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

Принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

В этой статье будут рассмотрены принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Этот двигатель взят для простоты понятия физических процессов, для того чтобы понять, как работают все подобные двигатели. На самом деле всё намного сложнее каждый процесс имеет столько особенностей, что и у специалистов, хорошо знающих работу двигателя, часто возникают споры по многим вопросам. Но все бензиновые двигатели (двигатели с принудительным зажиганием) работают на основе принципов, впервые описанных немецким инженером Отто.

Двигатель нужен для обеспечения автомобиля (если это не стационарный двигатель) механической энергией. Двигатель создаёт эту энергию. Но из школьного курса физики известно, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Что же является источником механической энергии, вырабатываемой двигателем, какую энергию он преобразует в механическую? Источником энергии двигателя внутреннего сгорания является энергия межмолекулярных связей углеводородного топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя. Во время сгорания углеводородного топлива происходит разрыв этих связей с большим выделением тепловой энергии, которую двигатель и преобразует в механическую энергию в форме вращательного движения.

Для химических реакций, происходящих при сгорании топлива, требуется окислитель. Для этого используется кислород, содержащийся в окружающем атмосферном воздухе. Воздух это смесь газов, кислорода в этой смеси приблизительно 21%. В цилиндрах двигателя сгорает смесь топлива с воздухом. В идеальном случае все молекулы углеводородов, поданные в цилиндр, сгорая, соединяются со всеми молекулами кислорода, поданными в цилиндр во время одного рабочего цикла. То есть после процесса сгорания в цилиндре двигателя не должно остаться не одной молекулы топлива, и не одной свободной молекулы кислорода.

Химические реакции, во время которых полностью используются все активные вещества, называются стехиометрическими. Во время стехиометрического процесса для полного сгорания всех молекул 1-го килограмма топлива необходимо использовать приблизительно 14,7 килограммов воздуха. Это идеальный процесс, но реально при работе двигателя на различных режимах обеспечить его достаточно трудно, тем более что на некоторых режимах двигатель будет работать устойчиво, только если смесь отличается от стехиометрической.

Разобравшись, откуда берётся механическая энергия, приступим к изучению принципов работы двигателя. Как уже было отмечено ранее, здесь будет рассматриваться работа четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто. Основным признаком цикла Отто можно назвать то, что перед воспламенением топливовоздушная смесь предварительно сжимается, а зажигание смеси происходит от постороннего источника – в современных двигателях только при помощи электрической искры.

За время становления и развития двигателя внутреннего сгорания было изобретено очень много различных конструкций и, разумеется, двигатель, работающий на принципах цикла Отто, был далеко не единственный. Из двигателей с возвратной поступательным движением поршня можно назвать двигатель, работающий по циклу Аткинсона, а из двигателей с круговым движением поршня наиболее известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Существует большое количество вообще экзотических конструкций. Но все они не получили широкого практического применения. Более 99,9% используемых в настоящее время двигателей внутреннего сгорания работают по циклу Отто, (в данной статье сюда будут отнесены и дизельные двигатели) которые в свою очередь подразделяются на двигатели с электрическим воспламенением смеси и дизельные двигатели, с компрессионным воспламенением смеси.

Принципы работы таких двигателей и будут рассмотрены в этой статье.

И бензиновые и дизельные двигатели могут быть не только четырёхтактными, но и двухтактными. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобиле не применяются, поэтому в данной главе они рассматриваться не будут.

Прежде чем рассматривать принципы работы двигателя рассмотрим, из каких основных деталей он состоит.

Основные детали простейшего ДВС

  1. Цилиндр.
  2. Поршень.
  3. Камера сгорания.
  4. Шатун.
  5. Коленчатый вал.
  6. Впускной канал.
  7. Впускной клапан.
  8. Впускной распределительный вал.
  9. Выпускной канал.
  10. Выпускной клапан.
  11. Выпускной распределительный вал.
  12. Свеча зажигания.
  13. Топливная форсунка (не показана).
  14. Маховик двигателя (не показан).

1. Цилиндр – основа двигателя, именно в нём происходит процесс сгорания топлива, цилиндр является направляющим элементом для движения поршня.

2. Поршень – деталь, перемещающаяся в цилиндре под воздействием расширяющихся газов или под воздействием кривошипно-шатунного механизма. Условно примем, что скользящее соединение, между поршнем и стенками цилиндра абсолютно герметично, то есть, ни какие газа не могут просочиться через это соединение.

3. Камера сгорания – пространство над поршнем, когда поршень находится в самой верхней точке своего хода (ВМТ).

4. Шатун – это стержень, передающий усилие от поршня к кривошипу коленчатого вала и, наоборот, от коленчатого вала к поршню.

5. Коленчатый вал – служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, именно такое движение наиболее удобно для использования.

6. Впускной канал – канал, по которому топливовоздушная смесь поступает в цилиндр двигателя.

7. Впускной клапан – соединяет впускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя.

8. Впускной распределительный вал – открывает и закрывает впускной клапан в нужное время.

9. Выпускной канал – канал, по которому отработавшие газы выводятся из двигателя в атмосферу.

10. Выпускной клапан – соединяет выпускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу отработавших газов из цилиндра двигателя.

11. Выпускной распределительный вал – открывает и закрывает выпускной клапан в нужное время.

12. Свеча зажигания – служит для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в необходимое время.

13. Топливная форсунка – служит для распыления топлива в воздухе, поступающем в цилиндр двигателя.

14. Маховик двигателя – служит для необходимого перемещения поршня за счёт сил инерции во время всех тактов, кроме рабочего.

Далее придётся понять и запомнить довольно много специальных терминов, но сейчас упомянем, без полного объяснения, только некоторые.

1 — Верхняя мёртвая точка (ВМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вверх цилиндра на движение вниз.

2 — Нижняя мёртвая точка (НМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вниз цилиндра на движение вверх.

3 — Ход поршня – расстояние, проходимое поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ или наоборот.

4 — Такт двигателя – перемещение поршня от одной мёртвой точки к другой. Во время каждого такта коленчатый вал двигателя совершает половину оборота (180?).

5 — Цикл – периодичное повторение четырёх тактов двигателя во время работы. Полный цикл двигателя состоит из четырёх тактов и совершается за два полных оборота коленчатого вала (720?).

Принципы работы простейшего одноцилиндрового четырёхтактного двигателя:

1 — Такт всасывания

(поступления топливовоздушной смеси в цилиндр).

Впускной клапан открыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия (стартёра двигателя, заводной ручки или инерции маховика), передаваемого поршню шатуном, поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Поскольку соединение между поршнем и цилиндром полностью герметично, в пространстве над поршнем образуется пониженное давление (разрежение). Под воздействием атмосферного давления воздух через впускной канал, и открытый впускной клапан, начинает поступать в цилиндр двигателя. В это время топливная форсунка распыляет в поступающем воздухе необходимое количество топлива, в результате чего в цилиндр поступает горючая топливовоздушная смесь.

При достижении поршнем НМТ впускной клапан закрывается.

2 — Такт сжатия.

Оба клапана закрыты.

Под воздействием внешнего усилия поршень перемещается из НМТ к ВМТ. При этом в цилиндре происходит сжатие топливовоздушной смеси. По окончании такта сжатия, когда поршень встаёт в положении ВМТ, вся топливовоздушная смесь находится в сжатом состоянии в камере сгорания.

В это время свеча зажигания при помощи электрической искры воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. В дизельном двигателе в камеру сгорания при помощи топливной форсунки впрыскивается мелко распылённое топливо. В результате чего в обоих случаях происходит воспламенение смеси.

3 — Рабочий такт.

Оба клапана закрыты.

При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре резко поднимается температура и, главное, давление. Это давление равномерно давит во все стороны, но стенки камеры сгорания и цилиндра рассчитаны на это давления. А вод давление, оказываемое расширяющимися газами на поршень, днище которого является нижней частью камеры сгорания, заставляет поршень перемещаться вниз от ВМТ к НМТ. Это усилие через шатун передаётся на кривошип коленчатого вала, который преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение.

При достижении поршнем НМТ открывается выпускной клапан.

4 — Такт выпуска.

Впускной клапан закрыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия, передаваемого на поршень через шатун, поршень перемещается из положения НМТ в положение ВМТ. Во время этого перемещения поршень вытесняет из цилиндра отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал и далее в атмосферу.

И так, мы рассмотрели полный цикл двигателя, состоящий из четырех тактов. Далее этот цикл повторяется бесконечно, пока двигатель не будет выключен или не закончится бензин в баке автомобиля.

Наверное, Вы обратили внимание, что из четырёх тактов полезным является только один – рабочий такт. Именно во время этого такта вырабатывается необходимая энергия. Все другие такты являются вспомогательными. Возможно, такая конструкция может показаться не эффективной, но лучшего, по всем показателям, пока ничего не изобретено. Да, существуют двухтактные двигатели, в которых полный цикл осуществляется за один поворот коленчатого вала. Существует роторно-поршневой двигатель Ванкеля, в котором вообще нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, но этим конструкциям, при некоторых преимуществах, присущи свои недостатки, поэтому двигатели, работающие по четырёхтактному циклу Отто, в настоящее время имеют практически монопольное распространение в мире. И какой-либо замены им, в обозримом будущем, реально не предвидится.

Дизельный двигатель.

