Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

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

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
• карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;

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

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

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

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

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

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

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

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

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

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

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

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

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

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

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

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

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

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

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

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

Система зажигания ДВС

— Впускная система

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

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

— Топливная система

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

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

Схема топливной системы ДВС

— Система смазки

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

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

— Выхлопная система

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

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

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

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

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

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

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

Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Обрати внимание!

Двигатель внутреннего сгорания — распространённый вид теплового двигателя, который работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или горючем газе.

 

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень \( 3\), соединённый при помощи шатуна \(4\) с коленчатым валом \(5\).

 

Два клапана, впускной \(1\) и выпускной \(2\), при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты.

 

Через клапан \(1\) в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется при помощи свечи \(6\), а через клапан \(2\) выпускаются отработавшие газы.

 

Топливо в нём сгорает прямо в цилинде.

 

 

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками.

 

Расстояние, проходимое поршнем между мёртвыми точками, называют ходом поршня.

 

Такие двигатели называют четырёхтактными, т.к. рабочий цикл происходит за четыре хода или такта: впуск (а), сжатие (б), рабочий ход (в) и выпуск (г).

 

 

1 такт (впуск) — при такте впуска поршень от верхней мёртвой точки перемещается к нижней мёртвой точке. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Т.е. поршень всасывает горючую смесь.

 

 

2 такт (сжатие) — при такте сжатия поршень от нижней мёртвой точки перемещается к верхней мёртвой точке. Поршень движется вверх. Оба клапана плотно закрыты, и поэтому рабочая смесь сжимается. При сжатии температура смеси и давление повышаются. 

 

3 такт (рабочий ход) —  рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. А т.к. впускной и выпускной клапаны всё ещё закрыты, то расширяющимся газам остаётся только один единственный выход — давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления начинает перемещаться к нижней мёртвой точке, создаётся крутящий момент.  

 

 

4 такт (выпуск) — при движении поршня от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан (впускной всё ещё закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.

 

 

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, всё повторяется.

Для того чтобы вращение вала было более равномерным, двигатель обычно делают многоцилиндровым: 2-, 3-, 4-, 6-, 8-цилиндровым и т.д.

Источники:

http://webmyoffice.ru/media/files/99/dvigatel-moto-2.jpg

http://usauto.ucoz.ru/news/bilet_6/2011-04-26-4

http://autooboz.info/wp-content/uploads/2007/09/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-3.jpg

Рабочий цикл четырехтактного и двухтактного двигателей: описание и принцип работы

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Мертвые точки и ход поршня ДВС

Существуют две мертвые точки:

• Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
• Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

• цилиндр;
• поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
• клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
• клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
• свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
• коленчатый вал;
• распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
• ременной или цепной привод;
• кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

1. Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
2. Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
3. Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
4. Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.

В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.

Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

В данной статье мы расскажем об устройстве двигателя, его компонентах, о том, как они работают вместе, какие могут возникнуть неполадки и как увеличить производительность.

 
Содержание статьи
 

1. Введение
2. Внутреннее сгорание
3. Устройство двигателя
4. Неполадки двигателя
5. Клапанный механизм и система зажигания двигателя
6. Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя
7. Читайте также » Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя
8. Увеличение мощности двигателя
9. Часто задаваемые вопросы по двигателям
10. Чем 4-цилиндровый двигатель отличается от V-образного шестицилиндрового двигателя?
11. Узнать больше
12. Читайте также Статьи про все типы двигателей

 
 
Бензиновый автомобильный двигатель предназначен для преобразования энергии бензинового топлива для движения автомобиля. В настоящий момент самым простым способом привести автомобиль в движение является сгорание бензина в двигателе. В связи с тем, что двигатель автомобиля является двигателем внутреннего сгорания, сгорание топлива происходит внутри двигателя.
 
На заметку:
 

• Существуют различные типы двигателей внутреннего сгорания. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
• Также существуют и двигатели внешнего сгорания. Паровые двигатели в поездах старого образца и пароходах являются наглядным примером двигателей внешнего сгорания. В паровых двигателях топливо (уголь, дрова, масло и т.д.) сгорает вне двигателя для получения пара, который уже приводит двигатель в движение. Внутреннее сгорание является более эффективным (расход топлива на 1км значительно ниже) чем внешнее сгорание, помимо этого размеры двигателей внутреннего сгорания намного меньше двигателей внешнего сгорания. Именно поэтому нам не встречаются автомобили Ford или GM на паровых двигателях.

 
Внутреннее сгорание
 
Принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания: Если поместить небольшой объем высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшой закрытый сосуд и воспламенить, то в результате высвободится огромное количество энергии в виде расширяющегося газа. Этой энергии хватит для запуска картофелины на 1510м. В данном случае энергия используется для движения картофелины. Данную энергию можно использовать в более интересных целях. Например, если у Вас получится создать цикл, который позволит производить взрывы с частотой несколько сотен раз в минуту, и если Вам удастся эффективно использовать данную энергию, то Вы получите основную часть автомобильного двигателя!
 

 

Рисунок 1
 
На сегодняшний день практически во всех автомобилях используется так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования энергии топлива в механическую энергию. Четырехтактный принцип работы также называют Цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867г. Все четыре такта представлены на рисунке 1. Эти такты:
 

• Такт впуска
• Такт сжатия
• Рабочий такт
• Такт выпуска

 
На рисунке видно, что в картофельной пушке картофелина заменена устройством, которое называется поршень. При помощи шатуна поршень соединяется с коленчатым валом. При вращении коленвала создается эффект «перезарядки пушки». Во время цикла в двигателе происходят следующие процессы:
 

1. Поршень начинает движение сверху, впускной клапан открывается, поршень движется вниз для наполнения цилиндра воздухом и бензином. Это такт впуска. На данном этапе для смеси топлива и воздуха требуется лишь небольшое количество бензина. (Часть 1 рисунка)
2. Затем поршень движется вверх, сжимая топливно-воздушную смесь. Сжатие способствует более мощному взрыву. (Часть 2 рисунка)
3. Как только поршень достигает верхней точки, срабатывает свеча зажигания, которая воспламеняет топливо. Происходит взрыв бензина, при этом поршень движется вниз. (Часть 3 рисунка)
4. Как только поршень достигает нижней точки хода, открывается выпускной клапан для вывода продуктов сгорания по выхлопной трубе. (Часть 4 рисунка)

 
Теперь двигатель готов к началу следующего цикла, происходит впуск топлива и воздуха.
Обратите внимание, что движение, получаемое в результате работы двигателя внутреннего сгорания, является вращательным, в то время как движение, производимое картофельной пушкой — линейное (прямая линия). В двигателе линейное движение поршней переводится во вращательное движение при помощи коленвала. Вращательное движение идеально подходит для вращения колес автомобиля.
 
В следующем разделе мы предлагаем рассмотреть детали, которые обеспечивают работу двигателя, начиная с цилиндров.

 
 
Устройство двигателя
 
Цилиндр является самой важной частью двигателя, поршень совершает поступательные движения в цилиндре. Вышеописанный двигатель имеет один цилиндр. Такой двигатель типичен для газонокосилок, однако в автомобильные двигатели имеют более одного цилиндра (обычно четыре, шесть или восемь). В многоцилиндровых двигателях цилиндры расположены в одном из трех порядков: линейно, V-образно или оппозитно (т.н. двигатель с горизонтальными противолежащими цилиндрами или оппозитный двигатель).
 

Рисунок 2. Линейное расположение — Цилиндры расположены линейно в один ряд.
 

Рисунок 3. V-образное — Цилиндры расположены линейно в два ряда под углом друг к другу.
 

Рисунок 4. Оппозитное — Цилиндры расположены линейно в два ряда с противоположных сторон двигателя.
 
Говоря об управляемости, затратах на производство и характеристиках формы, необходимо отметить, что различные конфигурации имеют свои преимущества и недостатки. Благодаря этим преимуществам и недостаткам определенные типы двигателей подходят для определенных автомобилей.
 
Давайте более подробно рассмотрим основные детали двигателя.
 
Свеча зажигания
Свеча зажигания подает искру для воспламенения топливно-воздушной смеси, что обеспечивает процесс сгорания. Для правильной работы двигателя искра должна подаваться в строго определенный момент.
 
Клапаны
Впускной и выпускной клапаны открываются в определенный момент для впуска топлива и воздуха и выпуска выхлопа. Обратите внимание, что оба клапана закрыты во время тактов сжатия и сгорания для обеспечения герметичности камеры сгорания.
 
Поршень
Поршень — это металлическая деталь цилиндрической формы, которая движется вверх и вниз внутри цилиндра.
 
Поршневые кольца
Поршневые кольца обеспечивают скользящее уплотнение между внешней кромкой поршня и внутренней кромкой цилиндра. Кольца используются для двух целей:
 

• Они препятствуют попаданию топливно-воздушной смеси в картер из камеры сгорания в процессе такта сжатия и рабочего такта.
• Они препятствуют попаданию масла из картера в камеру сгорания, где оно может сгореть.

 
Большинство автомобилей, которые «жгут масло» и требуют его добавления каждые 1000 км, имеют старые двигатели, поршневые кольца которых уже не могут обеспечивать надлежащее уплотнение.
 
Шатун
Шатун соединяет поршень и коленвал. Он может вращаться с обеих сторон для изменения угла во время движения поршня и вращения коленвала.
 
Коленвал
Коленвал преобразует поступательное движение поршней во вращательное как рычаг «чертика из табакерки».
 
Картер
Картер окружает коленвал. В нем находится некоторое количество масла, которое собирается в нижней части картера (поддоне картера).
 
Далее мы узнаем о неполадках двигателя.

 

 
Неполадки двигателя
 
Итак, одним прекрасным утром Вы садитесь в машину, а двигатель не заводится… Что же случилось? Теперь, когда Вы знакомы с принципом работы двигателя, Вы сможете разобраться с основными проблемами, которые мешают запуску двигателя. Три наиболее частые неполадки: плохая топливная смесь, недостаточная компрессия, отсутствие искры. Помимо вышеперечисленных, могут возникнуть тысячи других проблем, но мы остановимся на «большой тройке». Основываясь на простом двигателе, который мы описывали, мы расскажем о том, как эти проблемы могут повлиять на Ваш двигатель:
 
Плохая топливная смесь — Данная проблема может возникнуть по нескольким причинам:
 

• У Вас закончился бензин, поэтому в двигатель поступает только воздух без топлива.
• У Вас забилось впускное отверстие воздуха, поэтому поступает только топливо.
• Топливная система подает слишком много или мало топлива, в результате чего сгорание не происходит надлежащим образом.
• Возможно, в топливе присутствуют примеси (например, в бензобак попала вода), которые препятствуют сгоранию.

 
Недостаточная компрессия — Если топливно-воздушная смесь не будет сжата надлежащим образом, процесс сгорания будет проходить неправильно. Недостаточная компрессия может быть вызвана рядом причин:
 

• Износ поршневых колец (топливно-воздушная смесь вытекает за пределы поршня в процессе сжатия).
• Недостаточное уплотнение клапана впуска или выпуска, что опять же вызывает протечку.
• В цилиндре имеются повреждения.

 
Наиболее часто повреждение цилиндра происходит в его верхней части (на которой установлены клапаны, свеча зажигания и которая называется головка цилиндра) крепится к самому цилиндру. Обычно головка цилиндра крепится к самому цилиндру при помощи болтового соединения с использованием тонкой прокладки, которая обеспечивает качественное уплотнение.. При повреждении прокладки, между цилиндром и его головкой образуются небольшие отверстия, в результате чего происходят протечки.
 
Регулярное техническое обслуживание может помочь избежать ремонта
 
Отсутствие искры — Искра может быть слишком слабой или отсутствовать вообще по следующим причинам:
 

• При износе свечи зажигания или ее провода может наблюдаться слабая искра.
• При повреждении или обрыве провода или система, передающая искру, не функционирует надлежащим образом, искра может отсутствовать.
• Если искра подается слишком рано или поздно во время цикла (т.е. если регулировка зажигания отключена), воспламенение топлива не произойдет в нужный момент, что может повлечь к различным проблемам.

 
Могут возникнуть и другие неполадки. Например:
 

• Если аккумулятор разряжен, Вы также не сможете завести двигатель.
• Если подшипники, которые обеспечивают свободное вращение коленвала, изношены, коленвал не сможет вращаться, в результате чего двигатель не заведется.
• Если открытие/закрытие клапанов не происходит в нужный момент и не происходит вообще, воздух не сможет поступать и выходить, что будет препятствовать работе двигателя.
• Если кто-то засунет картофелину Вам в выхлопную трубу, выхлоп не будет выпущен из цилиндра, поэтому двигатель не заведется.
• Если у Вас закончилось масло, поршень не сможет свободно двигаться в цилиндре, в результате чего двигатель заклинит.
• В исправно работающем двигателе все эти факторы находятся в допустимых пределах.

 
Как Вы видите, в двигателе имеется несколько систем, которые обеспечивают преобразование энергии топлива в механическую энергию. В следующих разделах мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в двигателях.

 
 
Клапанный механизм и система зажигания двигателя
 
Большинство подсистем двигателя может быть установлено с использованием различных технологий, а новые технологии могут улучшить показатели двигателя. Далее мы рассмотрим различные подсистемы, которые используются в современных двигателях, начиная с клапанного механизма.
 
Клапанный механизм состоит из клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Открывающая и закрывающая система называется распредвал. Распредвал имеет кулачки, которые перемещают клапаны вверх-вниз ,как показано на Рисунке 5.
 

Рисунок 5. Распредвал
 
В большинстве современных автомобилей используются так называемые верхнерасположенные распредвалы. Распредвал имеет кулачки, которые перемещают клапаны вверх-вниз, как показано на Рисунке 5. Кулачки воздействуют на клапаны напрямую или посредством очень короткой тяги. В старых моделях двигателей распредвал расположен в картере рядом с коленвалом. Штифты соединяют нижнюю часть кулачков с толкателями клапанов, расположенными над клапанами. В таком устройстве имеется больше движущихся частей, в результате чего возникает отставание между временем активации кулачка и последующим перемещением клапана. Ремень ГРМ или цепь ГРМ соединяет коленвал с распредвалом таким образом, чтобы клапаны двигались синхронно с поршнями. Скорость вращения распредвала в два раза ниже, чем у коленвала. Во многих мощных двигателях на каждый цилиндр установлено по четыре клапана (два впускных и два выпускных), такая конструкция требует наличия двух распредвалов на блок цилиндров, отсюда и название «двухраспредвальный вид головки». Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает распредвал».
 
