателя для каждого поколения двигателя IDAR занимает от трех до пяти лет.Критически важно было найти более быстрый и экономичный подход к прототипированию.

Почему 3D-печать лучше, чем обработка на станках с ЧПУ

Lumenium производит около 20 прототипов в месяц. Большинство (около 95%) изготавливаются на собственном производстве с использованием 5-осевой обработки с ЧПУ и электроэрозионной обработки. Обработка сложной геометрии с ЧПУ включает в себя сложные траектории движения инструмента и иногда более 80 операций обработки. Каждая операция требует перепрограммирования, что часто включает в себя индивидуальную фиксацию и оператор для повторного выравнивания детали.Даже если на печатной детали требуется последующая обработка, общее количество операций обработки значительно меньше. Для программирования станка с ЧПУ требуется обученный, преданный своему делу оператор, а на одну сложную работу могут уйти недели. Некоторые детали требуют постобработки сторонними поставщиками, что увеличивает срок изготовления до трех недель.

Оставшиеся 5% деталей-прототипов — обычно обычные круглые детали — отправляются в механический цех, где время выполнения заказа составляет в среднем около трех недель.

В дополнение к длительному времени выполнения заказа и высоким затратам механическая обработка предлагает ограниченные возможности для изготовления легких деталей.Вес имеет решающее значение для производительности двигателя, поскольку снижение веса двигателя на 50% потенциально может удвоить номинальную скорость двигателя (об/мин) и выходную мощность. Чтобы уменьшить вес с помощью методов механической обработки, инженеры мало что могут сделать, кроме выбора легкого материала. Без замены материала снижение веса за счет механической обработки обычно требует изменения геометрии детали, что увеличивает время и сложность, что может привести к появлению слабых мест в структуре детали.

Studio System печатает детали с заполнением с закрытыми ячейками — внутренней решетчатой ​​структурой, напечатанной по всей детали.Пользователи могут регулировать расстояние между наполнителями в соответствии с требованиями по прочности и весу. Детали, напечатанные с заполнением, будут иметь значительно более низкую теплопередачу. Это снижает вес детали при сохранении прочности, что позволило команде разработчиков использовать сталь как часть своего решения.

В большинстве методов 3D-печати, основанных на экструзии, включая осаждение связанного металла, горизонтальные отверстия требуют внутренних поддерживающих структур для сохранения формы. Однако адаптация формы отверстия может устранить необходимость в опорах.Команда разработчиков изменила конструкцию, изменив круглые отверстия на более угловатую форму (например, каплевидную), которая не требует опорных конструкций во время изготовления.

Конструкция седла состоит из зубцов по верхнему и нижнему краям, которые сопрягаются с поворотными рычагами. Зубцы помогают компоненту выдерживать усилия двигателя, а обработка этих критически важных элементов позволяет получить гладкую и точную поверхность сопряжения, чего нельзя достичь с помощью одной только печати.

В Fabricate пользователи могут выборочно регулировать толщину оболочки.Важно отметить, что при этом размеры детали не изменяются. Вместо этого он утолщает твердую оболочку вокруг детали, чтобы предотвратить обнажение заполнения детали во время обработки. Команда разработчиков увеличила толщину оболочки только верхней и нижней частей до 5,2 мм, чтобы учесть материал, который будет удален во время обработки зубцов.

После изготовления детали прошли постобработку. Это включало обработку с ЧПУ и проволочную электроэрозионную обработку. Критические поверхности седла были обработаны, сверху и снизу были добавлены зубцы, а также просверлены отверстия и нарезана резьба.После завершения команда дизайнеров соединила седло и поворотный рычаг.

Для Lumenium быстрое прототипирование имеет решающее значение для разработки и усовершенствования продукта, поскольку движок IDAR приближается к коммерциализации. Конструкция и функция каждой детали в сборке имеют решающее значение, поэтому возможность быстрой доработки и итерации напрямую влияет на общую производительность двигателя. Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.