Двигатель, изобретённый немецким изобретателем Рудольфом Дизелем, очень похож и по конструкции и принципам работы на двигатель, работающий на бензине, описанный ранее. Но есть одно существенное различие. В этом двигателе воспламенение топливовоздушной смеси происходит не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с горячим воздухом находящемся в цилиндре. Такое воспламенение рабочей смеси называется компрессионным зажиганием. А откуда в цилиндре взялся горячий воздух, где его подогрели? Разумеется, никто его нарочно не грел. Если Вам когда-либо приходилось накачивать ручным насосом шину велосипеда, или автомобиля, вы могли обратить внимание, что довольно быстро насос начинает нагреваться. И вообще из школьного курса физики известно, что при сжатии все газы нагреваются, а воздух есть ничто иное, как смесь газов. Сжатие воздуха в двигателе происходит очень быстро, поэтому к концу такта сжатия воздух, находящийся в цилиндре дизельного двигателя, имеет очень высокую температуру (700 ? 900?С).

Поскольку физический процесс немного отличается от описанного ранее бензинового двигателя, в конструкции дизельного двигателя имеются некоторые отличия. Главное отличие в более высокой степени сжатия. У дизельного двигателя отсутствует свеча зажигания, вместо неё непосредственно в головку блока цилиндров вставлена топливная форсунка, разумеется, во впускном канале топливная форсунка отсутствует. В отличие от бензинового двигателя, в цилиндры которого во время такта всасывания поступает смесь бензина с воздухом, цилиндры дизельного воздуха поступает чистый воздух. При достижении поршнем ВМТ во время такта сжатия, в камере сгорания дизельного двигателя находится сжатый воздух, имеющий высокую температуру. И в то время, когда в бензиновом двигателе происходит воспламенение смеси при помощи электрической свечи, в камеру сгорания дизельного двигателя под большим давлением впрыскивается мелко распылённое дизельное топливо. Соприкасаясь с горячим воздухом, находящимся в камере сгорания, топливо воспламеняется.

Запомните основные отличия дизельного двигателя от бензинового.

1 – Топливо в дизельном двигателе воспламеняется не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с воздухом, имеющим высокую температуру.

2 – Регулировка крутящего момента и мощности двигателя осуществляется за счёт изменения качества, а не количества топливовоздушной смеси, поэтому в дизельном двигателе отсутствует дроссельная заслонка, регулирующая количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха. То есть крутящий момент изменяется количеством впрыскивания топлива без изменения объёма всасываемого воздуха.

Не путайте дизельный двигатель с современными бензиновыми двигателями, с непосредственным впрыском. В этих двигателях топливная форсунка перенесена из впускного канала на головку двигателя, но не вместо свечи зажигания, а установлена совместно с ней. В этом случае топливная форсунка впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр. Топливовоздушная смесь в таком двигателе воспламеняется не при помощи компрессионного зажигания, а при помощи электрической искры. А имеющаяся во впускном тракте дроссельная заслонка регулирует количество воздуха, поступающего в цилиндр.

Мы рассмотрели принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя, поняли, как возникает необходимая нам механическая энергия, но для простоты объяснения пришлось прибегнуть очень ко многим упрощениям. Например, клапаны открываются или закрываются не точно в ВМТ или НМТ. Свеча бензинового двигателя воспламеняет смесь или топливная форсунка дизельного двигателя нагнетает топливо в цилиндр не совсем точно при нахождении поршня в ВМТ. Да и двигатель, чаще всего имеет не один, а несколько цилиндров, от 1-го до 16, в автомобильной промышленности, а авиации или на флоте встречались двигатели, имеющие 64 цилиндра. Но основой любого двигателя является цилиндр.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, имеющие отношение к цилиндру двигателя, теперь придётся их рассмотреть более подробно и познакомиться с некоторыми новыми.

1. Радиус кривошипа.

Расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала.
Коренными называются шейки коленчатого вала, в которых вал вращается в блоке цилиндров двигателя.
Шатунными называются шейки, к которым подсоединены шатуны поршней.
Для образования кривошипа ось коренных шеек смещена относительно оси шатунных шеек.
Радиус кривошипа является очень важным конструкционным параметром двигателя. Изменяя радиус кривошипа можно подобрать необходимое соотношение между крутящим моментом и максимальными оборотами двигателя, при неизменном объёме цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

2. Ход поршня:
Ход поршня, то есть расстояние между НМТ и ВМТ, равен удвоенной величине радиуса кривошипа.

3. Диаметр цилиндра:

Это диаметр внутреннего отверстия цилиндра. Условно принимаем, что диаметр поршня равен диаметру цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

4. Рабочий объём цилиндра:
Рабочим объёмом цилиндра называется объём, вытесняемый поршнем при перемещении от НМТ к ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах (см?) или литрах.)
Рабочий объём цилиндра равен произведению хода поршня на площадь днища поршня.

5. Объём камеры сгорания.
Это объем пространства, находящегося над поршнем, во время нахождения поршня в ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах.)
Камера сгорания большинства двигателей имеет сложную форму, поэтому определить её точный объём расчётным методом сложно. Для определения объёма камеры сгорания применяются различные методы прямого измерения.

6. Полный объём цилиндра.
Это сумма объёма камеры сгорания и рабочего объёма цилиндра.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах или литрах.)
Полный объём многоцилиндрового двигателя равен полному объёму одного цилиндра умноженному на количество цилиндров двигателя.

7. Степень сжатия.
Это соотношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Другими словами это соотношение объёма цилиндра в сумме с объёмом камеры сгорания, когда поршень находится НМТ к объёму пространства, расположенному над поршнем, когда поршень находится в положении ВМТ.
(Безразмерная единица)

8. Соотношение диаметра цилиндра к величине хода поршня:
Является очень важным параметром при конструировании двигателя внутреннего сгорания. Двигатели, в которых ход поршня больше диаметра цилиндра называются длиноходными, двигатели, в которых ход поршня меньше диаметра цилиндра, называются короткоходными.

Значение степени сжатия.

Степень сжатия это один из очень важных технических показателей двигателя внутреннего сгорания, поэтому рассмотрим его более подробно. В общем, повышение степени сжатия поднимает эффективность работы двигателя внутреннего сгорания, то есть при сгорании равного объёма топлива двигатель производит больше механической энергии. При повышенной степени сжатия молекулы топлива физически приближаются друг к другу. При этом топливовоздушная смесь имеет более высокую температуру, в результате чего достигается лучшее испарение частичек топлива и их более равномерное перемешивание с воздухом. Для каждого типа бензина имеется предельное значение степени сжатия. Чем выше октановое число бензина, тем выше степень сжатия, при которой может работать двигатель. При превышении допустимой степени сжатия и, соответственно температуры в камере сгорания, двигатель начинает работать с детонацией (самопроизвольное воспламенение смеси). Процесс детонации достаточно сложный, поэтому, на данном этапе, ограничимся пониманием, что причиной детонации является неправильное сгорание топливовоздушной смеси. При работе двигателя с детонацией резко уменьшается эффективность работы двигателя, и более того, возросшие ударные нагрузки могут привести к разрушению двигателя. Сильные стуки во время работы двигателя являются признаком детонации. Этот режим работы очень вреден для двигателя.

Современные электронные системы управления двигателем практически исключили работу двигателя с детонацией, но те, кому пришлось ездить на автомобилях с двигателями, не имеющих электронных систем управления, помнят, что режим детонации возникал довольно часто.

Раньше для повышения октанового числа бензина применялись специальные присадки на основе свинца. Применение этих присадок позволяло поднять степень сжатия до 12,5:1, но сейчас, в соответствии с законодательными нормами по охране окружающей среды, по причине того, что свинец наносит большой вред окружающей среде, применение присадок на основе свинца запрещено.

Степень сжатия современных бензиновых двигателей равна 10:1 ? 11:1. Величина степени сжатия может изменяться не только от качества предполагаемого к использованию бензина, но и от конструкции двигателя. Современные двигатели, имеющие систему управления двигателя с датчиком детонации, позволяют поднять степень сжатия до 13:1. Такие системы управления, регулируя угол опережения зажигания в каждом отдельном цилиндре, на основе информации, полученной от датчика детонации, позволяют двигателю работать на грани возникновения детонации, но не допускают её. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания из-за особенностей процессов, протекающих в цилиндре, тоже могут работать с повышенной степенью сжатия.

Поскольку воспламенение топлива в дизельных двигателях происходит за счёт нагрева воздуха, находящегося в цилиндре, степень сжатия дизельных двигателей выше, чем бензиновых. Степень сжатия дизельных двигателей лежит в диапазоне 14:1 ? 23:1.

Двигатели с принудительным нагнетанием воздуха в цилиндры (турбокомпрессор или механический нагнетатель), как бензиновые, так и дизельные, имеют более низкую степень сжатия по сравнению с атмосферными двигателями. Это вызвано тем, что перед началом такта сжатия в цилиндре находится большая масса воздуха (и топлива). Слишком высокое давление в цилиндре в конце такта сжатия может привести к разрушению двигателя.

Ранее отмечалось, что повышение степени сжатия явление, в целом, очень желательное, но в действительности всё несколько сложнее. Двигатель внутреннего сгорания, особенно автомобильный, постоянно работает на различных режимах скорости вращения и нагрузок. Научные исследования в данной области показали, что на некоторых режимах двигатель эффективней работает с более низкой степенью сжатия, а на других режимах степень сжатия может быть повышена без риска нанесения повреждений двигателю. Некоторые производители попытались создать двигатель с изменяемой во время работы степенью сжатия. Пионером в этой области, добившимся заметных результатов, был шведский производитель автомобилей SAAB. Работы в этом направлении проводились и другими производителями автомобилей. Но до настоящего времени серийные автомобили с изменяемой степенью сжатия на рынке отсутствуют. Очевидно, это будет следующим направлением повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, определяющие геометрические показатели двигателя. Далее запомним некоторые термины, определяющие работу двигателя внутреннего сгорания, как простейшего одноцилиндрового, так более сложных двигателей.