Система зажигания (Рисунок 6) генерирует электрический разряд высокого напряжения и передает его от свечи зажигания по проводам зажигания. Вначале заряд поступает на распределитель, который Вы легко можете найти под капотом большинства автомобилей. Распределитель имеет один провод, входящий в центре и четыре, шесть или восемь проводов (в зависимости от количества цилиндров), выходящие их него. Эти провода зажигания передают заряд на каждую свечу зажигания. Зажигание двигателя отрегулировано таким образом, что за один раз искру от распределителя получает только один цилиндр. Такая конструкция обеспечивает максимальную равномерность работы. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает автомобильная система зажигания».
 

 

Рисунок 6. Система зажигания
 
В следующем разделе мы рассмотрим, как происходит запуск, охлаждение и циркуляция воздуха в двигателе.

 
 
Системы охлаждения, воздухозабора и запуска двигателя
 
В большинстве автомобилей система охлаждения состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует по охлаждающей рубашке цилиндров, затем попадает в радиатор для охлаждения. В некоторых автомобилях (преимущественно в Volkswagen Жук) и в большинстве мотоциклов и газонокосилок используется воздушное охлаждение двигателей (двигатель с воздушным охлаждением легко узнать по ребрам на внешней стороне цилиндров, которые рассевают тепло). Двигатели с воздушным охлаждением намного легче, но охлаждаются хуже, что снижает их срок эксплуатации и производительность. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».

На схеме представлено соединение патрубков системы охлаждения
 
Итак, теперь Вы знаете, что и как охлаждает двигатель Вашего автомобиля. Но почему так важна циркуляция воздуха? Большинство двигателей является безнаддувными, т.е. воздух поступает через воздушные фильтры непосредственно в цилиндры. Более мощные двигатели либо имеют турбонаддув, либо наддув, т. е. воздух поступает в двигатель под давлением (для подачи в цилиндр большего объема топливно-воздушной смечи) для увеличения мощности двигателя. Уровень сжатия воздуха называется наддув. При турбонаддуве используется небольшая турбина, установленная на выхлопную трубу для вращения нагнетающей турбины входящим потоком воздуха. Турбокомпрессор устанавливается непосредственно на двигатель для вращения компрессора.

 
Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает турбокомпрессор».
 
Увеличение мощности двигателя — это, конечно, хорошо, но что же происходит когда Вы поворачиваете ключ? Система запуска состоит из электростартера и соленоида стартера. При повороте ключа зажигания, стартер несколько раз проворачивает двигатель для начала процесса сгорания. Для запуска холодного двигателя требуется мощный стартер. Стартер должен преодолеть:
 

• Любое собственное трение, вызванное поршневыми кольцами
• Давление сжатия любого из цилиндров во время такта сжатия
• Энергию, необходимую для открытия и закрытия клапанов распредвалом
• А также действие всех остальных деталей, установленных непосредственно на двигателе, например водяного насоса, масляного насоса, генератора и т. д.

 
В связи с тем, что требуется большое количество энергии и в автомобилях используется 12-вольтная электросистема, на стартер должен поступать ток в несколько сотен ампер. Соленоид стартера — это большой электронный переключатель, который может выдержать ток такой силы. При повороте ключа зажигания, он запускает соленоид для подачи питания на стартер.
 
В следующем разделе мы расскажем о подсистемах двигателя, которые отвечают за то, что в него поступает (масло и топливо) и что выходит (выхлоп и выбросы).

 
Системы смазки, подачи топлива, выхлопа и электросистема двигателя
 
Когда дело касается повседневного обслуживания, скорее всего Вас, прежде всего, заинтересует количество бензина в бензобаке Вашего автомобиля. Каким же образом бензин, которым Вы заправляетесь, заставляет работать цилиндры? Топливная система при помощи насоса подает топливо из бензобака и смешивает его с воздухом в определенных пропорциях для того, чтобы топливно-воздушная смесь затем поступала в цилиндры. Существует три способа подачи топлива: карбюрация, впрыск во впускные каналы и непосредственный впрыск.
 

• При карбюрации устройство, которое называется карбюратор, смешивает бензин с воздухом при подаче воздуха в двигатель.
• В двигателях с впрыском топлива необходимое количество топлива впрыскивается в каждый цилиндр отдельно либо над впускным клапаном (впрыск во впускные каналы), либо в сам цилиндр (непосредственный впрыск).

 
Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».
 
Масло также играет очень важную роль. Система смазки обеспечивает подачу масла для каждой движущейся детали для того, чтобы они свободно двигались. Прежде всего, смазка требуется поршням (для их плавного движения в цилиндрах) и подшипникам, которые обеспечивают вращение таких деталей, как коленвал и распредвал. В большинстве автомобилей масла из поддона картера подается при помощи масляного насоса, проходит через масляный фильтр для удаления абразивных частиц, после чего под давлением поступает на подшипники и стенки цилиндра. Затем масло стекает обратно в картер, где оно собирается, после чего цикл повторяется.
 

Выхлопная система автомобиля Porsche 911
 
Теперь, когда Вы уже кое-что знаете о том, что заливается в автомобиль, давайте рассмотрим, что же из него выходит. Выхлопная система состоит из выхлопной трубы и глушителя. Если глушитель не установлен, то Вы сможете услышать звуки тысяч небольших взрывов, доносящихся из выхлопной трубы. Глушитель заглушает эти звуки. Выхлопная система также включает в себя и каталитический дожигатель выхлопных газов. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает каталитический дожигатель выхлопных газов».
 
В большинстве современных автомобилей система понижения токсичности выхлопа состоит из каталитического дожигателя выхлопных газов, и набора датчиков и приводов и компьютера, который отслеживает и регулирует происходящие процессы. Например, каталитический дожигатель использует катализатор и кислород для сжигания неотработанного топлива и некоторых других химических веществ, содержащихся в выхлопе. Датчик кислорода отвечает за количество кислорода в выхлопе, достаточное для работы катализатора, при необходимости датчик производит дополнительную регулировку.
 
Что еще помимо бензина питает Ваш автомобиль? Электросистема состоит из аккумулятора и генератора. Генератор соединяется с двигателем при помощи ремня и генерирует ток для зарядки аккумулятора. Аккумулятор подает 12 вольт на все системы, которым требуется электропитание (система зажигания, радио, фары, стеклоочистители, электрические стеклоподъёмники и сиденья с электрическим приводом регулировки, компьютеры и т.д.).
 
Теперь, когда Вы все узнали про подсистемы двигателя, мы расскажем о том, как увеличить мощность двигателя.

 
 
Увеличение мощности двигателя
 
Прочитав данную статью, Вы увидите, что существует множество способов увеличения показателей Вашего двигателя. Производители автомобилей постоянно экспериментируют со следующими параметрами для увеличения мощности двигателя или снижения расхода топлива.
 
Увеличение рабочего объема — Большой рабочий объем способствует увеличению мощности, т.к. при каждом обороте двигателя сгорает больше топлива. Увеличить рабочий объем можно, установив большие или дополнительные цилиндры. Практика показывает, что не имеет смысла устанавливать более 12 цилиндров.
 
Увеличение степени сжатия — Увеличение степени сжатия способствует увеличению мощности. Однако, чем сильнее происходит сжатие топливно-воздушной смеси, тем выше вероятность ее самовозгорания (еще до срабатывания свечи зажигания). Высокооктановый бензин предотвращает раннее сгорание топлива. Именно по этой причине мощные автомобили необходимо заправлять высокооктановым бензином — в их двигателях используется более высокая степень сжатия для увеличения мощности.
Увеличение объема подаваемой смеси — При увеличении подачи воздуха (и, соответственно, топлива), не изменяя размер цилиндра, можно увеличить мощность (точно также, как при увеличении размера цилиндра). Турбокомпрессоры и компрессоры наддува повышают давление поступающего воздуха, благодаря чему в цилиндр можно подать больше воздуха. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает турбокомпрессор».
 
Охлаждение поступающего воздуха — При сжатии воздуха, его температура повышается. Поэтому лучше обеспечивать подачу более холодного воздуха в цилиндр, т.к. чем выше температура воздуха, тем меньше его расширение при сгорании. По этой причине во многих двигателях с наддувом и турбонаддувом используются охладители воздуха. Охладитель воздуха — это специальный радиатор, по которому сжатый воздух проходит для охлаждения перед подачей в цилиндр. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система охлаждения».
 
Облегчение подачи воздуха  — При движении поршня вниз во время такта впуска, сопротивление воздуха может снизить мощность двигателя. Сопротивление воздуха может быть снижено благодаря установке двух впускных клапанов на каждый цилиндр. В некоторых современных автомобилях используются полированные впускные коллекторы для снижения сопротивления воздуха. Установка больших воздушных фильтров также может улучшить подачу воздуха.
 
Облегчение выпуска выхлопа — При выпуске выхлопа из цилиндра, сопротивление воздуха может снизить мощность двигателя. Сопротивление воздуха может быть снижено благодаря установке двух выпускных клапанов на каждый цилиндр (автомобиль с двумя впускными и двумя выпускными клапанами имеет по четыре клапана на каждый цилиндр, что увеличивает мощность двигателя — когда Вы слышите рекламу автомобиля, в которой говорится, что у него 4 цилиндра и 16 клапанов, это означает, что в двигателе установлено по четыре клапана на каждый цилиндр). Если выхлопная труба слишком узкая или сопротивление воздуха в глушителе слишком высокое, то это может создать противодавление, что также снизит мощность. В высокоэффективных выхлопных системах используются выпускные коллекторы, широкие выхлопные трубы и глушители для предотвращения образования противодавления в выхлопной системе. Поэтому, когда Вы слышите, что в автомобиле установлена «раздельная система выпуска», это значит, что для улучшения выпуска отработанных газов используется две выхлопных трубы вместо одной.
 
Снижение массы — Чем легче детали, тем эффективнее работает двигатель. Каждый раз, когда поршень меняет направления движения, он затрачивает энергию на то, чтобы прекратить движение в одну сторону и начать в другую. Чем легче поршень, тем меньше энергии ему требуется.
 
Впрыск топлива — Система впрыска топлива обеспечивает очень точное дозирование топлива для каждого цилиндра. Благодаря этому увеличивается мощность и снижается расход топлива. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает система впрыска топлива».
 
  
Часто задаваемые вопросы по двигателям
 
Ниже приведены наиболее часто задаваемые вопросы наших читателей, а также ответы на них:
 

• Чем отличаются бензиновые и дизельные двигатели? В дизельных двигателях отсутствует свеча зажигания. Дизельное топливо подается в цилиндр, возгорание происходит под действием тепла и давления во время такта сжатия. Энергетическая плотность дизеля значительно выше, чем у бензина, поэтому дизельный двигатель рассчитан на больший пробег. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает дизельный двигатель».

 

• Чем отличаются двухтактные и четырехтактные двигатели? В большинстве бензопил и лодочных моторов используются двухтактные двигатели. В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны, а свеча зажигания дает искру каждый раз, когда поршень находится в верхней точке хода. Через отверстие в нижней части стенки цилиндра происходит впуск топлива и воздуха. Когда поршень движется вверх, сжимая смесь, свеча зажигания дает искру для начала процесса сгорания, отработанные газы выходят через другое отверстие в стенке цилиндра. В двухтактных двигателях необходимо смешивать масло с бензином, т.к. отверстия в стенках цилиндров не допускают использование уплотнительных колец для герметизации камеры сгорания. В общем, двухтактные двигатели являются достаточно мощными для своих размеров, т.к. в них на один поворот двигателя происходит в два раза больше циклов сгорания. Однако, двухтактный двигатель расходует больше бензина и сжигает большое количество масла, соответственно, он наносит больший вред экологии. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает двухтактный двигатель».

 

• В этой статье Вы упоминали паровые двигатели — существуют ли какие-либо преимущества паровых двигателей или других двигателей внешнего сгорания? Единственное преимущество паровых двигателей заключается в том, что в качестве топлива можно использовать все, что горит. Например, в паровом двигателе в качестве топлива можно использовать уголь, газеты, дрова, в то время как для работы двигателя внутреннего сгорания требуется очищенное высококачественное жидкое или газообразное топливо. Для получения более подробной информации читайте статью «Как работает паровой двигатель».

 

• Используются ли в автомобильных двигателях какие-либо другие циклы помимо цикла Отто? Как говорилось ранее, в двухтактных и дизельных двигателях используются другие циклы работы. В двигателе автомобиля Mazda Millenia используется модифицированный цикл Отто, который называется цикл Миллера. В газотурбинных двигателях используется цикл Брайтона. В дизельных ротационных двигателях Ванкеля используется цикл Отто, однако он происходит совершенно по-другому в отличие от четырехтактных поршневых двигателей.

 

• Зачем нужно устанавливать восемь цилиндров? Почему нельзя установить один большой цилиндр с таким же рабочим объемом, как у восьми цилиндров? По ряду причин в 4.0л двигателе используется восемь цилиндров объемом пол-литра каждый, а не один большой 4-литровый цилиндр. Основная причина — это равномерность работы. V-образный восьмицилиндровый двигатель работает более равномерно, т. к. в нем происходит восемь взрывов с равными интервалами вместо одного сильного взрыва. Другая причина — это начальный крутящий момент. Когда Вы заводите V-образный восьмицилиндровый двигатель, Вам необходимы только два цилиндра (1л) во время их тактов сжатия, если использовать один большой цилиндр, то придется производить сжатие 4 литров.

 
Чем 4-цилиндровый двигатель отличается от V-образного шестицилиндрового двигателя?
 
Количество цилиндров в двигателе играет важную роль в его мощности. Каждый цилиндр имеет поршень, который движется внутри него, эти поршни соединены с коленвалом и вращают его. Чем больше используется поршней, тем больше происходит сгораний топлива в определенный момент времени. Это означает, что за меньшее время может быть выработано больше мощности.
 
4-цилиндровые двигатели обычно имеют «прямое» или «линейное» расположение цилиндров, в то время как в 6-цилиндровых двигателях используется более компактное V-образное расположение, поэтому они и называются V-образные 6-цилиндровые двигатели. Американские производители автомобилей остановили свой выбор на V-образных 6-цилиндровых двигателях, т.к. являются более мощными и тихими, оставаясь при этом достаточно легкими и компактными для установки в автомобили.
 

