26Сен

Назначение двигателя внутреннего сгорания: Назначение и классификация двигателей внутреннего сгорания

Содержание

Как устроен и как работает двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Невзирая на тот факт, что двигатель внутреннего сгорания в современных автомобилях состоит из множества частей, его принцип работы предельно прост. Давайте подробнее рассмотрим, что же такое ДВС, и как он функционирует в автомобиле.

ДВС что это?

Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение.

ДВС разделяются на категории по рабочим циклам: двух- и четырёхтактные. Также их различают по способу приготовления топливно-воздушной смеси: с внешним (инжекторы и карбюраторы) и внутренним (дизельные агрегаты) смесеобразованием. В зависимости от того, как в двигателях преобразовывается энергия, их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные и комбинированные.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания состоит из огромного количества элементов. Но есть основные, которые характеризуют его производительность. Давайте рассмотрим строение ДВС и основных его механизмов.

1. Цилиндр – это самая важная часть силового агрегата. Автомобильные двигатели, как правило, имеют четыре и более цилиндров, вплоть до шестнадцати на серийных суперкарах. Расположение цилиндров в таких двигателях может находиться в одном из трёх порядков: линейно, V-образно и оппозитно.

2. Свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания. Чтобы двигатель работал «как часы», искра должна подаваться точно в положенное время.

3. Клапаны впуска и выпуска также функционируют только в определённые моменты. Один открывается, когда нужно впустить очередную порцию топлива, другой, когда нужно выпустить отработанные газы. Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

4. Поршень представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. Движение поршня осуществляется вверх-вниз внутри цилиндра.

5. Поршневые кольца служат уплотнителями скольжения внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Их использование обусловлено двумя целями:

• Они не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

• Они не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Многие автомобили, которые сжигают масло, оборудованы старыми двигателями, и их поршневые кольца уже не обеспечивают должного уплотнения.

6. Шатун служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.

8. Картер располагается вокруг коленчатого вала. В его нижней части (поддоне) собирается определённое количество масла.

Это интересно! Самые мощные в мире ДВС выпускает фирма Wartsila. Они предназначены для кораблей. Их мощность достигает 110 000 л.с., что равно 80 мВт.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В предыдущих разделах мы рассмотрели назначение и устройство ДВС. Как вы уже поняли, каждый такой двигатель имеет поршни и цилиндры, внутри которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Это, в свою очередь, заставляет автомобиль двигаться. Данный процесс повторяется с поразительной частотой – по несколько раз в секунду. Благодаря этому, коленчатый вал, который выходит из двигателя, непрерывно вращается.

Рассмотрим подробнее принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Смесь топлива и воздуха попадает в камеру сгорания через впускной клапан. Далее она компрессируется и воспламеняется искрой от свечи зажигания. Когда топливо сгорает, в камере образуется очень высокая температура, которая приводит к появлению избыточного давления в цилиндре. Это заставляет двигаться поршень к «мёртвой точке». Он таким образом совершает один рабочий ход. Когда поршень двигается вниз, он посредством шатуна вращает коленчатый вал. Затем, двигаясь от нижней мёртвой точки к верхней, выталкивает отработанный материал в виде газов через клапан выпуска далее в выхлопную систему машины.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Совокупность таких тактов, которые повторяются в строгой последовательности и за определённый период – это рабочий цикл ДВС.

Впуск

Впускной такт является первым. Он начинается с верхней мёртвой точки поршня. Он движется вниз, всасывая в цилиндр смесь из топлива и воздуха. Этот такт происходит, когда клапан впуска открыт. Кстати, существуют двигатели, у которых присутствует несколько впускных клапанов. Их технические характеристики существенно влияют на мощность ДВС. В некоторых двигателях можно регулировать время нахождения впускных клапанов открытыми. Это регулируется нажатием на педаль газа. Благодаря такой системе количество всасываемого топлива увеличивается, а после его возгорания существенно возрастает и мощность силового агрегата. Автомобиль в таком случае может существенно ускориться.

Сжатие

Вторым рабочим тактом двигателя внутреннего сгорания является сжатие. По достижении поршнем нижней мертвой точки, он поднимается вверх. За счёт этого попавшая в цилиндр смесь во время первого такта сжимается. Топливно-воздушная смесь сжимается до размеров камеры сгорания. Это то самое свободное место между верхними частями цилиндра и поршня, который находится в своей верхней мертвой точке. Клапаны в момент этого такта плотно закрыты. Чем герметичнее образованное пространство, тем более качественное сжатие получается. Очень важно, какое состояние у поршня, его колец и цилиндра. Если где-то присутствуют зазоры, то о хорошем сжатии речи быть не может, а, следовательно, и мощность силового агрегата будет существенно ниже. По величине сжатия определяется то, насколько изношен силовой агрегат.

Рабочий ход

Этот третий по счёту такт начинается с верхней мёртвой точки. И такое название он получил не случайно. Именно во время этого такта в двигателе происходят те процессы, которые двигают автомобиль. В этом такте подключается система зажигания. Она отвечает за поджог воздушно-топливной смеси, сжатой в камере сгорания. Принцип работы ДВС в этом такте весьма прост – свеча системы дает искру. После возгорания топлива происходит микровзрыв. После этого оно резко увеличивается в объёме, заставляя поршень резко двигаться вниз. Клапаны в этом такте находятся в закрытом состоянии, как и в предыдущем.

