Двигатель внутреннего сгорания автомобиля

В годы СССР автомобили ездили на дровах и являлись большой роскошью. В современном же мире на автомобилях ездит большое количество людей, и автомобиль не является новинкой. Устройство всего автомобиля знать не обязательно, но устройство двигателя важно знать для того, чтобы правильно обслуживать автомобиль (впоследствии это может повлиять на вашу жизнь). Поэтому будет правильным уделить несколько минут на то, чтобы понять, как устроен ДВС автомобиля (4-х тактный).

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором сжигание топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания. Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы высокой температуры и давления, которые могут расширяться. Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, действующими непосредственно, чтобы вызвать движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже нажимая и двигая весь двигатель в целом.

Термин «двигатель внутреннего сгорания» (ICE) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание является прерывистым. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также являются двигателями внутреннего сгорания.

Общее устройство двигателя

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермического химического процесса сгорания: реакция топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться другие окислители, такие как закись азота.

Наиболее распространенное топливо, используемое сегодня, состоит из углеводородов и в основном из нефти. К ним относятся виды топлива, известные как дизельное топливо, бензин и нефтяной газ, а также редкое использование пропанового газа. Большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без значительных модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Можно также использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол и биодизельное топливо, форму дизельного топлива, которая производится из сельскохозяйственных культур, которые дают триглицериды, такие как соевое масло. Некоторые могут также работать на газообразном водороде.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ достижения воспламенения в своих цилиндрах для создания сгорания. Двигатели используют либо электрический метод, либо систему зажигания от сжатия.

ДВС стоит из множества частей, но здесь будут указаны основные:

1. Коленчатый вал с помощью поршня приводит в движение машину;
2. Поршень — металлический стакан, размещается внутри
3. Цилиндра сдавливает газ, двигает коленчатый вал;
4. Цилиндр, в котором происходит сгорание и расширение газа;
5. Свеча зажигает газ;
6. Клапаны впускают и выпускают газ.

Двигателям свойственно нагревание, а чтобы двигатель не перегрелся, используют систему охлаждения двигателя, состоящую из рубашки охлаждения, насоса, термостата, радиатора, вентилятора и расширительного бачка.

Также, чтобы лучше понять устройство ДВС рекомендуем постмотреть видео «для чайников»

Этапы работы ДВС

У ДВС есть 4 такта работы:

1. Впуск. Впускается топливо в камеру горения (движение поршня вниз);
2. Сжатие. Топливо сжимается и происходит поджигание свечой (движение поршня вверх);
3. Расширение. Смесь сгорает и расширяется (толчок поршня вниз);
4. Выпуск. Продукт сгорания выпускается (подъём поршня вверх вверх).

Принцип работы двс

Устройство работы ДВС основано на расширении газов во время работы поршня.

Во время впуска происходит втягивание газа в цилиндр, после чего клапан закрывается, и происходит сжатие газа, смешанного с воздухом, поршнем. Сжатый газ зажигается свечой и, расширяясь, толкает поршень книзу, а поршень, в свою очередь, двигает коленчатый вал, и происходит движение автомобиля.

ДВС — схема работы цилиндров

Процесс зажигания бензина

Электрические / бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее), как правило, полагаются на комбинацию свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки, чтобы обеспечить электрическую искру высокого напряжения для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя. Эта батарея может заряжаться во время работы с использованием устройства, вырабатывающего электричество, такого как генератор переменного тока или генератор, приводимый в движение двигателем. Бензиновые двигатели принимают смесь воздуха и бензина и сжимают до давления менее 170 фунтов на квадратный дюйм и используют свечу зажигания для зажигания смеси, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс зажигания дизельного двигателя

Системы зажигания от сжатия, такие как дизельный двигатели и двигатели HCCI (с воспламенением от сжатия однородного заряда), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия для воспламенения. Происходящая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели будут всасывать только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива распыляется в цилиндр через топливный инжектор, который позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI будут потреблять как воздух, так и топливо, но будут продолжать полагаться на процесс автоматического сгорания без посторонней помощи из-за более высоких давлений и тепла. Именно поэтому дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. Большинство дизелей также имеют аккумуляторы и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для простоты запуска, включения и выключения топлива, что также может быть выполнено с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. , Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания, чтобы повысить эффективность и уменьшить выбросы.