4-цилиндровый двигатель с линейным расположением цилиндров автомобиля Lotus Elise
 
Исторически сложилось так, что американские автовладельцы отвернулись от 4-цилиндровых двигателей, считая их медленными, слабыми, работающими неравномерно и дающими слабое ускорение. Однако, когда такие японские производители автомобилей, как Honda и Toyota стали устанавливать мощные 4-цилиндровые двигатели в 1980-х и 90-х, американцы по достоинству оценили эти компактные двигатели. Даже, несмотря на то, что такие японские автомобили, как Toyota Camry имели огромный успех по сравнению с  аналогичными моделями американских производителей, в США продолжался выпуск автомобилей с 6-цилиндровыми двигателями, т.к. считалось, что американцам необходимы мощные автомобили. На сегодняшний день, в связи с ростом цен на бензин и обострившейся экологической ситуацией, Детройт переходит на 4-цилиндровые двигатели благодаря их низкому расходу топлива и меньшим выбросам в атмосферу.
 

3,8л V-образный 6-цилиндровый двигатель с турбонаддувом автомобиля Nissan GT-R.
 
Что касается будущего 6-цилиндровых двигателей, то за последние годы были максимально устранены различия между 4-цилиндровыми и 6-цилиндровыми двигателями. Для того, чтобы соответствовать требованиям низкого расхода бензина и уровня выхлопных газов, производители приложили много усилий по улучшению работы 6-цилиндровых двигателей. Большинство современных автомобилей с 6-цилиндровыми двигателями соответствуют стандартам расхода топлива уровня выхлопов, установленных для компактных 4-цилиндровых двигателей. Таким образом, различия в эффективности и мощности этих двух типов двигателей ослабевают, и принятие решения о покупке 4-цилиндрового или 6-цилиндрового двигателя сводится к их стоимости. Что касается моделей автомобильных, доступных с обоими типами двигателей, конфигурация с 4-цилиндровым двигателем стоит дешевле до $1000 по сравнению с 6-цилиндровым. Таким образом, независимо от мощности автомобиля, 4-цилиндровый двигатель поможет Вам сэкономить.
 
И, напоследок: Не стоит пытаться установить 6-цилиндровый двигатель на автомобиль, в котором изначально стоял 4-цилиндровый. Переоборудование автомобиля с 4-цилиндровым двигателем для установки 6-цилиндрового может обойтись Вам дороже, чем покупка нового автомобиля.
 
 
Источник:  https://auto.howstuffworks.com/

4 тактный двигатель: принцип работы

4 тактный двигатель является поршневым мотором внутреннего сгорания. В этих агрегатах рабочий процесс всех цилиндров занимает два кругооборота коленчатого вала. Два кругооборота коленчатого вала также можно охарактеризовать как четыре поршневых такта, от чего и произошло название четырехтактный двигатель.

Начиная с середины двадцатого века четырехтактный двигатель является самым распространенным видом поршневых моторов внутреннего сгорания.

Основные характеристики 4 тактного двигателя

1. Обмен газов происходит за счет движения рабочего поршня;
2. 4 тактный двигатель обладает газораспределительным механизмом, который позволяет переключить цилиндровую полость на впуск и выпуск;
3. Обмен газов происходит в момент отдельного полуоборота коленвала;
4. Цепная, ременная передача и шестеренчатые редукторы позволяют изменить моменты зажигания, впрыскивания бензина и привода газораспределительного механизма относительно частоты верчения коленвала.

История

Примерно 1854-1857 годов итальянцы Евгенио Барсанти и Феличче Матоци создали устройство, которое, согласно существующим сведениям, походило на 4 тактный мотор. Несмотря на это, 4 тактный мотор был запатентован только в 1861 Алфоном де Роше, поскольку изобретение итальянцев было потеряно.

В первый раз пригодный к работе 4 тактный мотор был создан немецким инженером Николаусом Отто, в честь которого четырехтактный цикл назвали циклом Отто, а применяющий свечи зажигания 4 тактный мотор – двигателем Отто.

 

 

 

4 тактный двигатель принцип работы

В двухтактном моторе смазывание коленвала, цилиндровых и поршневых пальцев, подшипника коленвала, поршня и компрессионных колец происходит путем заливки масла в бензин. 4 тактный мотор отличается тем, что в нем коленчатый вал расположен в масляной ванне. За счет этой особенности необходимость в добавлении масла или смешивании топлива попросту отсутствует. Все, что нужно сделать владельцу транспортного средства – это наполнить топливный бак бензином, после чего можно продолжать пользоваться транспортом.

Таким образом, автовладельцу становится незачем приобретать специальное масло, которое нужно для функционирования двухтактных моторов. Помимо этого, 4 тактный мотор отличается уменьшенным количеством нагара на стенах глушителя и поршневом зеркале. Еще одним важным отличием является то, что при двухтактном моторе совершается выплеск горючей смеси в выхлопную трубу – это обусловлено его устройством.

Стоит признать, что четырехтактные двигатели также обладают небольшими недостатками. К примеру, у таких двигателей повышенная длительность старта скутера с места. Также не особо качественными являются работы по регулированию клапанного теплового зазора. При этом следует отметить, что проблему с повышенной длительностью старта скутера можно решить оптимизацией опций центробежного сцепления и передачи.

 

 

 

Конструкция агрегата

Устройство 4 тактного двигателя выглядит таким образом: распредвал размещен в крышке цилиндра и приводится в действие с помощью ведущего колеса, вмонтированного на коленчатом вале. В устройстве 4 тактного двигателя распределительный вал способен открывать и закрывать впускной и выпускной клапан, но лишь один из них, а какой конкретно – зависит от расположения поршня. Помимо этого, на распределительном вале расположены кулачки, с помощью которых приводятся в действие коромысла клапанов.

После своего срабатывания коромысла начинают воздействовать на один из двух клапанов, что приводит к его открытию. Стоит отметить, что между клапаном и регулировочным винтом должен быть узкий промежуток (его еще называют тепловым зазором) – во время нагрева происходит расширение металла, поэтому в случае неимения или слишком маленького размера зазора клапаны не смогут полностью закрыть каналы впуска и выпуска. Зазор при клапане выпуска должен быть большего размера, чем у клапана впуска, поскольку газы выхлопа более горячие, нежели горючая смесь, и, соответственно, это приводит к тому, что клапан выпуска нагревается больше клапана впуска.

Вот и все описание устройства 4 тактного двигателя.

Работа 4 тактного двигателя

Как уже было сказано, работа 4 тактного двигателя состоит из двух оборотов коленвала или, еще можно сказать, четырех тактов поршня.

Работа 4 тактного двигателя происходит таким образом:

1. (впуск). Поршень продвигается в нижнюю сторону, что приводит к открытию клапана впуска. В итоге горючая смесь оказывается в цилиндре, куда она попадает из карбюратора. По достижению поршнем нижнего положения совершается закрытие клапана впуска.
2. (сжатие). Поршень передвигается в верхнюю сторону, что провоцирует сжимание горючей смеси. После того, как поршень приближается к верхней мертвой точке, совершается возгорание сжатого поршнем бензина.
3. (расширение). Происходит возгорание бензина, в результате которого он сгорает – это приводит к растяжению горючих газов и, соответственно, к движению поршня вниз (два клапана оказываются закрытыми).
4. (выпуск). По инерции коленчатый вал продолжает кругооборот вокруг своей оси, а поршень – продвигаться вверх. Вместе с этим происходит открытие клапана выпуска, откуда выхлопные газы попадают в трубу. Когда поршень доходит до верхней мертвой точки, совершается закрытие клапана впуска.

По окончанию работы 4 тактного двигателя четыре такта проходят заново.

Функционирование двухтактного агрегата

Хоть и статья не об этом, однако стоит коротко описать функционирование двухтактного двигателя с целью сравнить их. Как становится понятно из наименования, функционирование такого мотора проходит только через два такта.

 

 

1. Поршень продвигается наверх, что приводит к сжатию горючей смеси, после которого (без достижения верхней мертвой точки) она воспламеняется. По достижению поршнем верхней мертвой точки открываются окна впуска в стене цилиндра, из-за чего горючая смесь перетекает в кривошипную камеру.
2. Под действием растягивающихся газов поршень продвигается в нижнюю сторону. Пребывая в нижнем положении, поршень открывает окна впуска и выпуска. Газы попадают в трубу выхлопа, а на их месте оказывается горючая смесь.

Принцип работы 2 х тактного двигателя

Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко используются в разных сферах человеческой жизни. Однако не все они работают одинаково. Между ними есть одно принципиальное отличие. В зависимости от конструкции рабочий цикл двигателя может состоять из двух или четырёх тактов. Поэтому и называется он соответственно двухтактным двигателем или четырехтактным. Это справедливо как для бензинового мотора, так и для дизеля.

Рабочий цикл из двух тактов

Одноцилиндровый двухтактный двигатель работает по-другому. Здесь все четыре действия происходят за один полный оборот коленвала. При этом поршень делает только два такта (расширения и сжатия), двигаясь от ВМТ к НМТ и обратно. А впуск и выпуск являются частью этих двух тактов. Подробней принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания можно описать следующим образом.

Газы от сгорания топливной смеси толкают поршень вниз от ВМТ. Примерно на середине хода поршня в гильзе цилиндра открывается выпускное отверстие, через которое часть газов выбрасывается в патрубок глушителя. Продолжая двигаться вниз, поршень создаёт давление, благодаря которому в цилиндр поступает новая порция топлива, одновременно продувая его от остатков сгоревших газов. Подходя к ВМТ, поршень сжимает смесь и система зажигания воспламеняет её. Снова начинается такт расширения.

В авиамоделестроении широко используется двухтактный дизельный двигатель, его принцип работы тот же, что и у бензинового. Разница в том, что смесь топлива с воздухом самостоятельно воспламеняется в конце цикла сжатия. Горючим для таких моторов служит смесь эфира с авиационным керосином. Воспламенение этого горючего происходит при гораздо меньшей степени сжатия, чем у двигателей на традиционном дизельном топливе.

Двухтактный двигатель: принцип работы

1. В двигателе двухтактного типа процесс зажигания воспроизводится при каждом совершении оборота коленчатого вала, именно по этой причине по показателю мощности они в несколько раз превосходят четырёхтактные, в которых имеется особая смесь, идущая главным образом через обороты.
2. Четырёхтактные моторы намного тяжелее и тратят наибольшее количество энергии. В большинстве случаев их используют на автомобилях и особой технике, в то время как на остальном оборудовании таком, как мотороллеры, газонокосилки, а также лёгкие разновидности катеров, в большинстве случаев можно заметить более компактные двухтактные разновидности устройств.
3. А вот бензиновый генератор, к примеру, можно легко найти как двухтактной, так и четырёхтактной разновидности. Двигатель в скутере также может заключать в себе совершенно любой двигатель. Принцип функционирования такого оборудования главным образом заключает в себя одни и те же процессы, отличие будет заключено лишь в способе и эффективности общего преобразования энергии.

Работа двухтактного двигателя внутреннего сагорания

Как уже понятно из названия, такой двигатель имеет всего два рабочих такта, которые будут описаны ниже.

• Первый такт (сжатие). Поршень находится в нижней мертвой точке двигателя и начинает движение вверх. В процессе подъема через продувное отверстие в цилиндр попадает определенное количество топлива, которое смешано с маслом и воздухом. Как только поршень достигает отверстия, оно перекрывается и подача смеси прекращается. На этом же этапе перекрывается и выпускное отверстие. Поршень движется в верхнюю мертвую точку и сжимает смесь.
• Второй такт (рабочего хода поршня). В верхней мертвой точке происходит сжатие и воспламенение смеси. В результате небольшого взрыва, поршень под действием высокого давления начинает движение вниз, тем самым, открывает выпускное отверстие и дает возможность освободить цилиндр от отработавших газов. Часть масла, находящаяся в смеси остается на стенках цилиндра, а другая часть попросту выходит вместе с отработавшими газами. Поршень достигается самой нижней мертвой точки, и цикл начинается сначала.

Принцип работы двухтактного двигателя наглядно продемонстрирован в этом видео

//www.youtube.com/embed/p6TEP4vnnjA?rel=0

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Двухтактный двигатель — Energy Education

Рис. 1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания ^[1]

Как следует из названия, двухтактный двигатель требует только двух движений поршня (одного цикла) для выработки мощности. ^[2] Двигатель может вырабатывать мощность после одного цикла, потому что выхлоп и всасывание газа происходят одновременно, ^[3] , как показано на рисунке 1. Существует клапан для такта впуска, который открывается и закрывается из-за к изменению давления.Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход.

В целом двухтактный двигатель состоит из двух процессов:

1. Ход сжатия: Впускной канал открывается, топливовоздушная смесь поступает в камеру, и поршень перемещается вверх, сжимая эту смесь. Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
2. Рабочий ход: Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отработанное тепло отводится.

Тепловой КПД этих бензиновых двигателей зависит от модели и конструкции автомобиля. Однако в целом бензиновые двигатели преобразуют 20% топливной (химической) энергии в механическую, из которой только 15% будет использоваться для движения колес (остальное теряется на трение и другие механические элементы). ^[4]

По сравнению с четырехтактными двигателями двухтактные двигатели легче, эффективнее, позволяют использовать топливо более низкого качества и более экономичны. ^[2] Таким образом, более легкие двигатели обеспечивают более высокую удельную мощность (больше мощности при меньшем весе). Однако им не хватает маневренности, характерной для четырехтактных двигателей, и им требуется больше смазки. Это делает двухтактные двигатели идеальными для судов (для перевозки большого количества грузов) ^[2] , мотоциклов и газонокосилок, тогда как четырехтактные двигатели идеально подходят для таких автомобилей, как легковые и грузовые автомобили.