Выпуск

Заключительный такт работы двигателя внутреннего сгорания – выпуск. После рабочего такта поршнем достигается нижняя мёртвая точка, а затем открывается выпускной клапан. После этого поршень движется вверх, и через этот клапан выбрасывает отработанные газы из цилиндра. Это процесс вентиляции.

От того, насколько чётко работают клапан, зависит степень сжатия в камере сгорания, полное удаление отработанных материалов и нужное количество воздушно-топливной смеси.

После этого такта всё начинается заново. А за счёт чего вращается коленвал? Дело в том, что не вся энергия уходит на движение автомобиля. Часть энергии раскручивает маховик, который под действием инерционных сил раскручивает коленчатый вал ДВС, перемещая поршень в нерабочие такты.

А знаете ли вы? Дизельный двигатель тяжелее, чем бензиновый, из-за более высокого механического напряжения. Поэтому конструкторы используют более массивные элементы. Зато ресурс таких двигателей выше бензиновых аналогов. Кроме того, дизельные автомобили возгораются значительно реже бензиновых, так как дизель нелетучий.

Достоинства и недостатки

Мы с вами узнали, что представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, а также каково его устройство и принцип работы. В заключение разберём его основные преимущества и недостатки.

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

Интересный факт! Самый маленький двигатель спроектирован в Кембридже. Его габариты составляют 5*15*3 мм, а его мощность 11,2 Вт. Частота вращения коленвала составляет 50 000 об/мин.

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

Как выходец из СССР Николай Школьник изобрел самый мощный в мире двигатель

«Газета.Ru» пообщалась с создателями самого мощного в мире двигателя внутреннего сгорания. Как увеличить в разы КПД мотора, в чем отличие нового агрегата от известных роторных двигателей и в чем преимущество советского образования перед американским — в материале отдела науки.

Выходец из СССР, живущий в США, вместе с сыном изобрел, запатентовал и испытал самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания. Новый мотор будет в разы превосходить существующие по КПД и уступать по массе.

В 1975 году вскоре после окончания Киевского политехнического института молодой физик Николай Школьник уехал в США, где получил научную степень и стал физиком-теоретиком — его интересовали приложения, связанные с общей и специальной теорией относительности. Поработав в области ядерной физики, молодой ученый открыл в США две компании: одну — занимающуюся программным обеспечением, вторую – разрабатывающую шагающие роботы. Позже он на десять лет занялся консультированием проблемных компаний, занимающихся техническими инновациями.

Однако как инженера Школьника постоянно волновал один вопрос — почему современные автомобильные моторы такие неэкономичные?

И действительно, несмотря на то что поршневой двигатель внутреннего сгорания человечество совершенствует уже полтора века,

КПД бензиновых моторов сегодня не превышает 25%, дизельных — порядка 40%.

Между тем сын Школьника Александр поступил в MIT и получил степень доктора в области компьютерных наук, стал специалистом в области оптимизации систем. Думая над увеличением КПД двигателя, Николай Школьник разработал собственный термодинамический цикл работы двигателя HEHC (High-efficiency hybrid cycle), который стал ключевым этапом в реализации его мечты.

«Последний раз такое происходило в 1892 году, когда Рудольф Дизель предложил новый цикл и создал свой двигатель», — пояснил в интервью «Газете.Ru» Школьник-младший.

Изобретатели остановились на роторном двигателе, принцип которого был предложен в середине XX века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем. Идея роторного двигателя проста. В отличие от обычных поршневых моторов, в которых много вращающихся и движущихся частей, снижающих КПД, роторный двигатель Ванкеля имеет овальную камеру и вращающийся внутри нее треугольный ротор, который своим движением образует в камере различные участки, где происходит впуск, сжатие, сгорание и выпуск топлива.

close

100%

Плюсы двигателя — мощность, компактность, отсутствие вибраций. Однако, несмотря на более высокий КПД и высокие динамические характеристики, роторные двигатели за полвека не нашли широкого применения в технике. Одним из немногих примеров серийной установки стало их использование на автомобилях Mazda RX.

Слабыми местами таких моторов являлись ненадежность, связанная с низкой износостойкостью уплотнителей, благодаря которым ротор плотно примыкает к стенкам камеры, и низкая экологичность.

Уже работая в фирме LiquidPiston, основателями которой они стали, Школьники создали свою, абсолютно новую реинкарнацию идеи роторных моторов. Принципиальным в ней было то, что в двигателе Школьников не камера,

а ротор напоминает по форме орех, который вращается в треугольной камере.

Это позволило решить ряд непреодолимых проблем двигателя Ванкеля. Например, пресловутые уплотнители теперь можно делать из железа и крепить их неподвижно к стенкам камеры. При этом масло подводится прямо к ним, в то время как раньше оно добавлялось в сам воздух и, сгорая, создавало грязный выхлоп, а смазывало плохо.

Кроме того, при работе двигателя Школьников происходит так называемое изохорное горение топлива, то есть горение при постоянном объеме, что увеличивает КПД мотора.

Изобретатели создали один за другим пять моделей принципиально нового мотора, последняя из которых в июне была впервые протестирована — ее поставили на спортивный карт. Испытания оправдали все ожидания.