  1. Мощность двигателя. Измеряется в киловаттах (кВт) или в старых, для некоторых более привычных единицах измерения, лошадиных силах (л.с.)
  2. Крутящий момент. Измеряется в ньютонах на метр (Н•м).
  3. Удельная литровая мощность. Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к рабочему объёму цилиндров двигателя (кВт/литр)
  4. Удельная весовая мощность. Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к весу двигателя (кВт/Кг).
  5. Топливная эффективность. Измеряется массой топлива, которое необходимо потратить на выработку мощности в один киловатт в течение часа (гр/кВт*час)
  6. Скорость вращения. В автомобилестроении, как и во многих других областях техники, скорость (частота) вращения коленчатого вала измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

За прошедшие более чем сто лет с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) количество его конструкций было столь велико, что их не только описать невозможно, их просто никто даже перечислить не сможет, да и задачи такой, в общем, нет. Четко понимая общие принципы работы ДВС (кратко описанные в данной статье), можно разобраться в любой конструкции.

Е.Н. Жарцов

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Температура смеси в конце впуска 75— 125 °С.

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 9—15 кгс/см2 и 350— 500 °С.

Третий такт — расширение, или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 35—50 кгс/см2, а температура 2200— 2500 °С. Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун — на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 3—5 кгс/см2, а температура до 1000—1200 °С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а — впуск, 6 — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1 — впускной клапан, 2 — выпускной клапан, 3 — поршень

Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2, а температура до 700—800 °С.

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт — расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск — заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. При впуске поршень движется от в. м. т к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,85—0,95 кгс/см2, температура 40— 60°С.

При такте сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 35—55 кгс/см2 и 450—650 °С.

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 50—90 кгс/см2, а температура — 1700—2000 °С. В конце расширения давление снижается до 2—4 кгс/см2, а температура — до 800—1000 °С. * При такте выпуска поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 1,1—1,2 кгс/см2.

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают на отечественных автомобилях большой и очень большой грузоподъемности (МАЗ, КрАЗ, КамАЗ и БелАЗ).

С освоением мощностей Камского автозавода дизели будут устанавливать на грузовые автомобили ЗИЛ и Уральского автозавода, а также на автобусы ЛАЗ и ЛиАЗ.

Диаграмма рабочего цикла двигателя. Рабочий цикл двигателя можно представить в виде диаграммы, на которой по вертикальной оси откладывают давление р, а по горизонтальной—объем цилиндра V.

На диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя линия впуска 7—1 располагается ниже линии атмосферного давления (1 кгс/см2). При такте сжатия (линия I—2—3) давление повышается, достигая наибольшей величины в точке 3.

Точка соответствует моменту проскаки-вания искры в свече зажигания и началу процесса сгорания. Линия 3—4—5—6 иллюстрирует рабочий ход, причем линия 3—4, соответствующая резкому возрастанию давления, означает процесс сгорания рабочей смеси, а линия 4—5—6— расширение газов. В точке 4 давление газов достигает наибольшей величины.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля ЯМЗ: а —впуск, б — сжатие, в — расширение, г — выпуск; 1—форсунка, 2 — топливный насос высокого давления

В точке начинает открываться выпускной клапан. Линия соответствует такту выпуска. Она располагается несколько выше линии, соответствующей атмосферному давлению.

Рис. 3. Диаграмма рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (а) и схема сил, действующих от давления газов (б)

На рис. 3, б показана схема сил, действующих от давления газов в одноцилиндровом двигателе. Сила Р давления газов, действующая на поршень при рабочем ходе, раскладывается на две силы: N и S. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, а действие силы S передается через шатун на коленчатый вал двигателя.

Сила Г, составляющая силы S и касательная к окружности вращения шатунной шейки, действует на плече R. Произведение TR называют крутящим моментом двигателя. Крутящий момент вызывает вращение коленчатого вала. Далее он передается через механизмы трансмиссии на ведущие колеса, вызывая движение автомобиля.

Вторая составляющая силы S сила F воспринимается коренными подшипниками коленчатого вала.

Вопросы § 22

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, топливо в котором сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя.

2. Пользуясь рисунком 26, расскажите, из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания.

Простейший двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный внизу шатуном с коленчатым валом. Два клапана в верхней части цилиндра открываются и закрываются автоматически в нужные моменты. Один клапан служит для подачи в цилиндр горючей смеси, воспламеняющейся от свечи, другой клапан выпускает отработавшие газы.

 

3. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?

Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода (такта) поршня, при этом коленчатый вал делает два оборота.

4. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырёх тактов? Как называют эти такты?

Такты поршня имеют названия в соответствии с происходящими в них процессами: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Впуск — поршень движется вниз, в цилиндре создается разряжение, открывается клапан и в цилиндр поступает горючая смесь, клапан закрывается, коленчатый вал совершает пол-оборота. Сжатие — коленчатый вал продолжает поворот, поршень движется вверх и сжимает горючую смесь, она воспламеняется от искры и быстро сгорает. Рабочий ход — поршень под давлением газов опускается вниз, передавая толчок шатуну и коленчатому валу с маховиком при закрытых клапанах. В конце третьего такта открывается другой клапан для выпуска продуктов сгорания в атмосферу. Выпуск — поршень движется вверх, продукты сгорания выходят через клапан, в конце такта клапан закрывается.

5. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

Маховик, обладая значительной инерционностью, необходим для передачи движения поршню в следующих тактах.

 

Принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного бескомпрессорного дизеля совершается за четыре такта, последовательность которых показана на рис. 33.


Рис. 33. Принцип действия четырехтактного бескомпрессорного дизеля.

Первый такт — всасывание (зарядка). Поршень движется вниз от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), создавая разрежение в рабочем цилиндре. Наружный воздух засасывается в цилиндр через открытый впускной клапан 1, в то время как выпускной клапан 3 закрыт. Клапаны 1 и 3 открываются с помощью кулачковых шайб, насаженных на распределительный вал двигателя, а закрываются под действием сильной пружины. Частота вращения распределительного вала в два раза меньше частоты вращения коленчатого вала, что позволяет совершать рабочий цикл за два его оборота. Кроме того, с целью максимального наполнения рабочего цилиндра свежим воздухом, кулачковые шайбы имеют соответствующую конфигурацию. Поэтому впускной клапан открывается до прихода кривошипа в крайнее верхнее положение (в.м.т.), т. е. при положении его в точке 5, что обеспечивает предварение начала впуска воздуха. Впускной клапан закрывается после того, как кривошип пройдет крайнее нижнее положение (н.м.т.), т. е. при положении его в точке 4, что обеспечивает запаздывание конца всасывания воздуха. Давление газов в цилиндре во время первого такта меньше атмосферного.

Второй такт — сжатие. Поршень движется вверх от н.м.т. до в.м.т., сжимая воздух и оставшиеся газы. Впускной и выпускной клапаны в это время закрыты, в результате чего давление воздуха повышается до 2800—4000 кн/м2 (20—40 кгс/см2), а его температура — до 600—700° С.

Третий такт — рабочий ход (горение и расширение). В конце такта сжатия, когда кривошип не дошел на 4—8° до в.м.т. и находится в точке 6, топливо под давлением впрыскивается в распыленном виде из форсунки 2 в камеру сжатия 7, где, воспламеняясь под действием высокой температуры, превращается в газ.. При этом за короткое время (доли секунды) давление в цилиндре возрастает до 5000—8000 кн/м2 (50—80 кгс/см2), а температура газа — до 1600—1800° С. Под воздействием расширяющихся газов поршень движется вниз от в. м. т. к н. м. т. В конце рабочего хода, когда кривошип занимает положение в точке 8, не доходя на 30—40° до н.м.т., открывается выпускной клапан и отработавшие газы начинают поступать в атмосферу.

Четвертый такт — выпуск (выхлоп). Поршень движется от н.м.т. к в.м.т., вытесняя из рабочего цилиндра отработавшие газы. В это время выпускной клапан полностью открыт, а впускной клапан закрыт. Давление в цилиндре снижается до 105—110 кн/м2 (1 —1,1 кгс/см2), а температура газов — до 350—400°С. Конец выхлопа, т. е. закрытие выпускного клапана, часто происходит после того, как кривошип пройдет в.м.т. (в точке 9). Это способствует лучшей очистке цилиндра от продуктов сгорания топлива.

Для осуществления тактов всасывания, сжатия и выпуска требуется затрата некоторой механической энергии двигателя. Эта энергия накапливается в период рабочего хода в маховике и во всех движущихся частях двигателя, а затем расходуется за счет инерции их движения в течение трех указанных тактов. Поэтому все ДВС имеют маховик, который является как бы аккумулятором кинетической энергии. У многоцилиндровых двигателей подготовительные такты в одном цилиндре осуществляются также за счет рабочих ходов в других цилиндрах.

Если изобразить зависимость между давлением газов от объема, занимаемого ими в цилиндре при различных положениях поршня, то получим диаграмму изменения давления газов в цилиндре, называемую индикаторной диаграммой (рис. 34). Такую диаграмму получают при стендовых испытаниях и прикладывают к паспорту двигателя как документ, определяющий его технические характеристики.


Рис. 34. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля.


Рис. 35. Схема наддува: а — механического; б — газотурбинного.