Цикл Отто

Рисунок 2. Реальный цикл отто для двухтактного двигателя. ^[5] Рисунок 3. Идеальный цикл отто для бензинового двигателя. ^[6]

Диаграмма «давление-объем» (PV-диаграмма), которая моделирует изменения давления и объема топливно-воздушной смеси в любом бензиновом двигателе, называется циклом Отто. Изменения в них будут создавать тепло и использовать это тепло для движения транспортного средства или машины (поэтому это тип теплового двигателя). Цикл Отто можно увидеть на Рисунке 2 (реальный цикл Отто) и Рисунке 3 (идеальный цикл Отто). Компонент в любом двигателе, который использует этот цикл, будет иметь поршень для изменения объема и давления топливно-воздушной смеси (как показано на рисунке 1).Поршень получает движение от сгорания топлива (где это происходит, объясняется ниже) и электрического наддува при запуске двигателя.

Ниже описывается, что происходит во время каждого шага на фотоэлектрической диаграмме, когда сгорание рабочего тела — бензина и воздуха (кислорода), а иногда и электричества, изменяет движение поршня:

Идеальный цикл — зеленая линия: Называется фазой впуска , двухтактный двигатель не проходит через эту фазу.Это связано с тем, что четырехтактные двигатели начинаются с поднятого поршня, поэтому его нужно опускать, чтобы всасывать топливно-воздушную смесь. Однако двухтактный двигатель может сразу приступить к впуску топливно-воздушной смеси, как показано в процессах 1-2.

Процесс с 1 по 2: Во время этой фазы впускное отверстие открывается, и поршень поднимается, чтобы сжимать топливно-воздушную смесь, попавшую в камеру. Сжатие приводит к небольшому увеличению давления и температуры смеси, однако теплообмен не происходит.С точки зрения термодинамики это называется адиабатическим процессом. Когда цикл достигает точки 2, свеча зажигания встречает топливо, которое должно воспламениться.

Процессы 2–3: Здесь происходит горение из-за воспламенения топлива свечой зажигания. Сгорание газа завершается в точке 3, что приводит к образованию камеры с высоким давлением и большим количеством тепла (тепловой энергии). С точки зрения термодинамики это называется изохорным процессом.

Процессы с 3 по 4: Тепловая энергия в камере в результате сгорания используется для работы с поршнем, которая толкает поршень вниз, увеличивая объем камеры. Это также известно как силовой сток , потому что это когда тепловая энергия превращается в движение, чтобы привести машину или транспортное средство в действие.

Фиолетовая линия (процесс с 4 по 1): Из процесса с 4 по 1 все отходящее тепло отводится из камеры двигателя. Когда тепло покидает газ, молекулы теряют кинетическую энергию, вызывая снижение давления. ^[7] Однако в двухтактном двигателе фаза выхлопа отсутствует, поэтому цикл начинается (с 1 по 2) снова, давая возможность новой смеси топлива и воздуха сжиматься.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ «Файл: Two-Stroke Engine.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif. [Доступно: 17 мая 2018 г.].
2. ↑ ^{2,0 2,1 2.2} Э. Алтурки, «Сравнение и применение четырехтактных и двухтактных судовых двигателей», Международный журнал инженерных исследований и приложений, вып. 07, нет. 04, стр. 49-56, 2017.
3. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
4. ↑ Р. Вольфсон, Энергия, окружающая среда и климат. Нью-Йорк: W.W. Norton & Company, 2012, стр. 106.
5. ↑ http://www.citethisforme.com
6. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https: // en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
7. ↑ И. Динчер и К. Замфиреску, Современные системы производства электроэнергии. Лондон, Великобритания: Academic Press — это издание Elsevier, 2014, стр. 266.

Двухтактный двигатель

Двухтактный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, который завершает технологический цикл за один оборот коленчатого вала (ход поршня вверх и ход поршня вниз, по сравнению с вдвое большим числом для четырехтактного двигателя).Это достигается за счет использования конца такта сгорания и начала такта сжатия для одновременного выполнения функций впуска и выпуска (или продувки). Таким образом, двухтактные двигатели часто обеспечивают высокую удельную мощность, по крайней мере, в узком диапазоне частот вращения. Функции некоторых или всех клапанов, требуемых четырехтактным двигателем, обычно выполняются в двухтактном двигателе за счет отверстий, которые открываются и закрываются движением поршня (поршней), что значительно сокращает количество движущихся частей.Бензиновые версии (с искровым зажиганием) особенно полезны в легких (переносных) приложениях, таких как бензопилы, и эта концепция также используется в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия в больших и нечувствительных к весу приложениях, таких как корабли и локомотивы.

Первый коммерческий двухтактный двигатель с внутрицилиндровым сжатием приписывается шотландскому инженеру Дугальду Клерку, который в 1881 году запатентовал свою конструкцию, его двигатель имел отдельный наддувной цилиндр. Двигатель с продувкой картера, использующий область под поршнем в качестве нагнетательного насоса, обычно приписывают англичанину Джозефу Дэю.

Приложения

Двухтактный минибайк Вид сбоку двухтактного подвесного мотора British Seagull серии Forty, серийный номер датирован 1954/1955 годом.

Двухтактный двигатель был очень популярен на протяжении 20-го века в мотоциклах и маломоторных устройствах, таких как бензопилы и подвесные моторы, а также использовался в некоторых автомобилях, некоторых тракторах и многих кораблях. Отчасти их привлекательность заключалась в их простой конструкции (и, как следствие, низкой стоимости) и часто высоком удельном весе.Из-за более низкой стоимости ремонта и обслуживания двухтактный двигатель был невероятно популярен в индустрии внедорожников и мотокросса в течение многих лет, до недавнего времени, когда EPA потребовало, чтобы промышленность переключилась на четырехтактные двигатели, поскольку они выделяют меньше загрязняющих веществ, чем два. тактные двигатели ^{[ сомнительные — обсудить ] [ список оспариваемых ]} . Во многих конструкциях используется смазка с полной потерей смазки, при этом масло сжигается в камере сгорания, вызывая «синий дым» и другие типы загрязнения выхлопных газов. Это основная причина замены двухтактных двигателей на четырехтактные во многих областях применения.

Двухтактные двигатели по-прежнему широко используются в мощных портативных устройствах, таких как триммеры для струн и бензопилы. Небольшой общий вес и легкие прядильные части обеспечивают важные эксплуатационные преимущества и даже безопасность. Например, только двухтактный двигатель, использующий бензиново-масляную смесь, может приводить в действие бензопилу, работающую в любом положении.

Эти двигатели по-прежнему используются в небольших, портативных или специализированных машинах, таких как подвесные моторы, высокопроизводительные мотоциклы малой мощности, мопеды, скутеры, скутеры, тук-туки, снегоходы, картинги, сверхлегкие автомобили, модели самолетов (и др. модели транспортных средств) и газонокосилки.Двухтактный цикл используется во многих дизельных двигателях, особенно в крупных промышленных и судовых двигателях, а также в некоторых грузовых автомобилях и тяжелой технике.

Ряд основных производителей автомобилей использовали в прошлом двухтактные двигатели, в том числе шведская Saab и немецкие производители DKW и Auto-Union. Японский производитель Suzuki сделал то же самое в 1970-х годах. ^[1] Производство двухтактных автомобилей на Западе прекратилось в 1980-х годах, но страны Восточного блока продолжались примерно до 1991 года, включая Trabant и Wartburg в Восточной Германии.У Lotus из Норфолка, Великобритания, есть прототип двухтактного двигателя с непосредственным впрыском, предназначенного для спиртового топлива, под названием Omnivore ^{[2] [3]} , который он демонстрирует в версии Exige. ^[4]

Различные типы двухтактных двигателей

Двухтактный двигатель, в данном случае с настроенной расширительной трубкой, демонстрирует влияние отраженной волны давления на топливный заряд. Эта функция важна для максимального давления наддува (объемный КПД) и топливной экономичности.Он используется в большинстве высокопроизводительных двигателей.

Хотя принципы остаются неизменными, механические детали различных двухтактных двигателей различаются в зависимости от типа. Типы конструкции различаются в зависимости от метода подачи заряда в цилиндр, метода продувки цилиндра (замена сгоревшего выхлопа на свежую смесь) и метода выпуска из цилиндра.

Впускной канал с поршневым управлением

Поршневой порт — самая простая из конструкций.Все функции контролируются исключительно закрытием и открытием портов поршня при его движении вверх и вниз в цилиндре. Принципиальное отличие от типичных четырехтактных двигателей состоит в том, что картер герметичен и является частью процесса впуска в бензиновых двигателях и двигателях с горячим термометром. Дизельные двигатели в основном оснащены нагнетателем Рутса или поршневым насосом для продувки.

Геркон впускной

Двигатель Cox Babe Bee с пластинчатым клапаном объемом 0,049 куб. Дюйма (0,8 куб. См) в разобранном виде использует зажигание свечи накаливания. Масса 64 грамма.

Герконовый клапан — это простой, но очень эффективный обратный клапан, обычно устанавливаемый во впускном тракте порта с поршневым управлением. Они позволяют асимметрично заправлять топливо, улучшая мощность и экономичность, а также расширяют диапазон мощности. Они широко используются в квадроциклах и морских подвесных двигателях.

Поворотный впускной клапан

Впускной канал открывается и закрывается вращающимся элементом. Знакомый тип, который иногда можно увидеть на небольших мотоциклах, — это диск с прорезями, прикрепленный к коленчатому валу, который закрывает и открывает отверстие в конце картера, позволяя заряду поступать в течение одной части цикла.

Другая форма вращающегося впускного клапана, используемого в двухтактных двигателях, включает два цилиндрических элемента с подходящими вырезами, расположенными для вращения один внутри другого — впускная труба имеет проход в картер только тогда, когда эти два выреза совпадают. Сам коленчатый вал может образовывать одну из частей, как в большинстве двигателей моделей свечей накаливания. В другом варианте осуществления кривошипно-шатунный диск выполнен с возможностью плотной посадки в картере и снабжен вырезом, который совпадает с впускным каналом в стенке картера в соответствующее время, как в мотороллере Vespa.

Преимущество поворотного клапана заключается в том, что он позволяет двухтактному двигателю иметь асимметричную синхронизацию впуска, что невозможно для двигателей с поршневым портом. Время впуска двигателя с поршневым портом открывается и закрывается до и после верхней мертвой точки при одинаковом угле поворота коленчатого вала, что делает его симметричным, тогда как поворотный клапан позволяет открывать раньше и закрывать раньше.

Двигатели с поворотным клапаном

могут быть адаптированы для передачи мощности в более широком диапазоне скоростей или большей мощности в более узком диапазоне скоростей, чем двигатель с поршневым портом или двигатель с пластинчатым клапаном.Если часть поворотного клапана является частью самого картера, особенно важно, чтобы не допускался износ.

Поперечный поток

Поршень дефлектора с поперечной продувкой

В двигателе с поперечным потоком каналы передачи и выпуска находятся на противоположных сторонах цилиндра, а дефлектор в верхней части поршня направляет свежий всасываемый заряд в верхнюю часть цилиндра, выталкивая остаточный выхлопной газ с другой стороны. дефлектора и выхлопного отверстия.Дефлектор увеличивает вес поршня и площадь открытой поверхности, а также затрудняет достижение эффективной формы камеры сгорания. Эта конструкция была в значительной степени заменена методом продувки контура (см. Ниже), хотя для меньших или более медленных двигателей конструкция с продувкой поперечного потока может быть приемлемым подходом.

Петлевая очистка

Двухтактный цикл
1 = ВМТ
2 = BDC
A: впуск / продувка
B: Выпуск
C: Компрессия
D: Расширение (мощность)

Основная статья: Schnuerle портирование

В этом методе продувки используются передаточные каналы тщательно продуманной формы и расположение для направления потока свежей смеси в камеру сгорания, когда она входит в цилиндр. Топливно-воздушная смесь ударяется о головку блока цилиндров, затем следует кривизне камеры сгорания и затем отклоняется вниз. Это не только предотвращает выход топливно-воздушной смеси непосредственно из выпускного отверстия, но также создает завихрение, которое улучшает эффективность сгорания, мощность и экономичность. Обычно дефлектор поршня не требуется, поэтому такой подход имеет явное преимущество перед схемой с поперечным потоком (см. Выше). Часто называемый «петлей Schnuerle» (или «Schnürl») в честь немецкого изобретателя ранней формы в середине 1920-х годов, он получил широкое распространение в этой стране в течение 1930-х годов и распространился дальше после Второй мировой войны.Петлевая продувка — это наиболее распространенный вид перекачки топливно-воздушной смеси, используемый в современных двухтактных двигателях. Suzuki был одним из первых производителей за пределами Европы, которые применили двухтактные двигатели с обратной продувкой. Эта рабочая особенность использовалась в сочетании с выхлопной камерой расширения, разработанной немецким производителем мотоциклов MZ и Вальтером Кааденом. Система продувки контура, дисковые клапаны и расширительные камеры работали согласованно, чтобы значительно увеличить выходную мощность двухтактных двигателей, особенно японских производителей Suzuki, Yamaha и Kawasaki.Suzuki и Yamaha добились успеха в гонках на мотоциклах Гран-при в 1960-х годах, в немалой степени благодаря увеличенной мощности, обеспечиваемой циклической очисткой. Дополнительным преимуществом продувки петли было то, что поршень можно было сделать почти плоским или слегка куполообразным, что позволило поршню быть значительно легче и прочнее и, следовательно, выдерживать более высокие обороты двигателя. Поршень с «плоским верхом» также имеет лучшие термические свойства и менее подвержен неравномерному нагреву, расширению, заеданию поршня, изменениям размеров и потерям на сжатие.

SAAB построила 3-цилиндровые двигатели объемом 750 и 850 куб. См на основе конструкции DKW, которая оказалась достаточно успешной при использовании системы наддува по контуру. Оригинальный SAAB 92 имел двухцилиндровый двигатель сравнительно низкой эффективности. На крейсерской скорости блокировка выпускного отверстия отраженной волной происходила на слишком низкой частоте. Использование асимметричного трехходового выпускного коллектора, используемого в идентичном двигателе DKW, позволило улучшить экономию топлива. Стандартный двигатель объемом 750 куб. См производил от 36 до 42 л.с. в зависимости от года выпуска. Вариант ралли Монте-Карло, 750 куб. См (с заполненным коленчатым валом для более высокого базового сжатия), развивал 65 л.с.Версия с объемом двигателя 850 куб. См была доступна в SAAB Sport 1966 года (стандартная модель отделки по сравнению с роскошной отделкой Monte Carlo). Базовое сжатие составляет часть общей степени сжатия двухтактного двигателя.