Миниатюрный двигатель размером со смартфон, массой менее 2 кг имеет мощность всего 3 л.с. Двигатель высокооборотистый, работает на частоте 10 тыс. об./мин., но может достигать и 14 тыс. КПД мотора составляет 20%. Это много, учитывая, что обычный поршневой мотор такого же объема в 23 «кубика» имел бы КПД лишь 12%, а поршневой мотор такой же массы дал бы всего 1 л.с.

Но главное, КПД таких моторов резко растет при увеличении их объемов.

Так, следующий двигатель Школьников будет дизельным мотором мощностью 40 л.с., при этом его КПД составит уже 45%, а это выше, чем эффективность лучших дизелей современных грузовиков.

Весить он будет всего 13 кг, притом что его поршневые аналоги такой же мощности сегодня весят под 200 кг.

Этот мотор уже планируется ставить на генератор, который будет вращать колеса дизель-электрического автомобиля. «Если же мы построим еще больший двигатель, мы можем достичь КПД в 60%», — поясняет Школьник.

В перспективе компактные, оборотистые и мощные моторы Школьников планируется использовать там, где эти свойства особенно важны — при конструировании легких дронов, ручных бензопил, газонокосилок и электрогенераторов.

Пока мотор гоняли 15 часов, однако по нормативам, чтобы пойти в производство, он должен отработать непрерывно 50 часов. При этом для автомобильной промышленности требуется надежность мотора на 100 тыс. миль пробега, что пока остается мечтой, признают конструкторы.

«Это самый экономичный, мощный двигатель не только среди роторных, но и всех двигателей внутреннего сгорания.

Это показывают наши измерения, а то, что мы получим на более крупных моторах, мы уже смоделировали на компьютерах», — радуется Школьник-младший.

То, что озвученные цифры — не фантазии изобретателей, подтверждает серьезность намерений инвесторов. Сегодня в стартап уже вложено $18 млн венчурных инвестиций, $1 млн которых дало американское агентство передовых разработок DARPA.

Интерес военных тут понятен. Дело в том, что военными США в авиации применяется в основном топливо JP-8. И военные хотят, чтобы вообще вся армейская техника работала на этом виде топлива, на котором, кстати, могут работать и дизельные моторы.

Но современные дизельные двигатели громоздки, поэтому DARPA так активно присматривается к разработке Школьников.

Александр считает, что создать столь революционный двигатель помогло отчасти образование, которое получил его отец еще в СССР. «Он думает по-другому, не так, как обычный инженер в США. Его фантазия ограничена только физикой. Если физика говорит — что-то возможно, то он верит, что это так, и лишь думает, как это можно сделать», — добавил Александр.

Сам Николай Школьник по-своему рассказывает об истории своего успеха и преимуществах советского образования.

«В США я переживал, что, имея специальность «машиностроение», я не буду иметь достаточного бэкграунда по физике и, особенно, математике.

Эти опасения оказались напрасными благодаря превосходной подготовке, которую я получил в советской школе.

Эта солидная образовательная подготовка до сих пор помогает мне здесь в нашей работе с новым роторным двигателем. С моей точки зрения, есть два больших отличия между американскими инженерами и получившими образование в России. Во-первых, американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают. Обычно требуется два-три русских инженера, чтобы заменить одного американского. Однако русские имеют более широкий взгляд на вещи (связанный с образованием, по крайней мере в мое время) и способность достигать целей с минимумом ресурсов, что называется, на коленке», — поделился размышлениями Николай Школьник.

Двигатели внутреннего сгорания — Национальный технический университет

Заведующий кафедрой

Пылёв Владимир Александрович

Сайт кафедры

О кафедре

Кафедра двигателей внутреннего сгорания (ДВС) основана в 1930 году. С 1980 года она является базовой среди украинских ВУЗов по моторостроению. За время существования кафедра подготовила более 4000 выпускников. Сегодня на кафедре обучается более 200 студентов. Объем лицензионного набора является одним из наибольших в университете.

Кафедра входит в состав факультета «Транспортного машиностроения».

Заведует кафедрой проректор университета по научной работе, заслуженный деятель науки и техники Украины, лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники, академик Академии Высшей школы Украины, лауреат Награды Ярослава Мудрого, доктор технических наук профессор Марченко Андрей Петрович.

На кафедре работает 31 сотрудник, среди которых 5 докторов технических наук, 14кандидатов технических наук, четыре сотрудника имеют звание профессора, 8 -звание доцента. Среди преподавателей кафедры 3 лауреата Государственной премии Украины, 2 лауреата премии Кабинета министров.

Кафедра двигателей внутреннего сгорания НТУ «ХПИ» готовит специалистов по соответствующей специальности для производственно-технической,проектно-конструкторской, организационно-управленческой, а также научно-исследовательской и педагогической деятельности, в направлениях разработки, производства, предпродажной подготовки, эксплуатации и ремонта всех типов ДВС.

На кафедре существует две специализации:

  • Конструирование и производство двигателей внутреннего сгорания;
  • Эксплуатация, диагностика и организация ремонта двигателей внутреннего сгорания.

Выпускникам присваивается квалификация: на уровне бакалавра — бакалавр машиностроения; на уровне специалиста — инженер-машиностроитель, на уровне магистра — профессионал в области.