Для повышения мощности современных судовых четырехтактных дизелей применяют наддув, при котором свежий воздух нагнетается в цилиндр двигателя при помощи специального наддувочного насоса (нагнетателя). Существуют два основных способа наддува: механический и газотурбинный, схемы которых представлены на рис. 35. Газотурбинный наддув получил в последнее время преимущественное распространение.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя — как это работает

В числе процессов, характеризующих работу мощных и производительных машин и механизмов, следует отметить рабочий цикл четырехтактного двигателя. Это совокупность процессов, повторяющихся в определенной последовательности, во время которых цилиндр наполняется рабочей смесью, после чего происходит ее сжатие и воспламенение. Газы, образовавшиеся при сгорании, расширяются, а затем – удаляются из цилиндра.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

Такт впуска

Поршень находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125 °С.

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65—0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия

После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан закрывается, а выпускной закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8—1,5 МПа, а температура газов 300— 450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход

В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5—5 МПа, а температура газов 2100—2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3—0,75 МПа, а температура — до 900—1200 °С.

Такт выпуска

Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105—0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750— 900 °С, понижаясь к его концу до 500—600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06—0,12. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Двухтактный двигатель – особенности работы

Весь цикл работы двухтактного двигателя происходит за один оборот коленвала. Это позволяет на выходе получать приблизительно в 1,4-1,8 раз большую мощность, с того же рабочего объема, имея те же самые обороты двигателя. Разумеется, коэффициент полезного действия у таких агрегатов значительно ниже, чем у тех же 4 тактных моделей. Это используется при создании тяжелых и низкооборотных двигателей судов. Здесь они напрямую соединяются с гребным валом. Нашли свое применение такие модели и в мотоциклах.

Это так же приводит к тому, что модели, работающие в 2 такта, очень сильно греются. Здесь выделятся большая тепловая энергия. В некоторых случаях приходится подключать к ним дополнительное охлаждение, чтобы агрегат всегда находился в работоспособном состоянии. Однако, можно выделить и плюс подобной технологии. Ввиду того, что работа поршня ограничивается 2 тактами, он совершает гораздо меньше движений за единицу времени, поэтому потери на трение минимальны. Это напрямую отражается на износе основных рабочих деталях двухтактного двигателя.

Еще одной актуальной проблемой для данной модели является тот факт, что постоянно нужно искать компромисс между потерями свежего заряда и качеством продувки. Да, принцип работы заставляет ведущих инженеров и техников трудится над созданием универсальной системы, которая бы сводила к минимуму потери. 4 тактный двигатель вытесняет отработанные газы в тот момент, когда его поршень находится в верхней мертвой точке. Здесь ситуация коренным образом меняется. Вся отработка вылетает в трубу в тот момент, когда цилиндр практически полностью свободен, то есть этот процесс захватывает его объем полностью. Качество обдува играет в этом очень важную роль.

Именно поэтому не всегда удается разделить свежую рабочую смесь от выхлопных газов. В любом случае они будут смешиваться. Особенно отчетливо такая проблема выделяется у карбюраторных моделей моторов, которые напрямую подают готовое к работе горючее в цилиндр. Естественно, в данном случае стоит говорить о большем количестве используемого воздуха. Отсюда возникает необходимость применения сложных по структуре и составу воздушных фильтров. 4 тактный двигатель обделен этим недостатком.

Принцип работы данной модели двигателя говорит о том, что его применение может быть ограничено ввиду особенностей конструкции и большого количества потерь. Однако от 2 тактов еще никто не отказывается, создавая все больше устройств на его основе. Стоит отметить, что сегодня на рынке представлено множество различных механизмов, которые используют как 4 тактный двигатель внутреннего сгорания, так и двухтактный. Кстати, тот экземпляр, о котором мы решили поговорить сегодня, может иметь не только простейшее строение, в некоторых механизмах используются достаточно сложные его варианты.

Рабочий цикл двухтактного двигателя – достоинства и недостатки

Самое главное преимущество двухтактных двигателей – более высокая, по сравнению с четырехтактными, литровая мощность. Дело здесь в том, что при равном количестве цилиндров и количестве оборотов коленчатого вала в минуту, каждый цилиндр совершает рабочий ход вдвое чаще. При этом, за счет того, что фактический рабочий ход двухтактного двигателя короче (он укорочен за счет процессов газообмена), реально объем двигателя увеличивается на 50-60%.

Не менее важное преимущество – компактность. Благодаря этому качеству двухтактные двигатели нашли широкое применение не только в небольших транспортных средствах наподобие снегоходов, но и в садовой технике, а также инструментах (к примеру, в бензопилах). Кроме того, отсутствие газораспределительного механизма заметно делает конструкцию проще и дешевле в производстве. Есть у двухтактных ДВС и существенные недостатки. Они расходуют больше топлива впустую, так как при открытии выпускного окна в систему выхлопа попадает часть несгоревшей смеси. Система смазки классического двухтактного мотора крайне примитивна – бензин смешивается с маслом заранее, и оба эти вещества попадают в камеру сгорания одновременно. Обусловлено это тем, что организовать масляную ванну в картере невозможно – картер участвует в процессе газообмена.

В результате масло, не пошедшее на смазывания стенок цилиндра, сгорает вместе с топливом. Ресурс двухтактного двигателя также значительно меньше, главным образом, за счет высоких оборотов коленвала. По этой причине в двигателях этого типа применяется только специальное высококачественное масло, разработанное для применения в двухтактных двигателях. Экологические параметры также оставляют желать лучшего: в выхлопе, из-за особенностей газораспределения, содержится большое количество СО и СН.

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

Как работает двигатель внутреннего сгорания — x-engineer.org

Подавляющее большинство автомобилей (легковые и коммерческие), которые продаются сегодня, оснащены двигателями внутреннего сгорания . В этой статье мы расскажем, как работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания .

Двигатель внутреннего сгорания классифицируется как тепловой двигатель . Он называется внутренний , потому что сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри двигателя, в камере сгорания, а некоторые сгоревшие газы являются частью нового цикла сгорания.

В основном двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горящей топливовоздушной смеси в механическую энергию . Он называется 4 такта , потому что для выполнения полного цикла сгорания поршню требуется 4 хода. Полное название двигателя легкового автомобиля: 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания , сокращенно ICE (Двигатель внутреннего сгорания).

Теперь давайте посмотрим, какие компоненты являются основными компонентами ДВС.

Изображение: Детали двигателя внутреннего сгорания (DOHC)

Обозначение:
  1. Распредвал выпускных клапанов
  2. Ковш выпускного клапана
  3. Свеча зажигания
  4. Ковш впускного клапана
  5. Впускной распределительный вал
  6. Выпускной клапан
  7. впускной клапан
  8. головка блока цилиндров
  9. поршень
  10. поршневой палец
  11. шатун
  12. блок цилиндров
  13. коленчатый вал

ВМТ — верхняя мертвая точка

НМТ — нижняя мертвая точка

Головка блока цилиндров (8 ) обычно содержит распределительный вал (ы), клапаны, клапанные лопатки, возвратные пружины клапанов, свечи зажигания / накаливания и форсунки (для двигателей с прямым впрыском).Через головку блока цилиндров протекает охлаждающая жидкость двигателя.

Внутри блока цилиндров (12) мы можем найти поршень, шатун и коленчатый вал. Что касается головки блока цилиндров, то через блок цилиндров течет охлаждающая жидкость, которая помогает контролировать температуру двигателя.

Поршень перемещается внутри цилиндра из НМТ в ВМТ. Камера сгорания — это объем, образованный между поршнем, головкой блока цилиндров и блоком двигателя, когда поршень находится близко к ВМТ.

На Рисунке 1 мы можем рассмотреть полный набор механических компонентов ДВС.Некоторые компоненты неподвижны (например, головка блока цилиндров, блок цилиндров), а некоторые из них движутся. На рисунке ниже мы рассмотрим основную движущуюся часть ДВС, которая преобразует давление газа в цилиндре в механическую силу.

Изображение: Движущиеся части двигателя внутреннего сгорания

Обозначения:

  1. звездочка распределительного вала
  2. поршень
  3. коленчатый вал
  4. шатун
  5. клапан
  6. ковш клапана
  7. распредвал

Вращение синхронизированного вала распределительного вала с вращением коленчатого вала через зубчатый ремень или цепь.Положение впускного и выпускного клапанов должно быть точно синхронизировано с положением поршня, чтобы циклы сгорания проходили соответствующим образом.

Полный цикл двигателя для 4-тактного ДВС имеет следующие фазы (такты):

  1. впуск
  2. сжатие
  3. мощность (расширение)
  4. выпуск

Ход — это движение поршня между двумя мертвыми центры (нижний и верхний).

Теперь, когда мы знаем, какие компоненты ДВС, мы можем изучить, что происходит на каждом такте цикла двигателя.В таблице ниже вы увидите положение поршня в начале каждого хода и подробную информацию о событиях, происходящих в цилиндре.

Такт 1 — ВПУСК

Такт впуска двигателя внутреннего сгорания

В начале такта впуска поршень близок к ВМТ. Впускной клапан открывается, поршень начинает двигаться в сторону НМТ. В цилиндр втягивается воздух (или топливовоздушная смесь).Этот ход называется ВПУСКОМ, потому что в двигатель попадает свежий воздух / смесь. Такт впуска заканчивается, когда поршень находится в НМТ.

Во время такта впуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Ход 2 — СЖАТИЕ

Такт сжатия двигателя внутреннего сгорания

Такт сжатия начинается с поршня при НМТ после завершения такта впуска.Во время такта сжатия оба клапана, впускной и выпускной, закрываются, и поршни движутся в сторону ВМТ. Когда оба клапана закрыты, воздух / смесь сжимаются, достигая максимального давления, когда поршень находится близко к ВМТ.