Непотопляемый

Двухтактный цикл Uniflow
1 = TDCdg
2 = Bbb
A: Впуск (эффективная продувка ≈140 ° -250 °)
B: Выпуск
C: Сжатие
D: Расширение (мощность)

В однопотоковом двигателе смесь или воздух в случае дизельного топлива поступает на один конец цилиндра, управляемый поршнем, а выхлопные газы выходят на другом конце, управляемом выпускным клапаном или поршнем. Следовательно, поток продувочного газа идет только в одном направлении, отсюда и название — «однопоточный». Клапанная конструкция распространена в тепловозах (Electro-Motive Diesel) и больших морских двухтактных двигателях (Wärtsilä). Поршневые типы представлены конструкцией с противоположными поршнями, в которой в каждом цилиндре есть два поршня, работающих в противоположных направлениях, например, у Junkers Jumo и Napier Deltic. ^[5] Некогда популярная конструкция с одинарным разделением попадает в этот класс и фактически представляет собой сложенный прямоток.Благодаря усовершенствованному углу газораспределения выхлопных газов, однопоточные двигатели могут оснащаться нагнетателем с помощью вентилятора с приводом от коленчатого вала (поршневой ^[6] или Рутса).

В Японии компания Nissan Diesel Motor производила двухтактный дизельный двигатель Uniflow (например, ユ ニ フ ロ ー 掃 気 デ ル エ ン ジ ン) от General Motors по лицензии Detroit Diesel Series 71.

Последнее изобретение, названное двухтактным двигателем Reversed Uniflow, имеет большой впускной клапан для сжатого всасываемого воздуха без топливно-масляной смеси. Прямой впрыск топлива используется для бензина или дизельного топлива в зависимости от давления всасываемого воздуха.Этот двигатель будет работать по циклу Миллера. Патент США № 6889636.

Ступенчатый поршневой двигатель

Поршень этого двигателя цилиндрической формы; верхняя часть образует обычный цилиндр, а нижняя часть выполняет функцию продувки. Агрегаты работают парами, при этом нижняя половина одного поршня заряжает соседнюю камеру сгорания.

Эта система по-прежнему частично зависит от полной потери смазки (для верхней части поршня), другие детали смазываются в поддоне, что обеспечивает чистоту и надежность.Вес поршня всего примерно на 20% тяжелее поршня с петлевидной продувкой, поскольку толщина юбки может быть меньше. Патенты на эту конструкцию принадлежат Bernard Hooper Engineering Ltd (BHE). ^[7]

Системы силовых клапанов

Основная статья: Двухтактная система с силовым клапаном

Во многих современных двухтактных двигателях используется система гидрораспределителей. Клапаны обычно находятся внутри выпускных отверстий или вокруг них. Они работают одним из двух способов: либо они изменяют выхлопное отверстие, закрывая верхнюю часть порта, что изменяет время порта, например, Ski-doo R.A.V.E, Yamaha YPVS, Honda RC-Valve, Cagiva C.T.S. или системы Suzuki AETC, или путем изменения объема выхлопа, который изменяет резонансную частоту камеры расширения, например, система Honda V-TACS. В результате получается двигатель с улучшенной мощностью на низких оборотах без ущерба для мощности на высоких оборотах.

Прямой впрыск

Основная статья: Бензин с прямым впрыском # В двухтактных двигателях

Прямой впрыск имеет значительные преимущества в двухтактных двигателях, устраняя часть отходов и загрязнений, вызываемых карбюраторными двухтактными двигателями, когда часть топливно-воздушной смеси, поступающей в цилиндр, выходит прямо через выхлопное отверстие, несгоревшая.Используются две системы: впрыск с подачей воздуха под низким давлением и впрыск под высоким давлением.

Поскольку топливо не проходит через картер, необходим отдельный источник смазки.

Двухтактные дизельные двигатели

Основная статья: Двухтактный дизельный двигатель

Дизельные двигатели воспламеняются исключительно за счет теплоты сжатия. В случае двигателей Schnuerle с отверстиями и продувкой по контуру впуск и выпуск происходит через каналы с поршневым управлением. Однопоточный дизельный двигатель всасывает воздух через продувочные отверстия, а выхлопные газы выходят через верхний тарельчатый клапан.Все двухтактные дизели очищаются за счет принудительной индукции. В некоторых конструкциях используется нагнетатель Рутса с механическим приводом, в то время как в судовых дизельных двигателях обычно используются турбокомпрессоры с приводом от выхлопных газов и вспомогательные нагнетатели с электрическим приводом для работы на низкой скорости, когда турбонагнетатели с ОГ не могут подавать достаточно воздуха.

Судовые двухтактные дизельные двигатели

, напрямую соединенные с гребным винтом, могут запускаться и работать в любом направлении по мере необходимости. Впрыск топлива и фазы газораспределения механически регулируются с помощью другого набора кулачков на распределительном валу.Таким образом, двигатель может работать задним ходом для движения судна назад.

Смазка

Большинство небольших бензиновых двухтактных двигателей не могут смазываться маслом, содержащимся в их картере и картере, так как картер уже используется для закачки топливно-воздушной смеси в цилиндр. Обычно движущиеся части (как вращающийся коленчатый вал, так и скользящий поршень) смазывались предварительно смешанной топливно-масляной смесью (в соотношении от 16: 1 до 50: 1). Еще в 1960-х на заправочных станциях часто был отдельный насос для подачи такого премикса на мотоциклы.Даже в этом случае во многих случаях гонщик имел при себе бутылку масла для двухтактных двигателей. Позаботившись сначала закрыть топливный кран, он или она дозирует немного масла (используя крышку баллона), а затем наливает бензин, смешивая две жидкости.

Современные двухтактные двигатели нагнетают смазку из отдельной емкости с маслом. Это все еще система с полными потерями, при этом масло сжигается так же, как и в старой системе, но с более низкой и более экономичной скоростью. Кроме того, он чище, уменьшая проблему загрязнения свечей зажигания и образования кокса в цилиндре и выхлопе.Почти единственные двигатели, все еще использующие премикс, — это ручные двухтактные устройства, такие как бензопилы (которые должны работать в любом положении) и большинство модельных двигателей.

Все двухтактные двигатели, работающие на смеси бензин / масло, будут страдать от масляного голодания, если они будут вынуждены вращаться на скорости с закрытым дросселем, например мотоциклы, спускающиеся по длинным холмам и, возможно, при постепенном замедлении с высокой скорости за счет переключения передач на пониженную. Двухтактные автомобили (например, те, которые были популярны в Восточной Европе в середине 20-го века) были в особой опасности и обычно были оснащены механизмами свободного хода в трансмиссии, позволяющими двигателю работать на холостом ходу при закрытии дроссельной заслонки, что требовало использования тормоза во всех случаях замедления.

В больших двухтактных двигателях, включая дизельные, обычно используется система смазки с поддоном, аналогичная четырехтактным двигателям. Цилиндр все еще должен находиться под давлением, но это делается не из картера, а с помощью дополнительного нагнетателя.

Двухтактный реверсивный

Для целей этого обсуждения удобно думать в терминах мотоциклов, где выхлопная труба обращена в поток охлаждающего воздуха, а коленчатый вал обычно вращается в той же оси и в том же направлении, что и колеса i.е. «вперед». Некоторые из рассмотренных здесь соображений применимы к четырехтактным двигателям (которые не могут изменить направление вращения без значительных изменений), почти все из которых также вращаются вперед.

Обычные бензиновые двухтактные двигатели будут работать задним ходом в течение коротких периодов времени и при небольшой нагрузке без особых проблем, и это было использовано для обеспечения возможности реверсирования в микрокарах, таких как Messerschmitt KR200, в которых отсутствовала передача заднего хода. Если у автомобиля есть электрический запуск, двигатель будет выключен и снова запущен в обратном направлении поворотом ключа в противоположном направлении.В двухтактных тележках для гольфа использовалась аналогичная система. Традиционные магнето с маховиком (с использованием точек размыкателя контактов, но без внешней катушки) одинаково хорошо работали в обратном направлении, потому что кулачок, управляющий точками, является симметричным, размыкая контакт перед ВМТ одинаково хорошо, независимо от того, движется ли вперед или назад. Двигатели с герконовым клапаном будут работать в обратном направлении так же хорошо, как и поршневые двигатели, хотя двигатели с поворотными клапанами имеют асимметричную синхронизацию впуска и не будут работать очень хорошо.

Работа любого двигателя в обратном направлении под нагрузкой в ​​течение любого промежутка времени имеет серьезные недостатки, и некоторые из этих причин являются общими, в равной степени применимыми как к двухтактным, так и к четырехтактным двигателям. Некоторые из этих недостатков являются внутренними, неизбежными даже в случае полного изменения дизайна. Проблема возникает из-за того, что при движении «вперед» основная упорная поверхность поршня находится на задней поверхности цилиндра, который, особенно в двухтактном двигателе, является самой холодной и лучше всего смазываемой частью. Вперед поверхность поршня менее хорошо подходят, чтобы быть основным направлением лица, поскольку он охватывает и раскрывает выпускное отверстие в цилиндре, самую горячую часть двигателя, где поршень смазка находится в ее наиболее маргинальном.Передняя поверхность поршня также более уязвима, поскольку выпускной канал, самый большой в двигателе, находится в передней стенке цилиндра. Юбки и кольца поршня могут быть выдавлены в этот порт, поэтому всегда лучше, чтобы они сильнее прижимались к задней стенке (где есть только переходные отверстия) и там есть хорошая опора. В некоторых двигателях малый конец смещен для уменьшения тяги в предполагаемом направлении вращения, а передняя поверхность поршня сделана тоньше и легче для компенсации, но при движении назад эта более слабая передняя поверхность подвергается повышенным механическим нагрузкам, она не была разработана. сопротивляться. ^[8]

Большие двухтактные судовые дизели иногда делают реверсивными. Как и четырехтактные судовые двигатели (некоторые из которых также являются реверсивными), в них используются клапаны с механическим приводом, поэтому требуются дополнительные механизмы распределительного вала.

Помимо прочего, масляный насос современного двухтактного двигателя может не работать в обратном направлении, и в этом случае двигатель будет страдать от масляного голодания в течение короткого времени. Запуск двигателя мотоцикла задним ходом относительно легко запустить, а в редких случаях это может вызвать обратный огонь.Это не рекомендуется.

Двигатели для авиамоделей с герконовыми клапанами могут устанавливаться как в тракторной, так и в толкающей конфигурации без необходимости замены гребного винта. Эти двигатели с воспламенением от сжатия, поэтому нет проблем с синхронизацией зажигания и небольшой разницы между движением вперед и назад.

См. Также

Список литературы

Внешние ссылки

LAb Руководство | Изучить про 2-х тактный двигатель.

Цель: Изучить двухтактный двигатель.

Введение

Тепловые двигатели: Любой тип двигателя или машины, который получает тепловую энергию от сгорания топлива или любого другого источника и преобразует эту энергию в механическую работу, называется тепловым двигателем.

Классификация тепловых двигателей

• · Двигатели внешнего сгорания
• · Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внешнего сгорания: В этом случае сгорание топлива происходит вне цилиндра, как в паровых двигателях, где теплота сгорания используется для генерирования пара, который используется для перемещения поршня в цилиндре.Другими примерами двигателей внешнего сгорания являются двигатели горячего воздуха, паровая турбина и газовая турбина замкнутого цикла. Эти двигатели обычно используются для привода локомотивов, судов, выработки электроэнергии и т. Д.

Двигатели внутреннего сгорания (двигатели внутреннего сгорания): В этом случае сгорание топлива с кислородом воздуха происходит внутри цилиндра двигателя. Группа двигателей внутреннего сгорания включает двигатели, использующие смеси горючих газов и воздуха, известные как газовые двигатели, двигатели, использующие более легкое жидкое топливо или спирт, известные как бензиновые двигатели, и двигатели, использующие более тяжелые жидкие топлива, известные как двигатели с воспламенением от сжатия масла или дизельные двигатели.

Классификация I.C. Двигатели:

Двигатели внутреннего сгорания могут быть классифицированы следующим образом:

1. По циклу эксплуатации:

• Двухтактные двигатели
• Двигатели четырехтактные

2. По циклу сгорания:

• Двигатель цикла Отто
• Дизельный двигатель
• Двойное сгорание

3. В зависимости от используемого топлива и способа подачи топлива в цилиндр двигателя:

• Бензиновый двигатель
• Дизельный двигатель
• Масло, газовый двигатель

4.По способу воспламенения:

• · Двигатель с искровым зажиганием (S.L)
• · Двигатель с воспламенением от сжатия (C.I.)

5. По способу охлаждения цилиндра:

• Двигатель воздушного охлаждения
• Двигатель с водяным охлаждением

6. По количеству цилиндров:

• Двигатель одноцилиндровый
• Многоцилиндровый двигатель

Различные части I.C. Двигатели (детали, общие для бензиновых и дизельных двигателей):

1.Цилиндр

2. Головка блока цилиндров

3. Поршень

4. Кольца поршневые

5. Палец поршневой

6. Шатун

7. Коленчатый вал

8. Кривошип

9. Подшипник двигателя

10. Картер картера

11. Маховик

12. Губернатор

13. Клапаны и привод клапана

Только запчасти для бензиновых двигателей:

1. Свечи зажигания

2. Карбюратор

3.Топливный насос

Детали только для дизельного двигателя:

1. Топливный насос

2. Инжектор

Рис. Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением

ДВИГАТЕЛИ ДВУХТАКТНЫХ ЦИКЛА

• Двухтактный бензиновый двигатель
• Двухтактный дизельный двигатель

ДВИГАТЕЛИ ДВУХТАКТНЫЕ

В 1878 году британский инженер представил цикл, который можно было завершить за два такта поршня, а не за четыре такта, как в случае с четырехтактными двигателями.

В этом двигателе исключены такты всасывания и выпуска. Здесь вместо клапанов используются порты. Выхлопные газы вытесняются из цилиндра двигателя свежей заправкой топлива, поступающей в цилиндр почти в конце рабочего хода.

Двухтактный бензиновый двигатель (используется в скутерах, мотоциклах и т. Д.).

Цилиндр L соединен с закрытой камерой кривошипа C.C. Во время хода поршня M вверх газы в L сжимаются, и в то же время свежий воздух и топливная (бензиновая) смесь поступает в картерную камеру через клапан V.