Циклы двигателей

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два хода (один вверх, один вниз) для каждого рабочего хода. Поскольку нет специальных ударов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы для очистки цилиндров. Наиболее распространенным методом в двухтактных двигателях с искровым зажиганием является использование движения поршня вниз для создания давления свежего заряда в картере, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные с искровым зажиганием маленькие и легкие (для своей мощности), и механически очень простые. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, травосборники, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы., К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо более загрязняют окружающую среду, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших судах. Эти двигатели используют принудительную индукцию для очистки цилиндров. Двухтактные двигатели менее экономичны по сравнению с другими типами двигателей, поскольку неиспользованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, может иногда выходить из вытяжного канала с ранее отработанным топливом. Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высоким уровням загрязнения, что потребует применения в небольших двигателях, таких как газонокосилки, четырехтактных двигателей, а в некоторых странах — двухтактных двигателей меньшего размера, оснащенных каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий ход на каждые четыре такта (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах . Как правило, они тише, эффективнее и крупнее двухтактных. Существует ряд вариаций этих циклов, в частности циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве грузовых и автомобильных дизельных двигателей используется четырехтактный цикл, но с системой зажигания с компрессионным подогревом. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пять-тактный

Двигатели, основанные на пятитактном цикле, являются вариантом четырехтактного цикла. Обычно четыре цикла — это впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. Пятый цикл, добавленный Делавуром [2], — это охлаждение. Двигатели, работающие в пятитактном цикле, на 30 процентов эффективнее, чем эквивалентные четырехтактные двигатели.

Двигатель Bourke

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом кривошипным штифтом, который проходит через общее шотландское ярмо. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, на оборот приходится два рабочих такта. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, сгоревшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и более эффективной работе. Механизм скотч-хомута также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндра. Фаза сгорания двигателя Bourke более близко приближается к постоянному объему сгорания, чем четыре или два такта. Он также использует меньше движущихся частей, следовательно, необходимо преодолеть меньшее трениечем два других возвратно-поступательных типа должны. Кроме того, его большая степень расширения также означает, что используется больше тепла от его фазы сгорания, чем для четырехтактного или двухтактного циклов.

Двигатель управляемого сгорания

Это также двигатели на основе цилиндров, которые могут быть одно- или двухтактными, но вместо коленчатого вала и поршневых шатунов используются двухступенчатые соединенные противоположно вращающиеся концентрические кулачки для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Эти кулачки практически исключают боковые силы, которые в противном случае воздействовали бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механическую эффективность. Профили кулачковых выступов (которые всегда нечетные и их не менее трех) определяют ход поршня в зависимости от подаваемого крутящего момента. В этом двигателе есть два цилиндра, которые разнесены на 180 градусов для каждой пары встречно-вращающихся кулачков. Для версий с одним ходом число циклов на пару цилиндров равно количеству выступов на каждом кулачке, в два раза больше для двухтактных блоков.

Ванкеля

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без поршневых ходов, правильнее было бы назвать четырехфазный двигатель), поскольку фазы происходят в отдельных местах двигателя. Этот двигатель обеспечивает три рабочих такта на оборот на ротор, обеспечивая в среднем более высокое отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в Mazda текущего RX8 и более ранних RX7, а также других моделях.