Прежде, чем поршень достигнет ВМТ (но очень близко к нему), во время такта сжатия:

  • для бензинового двигателя: генерируется искра
  • для дизельных двигателей: впрыскивается топливо

Во время такта сжатия двигатель потребляет энергии (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов) больше, чем такт впуска.

Ход 3 — МОЩНОСТЬ

Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания

Рабочий ход начинается с поршня в ВМТ. Оба клапана, впускной и выпускной, по-прежнему закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в конце такта сжатия, что вызывает значительное повышение давления внутри цилиндра. Давление внутри цилиндра толкает поршень вниз по направлению к НМТ.

Только во время рабочего такта двигатель вырабатывает энергию.

Ход 4 — ВЫПУСК

Такт выпуска двигателя внутреннего сгорания

Такт выпуска начинается с поршня в НМТ после завершения рабочего такта. Во время этого хода выпускной клапан открыт. Движение поршня от НМТ к ВМТ выталкивает большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы.

Во время такта выпуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов).

Как видите, для того, чтобы иметь цикл полного сгорания (двигатель) , поршень должен совершить 4 хода. Это означает, что на один цикл двигателя уходит за два полных оборота коленчатого вала (720 °).

Единственный ход, который производит крутящий момент (энергию), — это рабочий ход , все остальные потребляют энергию.

Линейное движение поршня преобразуется в вращательное движение коленчатого вала через шатун.

Для лучшего понимания мы суммируем исходное положение поршня, положение клапана и баланс энергии для каждого хода.

Порядок хода Название хода Исходное положение поршня Состояние впускного клапана Состояние выпускного клапана Баланс энергии

84

32
TDC Открыто Закрыто Потребляет
2 Сжатие BDC Закрыто Закрыто Потребляет
3 Мощность TDC Закрыто Закрыто Производит
4 Выхлоп BDC Закрыто Открыто Потребляет

На анимации ниже вы можете ясно увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания.Обратите внимание на положение поршня, положение клапана, момент зажигания и последовательность ходов.

Анимация двигателя внутреннего сгорания

В следующих статьях мы более подробно рассмотрим параметры, характеристики и компоненты двигателя внутреннего сгорания. Если у вас есть вопросы или комментарии по поводу этой статьи, используйте форму ниже для публикации.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Проверьте свои знания о двигателях внутреннего сгорания, пройдя тест ниже:

ВИКТОРИНА! (щелкните, чтобы открыть)

Анализ двигателя внутреннего сгорания | Солт-Лейк-Центр города

Специалисты по ремонту автомобилей в компании Master Muffler в Солт-Лейк-Сити помогут изучить ваш автомобиль сверху донизу, внутри и снаружи.

Знаете ли вы, что даже в некоторых электромобилях используются двигатели внутреннего сгорания? Это не только процесс, применяемый в бензиновых и дизельных двигателях. Однако в этой статье мы сосредоточимся на двигателях внутреннего сгорания, работающих на топливе.

Горение означает горение. Это химический процесс смешивания топлива (бензина, дизельного топлива и т. Д.) С воздухом и использования тепловой энергии для приведения в движение других частей двигателя. Вот почему двигатели внутреннего сгорания (ДВС) иногда называют тепловыми двигателями.По сути, двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию в механическую.

Компоненты двигателя внутреннего сгорания:

В вашем двигателе много неподвижных и подвижных частей. Вот краткое изложение того, что используется в двигателях внутреннего сгорания с четырехтактным циклом.

  • Распредвал выпускных клапанов
  • Ковш выпускного клапана
  • Свечи зажигания
  • Ковш впускного клапана
  • Распредвал впускных
  • Выпускной клапан
  • Впускной клапан
  • Фиксированные цилиндры
    • Каждый цилиндр содержит распределительный вал, клапаны, клапанные лопатки, свечи зажигания и форсунки.
  • Поршни
    • При расширении бензина поршень перемещается в цилиндре вверх и вниз.
  • Блок двигателя
    • В нем находятся поршень, шатун и коленчатый вал. Охлаждающая жидкость протекает через блок цилиндров для регулирования температуры.
  • Коленчатый вал
    • Он вращается во время рабочего хода поршня, заставляя колеса автомобиля двигаться.

Имея все эти компоненты двигателя, вы можете понять, почему так важно соблюдать регулярный график ремонта автомобиля; вы не хотите, чтобы в конечном итоге возникла более серьезная проблема, пренебрегая мелкой на раннем этапе.

Четырехтактные двигатели

Мы упоминали, что все это происходит в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. Но что это значит?

«Четырехтактный» означает, сколько раз поршень поворачивает коленчатый вал на два полных оборота, или на 720 градусов. Поршень будет «качать» четыре раза, чтобы завершить процесс преобразования тепловой энергии в механическую. Три из четырех тактов потребляют энергию, в то время как только рабочий ход производит крутящий момент / движение.

Шагов, совершенных за один ход поршня:

  • Впуск
  • Сжатие
  • Горение и рабочий ход
  • Выхлоп

Типы двигателей внутреннего сгорания

В настоящее время в транспортных средствах в основном используются два типа двигателей внутреннего сгорания.

  1. Искровое зажигание (для автомобилей с бензиновым двигателем)
  2. Компрессионное зажигание (для автомобилей с дизельным двигателем)

Специалисты по ремонту автомобилей Master Muffler’s Salt Lake City предлагают услуги для любого типа двигателей внутреннего сгорания.

Процесс искрового зажигания

Если вы ведете автомобиль, работающий на бензине, вот как работает процесс искрового зажигания.

  • Во время процесса впуска клапан в верхней части цилиндра открывается для всасывания топливно-воздушной смеси.
  • Затем поршень сжимает эту смесь топлива и воздуха в цилиндре, и в это время ее зажигает искра. Впускной и выпускной клапаны в это время закрыты, что усиливает сжатие.
  • Как только искра вызывает горение, газы толкают поршень в рабочем такте.
  • Рабочий ход происходит при закрытых впускных и выпускных клапанах; давление в цилиндре увеличивается, продолжая толкать поршень вниз. Именно во время этого хода двигатель вырабатывает энергию.
  • Во время такта выпуска выпускной клапан открывается. Выхлопные газы выводятся из цилиндра в трубы выхлопной системы. Во время этой части процесса двигатель использует произведенную энергию (т. Е. Коленчатый вал вращается за счет энергии, создаваемой во время рабочего такта).

Процесс воспламенения от сжатия

  • На впуске воздух без топлива попадает в цилиндры двигателя.
  • Воздух сжимается поршнем, а затем добавляется дизельное топливо.Это вызывает воспламенение и механическую энергию, необходимую для вращения коленчатого вала.
  • Как и в случае с газовым двигателем, в дизельном двигателе происходит отвод выхлопных газов.

Дизельный двигатель выполняет этот процесс немного эффективнее, чем газовый двигатель; он может проделать всю эту работу и получить на 20% больше при том же количестве топлива.

Обслуживание двигателя внутреннего сгорания

Знаете ли вы, что когда двигатель проезжает 100 000 миль, он совершает более 300 миллионов оборотов? Это требует больших усилий от ваших поршней, и при регулярном техническом обслуживании вы можете продолжать путь на многие мили вперед.Наша бригада по ремонту автомобилей в Солт-Лейк-Сити рекомендует следующее плановое обслуживание для оптимальной работы двигателя.

  • Соблюдайте график регулярной замены масла, чтобы цилиндры работали бесперебойно. Слишком долгий перерыв между изменениями создает скопление, из-за чего все движущиеся части затрудняются делать именно это — движение!
  • Регулярно меняйте топливный фильтр. Двигателю для работы необходим воздух, поэтому убедитесь, что всасываемый воздух чистый.
  • Используйте для своего автомобиля топливо с правильным октановым числом.В руководстве пользователя указано, какое октановое число использовать, и вы должны его придерживаться. Ваш двигатель прошел испытания, чтобы показать, какое октановое число работает наиболее эффективно, то есть какой тип топлива сгорает именно в тот момент, для которого оно предназначено. Если у вашего двигателя высокая степень сжатия, вам понадобится топливо с более высоким октановым числом.
    • Октановое число бензина
      • 85: разработан для использования в высокогорных районах США и транспортных средств с карбюраторными двигателями
      • 87: обычный
      • 88-90: средний
      • 91-94: премиум

Не ждите, пока загорится индикатор проверки двигателя, чтобы запланировать плановое техническое обслуживание.Устранение неполадок, связанных с ремонтом автомобилей, намного проще, прежде чем проблема станет слишком большой. Если вы подозреваете, что у вас возникла проблема, позвоните нам или посетите нас. Мы всегда рады помочь.

Что такое четыре штриха?

С момента изобретения автомобиля в большинстве автомобилей используется четырехтактный бензиновый двигатель под капотом. Это гениальное изобретение, также называемое двигателем внутреннего сгорания, использует естественные силы и энергию для преобразования отдельных элементов, таких как топливо, воздух, искра и давление, в мощное движение, в конечном итоге способное привести в движение весь автомобиль.Внутренняя работа — это блестяще поставленный танец, в котором каждое произведение играет неотъемлемую роль в самой системе, но в то же время движется ею. Полное объяснение — это нечто большее, чем можно здесь дать, но полезно понимать основы.