Когда поршень движется вниз, V закрывается и смесь в камере кривошипа сжимается, поршень движется вверх и сжимает взрывное изменение, которое ранее подавалось в L. Зажигание происходит в конце хода. Затем поршень движется вниз из-за расширения газов, и ближе к концу этого хода поршень открывает выпускной канал (E.P.), и сгоревшие выхлопные газы выходят через это отверстие.

Порт передачи (T.P.) сразу же открывается, и сжатый заряд из камеры кривошипа перетекает в цилиндр и отклоняется вверх за счет выступа на головке поршня.

Можно отметить, что поступающая воздушно-бензиновая смесь способствует удалению газов из цилиндра двигателя; если, в случае, если эти выхлопные газы не покидают цилиндр, свежий заряд разбавляется и эффективность двигателя снижается.

Затем поршень снова начинает движение от B.D.C. Т.D.C. и заряд сжимается, когда E.P. (выпускной порт) и T.P. накрыты поршнем; таким образом цикл повторяется.

Подготовил:

Г-н Сачин Чатурведи,
Преподаватель кафедры машиностроения,
Колледж инженерии и технологий Браун-Хиллз,

Последнее обновление: суббота, 24 октября 2009 г.

Связанные

Пятитактный двигатель внутреннего сгорания

1 Пятитактный двигатель внутреннего сгорания Новая концепция двигателей внутреннего сгорания, разработанная Герхардом Шмитцем, Санкт-Петербург.Vith 2011, Бельгия

2 Содержание 1 ВВЕДЕНИЕ НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПЯТИТАКТНЫЙ ЦИКЛ Обзор Подробная информация об эволюции цикла FIVE-STROKE VS. ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ЦИКЛ Обзор Технические данные Четырехтактный двигатель Сводка Подробные сведения о термодинамических данных для компьютерного моделирования Подробные данные о механическом трении для компьютерного моделирования Пятитактный двигатель Сводка Подробные сведения о термодинамических данных для компьютерного моделирования Подробные сведения о данных о механическом трении для компьютерного моделирования законы подъема клапана Результаты расчетов Регулировка нагрузки Ход Ход Основные результаты Экономия топлива Распределение работы Плотность тепловых потерь Случайные условия турбокомпрессора Подробные результаты при 30 и 100% нагрузке Интегрированные результаты при 30% нагрузке Интегрированные результаты при 100% нагрузке Показанные результаты Выводы ПРИЛОЖЕНИЕ

3 ЦИФРЫ Рисунок 1: Трехцилиндровый 5-тактный двигатель… 6 Рисунок 2: Фаза A 5-тактного цикла … 7 Рисунок 3: Фаза B 5-тактного цикла … 8 Рисунок 4: Фаза C 5-тактного цикла … 9 Рисунок 5: Фаза 5-тактного цикла D Рисунок 8: Законы подъема клапана для 5- и 4-тактных двигателей Рисунок 9: BSFC 4- и 5-тактных двигателей при 4000 об / мин Рисунок 10: Экономия топлива 5-тактного цикла по сравнению с 4-тактным циклом Рисунок 11: Указанная работа при двух оборотах кривошипа в 5-тактном двигателе Рис. 12: Диаграмма давления / объема для 4-тактного цикла при 4000 об / мин Рис. 13: График давления / объема для 5-тактного цикла при 4000 об / мин Рис. при полной нагрузке при 4000 об / мин Рисунок 15: Массовый расход в 5-тактном двигателе при полной нагрузке при 4000 об / мин ТАБЛИЦЫ Таблица 1: Регулировка нагрузки 4-тактного цикла Таблица 2: Регулировка нагрузки 5-тактного цикла при 4000 об / мин Таблица 3: Экономия топлива 5-тактного двигателя vs.4-тактный цикл при 4000 об / мин Таблица 4: Внутренняя работа (в Джоулях) за один 4-тактный цикл Таблица 5: Внутренняя работа (в Джоулях) за один 5-тактный цикл Таблица 6: Эффективная работа за один 5- и 4-тактный цикл вращение кривошипа Таблица 7: Плотность тепловых потерь в 4-тактном двигателе при 4000 об / мин Таблица 8: Плотность тепловых потерь в 5-тактном двигателе при 4000 об / мин Таблица 9: Случайные условия турбокомпрессора при 4000 об / мин и полной нагрузке

4 1 Введение Это В документе рассматривается новая концепция двигателей внутреннего сгорания, пятитактный двигатель внутреннего сгорания, разработанный Герхардом Шмитцем.В первом разделе описывается эта новая концепция. Затем следует подробный теоретический анализ, в котором новый 5-тактный цикл сравнивается с классическим 4-тактным циклом, и оба обеспечивают эквивалентные характеристики крутящего момента. Добавляется приложение, в котором то же сравнение было проанализировано доктором Х. Альтеном из ILMOR Engineering Ltd. Спасибо компании ILMOR Engineering Ltd. за проведение этого подробного исследования. 4

5 2 Новая концепция двигателей внутреннего сгорания Не дросселируйте двигатель, загрузите его! Смещение поршня современных двигателей внутреннего сгорания рассчитано на регулирование мощности, при котором впуск снижается, когда требуется частичная нагрузка.Это приводит к насосным потерям и низкому механическому КПД при частичной нагрузке и довольно больших объемах для удовлетворения требований пиковой мощности. Для увеличения удельной мощности появились четырехтактные двигатели с турбонаддувом или наддувом. Однако давление нагрузки ограничено соображениями теплового и механического напряжения, а также неконтролируемым зажиганием для бензиновых циклов. Проблема возникает из-за того, что одиночное возвратно-поступательное устройство имеет ход сжатия, равный ходу расширения.С одной стороны, вам нужен большой ход расширения, чтобы преобразовать максимум тепловой энергии в работу. С другой стороны, вам нужен довольно низкий ход сжатия, чтобы ограничить термические и механические нагрузки, а также неконтролируемое зажигание для бензиновых циклов. Это приводит к тому, что четырехтактные циклы следует запускать только с довольно малым диапазоном давления нагрузки (абсолютное давление нагрузки = бар), при этом все еще требуется дросселирование для малых нагрузок. Единственный способ преодолеть вышеупомянутый компромисс — это цикл, в котором ход сжатия и ход расширения различны.Низкая степень сжатия (5 … 7) позволяет использовать большой диапазон давлений нагрузки (абсолютное давление = бар), достаточно большой, чтобы покрыть диапазон мощности в настоящее время дросселируемого четырехтактного цикла. Таким образом, нагрузка на двигатель каким-то образом будет контролироваться переменным общим ходом сжатия, переменным сжатием нагнетательного устройства, за которым следует постоянная степень сжатия поршня. Такт сжатия поршня должен быть достаточно большим, чтобы обеспечить возможность сгорания воздуха (самопроизвольного или воспламенения).Высокая степень расширения () обеспечивает высокое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Такой цикл реализуется с помощью пятитактного двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом или наддувом или шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания с переменным сжатием, где различные задачи возлагаются на разные устройства. Одно устройство, предназначенное для увеличения и контроля дыхания (т.е. мощности) турбонагнетателя или нагнетательного устройства (бар давления нагрузки) Одно устройство, основная задача которого состоит в сжигании этого воздуха цилиндр высокого давления устройства 5-Stroke-Engine One, чтобы завершить преобразование тепловой энергии в механическую работу цилиндра низкого давления 5-тактного двигателя.5

6 3 Пятитактный цикл 3.1 Обзор Пятитактный цикл состоит из следующих этапов: 1. Впуск в цилиндр высокого давления (ВД) 2. Сжатие с последующим зажиганием 3. Первое расширение сгоревших газов 4. Второе расширение сгоревших газов. 5. Отвод сгоревших газов. Эти пять тактов будут реализованы внутри трехцилиндрового двигателя, в котором для питания цилиндра высокого давления используется нагнетательное устройство. Это устройство может иметь механический привод или турбину, использующую остаточную энергию выхлопных газов.Супер- или турбонагнетатель с промежуточным охладителем Рисунок 1: Трехцилиндровый 5-тактный двигатель 6

7 3.2 Подробная информация о развитии цикла Давление нагрузки Турбо или выхлопная среда ABCD Давление нагрузки Рисунок 2: 5-тактный цикл Фаза A 7

8 Давление нагрузки ABCD Давление нагрузки Рисунок 3: 5-тактный цикл Фаза B 8

9 Давление нагрузки Турбо или выхлопная среда ABCD Давление нагрузки Рисунок 4: 5-тактный цикл Фаза C 9

10 Давление нагрузки ABCD Давление нагрузки Выхлопная среда (и / или турбо) Турбо Рисунок 5: 5-тактный цикл, фаза D 10

11 Примечание. На рисунке 5: 5-тактный цикл, фаза D, более сложная система выпускных клапанов для цилиндра низкого давления (или второго расширительного цилиндра) была включена в чертеж.Это является необязательным и позволяет при частичной нагрузке снизить противодавление на поршень цилиндра низкого давления во время такта выпуска до давления окружающей среды. 11

12 4 Сравнение пятитактного и четырехтактного цикла 4.1 Обзор В следующей главе новый пятитактный цикл будет сравниваться с классическим четырехтактным циклом. Анализ будет проводиться с помощью расчетной программы, специально разработанной для этой цели Г. Шмитцем. Модель, используемая для обоих циклов, включает потери на трение потока газа через секции клапана и трубы / порты, а также тепловые потери внутри цилиндра и соединительных труб.Два двигателя, которые будут сравниваться, имеют почти одинаковые характеристики крутящего момента и мощности. Частичная нагрузка в случае 4-тактного цикла достигается за счет дросселирования впуска, а в случае 5-тактного цикла за счет снижения давления нагрузки турбокомпрессора на первом этапе, а затем для очень малых нагрузок дросселирование вход будет необходим. 4.2 Технические характеристики Пятитактный двигатель объемом 750 куб. См разработан для обеспечения эквивалентного крутящего момента / мощности, т. Е. 46 кВт / 110 Нм при 4000 об / мин, чем четырехтактный двигатель объемом 1200 куб. См. Четырехтактный двигатель Сводное количество цилиндров: 4 С наддувом: Нет Global Объем поршня: 1202 куб. см. Объем отдельного поршня: куб. см. Диаметр цилиндра: 72.6 мм Ход поршня: 72,6 мм Степень сжатия: 10: 1 Количество впускных клапанов: 1 Впускной клапан, диаметр: 26 мм Количество выпускных клапанов: 1 Диаметр выпускного клапана: 26 мм Высота подъема клапана (см. Подробности на Рисунке 6, стр.17) Впуск длительность клапана: 177 CA (эффективный подъем от 0,5 мм до 0,5 мм) Макс. подъем: 9 мм при 90 CA ATDC Продолжительность работы выпускного клапана: 177 CA (эффективный подъем от 0,5 мм до 0,5 мм) Макс. подъем: 9 мм при 90 ° C BTDC 12

13 Подробная информация о термодинамических данных для компьютерного моделирования Входные данные «4t99load» Дата и время: 09: 11: 37 Четырех- (данные о HP) или пятитактный двигатель? 4 Частота вращения двигателя (об / мин): сгорание в цилиндре высокого давления Продолжительность (мсек): часть смеси сгорела в ВМТ (./.): Подвод тепла на кг смеси (Дж): Внешние постоянные условия: Давление (бар): Температура (C): Чистота (1 = воздух, 0 = сгоревший газ): Геометрия двигателя: Объем цилиндра в ВМТ (см3): Диаметр цилиндра (мм): Ход поршня (мм): Длина шатуна (мм): Температура блока двигателя: Температура головки цилиндра (C): Температура верхней поверхности поршня (C): Температура стенки цилиндра (C): Управление клапаном: Впуск: Выпускной порт: Закон эффективного подъема клапана [кВт, подъем (мм)] D: \ fuenftak \ db \ lift-4-5.ven D: \ fuenftak \ db \ lift-4-5.ven Впускной Выпуск Выпускной Количество клапанов: Диаметр клапана (мм): Макс. лифт поз. (0 CA = Adm. ВМТ HP): Зазор клапана / кулачка (мм): Множитель подъема (./.): Множитель угла (./.): Устройство наддува существует? N Подробные данные о механическом трении для компьютерного моделирования. В этом разделе используются параметры, используемые программой моделирования двигателя SIMOTTO (данные о механическом трении «4t-motor» Engine block nocyl: 4 nocrab: 5 hd: r2wrod (/ 100): clpist (/ 1e3): fdrypr: r2wcra (/ 100): clcrab (/ 1e3): mu (Ns / m²): поршневые кольца pel (bar): norin: 2 b1: b2: Управление клапаном 13

14 nocamb: 10 dcamb (мм): fdryct: cltap (/ 1e3): wcamb (мм): stival (Н / мм): htap (мм): clcamb: preval (мм): rcami (мм): rcame (мм): пятитактный Сводка двигателя Количество цилиндров: 3 Наддув: Да Общий объем поршня: 750 см3 Площадь высокого давления (л.с.): Количество цилиндров: 2 Рабочий объем отдельного поршня: 150 см3 Диаметр цилиндра: 60 ​​мм Ход поршня: 53 мм Степень сжатия: 7: 1 Количество впускные клапаны: 1 Впускной клапан, диаметр: 21 мм Количество выпускных клапанов: 1 Диаметр выпускного / передаточного клапана: 21 мм Высота подъема клапана (см. подробности на Рисунке 6, стр.17) Длительность впускного клапана: 177 CA (0.От 5 мм до 0,5 мм эфф. подъемник) Макс. внутр. подъем: 9 мм при 90 CA ATDC Exh./Tran. длительность клапана: 177 CA (эффективный подъем от 0,5 мм до 0,5 мм) Макс. exh./tran. Подъем: 9 мм при 90 CA BTDC Область низкого давления (LP): Количество цилиндров: 1 Рабочий объем отдельного поршня: 449 куб.см Диаметр цилиндра: 83 мм Ход: 83 мм Степень сжатия: 17,7: 1 Количество выпускных клапанов: 1 Выпускной клапан диаметр: 45 мм Высота подъема клапана (см. подробную информацию на Рис. 6, стр. 17) Длительность работы выпускного клапана: 177 CA (эффективный подъем от 0,5 мм до 0,5 мм) Макс. выхлоп. подъем: 9 мм при 110 CA BTDC Подробные термодинамические данные для компьютерного моделирования Входные данные «5t99load» Дата и время:: 54: 12: 77 Четырех- (данные о HP) или пятитактный двигатель? 5 Частота вращения двигателя (об / мин):