Учебными планами подготовки студентов предусмотрено преподавание более 40 специальных дисциплин, в том числе «Теоретические основы теплотехники», «Теория ДВС»,«Топлива, масла и охлаждающие жидкости», «Перспективные конструкции двигателей», «Информационные технологии и САПР ДВС», «Современные проблемы и методы математического и компьютерного моделирования», «Прогрессивные технологии изготовления ДВС », «Испытания ДВС», «Современные системы управления и средства диагностики ДВС», «Особенности эксплуатации и ремонта современных ДВС», «Экологичность ДВС», «Энергосбережение в ДВС», «Менеджмент организаций по эксплуатации и ремонту ДВС», «Интеллектуальная собственность».

Обучение ведется в соответствии с новейшими тенденциями развития мирового моторостроения. Специалисты кафедры самостоятельно разрабатывают и внедряют в учебный процесс оригинальные методики обучения. Они ориентированы на уровень подготовки абитуриентов современной средней школы и нацелены на активизацию творческой деятельности студентов. Разработаные методики неоднократно докладывались на методических конференциях, в том числе в МГТУ им. Баумана, Москва, Россия. Для обеспечения учебного процесса специалистами кафедры постоянно издаются и переиздаются учебники, монографии, разнообразная методическая литература. В частности, на кафедре издан уникальный шеститомный учебник «Двигатели внутреннего сгорания», который удостоен высокой награды — Государственной премии Украины.

Кафедра имеет уникальную материально-техническую базу. Общая площадь кафедры около 1700 кв.метров. Она включает аудитории технических средств обучения, класс ЭВМ,лаборатории измерений и топливной аппаратуры, два зала с 16 моторными стендами,где установлены двигатели минитехники, автомобильные, тракторные, танковые,другие специальные двигатели, отсеки тепловозного и судового двигателей. При КП«Харьковское конструкторское бюро двигателестроения» завода им. Малышева действует филиал кафедры.

Студенты кафедры ежегодно принимают участие и занимают призовые места на Всеукраинских конкурсах и олимпиадах. Они неоднократно отмечались наградами на Международном конкурсе «Будущие асы компьютерного 3D-моделирования», проводимого компанией АСКОН г. С-т. Петербург, Россия. Ежегодно студенты кафедры получают патенты на собственные изобретения.

Кафедра гордится своими выдающимися выпускниками. Среди которых 7 заведующих кафедр НТУ«ХПИ» и других ВУЗов Украины, 20 генеральных конструкторов и руководителей ведущих предприятий Украины и СНГ.

Выпускники трудоустраиваются на заводах, в конструкторских бюро, научно-исследовательских институтах, в салонах по продаже автотехники, на автобазах, СТО, машинотракторных станциях, железной дороге, а также на морских и речных судах, объектах стационарной энергетики, предприятиях по добыче и транспортировке нефти и газа.Выпускникам кафедры, которые выказали способности к научно-исследовательской деятельности, предоставляется возможность продолжить обучение в аспирантуре.

Научные направления

Основные научные направления, по которым в настоящее время плодотворно работают студенты, аспиранты, докторанты и научно-педагогические сотрудники кафедры нацелены на исследование и улучшение процессов смесеобразования и сгорания двигателей,улучшения экологических и экономических показателей, обеспечения использования альтернативных топлив и многотопливности, повышение ресурсных характеристик ДВС, использование перспективных материалов и технологий; разработку САПР,новых методик, математических моделей, программного обеспечения.

Возглавляют научные направления профессора А.П. Марченко, В.А. Пылев, В.Г. Дяченко,И.В. Парсаданов.

На базе кафедры ДВС действует Специализированный Ученый совет по защите докторских и кандидатских диссертаций по специальности 05.05.03 — тепловые двигатели. На кафедре защищено 140 кандидатских и 20 докторских диссертаций.

Кафедра издает Всеукраинский научно-технический журнал «Двигатели внутреннего сгорания», в котором сотрудничают известные специалисты по тепловым двигателям Украины и зарубежья.

Ученые кафедры принимают активное участие в Международных конференциях в Украине,России, Литве, Германии. Кафедра является соучредителем и организатором ежегодного Международного конгресса двигателестроителей.

Кафедра поддерживает связи по интеграции научных исследований, учебных программ, обмена преподавателями, студентами с Московским государственным техническим университетом им. Н.Е. Баумана (Россия), Пражским техническим университетом(Чехия), с политехническим университетом г. Кельце (Польша), с университетом Грин-Бей штата Висконсин (США), с Клайпедским университетом (Литва).

Выпускающие специальности и специализации

  • Двигатели внутреннего сгорания

Открытый урок по физике в 8-м классе "Двигатель внутреннего сгорания"

Тема: Двигатель внутреннего сгорания.

Цели:

1. Изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

2. Рассмотреть историю развития тепловой машины, экологические проблемы и перспективы развития.

3. Совершенствовать навыки работы с оборудованием. Формировать умение делать выводы о проведенных экспериментах. Развивать умение общаться друг с другом.

Оборудование:

1. Модель ДВС.
2. Фото автомобилей, мотоциклов, самолетов, катеров.
3. Карточки с заданиями для групп.
4. Презентация к уроку. (Приложение 1)

План урока:

1. Орг. момент.
2. Проверка знаний. Работа газа и пара при расширении.
3. Новый материал: двигатель внутреннего сгорания.
4. Закрепление изученного. Работа в группах.
5. Рефлексия. Подведение итогов.
6. Домашнее задание.

Ход урока

1. Учитель: Сегодня мы изучаем тему «Двигатель внутреннего сгорания». Целями нашего урока сегодня будет: изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере на примере двигателя внутреннего сгорания; рассмотреть историю развития тепловой машины; экологические проблемы и перспективы развития.

Форма нашего урока будет не совсем обычной. Это будет урок-игра «Конструкторское бюро». Для этого из всех учащихся класса были сформированы четыре группы, которые в течение урока будут выполнять различные задания. Когда задание выполнено, группа поднимает руку. Каждая команда будет иметь возможность высказаться. Названия команд: «Теоретики», «Испытатели», «Менеджеры», «Экологи», в каждой команде около 5 человек.

2. А сейчас проверим, насколько вы уяснили прошлый материал, а заодно и то, как подготовились к уроку. Команды получают задания на карточках.

Карточка №1

Какие двигатели называют тепловыми? Какие виды тепловых двигателей вам известны?

Карточка №2

Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела?

Карточка №3

Зачеркните лишнее словосочетание: тепловой двигатель, работа газа, превращение энергии, Джеймс Уатт, Лев Толстой, отражение света.

Карточка №4

Разгадайте кроссворд.

Кто выполнил задание – отвечает. По одному представителю о группы.

3. Запасы внутренней энергии огромны. Очень важно умело и грамотно использовать её запасы, содержащиеся в топливе. Использовать внутреннюю энергию – значит, совершить за счёт неё полезную работу. Послушаем краткую историю создания тепловых машин (выступление учащегося):

История ДВС

В 1860 Г француз Э. Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства. Модель была несовершенная, КПД не превышал 3 %.

Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем построили в 1886 году под руководством немецкого инженера Даймлера. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера. В России первые автомобили начали строить в начале 20 века.

Учитель: Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания. Остановимся на них.

В ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания. Работают они на жидком топливе или горючем газе.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый при помощи шатуна с коленчатым валом (проследим по модели ДВС).

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через первый клапан (впускной) поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через второй клапан (выпускной) выпускаются отработанные газы.

В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 16000 - 18000С). Давление на поршень резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня. Ход поршня называют ещё тактом. Поэтому двигатель называют четырёхтактным.

Такты двигателя внутреннего сгорания: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения смеси. Послушаем сообщение учащегося о двигателе Дизеля:

Двигатель Дизеля

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. В двигателе внутреннего сгорания есть карбюратор, при помощи которого образуется горючая смесь (смесь бензина с воздухом). В двигателе Дизеля нет карбюратора.

КПД дизельных двигателей достигает 35 – 44 %, а у двигателя внутреннего сгорания КПД не превышает 25 – 32 %. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

Учитель: При использовании для своих нужд тепловых двигателей человек сталкивается с экологическими проблемами (сообщение учащегося):

Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду?

При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту».

В результате описанных процессов, средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

Такие виды топлива, как нефть, уголь, газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 45 - 70 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

Учитель: У вас на столах лежат конверты с заданиями, которые сейчас необходимо сделать.

Конверт №1

На изображении ДВС подписать его устройство.

Конверт №2

Даны рисунки всех тактов ДВС. Необходимо наклеить эти рисунки в правильном порядке и подписать названия тактов.

Конверт №3

По предложенному тексту выписать пути преодоления экологических проблем. (Приложение 2)

№4.2

Из готового текста выбрать профессии, связанные с использованием ДВС.

Врач, механик-водитель, машинист тепловоза, дизелист, автогонщик, учитель.

Группы, выполнившие задания, выдвигают по одному представителю для выступления.

1. Подведем итог урока. Что мы изучили сегодня? Из чего состоит ДВС? Назовите такты работы двигателя. Выставить оценки за урок.
2. Домашнее задание: параграф 22 - учить.

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был доминирующим двигателем в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти XIX века [подробнее см., Например, Heywood (1988)]. Его цель - генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри производственной части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания.Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциировался с двигателями с искровым зажиганием (иногда называемыми Otto, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельными двигателями (или двигателями с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в самых разных областях, от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт до ручных инструментов, мощность которых составляет менее 100 Вт.Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между большими дизелями, имеющими диаметр цилиндра более 1000 мм и совершающим возвратно-поступательное движение на скорости до 100 об / мин, и маленькими бензиновыми двухтактными двигателями с диаметром цилиндра около 20 мм. К этим двум крайностям относятся среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели для тяжелых условий эксплуатации, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Среди всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются крупнейшими производимыми двигателями в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают в так называемом четырехтактном цикле (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение / мощность и выпуск. Каждому цилиндру двигателя требуется четыре хода поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, которая приводит к выработке мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска инициируется движением вниз поршня, который втягивает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через узел порта / клапана и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ).Смесь создается либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через инжектор игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). Фактически, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в четырехклапанных двигателях на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (ов) является функцией конструкции впускного коллектора, которая влияет на газовую динамику и объемный КПД двигателя, а также на частоту вращения двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его цель - подготовить смесь к горению за счет повышения ее температуры и давления. Горение инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым повышением давления в цилиндре.

Такт увеличения мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ.В этот момент газы с высокой температурой и давлением, образующиеся во время сгорания, толкают поршень вниз, заставляя рукоятку вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан (ы), и сгоревшие газы могут выходить из цилиндра из-за разницы давлений между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот ход выхлопа завершает цикл двигателя, откачивая цилиндр от сгоревших, частично сгоревших или даже несгоревших газов, выходящих из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают значительное влияние на продолжительность горения, скорость повышения давления и образования загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь конечного газа может самовоспламеняться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к детонации , что вызывает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Способность бензинового топлива противостоять самовоспламенению и, таким образом, предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется своим октановым числом .До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов вызвали необходимость введения неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношения объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на термический КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто по имени его изобретателя Николауса Отто, который построил первый двигатель в 1876 году, обеспечивает рабочий ход на каждые два оборота коленчатого вала.Один из способов увеличить выходную мощность двигателя заданного размера - преобразовать ее в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности - хотя и не до двойного уровня, ожидаемого из простых расчетов, - он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах как с искровым зажиганием, так и с дизельными двигателями.Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрытыми и открытыми движением поршня, вместо громоздкого и сложного верхнего кулачкового механизма.

В двухтактном цикле такт сжатия начинается после того, как впускные и выпускные боковые порты закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается и затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично зажиганию в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание около ВМТ.В то же время свежий заряд может попасть в картер перед его последующим сжатием движущимся вниз поршнем во время хода мощности или расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные отверстия, а затем впускные (переходные) отверстия. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, входит в цилиндр через правильно ориентированные перекачивающие каналы.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра во время процесса продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштаб этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления входящего заряда от места расположения выпускных отверстий, эффективность зарядки в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решение этой проблемы состоит в том, чтобы подавать топливо непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через форсунки с подачей воздуха в период, когда и выпускной, и перекачивающий каналы закрыты.Несмотря на короткий период, доступный для перемешивания, распылители с подачей воздуха могут создавать однородную обедненную смесь во время воспламенения за счет образования капель бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия славится своим высоким КПД, пониженным расходом топлива и относительно низкими общими выбросами газов. Его название происходит от немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858-1913), который в 1892 году описал в своем патенте вид двигателя внутреннего сгорания, который не требует внешнего источника воспламенения и в котором сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в него. воздух с высокой температурой и давлением в конце такта сжатия.

Преимущества, присущие дизельному двигателю с точки зрения эффективности, проистекают из его бедных общих соотношений смеси, высоких степеней сжатия двигателя, обеспечиваемых за счет отсутствия воспламенения (детонации) отходящих газов и более высоких степеней расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческих применений, таких как корабли / лодки, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и в течение последних 20 лет или около того. , легковые автомобили, особенно в Европе.

Недостаток низкой выходной мощности дизельных двигателей был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к массе двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей, независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от двигателя с искровым зажиганием, главным образом, тем, как смесь образуется перед сгоранием.Только воздух вводится в двигатель через винтовой или направленный канал, и топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизельный двигатель с непрямым впрыском или IDI) или в главную камеру (дизельное топливо с прямым впрыском. или DI) непосредственно перед началом горения.

Необходимость в достижении хорошего смешивания топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется за счет систем впрыска топлива под высоким давлением, которые образуют капли со средним диаметром около 40 мкм. В легковых автомобилях системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, конструкция которых различается в зависимости от области применения; В дизельных двигателях с прямым впрыском используются форсунки с отверстиями, в то время как в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа.В более крупных дизельных двигателях используются насосы с рядным впрыском топлива, насос-форсунки (насос и форсунка, объединенные в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровней выбросов выхлопных газов транспортных средств. и двигатели всех типов. С момента их внедрения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой серьезной проблемой, связанной со стандартами, согласованными на 1996 год и позднее, которые кратко изложены для легковых автомобилей в таблице. 1.Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе в 2000 году, будут еще ниже, после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов на рубеже веков. Однако неясно, будут ли существующие двигатели соответствовать этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские стандарты выбросов в 1996 г.

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязнителями в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO x = NO + NO 2 ), а в дизельных двигателях. , NO x и твердые частицы, состоящие из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, которые являются стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, работающими на неэтилированном бензине, позволяют примерно на 90% снизить выбросы HC, CO и NO x путем их преобразования в двуокись углерода ( CO 2 ), вода (H 2 O) и N 2 .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~ 14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO 2 .Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сгорания бедных смесей с соотношением воздух-топливо, намного превышающим 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям сжигания обедненной смеси соответствовать будущему законодательству по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в академических кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для уменьшения количества твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO 2 и H 2 O, а также от рециркуляции выхлопных газов и замедленного времени впрыска для снижения NO. x уровней.

ССЫЛКИ

Аркуманис, К. (Ред.) (1988) Двигатели внутреннего сгорания . Академическая пресса.

Блэр, Г. П. (1990) Базовая конструкция двухтактных двигателей . Общество Автомобильных Инженеров.

Фергюсон, К. Р. (1986) Двигатели внутреннего сгорания . Джон Вили и сыновья.

Хейвуд, Дж. Б. (1988) Основы двигателя внутреннего сгорания . Макгроу Хилл.

Стоун Р. (1992) Введение в двигатели внутреннего сгорания .Macmillan Education Ltd. 2-е изд.

Уивинг, Дж. Х. (ред.) (1990) Техника внутреннего сгорания: наука и технологии . Прикладная наука Elsevier.

Двигатель внутреннего сгорания - энергетическое образование

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха.Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться.В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ. Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре.Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, использующий поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания . Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах. Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов.Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная страница
Рис. 2. 4-тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных. Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы.Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Топливо загорается (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода.В результате неполного сгорания могут присутствовать такие загрязнители, как окись углерода.

Двухтактный двигатель

главная страница
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. 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 содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора - создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ "Файл: Двухтактный двигатель.gif - Wikimedia Commons ", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах.Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, использующий поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная страница
Рис. 2. 4-тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Топливо загорается (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода. В результате неполного сгорания могут присутствовать такие загрязнители, как окись углерода.

Двухтактный двигатель

главная страница
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. 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 содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора - создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ "Файл: Двухтактный двигатель.gif - Wikimedia Commons ", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах.Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. [1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. [1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. [2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

Двигатель, использующий поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная страница
Рис. 2. 4-тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

  1. Топливо впрыскивается в камеру.
  2. Топливо загорается (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
  3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
  4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода. В результате неполного сгорания могут присутствовать такие загрязнители, как окись углерода.

Двухтактный двигатель

главная страница
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, [6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. 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 содержит два процесса:

  1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
  2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора - создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. 1.0 1.1 Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
  2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
  3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  5. ↑ "Файл: Двухтактный двигатель.gif - Wikimedia Commons ", Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
  6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
  7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания
Гленн

Исследовательский центр
Центр

В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты Двигатели внутреннего сгорания повернуть пропеллеры генерировать толкать.Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов все еще находятся в эксплуатации. с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель. На этой странице мы обсудим основы двигатель внутреннего сгорания с использованием Двигатель братьев Райт 1903 года, показанный на рисунке в качестве примера.

Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как механическая работа машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. Базовая механическая конструкция двигателя Райта такова: замечательно похож на современный, четырехтактный, четыре цилиндра автомобильные двигатели.Как следует из названия, процесс горения двигателя внутреннего сгорания происходит в закрытом цилиндр . Внутри цилиндра движется поршень, который компрессы смесь топлива и воздуха перед сгоранием, а затем принудительно возвращается вниз по цилиндру после сгорания. На рабочий ход поршень вращает кривошип, который преобразует линейное движение поршень в круговое движение. Поворот коленчатый вал затем используется для поворота воздушного винта. В движение поршня повторяется в термодинамический цикл называется Цикл Отто который был разработан немцем Dr.Н. А. Отто, 1876 г. и используется до сих пор.

Хотя есть некоторые важные различия между современными авиационные двигатели и двигатель Wright 1903, простота конструкции двигателя Райта делает его хорошей отправной точкой для студентов. Индивидуальные веб-страницы для всех основных систем и части предоставляются так, чтобы вы можете детально изучить каждый пункт. Вот программа на Java, которую вы можете использовать, чтобы посмотреть на движок из разнообразие локаций:

На этой странице показан интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изменять вид авиационного двигателя 1903 года путем нажатия кнопок для остановки, шага или поворота изображение.

Вы можете загрузить свою собственную копию этого апплета, нажав следующую кнопку:

Программа скачивается в формате .zip. Вы должны сохранить файл на диск и затем «Извлеките» файлы. Нажмите на "Engine.html" для автономной работы программы.


Действия:

Экскурсии с гидом

Навигация ..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Двигатели внутреннего сгорания | IFPEN

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля обычно включает несколько камер сгорания .Каждый из них ограничен головкой блока цилиндров, цилиндром и поршнем.

Архитектура двигателя также шарнирно закреплена вокруг системы коленчатого вала , что позволяет преобразовывать возвратно-поступательное движение (движение поршня) во вращательное движение (вращение коленчатого вала).


Во время каждого цикла сжигание топливной смеси (воздушно-топливной смеси) в камере приводит к увеличению давления газа, который приводит в движение поршень и систему коленчатого вала. Поскольку коленчатый вал , соединен с механическими элементами трансмиссии (коробки передач, приводные валы и т. Д.).), его движение приводит в движение колеса автомобиля.

Коробка передач позволяет адаптировать скорость вращения колеса к скорости вращения двигателя.

Мощность двигателя зависит, в первую очередь, от количества энергии, генерируемой при сгорании, а следовательно, от количества топливной смеси, присутствующей в камере сгорания. Таким образом, он напрямую связан с объемом камеры (единичный рабочий объем), количеством камер или цилиндров в двигателе (общий объем) и количеством впрыскиваемого топлива.

Почему «4-х тактный»?

Термин относится к тому факту, что для преобразования химической энергии, содержащейся в топливе, в механическую энергию требуется 4 отдельных хода. . Каждый ход соответствует половине оборота коленчатого вала (одно движение поршня вверх или вниз). Такты 1 и 4 предназначены для передачи газа (прием свежего газа и выбрасываемых выхлопных газов), а такты 2 и 3 необходимы для подготовки к сгоранию с последующим самим сгоранием и его преобразованием в механическую энергию.

Для двигателя с искровым зажиганием и непрямым впрыском используются следующие 4 такта:

  • 1 st ход : Впуск (заполнение цилиндра)
    Поршень опускается и втягивает топливовоздушную смесь.
  • 2 nd ход : Сжатие
    Поршень снова поднимается, сжимая топливно-воздушную смесь. Для воспламенения смеси образуется искра.
  • 3 ряд ход : Сгорание - расширение
    Этот ход соответствует развитию сгорания и расширению сгоревших газов: поршень сжимается, и химическая энергия преобразуется в механическую энергию.
  • 4 -й ход : Выхлоп (Сгоревшие газы выводятся из цилиндра)
    Поршень снова поднимается и удаляет сгоревшие газы.

Для дизельного двигателя с воспламенением от сжатия и прямым впрыском 4 такта работают одинаково, с двумя отличиями:

  • Чистый воздух всасывается и сжимается во время тактов 1 и 2 , затем топливо вводится непосредственно в цилиндр (путем впрыска) в конце сжатия.
  • Смесь самовозгорается без искры из-за высокой температуры воздуха в результате его сжатия.

Цетановое число / октановое число

Цетановое число указывает на способность дизельного топлива самовоспламеняться.

Октановое число указывает на способность бензина противостоять самовоспламенению и предотвращать неконтролируемое возгорание из-за электрической искры (ненормальное горение, детонация).

Что такое горение?

Теоретически для полного сгорания 1 г обычного топлива (бензина или дизельного топлива) требуется около 14,6 г воздуха. Эта идеальная смесь называется стехиометрической.

Бензиновые двигатели с непрямым впрыском топлива в основном работают со стехиометрической смесью . После введения в двигатель гомогенной смеси воздуха и бензина сгорание (воспламенение смеси) инициируется искрой (искровое зажигание).Горение вызывает распространение фронта пламени, который проходит через камеру.

Современные бензиновые двигатели с прямым впрыском : воздух поступает через впускное отверстие, а топливо, как в дизельном двигателе, поступает непосредственно в камеру сгорания, что позволяет более точно управлять впрыском. Вместо топливовоздушной смеси двигатель работает на так называемом стратифицированном заряде. Горение по-прежнему инициируется искрой (искровое зажигание).

Дизельные двигатели работают с избытком воздуха .Дизель впрыскивается под давлением в предварительно сжатую воздушную массу. Возгорание инициируется самовоспламенением (воспламенение от сжатия). Сгорание называют расслоенным или неоднородным, поскольку оно происходит как в богатой топливом (расположенной рядом с соплом форсунки), так и в бедной (рядом со стенкой цилиндра) зонах.

Топливо

В Европе используются бензиновые или дизельные двигатели с искровым зажиганием. Бензин и дизельное топливо являются двумя основными конечными продуктами, получаемыми в результате переработки сырой нефти, и их состав меняется в зависимости от требований к двигателям и, что более важно, экологических норм, связанных с качеством воздуха и сокращением выбросов парниковых газов.

Биотопливо можно смешивать непосредственно с бензином и дизельным топливом в различных пропорциях без необходимости адаптации двигателей, тем самым извлекая выгоду из существующих распределительных сетей. Во Франции дизельное топливо B7, продаваемое на заправке, обычно содержит до 7% (по объему) биотоплива и бензина E10 до 10%.

Портал для горения

Стационарные поршневые двигатели внутреннего сгорания (RICE)

Стационарный поршневой двигатель внутреннего сгорания (RICE) - это любой двигатель внутреннего сгорания, который использует возвратно-поступательное движение для преобразования тепловой энергии в механическую работу и не является мобильным.Стационарные поршневые двигатели отличаются от мобильных поршневых двигателей тем, что они не используются в дорожных транспортных средствах или внедорожных мобильных устройствах, таких как бульдозеры, косилки, краны и т. Д. Некоторые двигатели труднее классифицировать, например, генератор, установленный на поддоне или прицепе. не будет считаться стационарным, если он не будет оставаться на одном участке в течение, по крайней мере, полного года или полного сезона, для сезонного источника ( дополнительная информация о стационарных, внедорожных, передвижных и т. д. ).

Есть два основных типа стационарных поршневых двигателей - искровое зажигание и воспламенение от сжатия. В двигателях с искровым зажиганием для воспламенения сжатой топливно-воздушной смеси используется искра (через свечу зажигания). Типичными видами топлива для таких двигателей являются бензин и природный газ. Двигатели с воспламенением от сжатия сжимают воздух до высокого давления, нагревая воздух до температуры воспламенения топлива, которое затем впрыскивается. Высокая степень сжатия, используемая в двигателях с воспламенением от сжатия, обеспечивает более высокий КПД, чем это возможно с двигателями с искровым зажиганием.Дизельное топливо обычно используется в двигателях с воспламенением от сжатия, хотя некоторые из них работают на двойном топливе (природный газ сжимается вместе с воздухом для горения, а дизельное топливо впрыскивается в верхней части такта сжатия для инициирования сгорания).

Несколько миллионов стационарных поршневых двигателей используются на всей территории США. В целом промышленность использует эти двигатели для привода технологического оборудования, такого как компрессоры, насосы и другое оборудование, а также для резервных генераторных установок.

Воздушные правила

Производители и владельцы стационарных поршневых двигателей внутреннего сгорания (RICE) подпадают под действие федеральных правил по загрязнению воздуха, поэтапно вводимых с 2004 года.

Чтобы узнать больше о том, как EPA регулирует стационарные двигатели и о применимости правила RICE, см. EPA Region 1 RICE page .

Дополнительные ресурсы

Национальная программа помощи малому бизнесу (NSBAP) представляет различные ресурсы стационарных двигателей внутреннего сгорания.

Заявление об отказе от ответственности

.