Настройка

Процессом управляют два вала, синхронизированные для совместной работы: коленчатый вал внизу и распределительный вал меньшего размера вверху. Оба вращаются в фиксированных точках на обоих концах вала, но каждый использует конструкцию со смещением выступов или противовесов, которые преобразуют фиксированное вращательное движение вала в линейное движение вверх и вниз компонентов, соединенных перпендикулярно.Коленчатый вал перемещает тяжелые поршни прямо вверх и вниз, в то время как распределительный вал управляет двумя клапанами (иногда больше) на каждый поршень, открытыми и закрытыми. Четырехтактный двигатель относится к каждому отдельному ходу, производимому одним поршнем. Хотя может показаться, что поршень совершает только два движения — вверх и вниз, — гораздо больше происходит с положением клапанов и в самом процессе в целом.

1. Впуск

Поршень начинается в «верхней мертвой точке» с небольшим пространством между ним и двумя клапанами.Это пространство называется камерой. При первом такте впускной клапан открывается, когда поршень движется вниз, всасывая воздух и топливо в расширяющуюся камеру через открытый клапан. Впитываемая топливно-воздушная смесь уже оптимизирована двигателем, чтобы производить как можно меньше отходов, а в дальнейшем обеспечивать максимальную выходную мощность.

2. Сжатие

По мере вращения смещенного коленчатого вала поршень толкается обратно к клапанам, которые теперь закрыты, создавая при этом давление и нагреваясь.Некуда деваться, воздух и топливо сжаты. Это увеличивает их реактивность и способность воспламеняться, подготавливая их к следующему шагу.

3. Сгорание

Когда поршень снова оказывается наверху, синхронизированная искра воспламеняет летучую смесь, и управляемый взрыв отправляет поршень обратно вниз с большой силой. Во время этого этапа оба клапана остаются закрытыми, и содержимое камеры подвергается химической реакции, делая их инертными и превращая их в выхлопные газы.На этом этапе двигатель получает свою мощность. Взрыв толкает поршень вниз с такой силой, что коленчатый вал крутится и снова «отскакивает» вверх. Автомобильные двигатели имеют несколько поршней в ряд, настроенных для сгорания в разное время, поэтому мини-взрывы создают ощущение сбалансированности, которое приводит в движение коленчатый вал без особых толчков.

4. Выхлоп

В этот момент выпускной клапан открывается, и поршень направляется вверх, выталкивая все «использованные» газы в выхлопную систему без повышения давления.После этого поршень снова оказывается в верхней мертвой точке, выпускной клапан закрывается, впускной клапан открывается, и процесс начинается снова. Поскольку процедура обеспечивает прямую связь между тем, что происходит в двигателе, и тем, что выходит из выхлопной трубы, можно диагностировать некоторые проблемы двигателя по цвету выделяемого дыма.

Понимание того, как работает ваш автомобиль, может сделать сигнальную лампу или поездку к механику немного менее стрессовыми.

Ознакомьтесь со всеми деталями двигателя, доступными на NAPA Online, или доверьтесь одному из наших 17 000 пунктов обслуживания AutoCare NAPA для текущего обслуживания и ремонта.Чтобы получить дополнительную информацию о двигателе внутреннего сгорания, поговорите со знающим экспертом в местном магазине NAPA AUTO PARTS.

Фото любезно предоставлено Flickr.

Как на самом деле работает двигатель внутреннего сгорания?

Ежегодно около 222 миллионов человек в Соединенных Штатах водят самые разные автомобили. Почти все эти автомобили оснащены двигателем внутреннего сгорания. Однако недавний опрос AA показал, что только 10% водителей действительно могут описать в общих чертах, как работает двигатель внутреннего сгорания.

Если вы только что осознали, что не входите в число этих 10%, не волнуйтесь, мы составили краткое описание удивительного процесса, с помощью которого ваша машина действительно движется.

Основы

Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя.

Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу.Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. В конечном счете, это движение приводит в движение колеса автомобиля через систему шестерен трансмиссии.

Различные типы двигателей внутреннего сгорания

Двумя наиболее распространенными типами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Эти двигатели специально разработаны для работы как с бензином, так и с дизельным двигателем, поэтому использование неправильного топлива в вашем автомобиле может привести к значительному повреждению двигателя.

В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода.

В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

Большинство двигателей внутреннего сгорания представляют собой четырехтактные двигатели, что означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня. Цикл двигателя состоит из четырех различных процессов. Это впуск, сжатие, сгорание, рабочий такт и выпуск.

Разработка двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания стал результатом ряда постепенных изменений в установленных патентах, а не одним значительным усовершенствованием. Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года.

Эксперименты Ленуара с электричеством привели его к разработке первого двигателя внутреннего сгорания, который сжигал смесь угольного газа и воздуха, воспламеняемую системой зажигания «прыгающей искрой» катушки Румкорфа.

То, что мы можем считать первым современным двигателем внутреннего сгорания, было создано в 1876 году Николаусом Отто. Двигатель Отто — это большой стационарный одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Двигатели изначально использовались для стационарных установок, поскольку Отто не интересовался транспортом, и в конечном итоге были разработаны для транспортных средств Готтлибом Даймлером.

Отто фактически основал свой двигатель на коммерческом двигателе внутреннего сгорания на жидком топливе 1872 года, изобретенном американцем Джорджем Брайтоном.

В то время как двигатели внутреннего сгорания чаще всего ассоциируются с транспортными средствами, термин двигатель внутреннего сгорания также может применяться к пушкам, ракетам или вообще ко всему, что использует мощность взрыва для генерирования энергии или импульса.

В последние годы преобладанию бензина и дизельного топлива в качестве основного топлива для двигателей транспортных средств бросили вызов более экологичные виды топлива, такие как биодизель, биоэтанол, водород и этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ).Многие производители автомобилей также производят гибридные автомобили, которые работают на смеси традиционного топлива и электроэнергии, или, в случае таких компаний, как Tesla, полностью электрические автомобили

.

Научитесь водить машину в Неваде сегодня!

Северо-западная автошкола и школа дорожного движения предоставляют жителям Лас-Вегаса уроки вождения и дорожного движения под руководством опытных инструкторов. Все наши инструкторы по вождению прошли проверку биографических данных. Каждый автомобиль одобрен DMV по безопасности, и каждый член семьи Northwest стремится предоставить отличные инструкции для водителей и за рулем.

На Северо-Западе вы можете рассчитывать найти выдающиеся классы, как в кампусе, так и за рулем, которые увлекательны, наполнены фактами, занимательны и нацелены на успех.

Мы не скрываем этого, мы уверены, что Northwest предлагает лучшие уроки вождения в Лас-Вегасе, независимо от вашего возраста и происхождения. Мы гордимся тем, что 98% наших студентов сдают экзамен с первой попытки. Позвоните нам по телефону (702) 403-1592 , чтобы начать свое приключение с одним из наших опытных инструкторов.

Автор:

Рич Генрих

Мастер-инструктор, заслуженный

Изучите автомобильную инженерию у инженеров-автомобилестроителей

4-тактный принцип

В 4-тактном двигателе ход поршня (движение от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке или наоборот) необходимы для завершения рабочего цикла.

Такт впуска (от ВМТ до НМТ): свежая смесь в двигателе SI (искровое зажигание) или свежий воздух в дизельном двигателе всасывается в цилиндр через впускные клапаны, которые могут открываться с небольшим опережением до ВМТ и могут закрываться с некоторой задержкой после BDC, чтобы максимизировать введенную массу.

Такт сжатия (от НМТ до ВМТ): свежая смесь в двигателе SI или свежий воздух в дизельном двигателе сжимается при закрытых всех клапанах. Ближе к концу такта сжатия сгорание инициируется посредством искрового зажигания (двигатель с искровым зажиганием) или впрыска топлива (дизельный двигатель).

Рабочий ход (от ВМТ до НМТ): горячие сгоревшие газы расширяются, толкая поршень вниз и прикладывая к нему работу, которая в пять (или более) раз превышает работу, прилагаемую поршнем во время такта сжатия.Ближе к концу рабочего такта выпускные клапаны могут начать открываться, и часть сгоревших газов выбрасывается из цилиндра благодаря перепаду давления.

Такт выпуска (от НМТ до ВМТ): поршень удаляет оставшиеся сгоревшие газы. Ближе к концу такта выпуска впускные клапаны могут открываться, а вскоре после ВМТ выпускной клапан может закрываться, это называется перекрытием. После этого можно начинать новый цикл.

Хотя цикл завершается 4 ходами при 2 оборотах кривошипа, можно выделить 6 рабочих фаз, поскольку во время одного хода могут происходить разные фазы:

  • Впуск
  • Сжатие
  • Горение
  • Расширение
  • Выхлоп (продувка)
  • Выхлоп (смещение)

Следует отметить, что требуется 2 рабочих фазы для замены сгоревших газов свежей смесью.

2-тактный принцип

В 2-тактном двигателе полный рабочий цикл требует всего лишь двух ходов поршня (т.е. 1 оборот коленчатого вала).

Чтобы получить более высокую выходную мощность, два хода, используемые для газообмена, подавляются и заменяются процессом продувки. Процесс продувки определяется вытеснением сгоревших газов, когда поршень приближается к концу рабочего такта, посредством свежего заряда, находящегося под давлением.

В простейшей конструкции давление свежего заряда создается за счет самого картера, объем которого изменяется в зависимости от объема цилиндра, так что минимальный объем картера (а затем максимальное давление) достигается, когда поршень находится в положении НМТ в главном цилиндре.

Возможна более компактная конструкция по сравнению с 4-тактным двигателем, поскольку впускные и выпускные клапаны могут быть заменены портами (отверстиями) в гильзе цилиндра, открытием и закрытием которых можно управлять непосредственно движением поршня.