15 Сгорание в цилиндре высокого давления Продолжительность (мсек): часть смеси сгорела в ВМТ (./.): Подвод тепла на кг смеси (Дж): Внешние постоянные условия: HP LP Давление (бар): расчетная Температура (C): расчетная Чистота (1 = воздух, 0 = сгоревший газ): Геометрия двигателя: HP LP Объем цилиндра в ВМТ (см3): Диаметр цилиндра (мм): Ход поршня (мм): Длина шатуна (мм): Температура блока двигателя: HP LP Температура головки цилиндра (C): Температура верхней поверхности поршня (C): Температура стенки цилиндра ( C): Управление клапаном: Закон эффективного подъема клапана [кВт, подъем (мм)] Допуск высокого давления: D: \ fuenftak \ db \ lift-4-5.Ven HP exh. или Порт передачи: D: \ fuenftak \ db \ lift-4-5.ven Выхлоп НД: D: \ fuenftak \ db \ lift-4-5.ven Доп. давление высокого давления Передача НД exh Количество клапанов: Диаметр клапана (мм): Максимум. лифт поз. (0 CA = Adm. ВМТ HP): Зазор клапана / кулачка (мм): Мультипликатор подъема (./.): Множитель угла (./.): HP-> LP Порты передачи: Средний диаметр порта (мм): Средний порт длина (мм): Температура стенки порта (C): Есть наддувное устройство? Y Тип наддува: турбо Атмосферное давление (бар): Атмосферная температура (C): Давление на входе компрессора (бар): Температура на входе компрессора (C): Давление на выходе компрессора (бар): Изоэнтропический КПД компрессора (./.): КПД промежуточного охладителя (./.): Длина первичной выхлопной трубы (мм): Температура стенки первичной выхлопной трубы. (C): Давление выхлопа турбины (бар): Изоэнтропический КПД турбины (./.): Массовый расход выхлопа через перепускной клапан (%): Подробные данные о механическом трении для компьютерного моделирования Параметры, используемые в этом разделе, используются программа моделирования двигателя SIMOTTO (данные о механическом трении «te-5t-hp» 15

16 Блок двигателя nocyl: 2 nocrab: 3 hd: r2wrod (/ 100): clpist (/ 1e3): fdrypr: r2wcra (/ 100): clcrab (/ 1e3): mu (нс / м²): поршневые кольца pel (бар): norin: 3 b1: b2: клапан управления nocamb: 6 dcamb (мм): fdryct: cltap (/ 1e3): wcamb (mm): stival (Н / мм): htap (мм): clcamb: preval (мм): rcami (мм): rcame (мм): Данные механического трения «te-5t-lp» Блок двигателя nocyl: 1 nocrab: 1 hd: r2wrod ( / 100): clpist (/ 1e3): fdrypr: r2wcra (/ 100): clcrab (/ 1e3): mu (Ns / m²): поршневые кольца pel (bar): norin: 1 b1: b2: nocamb управления клапаном: 2 dcamb (мм): fdryct: cltap (/ 1e3): wcamb (мм): stival (Н / мм): htap (мм): clcamb: preval (мм): rcami (мм): rcame (мм): Законы подъема клапана Различные законы подъема клапана приведены для эффективного подъема клапана в мм в зависимости от положения коленчатого вала в CA, где исходное положение (0 CA) — это ВМТ продувки поршня высокого давления в случае пятитактного цикла.Обратите внимание, что выпускной клапан второго расширительного цилиндра открывается при каждом обороте коленчатого вала. Для следующего исследования не проводилось никакой оптимизации в отношении законов подъема клапана. Подъем клапана Примечание: выпускной клапан НД открывается при каждом обороте рукоятки. Выпуск: 5S-HP и 4S Впуск: 5S-HP и 4S Выпуск: 5S-LP, мм CA (0 CA = ВМТ продувки для 5S-HP и 4S) 16

17 Рисунок 6: Законы подъема клапана для 5 и 4 -тактные двигатели 4.3 Результаты расчетов Компьютерное моделирование было использовано для анализа поведения обоих двигателей, 4- и 5-тактных, при частоте вращения двигателя 4000 об / мин, работающих при различных процентах нагрузки, в диапазоне от 5% до 100% Регулировка нагрузки Ход В случае 4-тактного цикла было использовано простое дросселирование для уменьшения давления нагрузки на прием нагрузки.Турбо? (бар) (Да / Нет) NNNNNNNNNNN Таблица 1: Регулировка нагрузки в 4-тактном цикле Ход В случае 5-тактного двигателя сначала было снижено давление нагрузки, а затем, для нагрузок меньше 26%, дросселирование был применен к HP-забору. Загрузите HP Int. прес. Загрузить пресс. Комп. Эфф. Турбина Eff. Exh. температура трубы. Турбо? Wastegate (%) (бар) (бар) (./.) (./.) (C) (Y / N) (%) NNNNYYYYYYYY 0 Таблица 2: Регулировка нагрузки 5-тактного цикла при 4000 об / мин 17

18 4.3.2 Основные результаты Экономия топлива Основные результаты касаются поведения 4-тактного и 5-тактного двигателей, работающих при 4000 об / мин, при различных нагрузках. Экономия топлива 5-тактного двигателя по сравнению с 4-тактным двигателем составляет от более 30% при очень низкой нагрузке до 16% при полной нагрузке. Нагрузка (%) Эффективный крутящий момент Общий КПД BSFC (гр / кВт · ч) Экономия (%) 4-тактный 5-тактный 4-тактный 5-тактный 4-тактный 5-тактный 5S и 4S Таблица 3: Экономия топлива 5-тактного двигателя и . 4-тактный цикл при 4000 об / мин BSFC при 4000 об / мин 5-тактный и 4-тактный ход 5-тактный гр / кВт · ч Нагрузка (%) Рисунок 7: BSFC 4- и 5-тактных двигателей при 4000 об / мин 18

19 Экономия топлива при 4000 об / мин 5-тактный и 4-тактный режимы Экономия топлива (%) Нагрузка (%) Рисунок 8: Экономия топлива 5-тактного цикла в сравнении с4-тактный цикл Примечание: в приложении содержится отчет: TD-103, касающийся сравнения этого нового 5-тактного двигателя с классическим 4-тактным двигателем, который редактировал г-н Ханс Альтен из Ilmor Engineering Ltd. и где был использован совершенно другой расчетный код, что в конечном итоге приводит к аналогичным результатам, где была оценена экономия 22% при низкой нагрузке и 20% при полной нагрузке. Следует отметить, что 5-тактный двигатель, проанализированный г-ном Альтеном, имеет цилиндры высокого давления, идентичные двигателю, проанализированному в этом документе, но цилиндр низкого давления имеет рабочий объем поршня 655 см3 вместо 450 см3 и давление нагрузки при полная загрузка всего 3.2 бара вместо 3,9. Наконец г-н Альтен провел анализ как для 2000, так и для 4000 об / мин. 19

20 Распределение работы В этой главе рассматривается распределение работы двигателя по разным ходам в 4- и 5-тактном двигателе, а также распределение работы двигателя по разным поршням в случае 5-тактного двигателя. двигатель. Нагрузка (%) Впускной Com. Expan. Exh. Итого Таблица 4: Внутренняя работа (в Джоулях) за один 4-тактный цикл Нагрузка (%) HP Int.HP com. HP exp. HP exh. LP эксп. LP Exh. Tot.HP Tot.LP Итого Таблица 5: Внутренняя работа (в Джоулях) за один 5-тактный цикл 20

21 Джоуль HP слева LP HP справа Фаза A Фаза B Фаза C Фаза D Рисунок 9: Указанная работа при двух оборотах кривошипа в 5-тактный двигатель Примечание: Пожалуйста, обратитесь к Подробности эволюции цикла, стр. 7, для описания различных фаз от A до D. Нагрузка (%) Tot. меж. работа (J) Работа механического трения (J) Общая эффективная работа (Джоуль) 4-тактный 5-тактный 4-тактный HP 5-Str.LP 5-я ул. 5-тактный 4-тактный HP 5-Str. LP 5-я ул. 5-тактная таблица 6: Эффективная работа при одном 5- и 4-тактном обороте кривошипа 21

22 Примечание. В этой таблице показано, что работа при полной нагрузке (100%) распределяется следующим образом между различными поршнями трех цилиндров. 5-тактный двигатель: HP слева: 36,4% LP (в центре): 27,2% HP справа: 36,4% Таким образом, даже в очень неравномерном 5-тактном цикле мощность двигателя почти одинаково распределяется по трем цилиндрам! Плотность тепловых потерь В этой главе рассматриваются тепловые потери внутри двигателей, работающих при 4000 об / мин и при различных нагрузках.Нагрузка (%) Общая тепловая нагрузка. теплопотери Плотность теплопотерь Цил. Головка поршня (Джоуль) (Джоуль) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) Таблица 7: Плотность тепловых потерь в 4-тактном двигателе при 4000 об / мин. Нагрузка (%) Тепл. Тепловые потери Плотность тепловых потерь HP цил. Головка HP Поршень HP. Цилиндр НД Головка НД Поршень НД. Передача (Джоуль) (Джоуль) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) (Вт / см²) Таблица 8: Плотность тепловых потерь в 5-тактный двигатель при 4000 об / мин. Пиковое тепловое напряжение на поверхности поршня 4-тактного цикла при полной нагрузке достигает 42.4 Вт / см², в то время как пиковое значение для 5-тактного цикла составляет 85,4 Вт / см² для поршня HP 22

23 и 43,1 Вт / см² для поршня LP, что почти эквивалентно значениям для поршня 4 поршневой. Порт передачи HP-> LP должен поддерживать 39,3 Вт / см². Поршень ВД должен отводить примерно вдвое больше тепловой мощности, чем 4-тактный поршень, поэтому его охлаждение должно быть хорошо спроектировано. Случайные условия турбонагнетателя Нагрузка (%) Температура газа в С при ат… Pres. (бар) Комп. Exh Interc. Exh 4-str. exh. LP exh. Turb. вход Турб. выход Турб. Входная таблица 9: Случайные условия турбокомпрессора при 4000 об / мин и полной нагрузке Подробные результаты при 30% и 100% нагрузке Интегрированные результаты при 30% нагрузке Четырехтактный двигатель Результат «4t30load» Дата и время: 09: 35: 17 Тип цикла: 4 Обороты двигателя (об / мин): турбонагнетатель существует? N Подвод тепла (Дж): Общая указанная работа (Дж): Плотность теплопередачи (Вт / см²) при …… головка цилиндра: верхняя поверхность поршня: стенка цилиндра: Эффективный крутящий момент (Нм): 32.9 Эффективная мощность (кВт):

24 Термодинамический КПД (./.): Механический КПД (./.): Общий КПД (./.): BSFC (гр / кВтч): Пятитактный двигатель Результат «5t30load «Дата и время:: 27: 52: 86 Тип цикла: 5 Скорость двигателя (об / мин): Турбокомпрессор существует?» Y Тип турбо: турбо Темп. на выходе компрессора (C): Работа компрессора (J): Темп. на выходе из интеркулера (C): Темп. на выпускном отверстии LP (C): Темп. (C), прес. (бар) на входе в турбину: Температура на выходе из турбины (C): Подвод тепла (J): Общая указанная работа (J): Плотность теплопередачи (Вт / см²) при… HP LP … головка цилиндра: верхняя поверхность поршня: стенка цилиндра: передаточная труба: Эффективный крутящий момент (Нм): 33,0 Эффективная мощность (кВт): 13,8 Термодинамический КПД (./.): Механический КПД (./.): Общий КПД (./.): BSFC (гр / кВтч): Интегрированные результаты при 100% нагрузке Четырехтактный двигатель Результат «4t99load» Дата и время:: 09: 41: 36 Тип цикла: 4 Скорость двигателя (об / мин) : Турбокомпрессор есть? N Подвод тепла (Дж):

25 Общая указанная работа (Дж): Плотность теплопередачи (Вт / см²) при…… ГБЦ: верхняя поверхность поршня: стенка цилиндра: Эффективный крутящий момент (Нм): Эффективная мощность (кВт): 46,1 Термодинамический КПД (./.): Механический КПД (./.): Общий КПД (./. ): BSFC (гр / кВтч): Пятитактный двигатель Результат «5t99load» Дата и время:: 56: 20: 97 Тип цикла: 5 Скорость двигателя (об / мин): Турбокомпрессор существует? Y Тип турбо: турбо Темп. на выходе компрессора (C): Работа компрессора (J): Темп. на выходе из интеркулера (C): Темп. на выпускном отверстии LP (C): Темп. (C), прес. (бар) на входе в турбину: Температура на выходе из турбины (C): Подвод тепла (J): Общая указанная работа (J): Плотность теплопередачи (Вт / см²) при… HP LP … головка цилиндра: верхняя поверхность поршня: стенка цилиндра: передаточная труба: Эффективный крутящий момент (Нм): Эффективная мощность (кВт): 46,0 Термодинамический КПД (./.): Механический КПД (./.): Общий КПД (./.): BSFC (гр / кВт · ч): Указанные результаты 25

26% нагрузка 100% нагрузка бар Объем (см3)% нагрузка 100% нагрузка бар Объем (см3) Рисунок 10: Диаграмма давление / объем для 4- цикл хода при 4000 об / мин 26

27 бар% Нагрузка — давление низкого давления 30% Нагрузка — давление высокого давления 100% нагрузка — давление низкого давления 100% нагрузка — давление высокого давления Объем (см3) 14 бар% Нагрузка — давление низкого давления 30% Нагрузка — давление высокого давления 100% нагрузка — давление низкого давления 100% нагрузка — давление высокого давления Объем (куб. См) Рисунок 11: Диаграмма давление / объем для 5-тактного цикла при 4000 об / мин Примечание: на рисунке 11 показано, что на диаграмме давления низкого давления нет отрицательного участка контура, поскольку у классической четырехтактной (и HP) pv-диаграммы всегда есть.Это связано с тем, что цилиндр низкого давления работает в двухтактном цикле, т.е. расширение-выхлоп