Газовая турбина

В циклах газовых турбин (в частности, реактивных двигателей) вместо того, чтобы использовать один и тот же поршень для сжатия, а затем расширения газов, вместо этого используются отдельные компрессоры и газовые турбины; давая непрерывную силу. По сути, впускной газ (обычно воздух) сжимается, а затем сжигается с топливом, что значительно повышает температуру и объем. Большой объем горячего газа из камеры сгорания затем подается через газовую турбину, которая затем легко может питать компрессор.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их системе зажигания. Точка в цикле, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, оказывает непосредственное влияние на эффективность и производительность ДВС. Для типичного 4-х тактного автомобильного двигателя горючая смесь должна достигать максимального давления, когда коленчатый вал находится под углом 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для зажигания смеси в нужное время, чтобы гарантировать, что фронт пламени не соприкасается с нисходящей головкой поршня. Если передняя часть пламени соприкасается с поршнем, это приводит к розовому воздействию или ударам. Смеси Leaner и более низкие давления смеси сгорают медленнее, что требует более точного выбора времени зажигания. Сегодня большинство двигателей используют электрическую или компрессионную систему отопления для зажигания. Однако системы с открытым пламенем и горячими трубами использовались исторически.Никола Тесла получил один из первых патентов на систему механического зажигания с патентом США 609250 «Электрическое зажигание для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Процесс зажигания двигателя

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность (с более плавными двигателями, производящими меньше вибрации). Обычные конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут принимать радиальную конфигурацию, которая позволяет более эффективно охлаждать. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно должны иметь головку цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, который называется конструкцией с противоположным расположением поршней. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с использованием двух коленчатых валов, по одному на каждом конце одного блока цилиндров, и наиболее примечательно в дизельных двигателях Napier Deltic, которые использовали три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двусторонних цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в локомотивных двигателях с одной банкой и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для движителей, так и для вспомогательных генераторов. Роторный двигатель Gnome, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Более детально в видео:

КПД двигателя внутреннего сгорания

Эффективность различных типов двигателей внутреннего сгорания различна. Общепринято, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже если им помогают турбокомпрессоры и средства повышения эффективности запаса, имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии в бензине, поскольку тепло теряется в системе охлаждения, и еще 38 процентов — через выхлопные газы. Остальные, около шести процентов, теряются из-за трения . Большинство инженеров не смогли успешно использовать потерянную энергию для каких-либо значимых целей, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

Водородная топливная инъекция, или HFI, является дополнительной системой двигателя, которая, как известно, улучшает экономию топлива двигателей внутреннего сгорания, впрыскивая водород как увеличение сгорания во впускной коллектор. Экономия топлива может быть увеличена на 15-50%. Небольшое количество водорода, добавляемого к топливу воздухозаборника, увеличивает октановое число объединенного топливного заряда и увеличивает скорость пламени., что позволяет двигателю работать с более продвинутым моментом зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной воздушно-топливной смесью, чем это возможно в противном случае. В результате снижается загрязнение, увеличивается мощность и эффективность. Некоторые системы HFI используют встроенный электролизер для выработки используемого водорода. Также можно использовать небольшой резервуар с водородом под давлением, но этот метод требует повторного заполнения.

Также обсуждались новые типы двигателей внутреннего сгорания, такие как двигатель с раздельным циклом Scuderi, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и самая сжатая точка во внутреннем сгорании). ход поршня). Ожидается, что такие двигатели достигнут КПД до 50-55%.

Преимущества и недостатки ДВС

К преимуществам ДВС можно отнести большую дальность передвижения без заправки, большую экономию средств, небольшой вес и объём топливного бака. К недостаткам можно отнести маленький средний КПД двигателя (около 40%) при использовании, высокое загрязнение атмосферы, необходимое наличие КПП.

История

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели сжатия, но работали на том, какая воздушно-топливная смесь могла всасываться или продуваться в течение первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современными двигателями внутреннего сгорания и ранними конструкциями заключается в использовании сжатия и, в частности, сжатия в цилиндрах.

1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание может не означать, что идея была оригинальной с ним или что она действительно была построена.)

1900: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель на выставке 1900 Universselle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизеля).

1900: Вильгельм Майбах разработал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft — в соответствии со спецификациями Эмиля Джеллинека — который потребовал, чтобы двигатель получил имя Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с таким двигателем были запущены в производство DMG.

Заключение

ДВС — очень полезная вещь, но также она способна загрязнять атмосферу. Нужно знать меру в использовании автомобилей, пользоваться ими осторожно, дабы предотвратить несчастные случаи и обеспечить безопасность себе, окружаюей среде и людям.

Источник https://teritoriya-auto.ru/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya-avto/

Источник

Источник

Источник