Два хода следующие:

Ход сжатия : после закрытия впускного и выпускного отверстий поршень сжимает заряд цилиндра (в то же время объем в картере увеличивается, втягивая свежий заряд в картер за счет нажатия) . Ближе к концу такта сжатия сгорание инициируется искровым зажиганием (двигатель SI) или впрыском топлива (дизельный двигатель).

Рабочий ход : горячие сгоревшие газы расширяются, толкая поршень вниз.Ближе к концу этого хода выпускное отверстие открывается, и часть отработавших газов удаляется из цилиндра благодаря разнице давлений. После этого отверстия для продувки открываются, и свежий заряд под давлением выводит сгоревшие газы, так что новый цикл может начаться снова после того, как поршень достигнет НМТ.

Опять же, что касается 4-тактного двигателя, во время 2-тактного двигателя происходит 6 различных фаз:

  • Уборка
  • Впуск
  • Сжатие
  • Горение
  • Расширение
  • Продувка

Однако для достижения такого цикла необходим клапан с регулируемым давлением на продувочном отверстии.Если используются простые отверстия в стенках цилиндра, край впускного отверстия должен находиться ниже, чем выпускной канал, чтобы обеспечить фазу продувки. Это могло бы вызвать короткое замыкание части индуцированного свежего заряда в начале такта сжатия, поскольку выпускное отверстие остается открытым в течение некоторого времени после закрытия впускного отверстия.

Процесс продувки представляет собой ахилловую пяту двухтактного двигателя, поскольку в его простейшей компоновке с простыми отверстиями в стенках цилиндра часть свежего заряда будет течь непосредственно в выхлопное отверстие, вызывает высокий расход топлива и выбросы углеводородов в SI. двигатель.

По этим причинам в использование 2-тактных двигателей SI было ограничено вспомогательными двигателями малой мощности (такими как газонокосилки, пильные цепи, подвесные двигатели для движения лодок …), где недостатки считались приемлемыми из-за высокая простота, низкая стоимость и высокая удельная мощность этих двигателей.

2-тактные двигатели также используются для больших дизелей для морских и стационарных применений (внутренний диаметр около 1 метра), где они обычно предпочтительнее 4-тактных двигателей из-за чрезмерно высоких термомеханических напряжений, которые должны выдерживать клапаны (напряжение увеличивается с увеличением диаметра клапана. , который пропорционален диаметру цилиндра).

В настоящее время нет примеров применения двухтактных двигателей в автомобильной сфере.

Romain Nicolas отзыв:

Базовые 2-тактные и 4-тактные двигатели имеют почти противоположные характеристики. Тем не менее, некоторые исследования продолжаются, чтобы использовать преимущества одного типа и применить его к другому типу двигателя, например, с прямым впрыском для двухтактного двигателя. Считаете ли вы, что 2-тактные двигатели появятся в автомобильной промышленности для нетрадиционных нужд, таких как расширитель диапазона для серийных гибридов? Как вы думаете, будут ли устранены недостатки двухтактных двигателей, чтобы они заняли место в сегодняшнем двигателе внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания | Энциклопедия.com

Принципы

Структура двигателя внутреннего сгорания

Ресурсы

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

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

Горение — это сжигание топлива. Когда топливо сгорает, оно выделяет энергию в виде тепла, которое вызывает расширение газа. Это расширение может быть быстрым и мощным. Сила и движение расширения газа могут быть использованы для толкания объекта. Взболтать банку с газировкой — это способ увидеть, что происходит, когда газ расширяется. Встряхивающее движение вызывает реакцию углекислого газа — шипение газировки, — которое при открытии банки выталкивает газированную жидкость из банки через отверстие.

Однако простое сжигание топлива не очень полезно для создания движения. Например, зажигание спички сжигает кислород в воздухе вокруг нее, но поднимаемое тепло теряется во всех направлениях и, следовательно, дает очень слабый толчок. Чтобы расширение газа, вызванное сгоранием, было полезным, оно должно происходить в ограниченном пространстве. Это пространство может направлять или направлять движение расширения; он также может увеличить свою силу.

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

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

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

Самыми основными компонентами двигателя внутреннего сгорания являются цилиндр, поршень и коленчатый вал.К ним прикреплены другие компоненты, которые увеличивают эффективность возвратно-поступательного движения и преобразуют это движение во вращательное движение коленчатого вала. Топливо должно поступать в цилиндр, а выхлоп, образованный взрывом топлива, должен обеспечивать выход из цилиндра. Также должно производиться зажигание или зажигание топлива. В поршневом двигателе внутреннего сгорания это делается одним из двух способов.

Дизельные двигатели также называют двигателями сжатия, поскольку они используют сжатие для самовоспламенения топлива.Воздух сжимается, то есть выталкивается в небольшое пространство цилиндра. Сжатие вызывает нагревание воздуха; когда топливо попадает в горячий сжатый воздух, топливо взрывается. Давление, создаваемое сжатием, требует, чтобы дизельные двигатели были более прочными и, следовательно, тяжелее, чем бензиновые двигатели, но они более мощные и требуют менее дорогостоящего топлива. Дизельные двигатели обычно используются в больших транспортных средствах, таких как грузовики и тяжелая строительная техника, или в стационарных машинах, но в 2000-х годах они находят свое применение в автомобилях, поскольку технологии совершенствуются и возникает потребность в менее дорогих видах топлива.

Бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием, потому что они зависят от искры электричества, вызывающей взрыв топлива в цилиндре. Газовый двигатель легче дизельного двигателя и требует более очищенного топлива (следовательно, более дорогостоящего).

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

Аналогичная конструкция приводит в движение велосипед. При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека похожа на поршень. От колена до ступни нога действует как шатун, который прикрепляется к коленчатому валу с помощью кривошипа или педального узла велосипеда.Когда сила прикладывается к верхней части ноги, эти части начинают двигаться. Возвратно-поступательное движение голени преобразуется во вращательное или вращательное движение коленчатого вала.

Обратите внимание, что при езде на велосипеде нога делает два движения, одно вниз и одно вверх, чтобы завершить цикл вращения педалей. Это так называемые удары. Поскольку двигатель также должен всасывать топливо и снова выпускать топливо, большинство двигателей используют четыре хода для каждого цикла, который совершает поршень. Первый ход начинается, когда поршень оказывается в верхней части цилиндра, называемой головкой цилиндра.При опускании вниз в цилиндре создается вакуум. Это потому, что поршень и цилиндр образуют герметичное пространство. Когда поршень опускается, пространство между ним и головкой блока цилиндров увеличивается, а количество воздуха остается прежним. Этот вакуум помогает подавать топливо в цилиндр, подобно действию легких. Поэтому этот ход называется тактом впуска.

Следующий ход, называемый тактом сжатия, происходит, когда поршень снова подталкивается вверх внутри цилиндра, сжимая или сжимая топливо в более тесное и тесное пространство.Сжатие топлива в верхней части цилиндра вызывает нагревание воздуха, что также нагревает топливо. Сжатие топлива также облегчает воспламенение и делает взрыв более мощным. У расширяющихся газов взрыва меньше места, а это означает, что они будут сильнее давить на поршень, чтобы уйти.

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания может иметь от одного до двенадцати или более цилиндров, которые действуют вместе в точно рассчитанной по времени последовательности для приведения в движение коленчатого вала.Велосипедиста на велосипеде можно описать как двухцилиндровый двигатель, в котором каждая нога помогает другой, создавая мощность для управления велосипедом и подтягивая друг друга в цикле движений. Автомобили обычно имеют четырех-, шести- или восьмицилиндровые двигатели, хотя также доступны двух- и двенадцатицилиндровые двигатели. Количество цилиндров влияет на рабочий объем двигателя; то есть общий объем топлива, прошедшего через цилиндры. Больший рабочий объем позволяет сжигать больше топлива, создавая больше энергии для привода коленчатого вала.

Искра попадает через свечу зажигания, расположенную в головке блока цилиндров. Искра вызывает взрыв бензина. Свечи зажигания содержат два металлических конца, называемых электродами, которые входят в цилиндр. У каждого цилиндра своя свеча зажигания. Когда электрический ток проходит через свечу зажигания, ток переходит от одного электрода к другому, создавая искру.

Этот электрический ток возникает в батарее. Однако ток батареи недостаточно силен, чтобы вызвать искру, необходимую для воспламенения топлива.Поэтому он пропускается через трансформатор, который значительно увеличивает его напряжение или силу. Затем ток можно направить на свечу зажигания.

Однако в случае двигателя с двумя или более цилиндрами искра должна направляться в каждый цилиндр по очереди. Последовательность срабатывания цилиндров должна быть рассчитана так, чтобы, пока один поршень находился в рабочем такте, другой поршень находился в такте сжатия. Таким образом, сила, действующая на коленчатый вал, может поддерживаться постоянной, что позволяет двигателю работать плавно.Количество цилиндров влияет на плавность работы двигателя; чем больше цилиндров, тем постояннее усилие на коленчатом валу и тем плавнее будет работать двигатель.

Время срабатывания цилиндров регулируется распределителем. Когда ток поступает в распределитель, он направляется к свечам зажигания через провода, по одному на каждую свечу зажигания. Механические распределители — это, по сути, вращающиеся роторы, которые по очереди пропускают ток в каждый провод. Электронные системы зажигания используют компьютерные компоненты для выполнения этой задачи.

В самых маленьких двигателях используется аккумулятор, который при разряде просто заменяется. Однако в большинстве двигателей предусмотрена возможность перезарядки аккумулятора, используя движение вращающегося коленчатого вала для выработки тока обратно в аккумулятор.