28 л.с., 5-тактный, LP 5-тактный, 4-тактный коленчатый вал, степень C Рис. 12: Указанная температура газа при полной нагрузке при 4000 об / мин. покинул ЛП адм. правый гр / с CA Рисунок 13: Массовый расход в 5-тактном двигателе при полной нагрузке и 4000 об / мин Примечание. На Рисунке 13 (стр.28) значения расхода HP соответствуют расходам левого цилиндра высокого давления, т.е. правый цилиндр высокого давления не показан.Поток выхлопных газов высокого давления равен (минус) изменению расхода на впуске левого низкого давления. Действительно, это тот же поток. Знак минус (HP exh.) Просто указывает на то, что выхлопной поток высокого давления выходит из цилиндра, а знак плюс (впуск низкого давления слева) указывает, что поток поступает в цилиндр LP. Расход выхлопных газов НД соответствует двухтактному двигателю. 28

29 4.4 Выводы Преимущества 5-тактного цикла по сравнению с 4-тактным двигателем: Снижение расхода топлива с 16% (при полной нагрузке) до 30% (при низкой нагрузке).Общий рабочий объем поршня уменьшается примерно на 37%, то есть пятитактный двигатель объемом 750 см3 имеет такие же характеристики крутящего момента, что и четырехтактный двигатель объемом 1200 см3. Разделение цикла на области низкого и высокого давления (и температуры) позволяет специализировать каждый частичный цикл, то есть вводить новые материалы в двигателестроение в области низкого давления. Низкая степень сжатия высокого давления (… 7,0 …: 1) позволяет сделать камеру сгорания более компактной и уменьшает изменение ее объема во время горения, что предотвращает чрезмерное падение температуры пламени к концу горения.Теплообменник можно было обойти, чтобы регулировать температуру всасываемой топливно-воздушной смеси при нормальной эксплуатации и при запуске двигателя. Большое падение давления в начале впуска смеси в цилиндр высокого давления допускает высокую турбулентность …. Проблемы, которые могут возникнуть: Регулирование мощности намного сложнее в случае 5-тактного цикла. Комбинация регулирования турбины с помощью перепускного клапана и изменения соотношения воздух / топливо в смеси (см. Двигатели GDI) может решить эту проблему.Повышенная плотность тепловых потерь цилиндра высокого давления требует тщательно спроектированной системы охлаждения. Различная масса (2 маленьких и 1 большой поршень) требует тщательно продуманного уравновешивания масс … Наконец, можно констатировать, что новый пятитактный цикл в целом кажется серьезной альтернативой предыдущему. классический четырехтактный двигатель в дорожных автомобилях. Он мог бы использовать все существующие ноу-хау, касающиеся четырехтактного цикла, то есть турбонаддув, прямой впрыск, … чтобы объединить его в высокотехнологичный двигатель внутреннего сгорания, который потребляет гораздо меньше первичной энергии и вызывает гораздо меньшее загрязнение окружающей среды. .29

30 5 Приложение Приложение состоит из … Отчет: TD-103: Thermodynamische Untersuchung eines 4-Taktmotors mit Nachexpansion Ханс Альтен, ILMOR Engineering Ltd., Бриксворт, Этот отчет касается, с одной стороны, переходного поведения пятитактный двигатель по сравнению с четырехтактным двигателем, где обнаруживается довольно медленная реакция на запросы изменения нагрузки пятитактного цикла. С другой стороны, была проанализирована экономия топлива, см. Рисунки 15 и 16.Отмечена экономия 20 (при полной нагрузке) … 22% (при частичной нагрузке). Следует отметить, что регулирование мощности в этом исследовании использует обычное дросселирование и управление перепускным клапаном турбины, оптимизация для улучшения характеристик отклика 5-тактного двигателя не проводилась. 30

От первого двигателя до наших дней

Автомобили сильно изменились с 1990-х годов, не говоря уже о том, что они были изобретены в конце XIX века.Следующие 20+ важных инноваций в автомобилестроении не являются исключением.

Эти инновации показывают нам, как далеко продвинулись технологии с тех пор, как впервые появилась безлошадная повозка.

Следующий список далеко не исчерпывающий и в нем нет определенного порядка.

1. Паровой двигатель положил начало всему.

Источник : Стивен Фоскетт / Wikimedia Commons

Паровая машина была одной из первых инноваций в автомобильной инженерии . Хотя изначально он был разработан для откачки воды из шахт, усовершенствования со временем позволили резко уменьшить размер двигателя.

Первый надежный паровой двигатель был разработан Джеймсом Ваттом в 1775 и, в свою очередь, являлся усовершенствованием более раннего двигателя Ньюкомена.

Паровые двигатели первоначально привели к развитию локомотивов и паровых кораблей, но технология была усовершенствована для использования в ранних автомобилях примерно в 1850-х годах . Паровые вагоны превосходили по численности другие виды силовой установки среди очень ранних автомобилей, да и топливо было относительно дешевым.

Судьба автомобиля с паровым двигателем была решена, когда Генри Форд полностью разработал процесс массового производства. Электрические стартеры для двигателей внутреннего сгорания также устранили необходимость в двигателях с ручным заводом, и автомобили с двигателем внутреннего сгорания в конечном итоге выиграли, поскольку их было намного дешевле покупать.

2. Двигатель внутреннего сгорания сделал автомобили «дешевыми»

Источник: Bru-nO / Pixabay

Двигатель внутреннего сгорания, по любым стандартам, de facto причина существования автомобиля сегодня.Хотя различные образцы первых двигателей существуют с 1700-х годов, Этьену Лениору потребовалось создать первый надежный двигатель в 1859 году.

Современный двигатель внутреннего сгорания, каким мы его знаем, был разработан, когда Николаус Отто запатентовал свой «атмосферный газ». двигатель »в 1864 . Более поздние разработки были сделаны Джорджем Брайтоном (первый двигатель на жидком топливе), и сотрудничество между Отто, Даймлером и Майбахом дало миру первый четырехтактный двигатель в 1876 году.

Двухтактный двигатель был разработан Карлом Бенцем несколько позже, в 1879 , а производство первых коммерческих автомобилей Benz началось в 1886.

3. Стартер вывел ручные кривошипы из употребления

Двигатели внутреннего сгорания в основном работают по системе обратной связи, которая полагается на инерцию каждого цикла, чтобы инициировать следующий. По этой причине ранние автомобили нуждались в способе вращения (проворачивания) двигателя на начальном этапе, чтобы позволить ему работать на собственной мощности.

В ранних двигателях для этого использовались самые разные методы, от пороховых цилиндров до пружин и грубой силы — с использованием знаменитой рукоятки кривошипа. Несмотря на свою эффективность, эти методы были неудобными, трудными и даже опасными. Двигатели часто «откатывались», что делало процесс менее предсказуемым.

Требовалось менее трудоемкое, более удобное и предсказуемое средство запуска двигателя.

Первый электростартер был разработан в Англии в 1896 Х.Дж. Биолокация. Первый патент США на электрический стартер был выдан в 1903, с патентом на улучшенную версию 1911 . Первые автомобили, на которых был установлен электростартер, были произведены Cadillac в 1912 .

Стартеры, конечно, сейчас входят в стандартную комплектацию автомобилей, но их рост не был гарантирован, и шатуны все еще использовались до 1920-х годов. Интересно, что ручные кривошипы все еще поставлялись некоторыми производителями даже после выпуска таких автомобилей, как Citroen 2CV (1948–1990).Они были предусмотрены как способ завести машину в случае выхода из строя стартера или аккумулятора.

4. Дизельный двигатель довольно эффективен

Дизельный двигатель, или двигатель с воспламенением от сжатия (CI), был разработан Рудольфом Дизелем и до сих пор является самым высоким тепловым КПД среди всех двигателей внутреннего сгорания. В некоторых случаях низкооборотные дизельные двигатели могут иметь тепловой КПД чуть более 50% .

Как следует из названия, воспламенение топлива осуществляется за счет механического сжатия воздуха в камере сгорания до такой степени, что впрыскиваемое распыленное дизельное топливо мгновенно воспламеняется (адиабатическое сжатие).Это контрастирует с искровым зажиганием бензиновых или газовых двигателей.

Рудольф Дизель, после того, как его чуть не убил предыдущий цикл

Четырехтактный двигатель производит водород из метана, улавливает углекислый газ — ScienceDaily

Когда двигатель внутреннего сгорания не является двигателем внутреннего сгорания? Когда он был преобразован в модульный реактор риформинга, который мог бы делать водород доступным для питания топливных элементов везде, где есть доступ к природному газу.

Добавив катализатор, разделяющую водород мембрану и сорбент углекислого газа в цикл четырехтактного двигателя столетней давности, исследователи продемонстрировали лабораторную систему реформинга водорода, которая производит зеленое топливо при относительно низкой температуре в процессе, который может быть масштабируется вверх или вниз для удовлетворения конкретных потребностей.Этот процесс может обеспечить водород в точке использования для бытовых топливных элементов или соседних электростанций, выработку электроэнергии и энергии в транспортных средствах, работающих на природном газе, заправку городских автобусов или других транспортных средств на водороде, а также в дополнение к периодически возобновляемым источникам энергии, таким как фотоэлектрические .

Известный как реактор с активным мембранным поршнем (CHAMP) CO ₂ / H ₂ , устройство работает при температурах намного ниже, чем обычные процессы парового риформинга, потребляет значительно меньше воды и может также работать на других видах топлива, таких как метанол или биотопливо. -производное сырье.Он также улавливает и концентрирует выбросы углекислого газа, побочного продукта, который сейчас не имеет вторичного использования, хотя это может измениться в будущем.

В отличие от обычных двигателей, которые работают с тысячами оборотов в минуту, реактор работает только с несколькими циклами в минуту — или медленнее — в зависимости от масштаба реактора и требуемой скорости производства водорода. И свечей зажигания нет, потому что не сгорает топливо.

«У нас уже есть общенациональная инфраструктура распределения природного газа, поэтому гораздо лучше производить водород на месте его использования, а не пытаться его распределить», — сказал Андрей Федоров, профессор Технологического института Джорджии, который работает над CHAMP с 2008 года.«Наша технология может производить это предпочтительное топливо везде, где есть природный газ, что может решить одну из основных проблем водородной экономики».

В статье, опубликованной 9 февраля в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research , описана операционная модель процесса CHAMP, включая критический этап внутренней адсорбции двуокиси углерода, побочного продукта процесса реформинга метана, чтобы его можно было сконцентрировать и удалить. из реактора для улавливания, хранения или утилизации.О других реализациях системы сообщили три доктора философии Технологического института Джорджии в качестве дипломных работ. с момента начала проекта в 2008 году. Исследование было поддержано Национальным научным фондом, Министерством обороны через стипендии NDSEG и Фондом гражданских исследований и развития США (CRDF Global).

Ключом к процессу реакции является переменный объем, обеспечиваемый подъемом и опусканием поршня в цилиндре. Как и в обычном двигателе, клапан регулирует поток газов в реактор и из него, когда поршень движется вверх и вниз.Четырехтактная система работает следующим образом:

• Природный газ (метан) и пар втягиваются в реакционный цилиндр через клапан, когда поршень внутри опускается. Клапан закрывается, когда поршень достигает дна цилиндра.
• Поршень поднимается в цилиндр, сжимая пар и метан по мере нагрева реактора. Когда температура достигает примерно 400 градусов по Цельсию, внутри реактора происходят каталитические реакции с образованием водорода и диоксида углерода. Водород выходит через селективную мембрану, а диоксид углерода под давлением адсорбируется сорбирующим материалом, который смешивается с катализатором.
• Когда водород выходит из реактора и диоксид углерода связывается сорбентом, поршень опускается, уменьшая объем (и давление) в цилиндре. Диоксид углерода выделяется из сорбента в цилиндр.
• Поршень снова перемещается в камеру, и клапан открывается, вытесняя концентрированный диоксид углерода и очищая реактор для начала нового цикла.

  «Все части головоломки соединились», — сказал Федоров, профессор Джордж У.Школа машиностроения Вудраффа. «Предстоящие задачи в первую очередь носят экономический характер. Нашим следующим шагом будет строительство экспериментального реактора CHAMP».

Проект был начат для решения некоторых проблем, связанных с использованием водорода в топливных элементах. Большая часть водорода, используемого сегодня, производится в процессе высокотемпературного риформинга, в котором метан соединяется с паром при температуре около 900 градусов по Цельсию. Процесс в промышленном масштабе требует до трех молекул воды на каждую молекулу водорода, и полученный газ с низкой плотностью должен транспортироваться туда, где он будет использоваться.

Лаборатория Федорова впервые провела термодинамические расчеты, предполагающие, что четырехтактный процесс можно модифицировать для производства водорода в относительно небольших количествах там, где он будет использоваться. Цели исследования заключались в создании модульного процесса реформинга, который мог бы работать при температуре от 400 до 500 градусов Цельсия, использовать всего две молекулы воды на каждую молекулу метана для производства четырех молекул водорода, иметь возможность масштабирования для удовлетворения конкретных потребностей. , и улавливать полученный диоксид углерода для потенциального использования или связывания.

«Мы хотели полностью переосмыслить то, как мы проектировали реакторные системы», — сказал Федоров. «Чтобы добиться необходимой эффективности, мы поняли, что нам нужно динамически изменять объем корпуса реактора. Мы изучили существующие механические системы, которые могли бы это сделать, и поняли, что эту возможность можно найти в системе, которая имеет был усовершенствован более чем за столетие: двигатель внутреннего сгорания ».

Система CHAMP может быть увеличена или уменьшена для производства сотен килограммов водорода в день, необходимых для типичной автомобильной заправочной станции, или нескольких килограммов для отдельного транспортного средства или жилого топливного элемента, сказал Федоров.Объем и скорость поршня в реакторе CHAMP можно регулировать в соответствии с потребностями в водороде, при этом согласовывая требования к регенерации сорбента диоксида углерода и эффективности разделения водородной мембраны. При практическом использовании несколько реакторов, вероятно, будут работать вместе для получения непрерывного потока водорода на желаемом уровне производства.

«Мы взяли обычную химическую перерабатывающую установку и создали аналог, используя великолепное оборудование двигателя внутреннего сгорания», — сказал Федоров.«Реактор масштабируемый и модульный, поэтому у вас может быть один модуль или сотня модулей в зависимости от того, сколько водорода вам нужно. Процессы риформинга топлива, очистки водорода и улавливания выбросов диоксида углерода объединены в одну компактную систему».