Поршень или поршни толкают коленчатый вал вниз и вверх, вызывая его вращение. Это преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала возможно, потому что для каждого поршня коленчатый вал имеет кривошип, то есть секцию, расположенную под углом к ​​движению вверх-вниз.На коленчатом валу с двумя или более цилиндрами эти кривошипы также установлены под углом друг к другу, что позволяет им действовать согласованно. Когда один поршень толкает кривошип вниз, второй кривошип толкает его поршень вверх.

Большое металлическое колесо, похожее на маховик, прикреплено к одному концу коленчатого вала. Он поддерживает постоянное движение коленчатого вала. Это необходимо в четырехтактном двигателе, поскольку поршни совершают рабочий ход только один раз на каждые четыре хода.Маховик обеспечивает импульс, переносящий коленчатый вал во время его движения, пока он не получит следующий рабочий ход. Это достигается за счет инерции, то есть принципа, согласно которому движущийся объект стремится оставаться в движении. Как только маховик приводится в движение поворотом коленчатого вала, он продолжает двигаться и вращать коленчатый вал. Однако чем больше цилиндров у двигателя, тем меньше ему нужно будет полагаться на движение маховика, потому что большее количество поршней будет поддерживать вращение коленчатого вала.

После того, как коленчатый вал вращается, его движение можно адаптировать для самых разных целей путем присоединения шестерен, ремней или других устройств. Колеса можно заставить вращаться, пропеллеры можно заставить вращаться, или двигатель можно использовать просто для выработки электроэнергии. К коленчатому валу также прикреплен дополнительный вал, называемый распределительным валом, который открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра в последовательности с четырехтактным циклом поршней. Кулачок — это колесо, имеющее форму яйца, с длинным и коротким концом.К распределительному валу крепится несколько кулачков в зависимости от количества цилиндров двигателя. Сверху кулачков установлены толкатели, по два на каждый цилиндр, которые открывают и закрывают клапаны. Когда распределительный вал вращается, короткие концы позволяют толкателям отклоняться от клапана, заставляя клапан открываться; длинные концы кулачков толкают стержни назад к клапану, снова закрывая его. В некоторых двигателях, называемых двигателями с верхним расположением кулачка, распределительный вал опирается непосредственно на клапаны, что устраняет необходимость в узле толкателя.Двухтактные двигатели, поскольку впуск и выпуск достигаются за счет движения поршня над портами или отверстиями в стенке цилиндра, не требуют распределительного вала.

Коленчатый вал может приводить в действие еще два компонента: системы охлаждения и смазки. Взрыв топлива создает сильное тепло, которое быстро приведет к перегреву двигателя и даже к расплавлению, если он не будет должным образом рассеян или отведен. Охлаждение достигается двумя способами: через систему охлаждения и, в меньшей степени, через систему смазки.

Есть два типа систем охлаждения. В системе жидкостного охлаждения используется вода, которая часто смешивается с антифризом для предотвращения замерзания. Антифриз снижает температуру замерзания, а также повышает температуру кипения воды. Вода, которая очень хорошо собирает тепло, перекачивается вокруг двигателя через ряд каналов, содержащихся в рубашке. Затем вода циркулирует в радиаторе, который состоит из множества трубок и тонких металлических пластин, увеличивающих площадь поверхности воды. Вентилятор, прикрепленный к радиатору, пропускает воздух по трубке, дополнительно снижая температуру воды.И насос, и вентилятор приводятся в действие движением коленчатого вала.

В системах с воздушным охлаждением для отвода тепла от двигателя используется воздух, а не вода. В большинстве мотоциклов, многих небольших самолетов и других машин, движение которых создает сильный ветер, используются системы воздушного охлаждения. В них металлические ребра прикреплены к цилиндрам снаружи, создавая большую площадь поверхности; когда воздух проходит через ребра, тепло, передаваемое к металлическим ребрам от цилиндра, уносится воздухом.

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

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

Инерция — Тенденция движущегося объекта оставаться в движении, а тенденция покоящегося объекта оставаться в покое.

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

Вращательное движение — Движение, при котором объект вращается.

через двигатель также помогает отводить часть выделяемого тепла.

Коленчатый вал в нижней части двигателя упирается в картер. Он может быть заполнен маслом, или отдельный масляный поддон под картером служит резервуаром для масла. Насос подает масло по каналам и отверстиям к различным частям двигателя. Поршень также оснащен резиновыми маслосъемными кольцами в дополнение к компрессионным кольцам для перемещения масла вверх и вниз по внутренней части цилиндра.В двухтактных двигателях масло используется в составе топливной смеси, что обеспечивает смазку двигателя и устраняет необходимость в отдельной системе.

КНИГИ

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

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

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

M. L. Cohen

The Gale Encyclopedia of Science Cohen, M.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Внутренний Двигатель внутреннего сгорания

Автор Рошель Форрестер

Все права защищены

Публикация Дата 2006 г.

Вернуться на главную страницу

Пар Двигатель был двигателем внешнего сгорания, поскольку топливо сжигалось вне двигателя.Первый двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо сжигается внутри цилиндра, чтобы заставить поршень двигаться был изобретен в 1856 году итальянцами Барсанти и Маттеуччи. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания был таким же, как и у двигателя внутреннего сгорания. что за паровой машиной, а именно поршень, приводимый в движение альтернативным фазы расширения газа и вакуума. Первый двигатель внутреннего сгорания, который будет в значительных количествах был произведен газовый двигатель, построенный бельгийцем Ленуаром в 1860. Двигателю не хватало мощности, и он потреблял значительное количество топлива. потому что топливно-воздушная смесь не была сжата перед воспламенением.В 1862 г. Французский инженер Рокас запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. в котором происходит сжатие топливовоздушной смеси. Однако двигатель был никогда не строился, и в 1876 году четырехтактный двигатель был независимо изобретен Отто. Двигатель Отто производил больше мощности и потреблял значительно меньше топлива. чем двигатель Ленуара.

Четырехтактный двигатель работал за счет первого хода поршня вниз, всасывающего топливо и смесь воздуха в цилиндр через открытый впускной клапан.Нисходящий поршень создает частичный вакуум в цилиндре и клапан в цилиндре закрывается, и поршень поднимается, сжимая топливно-воздушную смесь. Микстура затем воспламеняется, вызывая третий ход, когда поршень движется вниз. Это это третий ход, придающий двигателю мощность. Происходит четвертый удар когда выпускной клапан открыт и поднимающийся поршень нагнетает выхлопные газы из баллона.

В 1883 г. Готлиб Даймлер, который ранее работал с Отто, разработал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине или бензине.Двигатель работал быстрее, чем Ottos, так что он производил больше мощности для веса двигателя. Карбюратор использовался для пропускания воздуха над бензином и смешивания паров бензина. и воздух, который воспламенился, чтобы заставить поршень опуститься в третьем такте. Дальше усовершенствования Карла Бенца включали электрическую индукционную катушку для зажигания топливная смесь.

Эффект двигатель внутреннего сгорания в обществе был огромен. Его главное преимущество перед паровой двигатель имел отношение веса к мощности.В 1880 году газ Отто двигатель внутреннего сгорания весил 440 фунтов на единицу произведенной лошадиных сил; к 1900 году бензиновый двигатель внутреннего сгорания весил всего 9 фунтов на единицу лошадиных сил. Соотношение веса и мощности позволяло использовать двигатель для движения автомобили, самолеты, тракторы, подводные лодки и танки. В течение 20-го века автотранспортные средства должны были заменить железные дороги в качестве основного средства передвижения по суше. транспорт. Городская и сельская среда стран первого мира должна была быть пересекается дорогами, автомагистралями и автомагистралями, построенными специально для автомобильных автомобили с двигателем внутреннего сгорания.Обычные граждане страны первого мира наслаждались новой свободой передвижения, которой у них не было раньше одержимый. Самолет значительно улучшил характеристики и безопасность в течение 20 века. Они стали новым оружием войны, но они также помогли ускорить огромный рост международного туризма, который должен был произойти в вторая половина 20 века. Значительно повысилась продуктивность сельского хозяйства с разработкой трактора и другой сельхозтехники с приводом от двигатель внутреннего сгорания.Развитие двигателя дало и масло производящие страны богатство и влияние в мировых делах, которое они имели ранее не владели. Эти социальные и культурные последствия двигатели внутреннего сгорания были неизбежным результатом изобретения двигатель и двигатель были изобретены только после того, как некоторые более ранние открытия были сделаны.

Необходимые шаги в изобретении двигателя внутреннего сгорания последовало логическое и необходимый порядок. Первым шагом было изобретение двигателя. Барсанти и Маттуччи и его развитие Ленуаром.Только после того, как двигатель был изобретено было возможно разработать лучший способ работы двигателя, который это четырехтактная система, изобретенная Роша и Отто. В использование бензина в двигателе зависело от более ранних разработок бурение на нефть, начатое в Соединенных Штатах в 1850-х годах, и методы переработки сырой нефти дистилляцией или термическим крекингом, который был разработан в 1860-е гг.

Внутренний двигатель внутреннего сгорания мог быть изобретен только из-за определенных свойств газов и пылесосы.При нагревании газы расширяются, и поршень будет двигаться, чтобы уменьшить вакуум — это свойства газов и вакуума, которые позволили изобрести двигатель внутреннего сгорания. Если бы газы и вакуум не обладали этими свойствами, двигатель внутреннего сгорания не мог быть изобретен. Еще одно требование для двигателя внутреннего сгорания — подходящее топливо, которое существует в природе в форма нефтяных отложений. Это показывает, как свойства материалов в природа оказала большое влияние на социальную и культурную историю человечества.

Вернуться на главную страницу

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *