устройство, принцип действия, достоинства и недостатки

Бензиновый двигатель – разновидность двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется бензин. Воспламенение топливно-воздушной смеси осуществляется при помощи электрической искры. Области применения бензиновых двигателей: транспортные средства, строительная, коммунальная и садовая техника, генераторы электрического тока.

Общее устройство и принцип действия бензинового двигателя

В устройство бензомотора входят:

• Блок цилиндров. Это самая массивная часть бензомотора. Выполняется из чугуна или более легкого сплава на основе алюминия. Снизу блок цилиндров закрыт блоком коренных крышек, а в его верхней части установлена головка блока цилиндров. По количеству цилиндров блоки могут быть одно- или многоцилиндровыми.
• Поршни. В цилиндрах движутся поршни, получающие энергию, которая выделяется при сгорании топливно-воздушной смеси в специальной камере. Поршни движутся по цилиндрам с большой скоростью, поэтому при изготовлении этих деталей требуется высокая точность и их взаимная подгонка по размерам.
• Коленвал. Поршень присоединен к шатуну, который крепится к коленвалу. Оба соединения являются скользящими, что позволяет этим деталям двигаться друг относительно друга. Поршни посредством шатунов приводят в движение коленвал.
• Маховик. Жестко закреплен на валу. С его помощью осуществляется первичный запуск двигателя, при котором зубья стартера и зубья маховика взаимозацепляются, благодаря чему начинается вращение вала.
• Дроссельная заслонка. Регулирует количество топливно-воздушной смеси, которая подается в камеру сгорания.

По способу осуществления рабочего цикла различают двухтактные и четырехтактные моторы:

• Двухтактные. Их используют в случаях, когда на первом месте стоит не высокая мощность и эффективность, а небольшой размер двигателя. Двухтактные бензомоторы устанавливают на мотоциклах, небольших автомобилях, малогабаритной садовой и строительной технике.
• Четырехтактные. Это наиболее распространенный тип бензодвигателей, используемый для установки в большинстве транспортных средств.

Карбюраторные и инжекторные бензиновые двигатели – основные характеристики

Традиционный вариант – приготовление топливно-воздушной смеси в карбюраторе, в котором бензин смешивается с воздушным потоком за счет искусственной конвекции. В инжекторных агрегатах топливо впрыскивают через форсунки в поток воздуха.

Инжекторный способ, осуществляемый в комплексе с бортовым компьютером, обеспечивает высокую точность дозирования бензина. Применение новой технологии позволило создать легкий и компактный двухтактный двигатель, аналогичный по экономичности четырехтактному карбюраторному мотору. Инжекторные бензиновые моторы соответствуют новым требованиям экологических стандартов к чистоте выхлопных газов.

Преимущества и недостатки универсальных бензиновых двигателей

Основные плюсы бензомотора, по сравнению с дизелем:

• удобство эксплуатации, отсутствие необходимости в использовании сезонного топлива;
• более низкий уровень шума;
• более высокий экологический стандарт;
• возможность достичь большей мощности при меньшем объеме двигателя.

Бензиновые моторы проигрывают дизельным агрегатам по нескольким характеристикам, среди которых:

• меньший крутящий момент;
• более высокое потребление топлива;
• более высокая пожароопасность из-за легкого возгорания бензина.

Двигатель внутреннего сгорания: виды, устройство, принцип работы

Автомобильные двигатели чрезвычайно разнообразны. Технология, которая применяется при разработке и запуске в производство силовых агрегатов, имеет богатую историю. Требования современности вынуждают производителей ежегодно внедрять в свои проекты доработки и модернизировать имеющиеся технологии.

Двигатель внутреннего сгорания имеет устройство и принцип работы, способный обеспечивать высокую мощность и длительный период эксплуатации — от пользователя требуется только минимально необходимое обслуживание и своевременный мелкий ремонт.

При первом взгляде сложно представить, как работает двигатель: слишком много взаимосвязанных механизмов собранно в одном небольшом пространстве. Но при детальном изучении и анализе связей в этой системе работа двигателя автомобиля оказывается предельно простой и понятной.

В состав двигателя автомобиля входит ряд узлов, имеющих важное значение и обеспечивающих выполнение рабочих функций всей системы.

Блок цилиндров иногда называют корпусом или рамой всей системы. Описание двигателя не обходится без изучения данного элемента конструкции. Именно в этой части мотора обустроена система связанных каналов, предназначеных для смазки и создания необходимой температуры двигателя внутреннего сгорания.

Верхняя часть корпуса поршня имеет каналы для колец. Сами поршневые кольца подразделяются на верхние и нижние. Исходя из выполняемых функций, данные кольца называют компрессионными. Крутящий момент двигателя определяется прочностью и работой рассмотренных элементов.

Нижние кольца поршня играют важную роль для обеспечения ресурса двигателя. Нижние кольца выполняют 2 роли: сохраняют герметичность камеры сгорания и являются уплотнителями, которые предотвращают проникновение масла внутрь камеры сгорания.

Двигатель автомобиля представляет собой систему, в которой осуществляется передача энергии между механизмами с минимальными потерями ее величины на различных этапах. Поэтому кривошипно-шатунный механизм становится одним из важнейших элементов системы. Он обеспечивает передачу возвратно-поступательной энергии от поршня на коленвал.

В целом, принцип работы двигателя достаточно прост и претерпел мало фундаментальных изменений за период существования. В этом просто нет необходимости — некоторые усовершенствования и оптимизации позволяют достигать лучших результатов в работе. Концепция же всей системы неизменна.

Крутящий момент двигателя создается за счет выделяемой при сгорании топлива энергии, которая передается от камеры сгорания к колесам по соединительным элементам. В форсунках топливо передается в камеру сгорания, где происходит его обогащение воздухом. Свеча зажигания создает искру, которая мгновенно воспламеняет образовавшуюся смесь. Так происходит небольшой взрыв, который обеспечивает работы двигателя.

В результате такого действия происходит образования большого объема газов, стимулируя к совершению поступательных движений. Так формируется крутящий момент двигателя. Энергия от поршня передается на коленвал, который передает движение на трансмиссию, а после этого, специальная система шестеренок переносит движение на колеса.

Порядок работы работающего двигателя незатейлив и при исправных связующих элементах гарантирует минимальные потери энергии. Схема работы и строение каждого механизма основаны на преобразовании созданного импульса в практически используемый объем энергии. Ресурс двигателя определяется износостойкостью каждого звена.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель легкового автомобиля выполняется в виде одного из типов систем внутреннего сгорания. Принцип действия двигателя может отличаться по некоторым показателям, что служит основой для разделения моторов на различные типы и модификации.

В качестве определяющих параметров, служащих для разделения силовых агрегатов на категории, служат:

• рабочий объем,
• количество цилиндров,
• мощность системы,
• скорость вращения узлов,
• применяемое для работы топливо и др.

Разобраться в том, как работает двигатель, просто. Но по мере изучения всплывают новые показатели, которые вызывают вопросы. Так, часто можно встретить разделение двигателей по числу тактов. Что это такое и как влияет на работу машины?

Устройство двигателя автомобиля основано на четырехтактовой системе. Эти 4 такта равны по времени — за весь цикл поршень дважды поднимается вверх в цилиндре и дважды опускается вниз. Такт берет начало в тот момент, когда поршень находится в верхней или нижней части. Механики называют эти точки ВМТ и НМТ — верхняя и нижняя мертвые точки соответственно.

Такт № 1 — впуск. По мере движения вниз, поршень втягивает в цилиндр наполненную топливом смесь. Работа системы происходит при открытом клапане впуска. Мощность двигателя автомобиля определяется количеством, размерами и временем, которое клапан открыт.

В отдельных моделях работа педали газа увеличивает период нахождения клапана в открытом состоянии, что позволяет увеличить объем топлива, попадающего в систему. Такое устройство двигателей внутреннего сгорания обеспечивает сильное ускорение работы системы.

Такт № 2 — сжатие. На этом этапе поршень начинает свое движение вверх, что приводит к сжатию полученной в цилиндр смеси. Она сживается ровно до объемов камеры сгорания топлива. Эта камера представляет собой пространство между верхней частью поршня и верхом цилиндра в момент нахождения поршня в ВМТ. Клапаны впуска в этот момент работы прочно закрыты.

От плотности закрытия зависит качество сжатия смеси. Если сам поршень, или цилиндр, или кольца поршней потерты и не в надлежащем состоянии, то качество работы и ресурс двигателя значительно снизятся.

Такт № 3 — рабочий ход. Этот этап начинается с ВМТ. Система зажигания гарантирует воспламенение топливной смеси и обеспечивает выделение энергии. Происходит взрыв смеси, при котором высвобождается энергия. И за счет увеличения объема происходит выталкивание поршня вниз. Клапаны при этом закрыты. Технические характеристики двигателя во многом зависят от протекания третьего такта работы мотора.

Такт № 4 — выпуск. Окончание цикла работы. Движение поршня вверх обеспечивает выталкивание газов. Таким образом, осуществляется вентиляция цилиндра. Этот такт важен для обеспечения ресурса двигателя.

Двигатель имеет принцип работы, основанный на распределении энергии от взрывов газов, требует внимания к созданию всех узлов.

Работа двигателя внутреннего сгорания циклична. Вся энергия, которая создается в процессе выполнения работы на всех 4 тактах работы поршней, направляется на организацию работы автомобиля.

Варианты конструкций внутреннего двигателя

Характеристика двигателя зависит от особенностей его конструкции. Внутреннее сгорание — основной тип физического процесса, протекающего в системе мотора на современных автомобилях. За период развития машиностроения успешно реализовано несколько типов ДВС.

Устройство бензинового двигателя разделяет систему на 2 типа — инжекторные двигатели и карбюраторные модели. Также в производстве есть несколько типов карбюраторов и систем впрыска. Основа работы — сжигание бензина.

Характеристика бензинового двигателя выглядит предпочтительнее. Хотя для каждого пользователя есть свои личные приоритеты и преимущества от работы каждого двигателя. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания является одним из самых распространенных в современном автомобилестроении. Порядок работы мотора прост и не отличается от классической интерпретации.

Дизельные двигатели основаны на применении подготовленного дизельного топлива. Оно попадает в цилиндры через форсунки. Главное преимущество дизельного двигателя заключается в отсутствии необходимости электричества для сжигания топлива. Оно требуется только для запуска двигателя.

Газовый двигатель применяет для работы сжиженные и сжатые газы, а также некоторые другие типы газов.

Узнать какой ресурс у двигателя на вашем авто лучше всего у производителя. Примерную цифру разработчики озвучивают в сопроводительных документах на транспортное средство. Здесь содержится вся актуальная и точная информация о моторе. В паспорте вы узнаете технические параметры мотора, сколько весит двигатель и всю информацию о движущем агрегате.

Срок службы двигателя зависит от качества обслуживания, интенсивности использования. Заложенный разработчиком срок эксплуатации подразумевает внимательное и бережное отношение с машиной.

Что значит двигатель? Это ключевой элемент в автомобиле, который призван обеспечить его движение. Надежность и точность работы всех узлов системы гарантирует качество движения и безопасность эксплуатации машины.

Характеристики двигателей различаются в широких пределах, несмотря на то. Что принцип внутреннего сгорания топлива остается неизменным. Так разработчикам удается удовлетворять потребности покупателей и реализовывать проекты по улучшению работы автомобилей в целом.

Средний ресурс двигателя внутреннего сгорания составляет несколько сотен тысяч километров. При таких нагрузках от всех составных частей системы требуется прочность и точная совместная работа. Поэтому известная и детально изученная концепция внутреннего сгорания постоянно подвергается доработкам и внедрениям новых подходов.

Ресурс двигателей различается в широком диапазоне. Порядок работы, при этом, общий (с небольшими отклонениями от стандарта). Несколько может различаться вес двигателя и отдельные характеристики.

Современный двигатель внутреннего сгорания имеет классическое устройство и досконально изученный принцип работы. Поэтому механикам не составляет труда решить любую проблему в кратчайшие сроки.

Ремонтные работы усложняются в том случае, если поломка не была устранена сразу. В таких ситуациях порядок работы механизмов может, нарушен окончательно и потребуется серьезная работа по восстановлению. Ресурс двигателя после грамотного ремонта не пострадает.

Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы

Современный двигатель внутреннего сгорания далеко ушел от своих прародителей. Он стал крупнее, мощнее, экологичнее, но при этом принцип работы, устройство двигателя автомобиля, а также основные его элементы остались неизменными.

Двигатели внутреннего сгорания, массово применяемые на автомобилях, относятся к типу поршневых. Название свое этот тип ДВС получил благодаря принципу работы. Внутри двигателя находится рабочая камера, называемая цилиндром. В ней сгорает рабочая смесь. При сгорании смеси топлива и воздуха в камере увеличивается давление, которое воспринимает поршень. Перемещаясь, поршень преобразует полученную энергию в механическую работу.

Как устроен ДВС

Первые поршневые моторы имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В процессе развития для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. Мотор современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Современный ДВС состоит из нескольких механизмов и вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. КШМ — кривошипно-шатунный механизм.
2. ГРМ   — механизм регулировки фаз газораспределения.
3. Система смазки.
4. Система охлаждения.
5. Система подачи топлива.
6. Выхлопная система.

Также к системам ДВС относятся электрические системы пуска и управления двигателем.

КШМ — кривошипно-шатунный механизм

КШМ — основной механизм поршневого мотора. Он выполняет главную работу — преобразует тепловую энергию в механическую. Состоит механизм из следующих частей:

• Блок цилиндров.
• Головка блока цилиндров.
• Поршни с пальцами, кольцами и шатунами.
• Коленчатый вал с маховиком.

ГРМ — газораспределительный механизм

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал.
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками.
• Детали привода клапанов.
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их

В зависимости от конструкции и количества клапанов на двигатель может быть установлен один или два распределительных вала на каждый ряд цилиндров. При двухвальной системе каждый вал отвечает за работу своего ряда клапанов — впускных или выпускных. Одновальная конструкция имеет английское название SOHC (Single OverHead Camshaft). Систему с двумя валами называют DOHC (Double Overhead Camshaft).

Система охлаждения двигателя

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси. Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости. Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя
• Насос (помпа)
• Термостат
• Радиатор
• Вентилятор
• Расширительный бачок

Рубашку охлаждения двигателей внутреннего сгорания образуют полости внутри БЦ и ГБЦ, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Она отбирает избыточное тепло у деталей двигателя и относит его к радиатору. Циркуляцию обеспечивает насос, привод которого осуществляется с помощью ремня от коленчатого вала.

Термостат обеспечивает необходимый температурный режим двигателя автомобиля, перенаправляя поток жидкости в радиатор либо в обход него. Радиатор, в свою очередь, призван охлаждать нагретую жидкость. Вентилятор усиливает набегающий поток воздуха, тем самым увеличивая эффективность охлаждения. Расширительный бачок необходим современным моторам, так как применяемые охлаждающие жидкости сильно расширяются при нагреве и требуют дополнительного объема.

Система смазки ДВС

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки. Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей. Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон).
• Насос подачи масла.
• Масляный фильтр с редукционным клапаном.
• Маслопроводы.
• Масляный щуп (индикатор уровня масла).
• Указатель давления в системе.
• Маслоналивная горловина.

Насос забирает масло из масляного картера и подает его в маслопроводы и каналы, расположенные в БЦ и ГБЦ. По ним масло поступает в места соприкосновения трущихся поверхностей.

Система питания

Система подачи для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак.
• Датчик уровня топлива.
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой.
• Топливные трубопроводы.
• Впускной коллектор.
• Воздушные патрубки.
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, но в силу различных физических свойств бензина и дизельного топлива конструкция их имеет существенные различия. Сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом. Детали, обеспечивающие очистку воздуха и поступление его цилиндры — воздушный фильтр и патрубки — тоже относятся к топливной системе.

Система выпуска

Система выпуска предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор.
• Приемная труба глушителя.
• Резонатор.
• Глушитель.
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов. Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем. Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

В заключение необходимо упомянуть системы пуска и управления двигателем автомобиля. Они являются важной частью двигателя, но их необходимо рассматривать вместе с электрической системой автомобиля, что выходит за рамки этой статьи, рассматривающей внутреннее устройство двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

Первым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) считается изобретение французского механика Ленуара в 1860 году. Поршневой агрегат работал за счёт сжигания в цилиндре светильного газа. Более удачную конструкцию предложил немец Отто в 1866 году. Его двигатель работал по 4-тактному циклу, сжимая в цилиндрах смесь газа и воздуха перед воспламенением запальной свечи. Следующим этапом развития стал переход на жидкое нефтяное топливо и внесение технических новшеств в конструкцию ДВС.

1. Что такое ДВС
2. Устройство двигателя внутреннего сгорания
3. Системы двигателя
4. ГРМ — газораспределительный механизм
5. Система смазки
6. Система охлаждения
7. Система подачи топлива
8. Выхлопная система
9. Классификация двигателей
10. По рабочему циклу
11. По типу конструкции
12. По количеству цилиндров
13. По принципу создания рабочей смеси
14. По расположению цилиндров
15. По типу топлива
16. По принципу работы ГРМ
17. Принцип работы двигателя
18. Принцип работы четырехтактного двигателя
19. Принцип работы двухтактного двигателя
20. Преимущества и недостатки ДВС
21. Заключение

Что такое ДВС

Двигатель преобразует топливную, электрическую и другие виды энергии в механическую для передачи её исполнительным органам машины или установки: трансмиссии, насосу, ротору и т.д. Автомобильные двигатели различаются по виду первичной энергии и процессу её преобразования:

• поршневой двигатель внутреннего сгорания;
• газовая турбина;
• паровой двигатель;
• роторно-поршневой мотор;
• двигатель внешнего сгорания;
• электромотор;
• маховичный двигатель и др.

Наиболее распространён поршневой двигатель внутреннего сгорания. Источником энергии ДВС служит жидкое нефтяное топливо или горючий газ. Популярность этого типа мотора обусловлена возможностью компактного хранения топлива и его малого расхода при большом пробеге автомобиля.

Рассмотрим подробнее, что такое двигатель внутреннего сгорания, его устройство, принцип работы, плюсы и минусы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

В устройство двигателя внутреннего сгорания входят различные механизмы и системы. Так, поршневой 4-тактный агрегат состоит из кривошипно-шатунного (КШМ) и газораспределительного (ГРМ) механизмов:

• КШМ включает в себя подвижные и неподвижные детали. Основу составляет блок цилиндров, установленный на картере. Сверху блок закрыт головкой, в которой находятся впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания, форсунки. Внутри цилиндров перемещаются поршни, соединённые через поршневой палец с верхней головкой шатуна. Нижняя часть шатуна охватывает шейку коленвала. На конце вала закреплён маховик;
• в состав ГРМ входит распределительный вал, клапаны и привод ГРМ. Подробнее о механизме поговорим ниже.

В 2-тактном поршневом ДВС клапана отсутствуют. Вместо них в конструкции предусмотрены продувочные окна.

Достойной заменой поршневому агрегату можно рассмотреть только роторно-поршневой мотор или двигатель Ванкеля. Он работает по 4-тактому циклу, а поршень имеет форму треугольника Рёло. Газораспределение в роторном агрегате происходит через впускные и выпускные окна, поэтому необходимость в сложном клапанном механизме отпадает. Двигатели Ванкеля встречаются в машинах Mazda и советских ВАЗах.

Системы двигателя

Надёжная и долговременная работа двигателя внутреннего сгорания невозможна без питания, смазки, охлаждения. Кроме того, нужно обеспечить первый запуск коленвала и каждый раз воспламенять рабочую смесь в цилиндрах. Для этих целей разработаны следующие системы двигателя:

• смазки;
• охлаждения;
• питания;
• запуска;
• зажигания;
• впрыска;
• управления.

Если раньше системы были механические, сейчас в них появляется больше электроники. Электронное управление делает работу мотора высокоэффективной, экономичной и надёжной. Системы становятся компактными, но требуют качественного и регулярного обслуживания.

ГРМ — газораспределительный механизм

Устройство двигателя внутреннего сгорания включает в себя ГРМ. Его функция — вовремя подать в определённые цилиндры рабочую смесь, а также выпустить из этих цилиндров продукты горения. Работу механизма определяют последовательность работы цилиндров и фазы газораспределения.

Для функционирования ГРМ необходимы минимум 1 впускной и 1 выпускной клапан на каждый цилиндр. Диаметр тарелки впускного клапана обычно больше, чем у выпускного, что позволяет улучшить наполняемость цилиндра и увеличить рабочие показатели ДВС. Открытие и закрытие клапанов регулирует кулачковый распределительный вал. Сам вал приводится цепью или ремнём от коленвала.

Конструктивно привод клапанов делится на 4 вида:

• OHV — распредвал расположен в блоке цилиндров, а управление клапанами происходит через дополнительные толкатели и штанги;
• ОНС — распредвал размещён в головке блока, привод клапанов осуществляется за счёт рычажных толкателей;
• DОНС — схема расположения с двумя распредвалами в головке блока. В этом случае один вал используется для впускных, а другой для выпускных клапанов.

Фазы газораспределения — это моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленвала. Правильно подобранные фазы обеспечивают лучшее наполнение и очистку цилиндров. Если в устройство двигателя включить механизм управления фазами VVT, это позволит получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленвала и экономить ресурсы на малых оборотах.

Система смазки

Смазка двигателя автомобиля защищает детали от трения, коррозии, охлаждает конструкцию и смывает грязь. В ДВС часто используются комбинированные системы, в которых моторное масло подаётся под давлением и разбрызгиванием.

В типичной смазочной системе масло заливают через маслозаливную горловину в поддон картера до определённого уровня. При работе двигателя маслонасос высасывает из поддона смазку через маслозаборник. Затем масло фильтруется от примесей и переходит в главную магистраль.

Магистраль представляет собой ответвления каналов, по которым масло поступает к коренным подшипникам коленвала, опорам распредвала, поршневой группе и другим деталям. Из зазоров подшипников смазка вытекает и разбрызгивается движущимися элементами в виде капель и масляного тумана. Под действием силы тяжести масло стекает в поддон, смазывая при этом привод ГРМ.

В высокофорсированных ДВС спорткаров, в тракторах и спецавтомобилях применяется система смазки с сухим картером. Масло постоянно выкачивается дополнительным маслонасосом в масляный бак, из которого подаётся под давлением в систему смазки двигателя. Такое решение помогает предотвратить перемещение масла при резких манёврах, когда маслозаборник окажется выше уровня масла.

Система смазки выполняет функцию вентиляции картера от газов, которые прорываются из цилиндра через поршневые кольца. Соединяясь с парами воды, газы образуют агрессивные кислоты и могут вызвать коррозию. Самым простым способом вентиляции картерных газов является выведение их в атмосферу. Однако, высокие нормы экологии привели к появлению закрытых принудительных систем вентиляции, в которых газы направляются в камеры сгорания через впускной тракт.

Система охлаждения

Температура в камере сгорания в момент воспламенения доходит до 2500℃. Перегрев цилиндров, поршней, головки блока и других деталей приводит к потере мощности, тепловому расширению, выгоранию масла, обгоранию клапанов и заклиниванию двигателя. Для охлаждения конструкции разработана система, которая принудительно отводит тепло потоком воздуха или жидкости.

Воздушная система охлаждения ДВС применяется на мопедах, мотоциклах и газонокосилках. Жидкостная система более сложная и шумная, но обеспечивает равномерный и эффективный отвод тепла. В качестве теплоносителя используются антифризы — жидкости с низкой температурой замерзания.

Для отвода тепла от блока цилиндров и головки предусмотрена рубашка охлаждения — канал для прохождения жидкости. Рубашка соединяется патрубками с радиатором, который забирает тепло от жидкости и выбрасывает его в воздух. За радиатором располагают вентилятор, который увеличивает скорость прохождения воздуха. Вентилятор приводится от ременной передачи коленвала или электропривода. Часто вентилятор оснащают вязкостной или гидравлической муфтой.

Во время работы двигателя охлаждающая жидкость циркулирует от насоса, который приводится от коленвала или электродвигателя. Чтобы система обеспечивала оптимальный температурный режим, в контур охлаждения встраивают термостат с управляемым теплочувствительным элементом. Термостат может быть соединён с электронным блоком управления.

Система подачи топлива

Система подачи топлива в двигателях внутреннего сгорания может быть карбюраторной или инжекторной. Наиболее распространённой является инжекторная система питания с распределённым впрыском. Она состоит из следующих подсистем:

• подачи и очистки топлива;
• подачи и очистки воздуха;
• улавливания и сжигания паров бензина;
• выпуска и дожигания отработанных газов;
• электронной части с набором датчиков.

Во время включения ДВС запускается электробензонасос, который закачивает топливо из бака. Бензин проходит через топливный фильтр к рампе с форсунками. На корпусе форсунки находятся электрические контакты, которые регулируют количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр.

За количеств воздуха, поступающего в цилиндры ДВС, отвечает дроссельная заслонка. Она работает от механического троска или электропривода. Регулировку оборотов на холостом ходу осуществляет шаговый электродвигатель или непосредственно компьютер. Для корректной работы системы впрыска электронный блок получает информацию с датчиков массового расхода воздуха, температуры охлаждающей жидкости, положения и частоты вращения коленвала и др.

Помимо распределённого впрыска существуют системы непосредственного впрыска. Однако, они более сложные и дорогие. Специалистам компании Mitsubishi удалось разработать сбалансированную систему, которая улучшила топливную экономичность и повысила мощность мотора. Это объясняется возможностью двигателя работать на обеднённых смесях и повышением степени сжатия до с 10 до 12,5.

Впервые система непосредственного впрыска появилась в моторах 1,8 GDI на Mitsubishi Galant в 1996 году. Сейчас подобные двигатели внутреннего сгорания встречаются в машинах Peugeot-Citroen, Renault, Toyota.

Системы питания дизельных ДВС отличаются от бензиновых. Существуют две схемы подачи дизельного топлива: с разделённой камерой сгорания и непосредственный впрыск. Первый вариант работает мягче и тише, но распространение получил второй вариант с лучшей топливной экономичностью в 20 %.

Дизельное топливо поступает из бака в нагнетательный трубопровод, затем через подкачивающий насос в топливный фильтр. После очистки дизель попадает в топливный насос высокого давления ТНВД, который распределяет топливо по форсункам.

Альтернативой системе с ТНВД является система питания Common Rail от Bosch. Особенность системы — установка аккумуляторного узла со штуцерами для подсоединения форсунок. Топливо в узле находится постоянно под высоким давлением, что позволяет подавать в цилиндр небольшие и точно отмеренные порции.

Выхлопная система

Выхлопная система влияет на мощность ДВС, расход топлива и количество выбросов в атмосферу. Для уменьшения содержания вредных веществ в отработанных газах применяется каталитический нейтрализатор. Он состоит из восстановительного и двух окислительных катализаторов, которые превращают углеводороды в водяной пар, а окиси углерода — в углекислый газ. Нейтрализатор устанавливают максимально близко к выпускному коллектору.

Нейтрализатор работает эффективнее, если двигатель внутреннего сгорания работает на смеси из воздуха и топлива в соотношении 14,7:1. Количество воздуха в отработанных газах отслеживает датчик лямбда-зонд. Уровень вредных окисей азота снижают с помощью системы рециркуляции путём забора части газов из выпускной системы для подачи его во впуск.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС бывает различной. Каждый разработчик мотора пытается внести свои улучшения, повысить мощность и экономичность, снизить выбросы вредных веществ и стоимость агрегата. Давайте посмотрим, по каким критериям классифицируют двигатели внутреннего сгорания.

По рабочему циклу

Рабочий цикл ДВС — это последовательность процессов внутри каждого цилиндра, в результате которой энергия топлива превращается в механическую энергию. Цикл может быть двухтактным или четырехтактным:

• четырёхтактный мотор работает по «циклу Отто» или Аткинсона и включает в себя такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск;
• в двухтактном ДВС впуск и сжатие происходят одновременно за один такт, а рабочий ход переходит в выпуск на втором такте.

Если сравнивать двигатели внутреннего сгорания одной мощности по рабочему циклу, 2-тактный окажется проще и компактнее. А вот по топливной экономичности и экологическим показателям в выигрыше окажется 4-тактный мотор.

По типу конструкции

По конструкции ДВС делятся на:

• поршневые, в которых расширяющиеся при сгорании газы приводят в движение поршень, который в свою очередь толкает коленвал;
• роторные.Растущее давление газов воздействует на ротор, соединённый с корпусом через зубчатую передачу. Роторный мотор не имеет ГРМ. Его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках корпуса;
• газовые турбины. В этих двигателях внутреннего сгорания газы с высокой скоростью попадают на лопатки силовой турбины, которая соединяется через редуктор с трансмиссией. Для нагнетания воздуха в мотор установлен турбинный компрессор.

Моторы могут быть без наддува, с турбокомпрессором или нагнетателем. Конструкция подбирается под назначение двигателя: будь то стационарная установка или транспорт.

По количеству цилиндров

Одно цилиндровые двигатели работают неравномерно, что не критично для лодочных моторов, мопедов и мотоциклов. Двигатель автомобиля устроен сложнее, поскольку нужна высокая мощность, а значит и большой объём цилиндра. Так, в транспорте малого класса применяются 4-цилиндровые моторы. В грузовые автомобили ставят 6- и 8-цилиндровые ДВС.

В моделях премиум класса встречаются 12-цилиндровые агрегаты. Например, в Audi A8 установлен мотор W12 с 4 клапанами на каждый цилиндр и мощностью 420 л.с.

По принципу создания рабочей смеси

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания различается способами смесеобразования:

• внешнее: в карбюраторных моторах и в агрегатах с впрыском топлива во впускной коллектор;
• внутреннее: в дизельных двигателях и бензиновых с непосредственным впрыском в камеру сгорания.

По расположению цилиндров

Поршневые двигатели автомобиля различаются компоновочной схемой блока цилиндров и могут представлять собой конструкцию:

• рядную;
• V-образную;
• оппозитную с углом развала между поршнями 180°;
• VR-образную;
• W -образную.

В зависимости от компоновки моторы устанавливаются в подкапотное пространство вертикально, горизонтально или под углом к вертикальной плоскости для уменьшения высоты конструкции.

По типу топлива

Работа двигателя внутреннего сгорания происходит за счёт сжигания смеси воздуха с бензином, газа или дизеля. В качестве газового топлива ДВС применяются углеводород, сжиженный газ, смесь пропана и бутана, метан, водород.

По принципу работы ГРМ

Выше мы рассматривали, что ГРМ может быть устроен по схеме OHV, ОНС или DОНС. Выбор компоновки влияет на принцип работы двигателя. Также приводы клапанов различаются способами регулировки тепловых зазоров, которые увеличиваются в результате нагрева конструкции. Настройку зазоров проводят вручную, меняя специальные винты в коромыслах, или устанавливают гидрокомпенсаторы для автоматической регулировки.

Принцип работы двигателя

Изучив устройство, перейдём к рассмотрению принципа работы ДВС. Как работает двигатель внутреннего сгорания разберём на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун. Положение, в котором остаётся поршень после перемещения вверх, называется верхней мёртвой точкой ВМТ. А положение после перемещения вниз — нижней мёртвой точкой НМТ. Ход поршня между двумя крайними точками называется тактом. Рабочий цикл включает 4 последовательных такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Посмотрим поэтапно, как работает 4-тактный двигатель внутреннего сгорания:

1. В начале такта впуска открывается впускной клапан, а поршень перемещается от ВМТ. В это время в цилиндр всасывается горючая смесь.
2. После прохода НМТ поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь и остаточные газы. Все клапана закрыты. Растёт давление и температура сжатых газов. В это время свеча зажигания даёт искру для воспламенения смеси.
3. Рабочая смесь горит, толкая поршень от ВМТ вниз. Клапана ещё закрыты.
4. На такте выпуска открывается выпускной клапан, и поршень поднимается вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра.

В многоцилиндровом блоке одинаковые такты в цилиндрах проходят в разном порядке. Например, если в устройство двигателя входит 4-цилиндровый блок, то очередность работы может выглядеть, как 1-3-2-4. Это означает, что такт впуска пройдёт сначала в 1, потом в 3, затем во 2, а после в 4 цилиндре.

Принцип работы двухтактного двигателя

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя с двумя рабочими тактами отличаются от 4-тактного. Здесь вместо клапанов в определённых местах цилиндра предусмотрены отверстия — продувочные окна. Свечи зажигания установлены в головке цилиндра.

Во время первого такта поршень двигается от НМТ к ВМТ. Через впускное окно под давлением насоса поступает рабочая смесь, заполняя цилиндр. Выпускное окно открыто и выпускает остатки отработавших газов. Перемещаясь, поршень перекрывает окна. Горючая смесь сжимается. Вблизи ВМТ подаётся искра зажигания, после чего начинается второй такт.

Поршень перемещается вниз под действием давления газов. Открываются окна. Сначала выпускное, через которое выходят отработанные газы, а затем впускное, через которое снова подаётся смесь.

Схема двухтактного двигателя имеет большой КПД: поршень за весь рабочий цикл совершает 2 хода, а коленчатый вал делает один полный оборот. Однако, часть топливно-воздушной смеси теряется вместе с отработанными газами, что даёт низкую топливную экономичность. Кроме того, поршневые кольца, постоянно пересекая кромки продувочных окон, быстро изнашиваются.

Преимущества и недостатки ДВС

ДВС — основной силовой агрегат, который устанавливают в автомобили. Несмотря на популярность, устройство двигателя внутреннего сгорания далеко от идеала.

Плюсы ДВС

Минусы ДВС

Заключение

Устройство двигателя внутреннего сгорания постоянно усложняется, в попытках угодить запросам потребителей. Растёт количество модификаций, применяются новые электронные системы и перспективные виды топлива. Но эпоха доминирования ДВС постепенно заканчивается, на смену приходят более экологические чистые, эффективные и бесшумные конструкции. Например, гибридная машина, в которой ДВС работает в паре с электродвигателем.

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

Определение и общие особенности работы ДВС

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

Классификация двигателей внутреннего сгорания

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

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

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

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

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

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

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

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

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

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

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

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

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

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

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

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

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

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

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

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

— Система зажигания

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

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

Система зажигания ДВС

— Впускная система

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

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

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

Схема топливной системы ДВС

— Система смазки

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

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

— Выхлопная система

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

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

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

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

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

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

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

Источник Источник http://dvsoff.ru/tip/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya
Источник http://tractorreview.ru/dvigateli/ustroystvo/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya-ustroystvo-i-printsip-rabotyi.html

Интегрированный урок по английскому языку и физике Тема « Общее устройство и принцип работы Двигателя внутреннего сгорания»

Тема « Общее устройство и принцип работы Двигателя внутреннего сгорания»

Цели:

Образовательная:

Физика: изучить устройство и принцип работы ДВС

Английский язык: изучить новый лексический материал по теме « Профессиональные слова, термины строения автомобиля»

Развивающая :

Физика : показать учащимся роль взаимосвязи науки и практики, формирование убежденности в важности физических знаний для профессиональной подготовки

Английский язык: развивать лексические и коммуникативные навыки

Воспитательная :

Привитие интереса к будущей профессии.

Тип урока : бинарный урок

Оснащение : мультимедийный проектор, карточки с тестовыми заданиями, раздаточный материал, плакат со схемой ДВС.

ХОД УРОКА:

1.Орг. момент :

Уч.ан.яз: good morning . today we`ll speak about your future profession. And now we`ll speak about Internal combustion engine

Мы продолжаем изучение темы моя будущая профессия профессиональные слова и термины, и сегодня наша тема двигатель внутреннего сгорания. Урок у нас сегодня не обычный, мы решили объединить эту тему, так как она есть как в физике, так и в английском языке. За урок вы получите по каждому из этих предметов по отметке. За урок вы должны будете изучить новую лексику по теме и узнавать ее в тексте. А для этого вам необходимо знать общее устройство двигателя внутреннего сгорания и принцип работы.

2.Введение новой темы

Уч.физ: — общее устройство ДВС.(плакат,макет)

Уч.ан.яз: введение лексического материала.

The bucket- поршень

a head of the block- головка блока

the cylinder- цилиндр

an inlet valve- впускной клапан

an outlet valve- выпускной клапан

a candle- свеча

a connecting rod- шатун

a bent shaft- коленчатый вал

выполнение упражнений : запись , чтение, запоминание, кроссворд

Уч.физ: принцип работы ДВС(плакат, видеоролик, макет)

Уч.ан.яз: видеоролик на английском языке

3.Активизация материала

Работа над текстом( изучение слов, чтение текста, перевод)

The first Russian car was made in 1896 in Petersburg by Yacovlev and Frese. But the internal combustion engine was constructed by Frenchman Etjen Lenuar in 1860. In Russia the gasoline engine was appeared in 1879. It was constructed by the captain of sea fleet Kostovich. It was made for dirigible. There are two kinds of an internal combustion engine — petrol and diesel. The main parts of internal combustion engine are the connecting rod gear, a gas distribution mechanism, feed system, cooling-system, ignition-system and lubricant system. Engines are used in automobile industry, shipbuilding, and in power.

Internal combustion engine — двигатель внутреннего сгорания

Gasoline engine— бензиновый двигатель

Combustion of fuel-сгорание топлива

Petrol-бензин

Connecting rod gear-кривошипно –шатунный механизм

Gas distribution mechanism-газораспределительный механизм

Feed system-система питания

Cooling-system-система охлаждения

Ignition-system-система зажигания

Lubricant system-смазочная система

Power-энергетика

Уч.физ.: ответьте на вопросы :

1.В каком году был сконструирован первый российский автомобиль?

2.кто создал ДВС ?

3. Для какогго транспортного средства был создан первый бензиновый двигатель?

4. какие двигатели ДВС вы знаете?

5.назовите основные системы из которых состоит ДВС?

6.Где используется ДВС?

4. Систематизация и обобщение

Выполнение тестовых заданий (2 варианта).

ТЕСТ

1 вариант

(физика)

1.Горячая смесь, поступающая в цилиндр ДВС, состоит из …..

А. различных видов жидкого топлива

Б. Распыленного керосина с воздухом

В. Воздуха и паров бензина

Г. Масла и бензина

2.При нахождении в ……. поршень наиболее удален от оси коленчатого вала.

А. ВМТ

Б.НМТ

3. Что происходит с горючей смесью и газом, образовавшимися от сгорания этой смеси, при

А. Первом такте

Б. Втором такте

В.Третьем такте

Г.Четвертом такте

1. горючая смесь сжимается

2.газ, образовавшийся при сгорании горючей смеси, удаляется из цилиндра.

3.сгорание горючей смеси и расширение газов, получившихся при сгорании.

4.горючая смесь всасывается в цилиндр

(английский язык)

1.Соедините слово с его переводом.

Internal combustion engine

Gasoline engine

Cooling-system

Lubricant system

Fuel

Petrol

бензин

бензиновый двигатель

топливо

система охлаждения

смазочная система

двигатель внутреннего сгорания

2.Переведите предложение на русский язык

Combustion materials extend and move the bucket.

3.Составьте предложение из слов.

the internal , engine, combustion, in, by, constructed, was, Frenchman,1860

Тест

вариант 2

(физика)

1. ДВС работает на

А.нефти

Б.каменном угле

В.торфе

Г.дровах

Д.бензине

2.При нахождении в …. поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала.

А. ВМТ

Б. НМТ

3.В каком направлении должен двигаться поршень во время…

А.такта впуска

Б.такта сжатия

В.рабочего хода

Г. выпуска

1.поршень движется вниз, оба клапана закрыты

2.поршень движется вниз, впускной клапан открыт, выпускной закрыт

3.поршень движется вверх, впускной клапан закрыт, выпускной открыт

4.поршень движется вверх, оба клапана закрыты

Тест 2(английский язык)

1.Соедините слово с его переводом.

Combustion of fuel

Connecting rod gear

Ignition-system

Oil

Power

Gas distribution mechanism

сгорание топлива

кривошипно-шатунный механизм газораспределительный механизм нефть

система зажигания

энергетика

2.Переведите предложение на русский язык

One work cycle of the engine includes four tacts.

3.Составьте предложение из слов.

Russian, car, in, Petersburg, the first, made, by, was, in, Yacovlev, Frees, and, 1896

5.Подведение итогов

Уч.физ: итак, на сегодняшнем занятии мы узнали

-Историю ДВС,

-Познакомились с устройством и принципом работы ДВС

Уч.ан.яз: а также изучили новый лексический материал по теме «профессиональные термины», по итогам урока учащиеся получают отметки :……., дополнительно отметки по английскому языку и физике вы получите по результатам тестирования.

6. Домашнее задание: Перевод текста

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

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

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

Работа двигателя внутреннего сгорания

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

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

Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.

Такты ДВС

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

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

Такты:

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

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

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

Работа карбюратора

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

Устройство карбюратора

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

Недостатки карбюраторных систем:

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

Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.

Работа инжекторных моторов

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

Конструкция инжектора

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

За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:

• увеличение мощности до 10% при схожих технических характеристиках с карбюраторным;
• заметная экономия бензина;
• улучшение экологических характеристик по выбросам.

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

Способы впрыска топлива

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

Одноточечный вариант впрыска

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

Моноточечный вариант подачи топлива

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

Прямой впрыск в камеру

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

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

Интересное по теме:

загрузка…

Facebook

Twitter

Вконтакте

Одноклассники

Google+

Обшее устройство двигателя внутреннего сгорания трактора

Категория:

   Тракторы-2

Публикация:

   Обшее устройство двигателя внутреннего сгорания трактора

Читать далее:

Обшее устройство двигателя внутреннего сгорания трактора

В двигателях внутреннего сгорания химическая энергия сгорающего топлива превращается в тепловую, которая переходит в механическую работу вращающегося вала.

Двигатели подразделяют: по способу образования и воспламенения рабочей смеси (дизели и карбюраторные), по числу тактов рабочего цикла (четырех- и двухтактные), по числу цилиндров (одно-, двух- и многоцилиндровые). по расположению цилиндров (рядные и V-образные), по способу охлаждения (с жидкостным и воздушным охлаждением).

Чтобы понять принцип работы двигателя, рассмотрим его упрощенную схему. В цилиндр, закрытый головкой, плотно вставлен поршень. С помощью пальца и шатуна поршень соединен с коленчатым валом, на одном конце которого насажено тяжелое колесо — маховик. Детали составляют криво-шипно-шатунный механизм.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Во время работы двигателя поршень перемещается в цилиндре, приближаясь к оси коленчатого вала или удаляясь от нее. При наибольшем удалении от этой оси поршень занимает положение, называемое верхней мертвой точкой (в.м. т.), а при наименьшем — нижней мертвой точкой (н. м. т). В этих точках поршень, останавливаясь на мгновение, изменяет направление своего движения на обратное.

Расстояние S между мертвыми точками называется ходом поршня. За один ход поршня (например, от в. м. т. к н. м.т.) коленчатый вал поворачивается на пол-оборота.

Полость над поршнем, находящимся в в. м.т., называется объемом камеры сгорания (камеры сжатия), а полость, расположенная над поршнем, когда он находится в н. м.т. — полным объемом цилиндра. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от в. м. т. до н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем всех цилиндров, выраженный в литрах, называется литражом двигателя.

В головке цилиндра имеются впускные и выпускные отверстия с клапанами. В точно определенные моменты они открываются и закрываются с помощью распределительного механизма, в который входят клапаны, передаточные детали, кулачковый вал и распределительные шестерни.

При вращении коленчатого вала, когда соединенный с шатуном поршень отходит от в. м.т., над ним в цилиндре создается разрежение. В это время впускной клапан откроется и цилиндр начнет заполняться атмосферным воздухом. После прохода поршнем н.м.т. впускное отверстие закроется. При дальнейшем повороте вала поршень, перемещаемый шатуном, идет вверх и сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Когда поршень придет в в. м.т., весь воздух, занимавший полный объем цилиндра, будет сжат в камере сгорания. Число, показывающее, во сколько раз уменьшается объем воздуха (или смеси воздуха с топливом) в цилиндре двигателя, называется степенью сжатия и обозначается буквой е.

При сжатии воздух в камере сгорания, нагреваясь, достигает высокой температуры. В эту камеру впрыскивается мелкораспыленное топливо. Соприкасаясь с горячим воздухом и нагретым поршнем, частицы топлива испаряются, воспламеняются и сгорают, выделяя теплоту. В результате температура и давление газов над поршнем резко возрастают, и под действием давления поршень перемещается вниз — происходит расширение газов. При этом давление и температура их уменьшаются. Так, тепловая энергия преобразуется в механическую. Сила давления газов от поршня через шатун передается коленчатому валу и вращает его. В конце хода поршня вниз открывается выпускной клапан. Маховик, получив разгон, выводит механизм из н.м.т. Поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы, освобождая его для следующей порции (дозы) свежего воздуха. При вращении коленчатого вала все процессы в цилиндре повторяются.

Рис. 1. Схема двигателя (а) и положение поршня в верхней (б) и нижней (в) мертвых точках: 1 — коленчатый вал; 2 — маховик; 3 — корпус двигателя; 4 — цилиндр; 5 —шатун; 6 — поршень; 7 — поршневой палец; 8 — головка цилиндра; 9—клапаны; 10 — передаточные детали; 11 — кулачковый вал; 12 — распределительные шестерни.

Следовательно, работа двигателя основана на свойстве нагретых газов расширяться. Она слагается из четырех ходов поршня, при которых в цилиндре протекают процессы впуска свежего воздуха, сжатия его, подачи и сгорания топлива и расширения горячих газов, выпуска отработавших газов. Эти процессы, чередуясь в указанном порядке, составляют рабочий цикл двигателя. Часть рабочего цикла, протекающая во время движения поршня от одной мертвой точки до другой, называется тактом.

Из четырех тактов только при одном — расширении газов — совершается полезная работа. Этот такт называется рабочим ходом. Остальные такты вспомогательные. Они совершаются за счет части энергии, накопленной маховиком.

Двигатель, рабочий цикл которого совершается за четыре хода (такта) поршня (за два оборота коленчатого вала), называется четырехтактным. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называется двухтактным.

У двигателя, схему которого мы рассмотрели, топливо впрыскивается в цилиндр и воспламеняется от высокой температуры сильно сжатого воздуха. Такой двигатель называется дизелем (по имени его создателя Р. Дизеля). Двигатель, у которого смесь топлива с воздухом образуется не в цилиндре, а в особом приборе — карбюраторе, затем поступает в цилиндр и здесь воспламеняется электрической искрой, называется карбюраторным.

Рекламные предложения:

Читать далее: Особенности рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя

Категория: — Тракторы-2

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Двигатели внутреннего сгорания — обзор

2.1 Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и реактивные двигатели являются важными силовыми установками для гражданского и военного применения. Эти двигатели — это машины, которые преобразуют тепло, выделяемое при сгорании, в механическую или кинетическую энергию. В настоящее время ДВС и реактивные двигатели по-прежнему работают на ископаемом топливе и в основном полагаются на него. Растущая озабоченность по поводу экологической и энергетической безопасности привлекает внимание к альтернативным видам топлива (AFs). Существует два типа ДВС, а именно двигатели с искровым зажиганием (SI) и двигатели с воспламенением от сжатия (CI), обычно соответствующие бензиновым двигателям и дизельным двигателям.Двигатели SI широко используются в качестве источников энергии для легковых автомобилей и мотоциклов, в то время как двигатели CI в основном используются для грузовиков, кораблей и внедорожников из-за их более высокой энергоэффективности и удельной мощности по сравнению с бензиновыми двигателями [1].

Преобладающие АФ, задействованные в ДВС, охватывают широкий спектр нетрадиционных видов топлива, включая биотопливо, полученное из биомассы, сжиженного нефтяного газа (СНГ), преобразования угля в жидкие углеводороды (CtL) и водорода (H ₂ ). Биотопливо считается более чистым, чем обычное топливо для ДВС, с точки зрения выбросов вредных газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) [2,3].Хотя все еще существуют некоторые технологические барьеры при использовании H ₂ в ДВС, H ₂ по-прежнему является одним из перспективных видов топлива для будущих двигателей, о котором будет кратко рассказано в разделе 2.2. LPG и CtL обычно получают из ископаемого топлива [4], и они обычно классифицируются как альтернативные виды топлива, но не как биотопливо. В этой главе основное внимание уделяется технологии и производству биотоплива. Сжиженный нефтяной газ и CtL также вскоре будут представлены в разделе 2.2.

Биотопливо, которое в настоящее время применяется в транспортных средствах во всем мире, — это биодизель и биоспирт [5].Биодизель — это кислородсодержащее топливо на основе сложных эфиров, состоящее из длинноцепочечных жирных кислот, полученных из растительных масел (как пищевых, так и несъедобных) или животных жиров, и оно не взрывоопасно, биоразлагаемо, негорючо, возобновляемо и нетоксично. Его можно использовать в дизельном двигателе в качестве альтернативы дизельному топливу без существенной модификации двигателя с такими же или лучшими характеристиками по сравнению с обычным дизельным топливом [6–8]. С другой стороны, биоспирты производятся из ряда сельскохозяйственных культур, таких как картофель, сахарный тростник, зерно, кукуруза, сорго и т. Д.Этанол и бутанол — наиболее часто используемые альтернативные виды топлива в ДВС [9]. Таким образом, биодизель используется для замены дизельного топлива в двигателях CI, тогда как биоспирты используются в смеси с бензином для работы двигателей SI. Сообщается, что сжигание биодизеля может привести к заметному снижению выбросов ТЧ из-за присутствия атомов кислорода и более полному сгоранию [10,11].

Пластинки графена выглядят более искаженными и имеют более длинные разделительные расстояния. Кроме того, выбросы NO _x несколько увеличиваются, в то время как выбросы углеводородов (HC) и оксида углерода (CO) уменьшаются по сравнению со сжиганием нефтяного дизельного топлива.Это можно объяснить более высокой температурой камеры сгорания при сжигании биодизеля. Биобутанол и обычные смеси дизельного топлива, по-видимому, могут эффективно снизить выбросы ТЧ, а выбросы NO _x немного ниже, чем при сжигании чистого дизельного топлива. Более высокий уровень смешивания может привести к большему снижению. Аналогичная тенденция наблюдается и при использовании топлива, смешанного с биоэтанолом. Тенденция выбросов углеводородов диаметрально противоположна выбросам NO _x . Однако влияние биоспиртов на выбросы CO все еще остается спорным и требует дальнейшего объяснения [12–14].

Реактивные двигатели можно разделить на четыре типа: турбореактивные двигатели, турбовентиляторные двигатели, турбовальные двигатели и турбовинтовые двигатели, работающие на реактивном топливе со строгими стандартами [15]. Альтернативные виды топлива для реактивных двигателей получают из ископаемых источников, таких как уголь и природный газ, экологически чистого сырья растений или животных или других потенциальных углеводородных материалов. Как правило, альтернативные реактивные топлива получают с использованием следующих методов: газификация биомассы, синтез с использованием процесса Фишера-Тропша (F-T) и гидрообработка растительных масел и жиров (гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты) [16].Синтез F-T, который был предложен и разработан Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1925 году [17], включает серию химических реакций и позволяет преобразовывать синтез-газ (CO и H ₂ ) в жидкие углеводороды. Sasol и Shell поставляют коммерчески доступные виды топлива F-T по всему миру. Sasol производит топливо F-T с помощью процесса преобразования угля в жидкость (CtL), а Shell — с помощью процесса преобразования газа в жидкость (GtL).

Большинство альтернативных видов топлива содержат большую долю изопарафинов и нормальных парафинов, не содержат ароматических углеводородов и серы.Более высокое содержание парафинов в альтернативных топливах приводит к более высокому содержанию C и H и, следовательно, к более высокому уровню выбросов CO ₂ и H ₂ O. Для большинства альтернативных видов топлива можно найти сокращение выбросов CO примерно на 20%. Нет существенной разницы в выбросах NO _x , поскольку образование NO _x обычно является тепловым. Выбросы SOx напрямую связаны с содержанием серы в топливе. Ароматические углеводороды являются важными предшественниками сажи. Предыдущие экспериментальные работы показали, что сжигание альтернативных видов топлива может снизить образование сажи на 60–95%, особенно при более низкой мощности [18].

Эта глава демонстрирует классификацию альтернативных видов топлива и знакомит с их характеристиками выбросов по сравнению с обычными видами топлива. Во-первых, альтернативные виды топлива для ДВС и реактивных двигателей будут обсуждаться в разделах 2 и 3, где будут рассмотрены пути производства топлива и сырье. Далее, выбросы газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) от ДВС, работающих на альтернативных видах топлива, будут объяснены в разделах 4 и 5. Наконец, характеристики выбросов газообразных и ТЧ реактивных двигателей будут рассмотрены в разделах 6 и 7.

Устройство и принцип работы ДВС (18 фото + 4 видео)

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде полого металлического стакана, расположенного сферическим днищем (головкой поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец — обеспечить, во-первых, герметичность пространства эпиппера, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиновоздушной смеси и образовавшийся расширяющийся газ не может, поощряя юбку, устремляясь под поршень.Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла под поршень в пространство для транспортировки. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнений. Нижнее (нижнее) поршневое кольцо называется масляно-цепным, а верхнее (верхнее) — компрессионным, то есть обеспечивает высокую степень сжатия смеси.

Когда топливно-воздушная или топливная смесь из карбюратора или форсунки находится внутри цилиндра, она сжимается поршнем при движении вверх и воспламеняется электрическим разрядом от свечи зажигания (в дизеле есть самовоспламенение смеси из-за резкого сжатия).Образовавшиеся газы сгорания имеют гораздо больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом, тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее вам нужно преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня находится палец, на котором закреплена верхняя часть шатуна, последний закреплен на кривошипе коленчатого вала.Коленчатый вал свободно вращается на опорных подшипниках, которые находятся в картере двигателя внутреннего сгорания. При перемещении поршня шатун начинает вращать коленчатый вал, от которого крутящий момент передается на трансмиссию и — далее через зубчатую передачу — на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя. Характеристики двигателя При движении вверх и вниз поршень находится в двух положениях, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (NTC) — это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; Нижняя мертвая точка (НМТ) — это самое нижнее положение поршня, после которого направление направления меняется, и поршень устремляется вверх.Расстояние между NTT и NMT называется поршнем, объем верхней части цилиндра в положении поршня в VMT образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра в положении поршня в NMT. называется полным цилиндром. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила название рабочего объема цилиндра.
Общий рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, он выражается в литрах, поэтому в эксплуатации называется подстилкой двигателя.Второй наиболее важной характеристикой любого внутреннего сгорания является степень сжатия (SS), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. В карбюраторных двигателях СС варьируется в пределах от 6 до 14, в дизельных — от 16 до 30. Именно этот показатель наряду с мощностью двигателя определяет его мощность, КПД и полноту сгорания воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВК.
Мощность двигателя имеет двоичное обозначение — в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода агрегатов один в другой применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя определяется двумя оборотами коленчатого вала — от полуоборота до такта, соответствующего такту поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня с взрывным сгоранием смеси и ее замедление по мере приближения к НМТ и далее.Чтобы остановить эту неровность, на валу вне корпуса двигателя устанавливается массивный дисковый маховик с большой инерцией, за счет чего момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаша всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей огромное множество. Они различаются объемом, количеством цилиндров, мощностью, частотой вращения используемого топлива (дизельный, бензиновый и газовый двигатель).Но в принципе устройство ДВС аналогично.
Как работает двигатель и почему его называют четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя горит топливо. А почему 4 муфты двигателя, что это такое? Действительно, есть двухтактные двигатели. Но на автомобилях они встречаются крайне редко.
Четырехтактный двигатель получил название из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза проходит через цилиндр — дважды вверх и дважды вниз.Тактика начинается, когда поршень находится в чрезвычайно нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхней мертвой точкой (НТТ) и нижней мертвой точкой (НМТ).
First Tact — Inlet Tact

Первые часы, входящие, начинаются с NTC (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает топливно-воздушную смесь в цилиндр. Работа этого такта происходит при открытом впускном клапане. Кстати, есть много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии могут существенно повлиять на мощность двигателя.Есть двигатели, в которых в зависимости от нажатия педали происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое после зажигания увеличивает мощность двигателя. Автомобиль в этом случае может разгоняться намного быстрее.

Второй такт — такт сжатия

Следующие часы работы двигателя — такт сжатия. После того, как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым сжимая попавшую в цилиндр смесь во впускной такт.Топливная смесь сжимается до объема камеры сгорания. Что это за камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра, когда поршень находится в верхней мертвой точке, называется камерой сгорания. Клапаны работы двигателя полностью закрыты, при этом закрыты. Чем плотнее они закрыты, тем лучше компрессия. Большое значение в данном случае имеет состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если будут большие зазоры, то компрессия не будет хорошей, и соответственно мощность такого двигателя будет намного ниже.Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий

Третий такт — рабочий, начинается с NTC. Рабочим это называется не случайно. В конце концов, именно в этом такте происходит действие, заставляющее машину двигаться. В эти часы срабатывает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что он отвечает за воспламенение сжатой в цилиндре топливной смеси в камере сгорания.Работает это очень просто — свеча системы дает искру. Справедливости ради стоит отметить, что искра выходит на свечу зажигания в несколько градусов, пока не будет достигнута верхняя точка. В современном двигателе эти градусы регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того, как топливо загорится, происходит взрыв — его количество резко увеличивается, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — выдача такта

Четвертый такт работы двигателя, последний — градуировка.Достигнув нижней точки, по истечении рабочих часов в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Поднимаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра — вентилирует его. Степень сжатия в цилиндрах зависит от четкости работы клапанов, полного отвода выхлопных газов и необходимого количества всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает первый ход.Процесс повторяется циклически. И за счет чего происходит вращение — работа ДВС — это все 4 замыкания, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, полученная в рабочих часах, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на маховик. И он под действием инерции крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» часов.

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам газораспределительный механизм делится на новую заслонку, когда распредвал находится в блоке цилиндров, и на топлес. Механизм верхнего перекрытия подразумевает фундамент распредвала в головке блока цилиндров (GBC). Существуют также альтернативные механизмы распределения газа, такие как виновная система GDM, десмодромная система и механизм с переменными фазами.
У двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется с помощью впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей наиболее распространена система верхнего зажима, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится цилиндр (ГБЦ) с расположенным на нем распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распределительного вала находится вне головки блока цилиндров. Чтобы исключить вытекание моторного масла из-под клапанной крышки, на шейке распределительного вала установлен сальник.Сама клапанная крышка установлена ​​на маслобензостойкой прокладке. Ремень ГРМ или цепь одевает шкив распределительного вала и приводит в движение шестерню коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для натяжения цепей — «башмаки». Обычно ремень ГРМ приводится в действие насосом системы водяного охлаждения, промежуточным валом системы зажигания и приводом насоса высокого давления ТНВД (для дизельных версий).
На противоположной стороне распределительного вала посредством прямой трансмиссии или ремня может работать вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Распределительный вал представляет собой ось с упорами в ней. Кулачки расположены на валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, щелкают по ним точно в соответствии с рабочими часами двигателя.
Есть двигатели и два распредвала (DOHC) и большое количество клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в движение одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распределительный вал закрывает впускные или выпускные клапаны одного типа.
Клапан прижимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем.Различают два типа толкателей. Первый — толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй — гидротерапевты. Гидротерапевт смягчает удар по клапану за счет масла, находящегося в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхом толкателя не требуется.

Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого и распределительного валов. А также открытие впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршня.
При точном расположении распредвала относительно коленчатого вала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма метки совмещаются и фиксируются. Затем ремень одевают, «освобождают» шкивы, после чего ремень растягивают с помощью натяжных (и) роликов.
При открытии клапана происходит следующее: распредвал «наезжает» на коромысло, которое давит на клапан, после прохождения кулачка клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае расположены V-образно.
Если двигатель установлен в двигателе, распределительный вал находится непосредственно над толкателями, при вращении давит на них кулачками. Преимущество такого тайминга — небольшие шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения такой же, только при сборке механизма цепь натягивается на вал вместе со шкивом.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно КСМ) — это механизм двигателя.Основное назначение CSM — преобразование возвратно-поступательных движений цилиндрического поршня во вращательные движения коленчатого вала в ДВС и наоборот.

Устройство КСМ.
Поршень

Поршень имеет форму цилиндра из алюминиевых сплавов. Основная функция этой части — преобразовывать в механическую работу изменение давления газа или, наоборот, давление нагнетания за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень сложен вместе днищем, головкой и юбкой, которые выполняют совершенно разные функции. Дно поршня плоское, вогнутой или выпуклой формы содержит камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, в которые помещаются поршневые кольца (компрессионные и масляные пермь). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые масляные дифракционные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке есть два бункера, обеспечивающих размещение поршневого пальца, соединяющего поршень.

Стальной штампованный или кованый (реже титановый) стержень имеет шарнирные соединения. Основная роль соединительной цены заключается в передаче поршневого усилия на коленчатый вал. Конструкция стержня предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с входным сечением. В верхней головке и бобинах находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка складывается, позволяя, тем самым обеспечивая плотное соединение с шейкой вала.Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Маховик установлен на конце коленчатого вала. На сегодняшний день широко используются двухмачтовые маховики, имеющие форму двух упруго связанных между собой дисков. Компьютерщик маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок цилиндров и головка

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отлиты из чугуна (реже — из алюминиевых сплавов).Рубашки охлаждения предусмотрены в блоке цилиндров, постелях подшипников коленчатого вала и КРУ, а также в точках крепления устройств и узлах. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндров имеет камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечивается прокладкой. Кроме того, ГБЦ закрывается штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

Обычно поршень, гильза цилиндра и шатун образуют цилиндр или цилиндрическую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Двигатель внутреннего сгорания | Encyclopedia.com

Принципы

Структура двигателя внутреннего сгорания

Ресурсы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

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

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

Вращательное движение —Движение, при котором объект вращается.

через двигатель также помогает отводить часть выделяемого тепла.

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

КНИГИ

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

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

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

M. L. Cohen

Научная энциклопедия Gale Cohen, M.

Введение в искрогасители ИГРОВЫЕ ГЛУШИТЕЛИ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ПОЖАРОВ НА ДИКИХ ЗЕМЛЯХ

История Искрогасители используются в США с начала 1800-х годов. когда экраны были размещены на штабелях локомотивов Юпитера, которые были печально известен разжиганием пожаров.Первый закон, требующий искрогасителей был принят в 1905 г. и применялся к двигателям и котлам, эксплуатируемым в или возле участков, покрытых лесом, кустарником или травой.

Департамент США Министерства сельского хозяйства (USDA) Лесная служба по борьбе с оборудованием, связанным с пожары начались в 1920-х годах с двигателями внешнего сгорания (паровые ослы) используется в лесозаготовках.

В начале 1950-х годов Министерство сельского хозяйства США Лесная служба заинтересовалась снижением количества возгораний с помощью лесозаготовительной техники с двигателем внутреннего сгорания.Это усилие было основано об отчете Дж. П. Фэрбенкса и Роя Бейнера 1934 г., озаглавленном «Искра Разрядники для моторизованного оборудования », изданный Университетом. Калифорнии в Беркли. Исследование показало, что частицы выхлопных газов диаметром 0,023 дюйма и более были ответственны за большинство возгораний.

Искрогаситель — это механическое устройство, задерживающее или уничтожающее горячий выхлоп. частицы выбрасываются из двигателя внутреннего сгорания.Поскольку искрогасители предотвратили множество пожаров, впоследствии были приняты законы, требующие искрогасителей на некоторых типах двигателей. Результатом лесной службы Министерства сельского хозяйства США Усилия 1950 года привели к созданию испытательного и аттестационного центра искроуловителя. программа в Центре технологий и развития Сан-Димас (SDTDC), расположенного в Сан-Димас, Калифорния.

В апреле 1968 г. Автомобильные инженеры (SAE) совместно с Лесной службой Министерства сельского хозяйства США производители малых двигателей опубликовали стандарт SAE J335.Он установлен стандарт для малых двигателей (цепные пилы, струнные триммеры и т. д.), которые не только предотвращает утечку частиц углерода размером более 0,023 дюйма но также регулирует допустимую температуру выхлопных газов и температура поверхности выхлопной системы. Лесная служба Министерства сельского хозяйства США Спецификация 5100-1 определяет технические характеристики искрогасителя. выхлопные системы, используемые в двигателях общего назначения (генераторы, мотоциклы, сельхозтехника и др.).

В настоящее время значительное количество штатов, муниципалитетов, земель, находящихся в федеральном управлении, и всех лесов Министерства сельского хозяйства США. В регионах обслуживания требуется, чтобы все двигатели внутреннего или внешнего сгорания должен быть оборудован искрогасителем, отвечающим установленным требованиям. в соответствии со стандартом SAE J335 или Спецификацией лесной службы USDA 5100-1. Свод федеральных правил, 36 CFR 261.52, и приказы, написанные Офицеры лесной службы Министерства сельского хозяйства США объясняют требования.

Углерод и двигатель внутреннего сгорания
Все двигатели внутреннего сгорания производят частицы выхлопных газов, преимущественно углерод с примесями. Эти частицы происходят из отложений, образовавшихся на внутренних поверхностях двигателя или выхлопной системы. Выхлопные газы и частицы углерода могут быть выброшены из блока двигателя при температурах выше 3000 ° F.Поверхности выхлопной системы могут нагреваться 1000 ° F. Однако природное топливо может воспламениться при высоких температурах. всего от 400 до 500 ° F. Учитывая эти цифры, очевидно, что пожары могут быть вызваны соприкосновением горючего из природных источников с горячими выхлопными газами. газов или от контакта с горячими поверхностями выхлопной системы.

Состояние двигателя, или насколько хорошо он настроен, может повлиять на его способность разжечь огонь из-за температура его выхлопа, а также размер и количество частиц углерода он производит.Тип и качество газа и нефти, а также соотношение в смеси могут влияют на размер и состав частиц выхлопных газов. Дизайн и расположение выхлопной системы может сильно повлиять на то, Разожжется лесной пожар. Температура, влажность и плотность — все способствуют тому, насколько хорошо будет гореть топливо из диких земель.

Искра Разрядники Категории
Искрогасители можно разделить на две большие категории: многопозиционные. малый двигатель (МСЭ) и общего назначения (ГП).Малогабаритный многопозиционный двигатель искрогасители предназначены для двигателей, используемых на переносном оборудовании, например, цепные пилы, триммеры для струн, воздуходувки и кусторезы. Самый В искрогасителях MSE используется экран для улавливания частиц выхлопных газов.

Искрогасители GP разработан для использования на двигателях в одном месте, таких как тракторы, мотоциклы, или железнодорожные локомотивы. Существуют различные конструкции искрогасителей. для двигателей общего назначения.Наиболее распространены типы ловушки, экрана, и диск.

Как Искрогасители рабочие
Искрогасители работают по принципу улавливания или измельчения углерода. частицы диаметром более 0,023 дюйма. не всегда на 100 процентов эффективен, правильно установлен и обслуживается искрогаситель значительно снизит риск возгорания. Самый распространенный искрогаситель задерживает частицы углерода в выхлопной системе.Он работает, отсеивая более крупные частицы углерода из выхлопных газов. За счет центробежной силы более тяжелые частицы углерода отбрасываются внутренние стенки разрядника и направлены в ловушку. Самый распространенный Типы скрининга используют экран или диск. В дисковой конструкции дополнительные диски могут быть добавлены для уменьшения противодавления и увеличения потока выхлопных газов.

Турбокомпрессоры, Нагнетатели и глушители
Турбокомпрессоры используют выхлопные газы, чтобы вращать турбину, которая вращает компрессор.Турбокомпрессоры выполняют функцию искрогасителя при 100 процент выхлопных газов проходит через турбину. Турбокомпрессоры с заслонки для сброса позволяют части выхлопного потока обходить турбину колеса и, следовательно, не относятся к искрогасителям. Правильно обслуживаемый Двигатель с турбонаддувом не требует искрогасителя.

Нагнетатели

не используют выхлопные газы, но напрямую связаны с двигателем.Двигатели, оснащенные для нагнетателей требуется искрогаситель.

Глушители

предназначены для уменьшения шум, излучаемый двигателем, не считается эффективной искрой разрядники. Каталитические преобразователи не считаются эффективными искрогасителями или. Они могут достигать достаточно высоких температур, чтобы разжечь огонь. контакт с сухой растительностью. Есть несколько искрогасителей MSE, которые имеют каталитический элемент для уменьшения вредных выбросов.Эти искрогасители прошли испытания в соответствии с SAE J335 и квалифицированы.

Установка и техническое обслуживание, кто несет ответственность?
Хорошее обслуживание искрогасителя очень важно, потому что обычно приводит к некачественной работе оборудования и повышенному риску возгорания. Законы и правила не требуют, чтобы искрогасители уже продавались. установлены. Если ОПН предоставляется как часть продажи, требование было выполнено.Владелец или оператор несет ответственность за легальная эксплуатация оборудования, требующего искрогасителей. Неспособность это может повлечь за собой уголовную и / или гражданскую ответственность.

Искра Разрядник или глушитель, как отличить?
В искрогасителях должен быть предусмотрен способ удаления уловленного углерода. Самый У разрядников GP есть заглушка для очистки, а в искрогасителях MSE есть средства очистить экран.Искрогасители также должны иметь фирменное наименование и наименование модели. Как только устройство идентифицируется как искрогаситель, оно определяется, является ли он квалифицированным. Такие ярлыки, как «USDA Forest Сервис одобрен! » не производите квалифицированный разрядник. USDA Forest Service требует от производителя только маркировать искрогасители. по марке и модели. Искрогасители MSE аттестованы с силовым агрегатом. Из-за небольшого размера искрогасителя его трудно маркировать. агрегаты с полным номером выхлопной системы и торговой маркой.От производителей требуется только наличие этикеток на блоке питания. сам.

Искра Направляющий разрядник
Справочник по искрогасителям — единственный авторитетный отраслевой источник информация о квалифицированных искрогасителях для внутреннего сгорания двигатели. Используйте руководство при выборе подходящих искрогасителей. Если номер искрогасителя появляется в руководстве, тогда SDTDC оценил разрядник.

Есть два тома к руководство: Универсальный и Локомотив, Том 1, и Многопозиционный малый Двигатель, Том 2. Пересмотр руководства публикуется каждый год. Следовательно, каждый том выходит каждые 2 года. Онлайн-руководство, обновленное ежеквартально доступна во внутренней сети лесной службы Министерства сельского хозяйства США по адресу http://www.fsweb.sdtdc.wo.fs.fed.us. Это база данных с возможностью поиска, которая позволяет пользователю выполнять эффективный поиск.

Дополнительный Информация
Этот технический совет предлагает широкое введение в искрогасители. Есть четыре других технических совета из этой серии. Для получения дополнительной информации о искрогасителях, или чтобы получить копии других соответствующих технических советов, позвоните:

Лесная служба Министерства сельского хозяйства США
Центр технологий и развития Сан-Димас
444 East Bonita Ave.
Сан-Димас, CA 91773

Attn: Программа искрогасителя Leader или http://www.fsweb.sdtdc.wo.fs.fed.us

Приблизительно Коэффициенты перевода английской системы в метрическую
Кому Смена	Кому	Умножить на
дюймы	миллиметра	25.4
Температура Перевод единиц ° F = (° C x 1,8) + 32

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

Значение

Компоненты двигателя внутреннего сгорания испытывают экстремальные термомеханические циклы во время работы, и постоянная потребность в повышении эффективности двигателя при сохранении или повышении надежности способствует развитию легких материалы с улучшенной термической и механической целостностью.Понимание поведения новых материалов в динамической работе требует инструментов для определения характеристик, но обычные измерения поведения материалов на месте во время реальной работы двигателя очень ограничены, и не существует никаких практических средств для воспроизведения такой экстремальной динамики для исследования ex-situ. В этой работе мы демонстрируем, что проникающая способность нейтронов может обеспечить неинвазивное измерение деформаций решетки внутри компонентов горящего двигателя, что позволяет оперативно изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты в твердых материалах.

Abstract

Инженерная нейтронная дифракция может неразрушающим и неинвазивным образом исследовать эволюцию напряжений, деформаций, температуры и фаз глубоко внутри объемных материалов. В этой работе мы демонстрируем операндное измерение деформации решетки компонентов двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов. Модифицированный промышленный генераторный двигатель был установлен в дифрактометре VULCAN в источнике нейтронов расщепления, и деформации решетки как в блоке цилиндров, так и в головке были измерены в статических условиях без зажигания, а также в установившемся режиме и в циклических переходных режимах.Динамический временной отклик изменения деформации решетки во время переходного режима был разрешен в двух местах с помощью асинхронной стробоскопической дифракции нейтронов. Мы продемонстрировали, что операндно-нейтронные измерения могут позволить понять, как материалы ведут себя во всех эксплуатационных инженерных устройствах. Это исследование открывает путь для промышленных и академических сообществ, чтобы лучше понять сложность поведения материалов во время работы двигателей внутреннего сгорания и других реальных устройств и систем, а также использовать разработанные здесь методы для будущих исследований многочисленных новых платформ и сплавов.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию за счет прямой силы, действующей на компоненты двигателя в результате расширения газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании (1). Этот процесс представляет собой множество проблем с материалами, поскольку извлечение материала выполняется в высокодинамичной, реактивной и коррозионной среде, создавая экстремальные абсолютные значения и временн-пространственные градиенты температуры и давления. В поршневом двигателе оба неподвижных компонента (например,g., головка цилиндра, гильза и коллекторы) и движущиеся компоненты (например, поршни и клапаны) подвергаются сложным термомеханическим циклам с частотами от менее 1000 об / мин на холостом ходу до почти 20000 об / мин в гоночных приложениях. И двигатели с искровым зажиганием (бензиновые), и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) подвергаются быстрому выделению химической энергии, вызывая чрезвычайно переходные состояния нагрузки и температурные градиенты внутри камеры сгорания. Обычно двигатели работают при пиковой температуре газа, превышающей 2200 ° C, и пиковом давлении в диапазоне от 0.От 5 до 2,5 МПа при скорости повышения давления от 10 до 50 МПа / мс (2), а во время аномальных событий горения, таких как преждевременное зажигание и детонация, скорость повышения давления может превышать 100 МПа / мс (3). Тепловые потоки через различные поверхности в камере сгорания могут сильно различаться в разных местах из-за неоднородности дымовых газов (4) и могут локально превышать 10 МВт / м ² в течение нескольких мсек, когда горящие топливные струи сталкиваются с поверхностями ( 5). Разработка и внедрение новых материалов с улучшенной механической и термической целостностью может повысить надежность и повысить эффективность, а также освободить место для повышенных рабочих температур и использования технологий принудительной подачи воздуха, что еще больше повысит эффективность.Кроме того, если будут приняты новые материалы, которые обладают более высокой удельной прочностью, есть потенциал для улучшения времени реакции на переходную нагрузку и для повышения экономии топлива транспортного средства за счет облегчения. Лабораторные исследования технических материалов с помощью физического моделирования часто проводятся в попытке удовлетворить требования строгой эксплуатации. Понимание динамического поведения, такого как температура, напряжение и деформация во время работы, ценно для разработки новых материалов и для инженеров, стремящихся улучшить эффективность, долговечность и безопасность.Однако из-за отсутствия инструмента неразрушающей оценки, который может имитировать реальные рабочие условия внутри ДВС, истинное понимание динамических термомеханических режимов работы и реакции компонентов двигателя ограничено.

Последние достижения в области источников нейтронов и нейтронной аппаратуры позволяют исследовать поведение материалов в сложных средах с пробами на месте как в сокращенных масштабах длины, так и времени (6⇓ – 8). Источник нейтронов расщепления (SNS) в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) — это самая интенсивная в мире установка для времяпролетных нейтронов (TOF), а высокий поток нейтронов дает возможность выполнять измерения дифракции нейтронов с высоким разрешением в диапазоне временные и пространственные масштабы в инженерных приложениях (6, 7, 9).Нейтронная дифракция часто используется для измерения деформаций решетки (10, 11) из-за температуры или напряжения, текстуры микроструктуры и ее эволюции, а также фазовых фракций глубоко внутри инженерных компонентов, которые не могут проникнуть даже высокоэнергетические рентгеновские лучи, что делает нейтроны уникальными для изучения поведение материалов в крупных конструкциях (12). Дифрактометр для инженерных материалов VULCAN (13, 14) в SNS предназначен для исследования деформации, фазового превращения, остаточных напряжений и текстуры в технических материалах, которые обычно проходят физическое моделирование в лабораторном масштабе с приложенной нагрузкой и температурами.Падающие щели и коллимация перед блоками дифракционных детекторов ± 90 ° (14) позволяют зондировать небольшой воксельный или измерительный объем внутри конструкции или устройства даже в рабочих условиях. Система сбора нейтронных данных по времени и событию регистрирует полную картину дифрагированных нейтронов с отметками времени и обеспечивает прямое измерение с временным разрешением (7, 15). Эти преимущества инженерной дифракции нейтронов в режиме TOF открывают прекрасную возможность исследовать динамический отклик материала в реальном времени в реальных условиях эксплуатации.Воспользовавшись этими уникальными возможностями в VULCAN, мы демонстрируем измерение изменений шага решетки из-за температуры и напряжения в головке цилиндров ДВС во время переходных режимов. Асинхронная накачка-зонд или стробоскопическое измерение нейтронов (7, 16⇓ – 18) использовалось для определения быстрых зависимостей от времени. Эта работа показывает будущий потенциал измерения быстрой динамики работы конкретных компонентов двигателя с использованием мощной проникающей способности нейтронов с большим потоком в SNS.

Экспериментальная установка

Экспериментальная платформа с двигателем Operando.

Чтобы продемонстрировать возможность безопасной эксплуатации работающего двигателя в качестве экспериментальной платформы для работы на VULCAN, коммерчески доступный электрический генератор, работающий от карбюраторного одноцилиндрового малокалиберного ДВС, был модифицирован и введен в эксплуатацию в испытательной камере двигателя в Национальных транспортных исследованиях. Центр (НТРК). NTRC — это пользовательский объект DOE, расположенный в ORNL и оборудованный для исследований инновационных технологий ICE и систем управления.Технические характеристики доработанного ДВС приведены в таблице 1. Схема, иллюстрирующая конфигурацию двигателя и относительное расположение измерительных объемов, представлена ​​на рис. 1 A .

Таблица 1.

Технические характеристики генератора и двигателя

Рис. 1.

Детали эксперимента. ( A ) Схема в разрезе одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением с репрезентативными положениями измерительных объемов, выделенными как в головке, так и в блоке цилиндров. ( B ) Изображение модифицированного двигателя, установленного на канале связи VULCAN с приборами.( C ) Схема экспериментальной конфигурации (вид сверху), показывающая двигатель, установленный вдоль плоскости 45 °, разделяющей пополам падающий луч, и детекторы (B1 и B2) с измерительным объемом, расположенным в головке блока цилиндров. Камера расположена в ортогональной плоскости под углом 45 ° с видом, показанным на рис. 4.

Для этого эксперимента было несколько уникальных ограничений, связанных с ограниченным физическим пространством образца в дифрактометре, отсутствием специализированных средств тестирования двигателя, таких как динамометр внутри дифрактометра, и тот факт, что нейтроны сильно ослабляются ¹ H из-за его большого сечения некогерентного рассеяния.Эта экспериментальная платформа была выбрана и разработана с учетом следующих соображений безопасности и сбора данных: 1) экспериментальная установка обеспечивала автономную практическую работу работающего двигателя, 2) компактные габаритные размеры, не выходящие за пределы ограниченного пространства на VULCAN, 3) интегрированный генератор устранил необходимость в автономном динамометре для приема нагрузки от двигателя, 4) двигатель имел воздушное охлаждение и, таким образом, не сталкивался с проблемами сильного ослабления нейтронов или рассеяния водородосодержащим хладагентом, 5) двухклапанная конструкция толкателя сводила к минимуму количество стальных компонентов в головке блока цилиндров, которые могли бы ослабить рассеянные нейтроны из измерительного объема (ов); 6) относительно простая конструкция системы смазки не имела масляных каналов вдоль верхней или передней части двигателя, которые могли бы ослабить падающие или рассеянные нейтроны, и 7) электростартер позволял запускать двигатель дистанционно.

Помимо соответствующих экспериментальных соображений, связанных с VULCAN, которые были решены при использовании двигателя с воздушным охлаждением, геометрическая сложность, представленная ребрами охлаждения, и внутренняя геометрия детали сделали его хорошим испытательным стендом для проверки литейных свойств алюминиево-цериевого (AlCe) сплава. совместная разработка ORNL и Eck Industries. Геометрия головки блока цилиндров Honda GX200 была измерена с помощью рентгеновской компьютерной томографии и импортирована в модель CAD с помощью программного обеспечения для сканирования. После импорта формы для литья в песчаные формы были напечатаны с использованием системы аддитивного производства связующего (19).Этот метод устранил длительное время изготовления традиционной оснастки и снизил стоимость запуска опытного образца небольшой партии, и получившаяся головка блока цилиндров из AlCe показана рядом с исходной головкой блока цилиндров на рис. 2. Преимущества этой технологии могут быть использованы в будущем. экспериментаторам, чтобы быстро проверить новые материалы или влияние геометрии системы на охлаждение и внутреннюю деформацию во время работы. Сплав AlCe, из которого изготовлена ​​головка, был разработан в рамках проекта Института критических материалов и предназначен для высокотемпературных применений, в которых алюминиевые сплавы долгое время изо всех сил пытались найти применение.Сплав использует в качестве первичной добавки элемент церий и имеет состав Al-12 мас.% Ce-0,4 мас.% Mg. Этот состав был выбран, поскольку он находится рядом с эвтектикой Al-Ce, создавая литейный материал, и предыдущие нейтронные исследования, проведенные с этим сплавом, показали, что незначительные добавки Mg оказывают большое положительное влияние на способность распределения нагрузки большей части Al ₁₁ Ce ₃ интерметаллид (20). Высокая термическая стабильность упрочняющих интерметаллидов алюминия-церия, которые образуются во время затвердевания при традиционных скоростях литья, в отличие от осаждения во время дорогостоящих длительных термообработок, делает этот материал хорошим кандидатом для ДВС следующего поколения.Термическая стабильность сплавов является результатом почти нулевой растворимости и сопутствующей низкой диффузии Се в алюминиевой матрице, что означает, что упрочняющие богатые церием интерметаллические фазы блокируются при затвердевании и видят лишь незначительные недетериальные морфологические изменения во время длительного воздействия повышенных температур ( 20).

Рис. 2.

Литая головка блока цилиндров OEM-производства ( Левая ), изображенная рядом с головкой блока цилиндров из AlCe ( Правая ), изготовленная из форм, напечатанных на 3D-принтере. Оборудование головки цилиндров, включая монтажные шпильки, клапаны и свечу зажигания, было перенесено с головки OEM на головку AlCe.

Платформа двигателя / генератора была подготовлена ​​для использования в нейтронном дифрактометре путем снятия сначала монтажной рамы, внешнего кожуха и всех посторонних крышек и пластиковых компонентов, чтобы минимизировать ослабление нейтронов. Стальной топливный бак был удален и заменен удаленным топливным баком, соединенным гибким шлангом. Стальной глушитель был удален и заменен секцией выхлопной трубы, которая была оснащена термопарой типа K для измерения температуры выхлопных газов.Чтобы получить значимые результаты нейтронной дифракции во время работы двигателя, важно, чтобы целевой измерительный объем оставался постоянным во время каждого измерения. С этой целью разобранный узел был жестко закреплен на алюминиевой макетной плате, чтобы свести к минимуму колебательное смещение двигателя во время работы, и окончательный инструментальный узел показан установленным на VULCAN на рис. 1 B . Обратите внимание, что термин «смещение» используется здесь для обозначения амплитуды колебательного движения внутри конструкции двигателя, а не рабочего объема двигателя.

Автономные испытания были проведены в NTRC, чтобы гарантировать безопасную и надежную работу модифицированного двигателя, прежде чем эксперименты по дифракции нейтронов были выполнены на VULCAN. Вибрационное смещение измерялось трехосевым акселерометром (PCB Piezotronics Model 356B21), установленным на картере двигателя, а также лазерным триангуляционным датчиком (Microtrak 3), направленным на интересующее место на головке блока цилиндров. Двигатель работал при трех режимах нагрузки, подавая электрическую нагрузку на генератор с программируемым набором нагрузок.Эти условия составляли 0 (двигатель на холостом ходу), 1530 и 2586 Вт, что соответствует 0, 55 и 92% номинальной нагрузки генератора соответственно. Генератор также имеет настройку Eco-Throttle, которая снижает частоту вращения двигателя на холостом ходу для снижения расхода топлива и шума, и этот режим также был протестирован. Среднеквадратичные значения вибрационного смещения (среднеквадратичное смещение), измеренные акселерометром и лазером, показаны на рис. 3. Самые низкие уровни среднеквадратичного смещения наблюдались на холостом ходу с включенным Eco-Throttle, тогда как среднеквадратичное смещение было относительно нечувствительным к нагрузке с настройка отключена.Трендовое соответствие между всеми измерениями было хорошим, и общая величина лазерного луча и оси акселерометра z были в хорошем соответствии. Все измеренные значения среднеквадратичного смещения были ниже 0,5 мм, что представляет собой 10% -ный порог для измерительной длины 5 мм, используемой в этом исследовании.

Рис. 3.

Вибрационное смещение внешней конструкции двигателя в четырех рабочих условиях, измеренное трехосевым акселерометром и лазерным датчиком смещения. Все измерения показывают среднеквадратичное значение <0.5 мм или менее 10% размера измерительного объема.

После успешного ввода в эксплуатацию на НТРК, обеспечивающего безопасную работу и приемлемые колебательные смещения при работе в модифицированной конфигурации, двигатель и вспомогательные системы были установлены на VULCAN. Схема на рис. 1 C показывает схему операндо эксперимента. Узел двигателя и генератора был установлен наверху ступени поступательного / вращательного движения на пересечении падающего луча и коллиматоров (14).Дистанционная подача топлива была расположена рядом с двигателем, но вне прямого пути луча и на большей высоте, так что топливо могло подавать самотеком в карбюратор без необходимости в топливном насосе. Сигналы от акселерометра и термопары температуры выхлопных газов направлялись в систему сбора данных для мониторинга состояния двигателя в реальном времени. Управление двигателем осуществлялось дистанционным стартером и выключателем, расположенным в диспетчерской VULCAN. Выходная мощность генератора измерялась программируемым блоком нагрузки, расположенным за пределами экспериментального корпуса VULCAN и рядом с диспетчерской.Вся проводка и шланги, подключенные к двигателю и генератору, были расположены вне путей пучка и закреплены с помощью устройства снятия натяжения, чтобы обеспечить перемещение и вращение узла двигателя во время работы. Выхлопные газы из двигателя по гибкому воздуховоду направлялись в вытяжную систему установки.

Внешнее инфракрасное измерение температуры.

В дополнение к измерению выхлопных газов термопарой, для контроля температуры внешних поверхностей использовалась инфракрасная (ИК) камера (FLIR T450sc), записывающая со скоростью 30 кадров в секунду.Точка обзора ИК-камеры была аналогична точке обзора камеры позиционирования образца, показанной на рис. 1 C . Излучательная способность была откалибрована с помощью термопары для поверхностного монтажа, размещенной на головке блока цилиндров; поэтому значения ИК-температуры и изображения, такие как рис. 4, являются количественными только для головки блока цилиндров из AlCe и являются качественными в других местах.

Рис. 4.

( Слева ) Инфракрасное изображение температуры двигателя через 1 мин после запуска. ( Средний ) Фотография двигателя с камеры центрирования образца.( Справа ) Расположение пространственного картирования 11 × 15 (белые кружки) и выбранные точки в блоке цилиндров (желтый ромб) и головке блока цилиндров (желтый кружок) для измерений деформации с временным разрешением. Места, отмеченные красными кружками, имели плохую статистику соответствия в одном или нескольких пространственных сопоставлениях, в первую очередь из-за открытой внутренней области в выпускном отверстии (верхний кластер) и утопленных областей отливки, которые могли частично похоронить измерительный объем. (средний кластер).

Нейтронографическое измерение статических и динамических деформаций решетки.

Схема операндного измерения дифракции нейтронов проиллюстрирована на рис. 1 C . Падающий луч в SNS является импульсным и работает на частоте 60 Гц. Энергия и длина волны нейтронов разрешаются и количественно оцениваются с помощью записанного времени пролета нейтронов с каждым временем излучения импульса и временем прохождения по фиксированной траектории полета прибора. Настройка прерывателя 30 Гц использовалась для обеспечения широкого диапазона измерения межплоскостного расстояния решетки (d-шаг) от 0.От 5 до 2,5 Å. Падающий луч коллимировался до размера 5 × 5 мм ² с помощью моторизованных падающих щелей перед образцом. Хотя падающий луч рассеивается по всей длине своего пути через образец, радиальные приемные коллиматоры, прикрепленные к двум противоположным блокам детекторов B1 и B2, расположенным перпендикулярно падающему лучу (± 90 °), ограничивают угловой диапазон, из которого рассеянные нейтроны могут достигают детекторов, в результате чего получается измерительный объем 5 × 5 × 5 мм ³ , как показано на рис.1 С . Каждый блок детекторов измеряет изменения шага решетки вдоль биссектрис углов между падающим лучом и дифрагированным лучом (± 45 °). Благодаря импульсной конфигурации пучка TOF, индивидуальные зависящие от местоположения d-интервалы решетки в измерительном объеме могут быть измерены сразу без необходимости вращения образца или детекторов. Подробнее об инженерной дифракционной установке можно прочитать в предыдущей работе (14). Поскольку положение пучков падающих лучей и детекторов фиксировано, расположение измерительного объема внутри двигателя было изменено путем изменения положения всей установки двигателя с использованием предметного столика прибора.

Результаты и обсуждение

Пространственное отображение распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать возможность пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на рис. 4. Эта сетка была расположена под внешней поверхностью двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и цилиндром. головка, которая состоит из литого сплава AlCe.Поскольку оба сплава основаны на алюминии, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки ГЦК, по формуле dhkl = ah3 + k2 + l2. [1] Затем можно определить деформацию решетки в заданном месте (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z): ϵhklx, y, z = dhklx, y, z − dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.[2] При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было проведено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение измерялось в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли с помощью аппроксимации одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для событийной нейтронной дифракции (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное сопоставление визуализировано на рис. 5 A в виде псевдоцветной диаграммы. Граница раздела между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. Рис. 5 A показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.

Рис. 5.

( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d ₃₁₁ ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены закрашенными белыми кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна на карте d ₃₁₁ и соответствует областям, выделенным на рис.4. ( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пика имеет четко видимые (222) и (311) пики, в то время как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное сопоставление d ₃₁₁ при горячей стационарной работе двигателя — выполнено лишь частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ ₃₁₁ ), рассчитанная путем сравнения d ₃₁₁ во время стационарной работы двигателя ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D представляют собой объединение исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (рис. 4). ( E ) Примерные спектры из одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.

Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также отмечены на рис. 4 и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рис. 2), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин от эталонного отображения показаны на рис. 5 B . Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.

В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.

Карта операнда d311 (y, z) показана на рис. 5 C и была подготовлена ​​аналогично справочной карте на рис. 5 A . Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом похожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов на рис. 5 C была смещена в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на рис. 5 D . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого уровня (2365 ± 112 мкл) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 мкМ) в головке блока цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, который ближе всего к горячему. выхлопное отверстие, как показано на рис. 4. Используя измеренный коэффициент теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением приводит к предполагаемому повышению температуры на 174 ° C.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ (26). Использование КТР 21,8 × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому повышению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) на рис.5 D и ИК-измерения температуры поверхности, показанные на рис. 4.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, одна и та же область была перенесена на ту же сетку измерений, и результирующая карта d311 (y, z) Показано на рис.6 A . Используя справочную карту на рис. 5 A как d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации на рис. 6 B довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники.Примеры дифракционных картин до и после от места в головке блока цилиндров показаны на рис. 6 C и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения. Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

Рис. 6.

( A ) Пространственное отображение d ₃₁₁ после того, как двигатель был выключен и ему дали остыть до комнатной температуры, с тем же масштабированием, что и на рис. 5 A , и в целом похожим внешним видом. ( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из рис. 5 A и 6 A . ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рис. 4, справа. Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 мин, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 мин, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин.Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени на этих временных масштабах, было использовано непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки для определения изменяющейся во времени реакции системы. Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах.Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала. Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные ансамбля с бином показаны на фиг. 7 A ; Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

Рис. 7.

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

Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на рис. 5 и 6, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичным. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой аппроксимации, было использовано уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ), как показано на рис.7 В . Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично уравнению. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311: ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z. [3] Деформация решетки ансамбля с временным разрешением в двух местах изображены на рис.8 вместе с типичными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров. Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в центре, или в самой горячей части газового потока, который сразу же прекращался после выключения.Напротив, температура инфракрасной поверхности показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе. Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности перед изменением тенденции и снижение со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные по совокупности деформаций нанесены на временные интервалы по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями на рис. 8 и картированием стационарной деформации, показанным на рис. 5 D .

Рис. 8.

( Top ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Bottom ) Реакция совокупной деформации решетки из выбранных мест, измеренная в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и температуры ИК-поверхности головки цилиндров.

Деформация решетки, измеренная внутри головки цилиндров, нанесена на график зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндров на рис. 9. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловое расширение; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с нейтронографическим измерением) и извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.После того, как эти квалификации установлены, рис. 9 действительно показывает сильную корреляцию между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R ² = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, используемой для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 ⁻⁶ ° C ⁻¹ примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между нейтронографическими данными и другими показателями динамического поведения системы, показанными на рис. 8 и 9 демонстрирует, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.

Рис. 9.

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

Проблемы и ограничения.

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

Геометрическая сложность.

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

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из дифракционных данных требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Размеры зерен.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к неоднородным дифракционным картинам и неверным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, поскольку размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с измерительным объемом (5 × 5 × 5 мм ³ ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al очень прозрачен с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно более высокое затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния ¹ H означает, что водородосодержащие материалы, такие как пластмасса, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.

Активация.

В то время как нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от нейтронного потока и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа ²⁷ Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации ²⁸ Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, ⁵⁹ Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, ⁶⁰ Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы у пользователей было как можно больше информации о составе их образцов заранее, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.

Резюме и перспективы

Мы продемонстрировали операндное измерение деформации решетки компонентов ДВС методом нейтронографии.Пространственное изменение деформаций решетки, вызванное тепловыми градиентами в блоке цилиндров и головке цилиндров, было нанесено на карту при установившемся состоянии нагрузки, и тенденции согласовывались с внешними инфракрасными измерениями температуры поверхности. Разрешенный во времени динамический отклик деформации решетки во время циклической нагрузки двигателя был определен в двух местах в 20-секундных временных интервалах с помощью асинхронной стробоскопической нейтронной дифракции, демонстрируя, что измерение операндных нейтронов может позволить понять поведение материалов в эксплуатации в сложные инженерные устройства.Динамический отклик деформации решетки отражал измерения температуры, а деформация решетки, измеренная в головке блока цилиндров, сильно коррелировала с измерением температуры в инфракрасном диапазоне на поверхности головки блока цилиндров.

Развитие этого метода измерения рабочих деформаций, испытываемых ДВС, позволит изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты по всему объему твердых компонентов. Понимание этих систем с пространственным и временным разрешением ранее было доступно только с помощью моделей, поддерживаемых точечными измерениями, такими как термопары с быстрым откликом.Возможность предоставлять экспериментальные данные о проверке и граничных условиях в аналогичных масштабах и пространственной протяженности для областей, исследуемых в эксафлопсных моделях следующего поколения, расширит влияние инженерной нейтронной дифракции за счет увеличения пользовательской базы, а также расширения наших знаний о поведении материалов в сложных и сложных условиях. экстремальные условия эксплуатации.

Это исследование также служит отправной точкой для разработки специализированной нейтронной исследовательской машины, которая продолжается в ORNL.В то время как небольшой двигатель с воздушным охлаждением, используемый в этом исследовании, был выбран в основном из-за простоты реализации и управлялся вручную для достижения временного разрешения 20 с, разрабатываемая платформа будет представлять современные автомобильные двигатели и будет иметь тесную интеграцию между двигателями. контроллер и система сбора данных нейтронного дифрактометра для достижения временного разрешения субмсек в стробоскопическом режиме. Этот двигатель также будет служить модульной исследовательской платформой, чтобы предоставить доступ другим пользователям, которые могут пожелать изучить характеристики новых материалов в реальных условиях работы двигателя.Подход, принятый в этом исследовании для быстрого прототипирования пресс-форм для изготовления головки блока цилиндров из сплава AlCe и выполнения измерений деформации решетки в этом компоненте при использовании в реальном двигателе, служит примером того, как пользователи могут использовать производство и транспортировку. , а также установки пользователей нейтронов в ORNL для исследования поведения материалов в процессе эксплуатации без необходимости проектирования всей экспериментальной установки с нуля.

Благодарности

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE), Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением автомобильных технологий, через программу Advanced Combustion Engine Systems.В этом исследовании использовались ресурсы SNS, Управления науки Министерства энергетики США и NTRC, Управления энергоэффективности и использования возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, которые находятся в ведении ORNL. Исследование сплавов AlCe спонсировалось Институтом критических материалов, центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением перспективного производства и Eck Industries. Эта работа выполнялась под эгидой Министерства энергетики и ORNL по контракту DE-AC05-00OR22725.Мы благодарим Стивена Уиттеда из ORNL за его вклад, который выполнил модификацию и упаковку двигателя для работы в дифрактометре. Автором этой рукописи является UT-Battelle, LLC по контракту DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. для целей правительства США.DOE предоставит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых на федеральном уровне, в соответствии с Планом публичного доступа DOE (energy.gov/downloads/doe-public-access-plan). Поддержка набора данных DOI 10.13139 / ORNLNCCS / 1728670 обеспечивается Министерством энергетики США, проект IPTS-18431 по контракту DE-AC05-00OR22725. В рамках проекта IPTS-18431 использовались ресурсы вычислительного центра Oak Ridge Leadership Computing Facility в Oak Ridge National Laboratory, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США в соответствии с Контрактом No.DE-AC05-00OR22725.

Сноски

• Авторы: Y.C., M.J.F., O.R., Z.C.S., D.W., E.T.S. и K.A. спланированное исследование; M.L.W., Y.C., M.J.F., S.J.C., O.R., Z.C.S., E.T.S. и K.A. проведенное исследование; M.L.W., Y.C. и К.А. проанализированные данные; и M.L.W., Y.C., S.J.C., O.R., Z.C.S. и K.A. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.

Измерение давления в баллоне | Kistler

Измерение давления в цилиндрах является основой для индикации давления в цилиндрах: метрологический метод измерения и анализа кривой давления внутри цилиндров поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Из-за высокого давления измерение внутреннего давления в цилиндре также известно как «индикация высокого давления». «Индикация низкого давления» — дополнительный вид измерения давления в баллоне.Его проводят во время фазы газообмена, чтобы определить давление во впускной и выпускной системах. Для того чтобы измеренное давление можно было привязать к определенной рабочей фазе двигателя внутреннего сгорания, в расчет включается положение поршня (угол поворота коленчатого вала) или время.

Эти методы предоставляют данные, необходимые для исследования, разработки и настройки двигателя. Они также обеспечивают производителям двигателей необходимую основу для соблюдения все более строгого законодательства о выхлопных газах и для оптимизации эффективности своих двигателей.

Кривая давления в баллоне, определенная путем измерения давления в баллоне, является наиболее важным источником информации для индикации давления в баллоне. Индикация давления в цилиндре дает более точные сведения о термодинамических процессах во время сгорания и передаваемой мощности двигателя. Последствия действий по оптимизации двигателя, основанных на этих знаниях, следующие:

• Повышенная эффективность
• Повышенная мощность / производительность двигателя
• Снижение выбросов
• Увеличение срока службы двигателя

Где используется измерение давления в цилиндре?

Измерение давления в цилиндрах используется для:

• двигателей автомобилей, мотоциклов и грузовых автомобилей
• больших судовых двигателей, e.грамм. 2-тактные и 4-тактные дизельные двигатели в судоходстве
• Стационарные большие двигатели, такие как двигатели большой мощности для электростанций

Какая измерительная техника используется для измерения давления в цилиндрах?

Измерение давления в цилиндрах в основном выполняется с помощью пьезоэлектрических высокотемпературных датчиков давления, которые устанавливаются через монтажное отверстие, которое для этой конкретной цели необходимо просверлить в головке блока цилиндров. Используются также измерительные свечи зажигания со встроенным датчиком высокотемпературного давления.Для них не требуется монтажное отверстие, потому что они легко ввинчиваются вместо стандартной свечи зажигания. На дизельных двигателях для измерения также можно использовать специальные переходники для свечей накаливания.

Измерительная цепь укомплектована усилителем заряда, системой сбора данных и системой оценки. В автомобильном секторе также существуют инновационные системы индикации, которые объединяют сбор и оценку данных в одном устройстве; их можно использовать на испытательных стендах, а также в качестве мобильных приложений.

Почему так важно измерять кривую давления в баллоне?

Кривая давления в баллоне, определенная путем измерения давления в баллоне, является наиболее важным источником информации для индикации давления в баллоне. В принципе, поршневые двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями: посредством сгорания они по существу преобразуют химическую энергию, связанную в топливно-воздушной смеси, в механическую работу и тепло.

Разработчики стремятся получить максимально возможную долю механической работы в процессе преобразования — другими словами, их цель — максимизировать эффективность.Существенными факторами здесь являются уровень и кривая давления в цилиндре от угла поворота коленчатого вала, действующего на поршень. Эта кривая давления представляет процесс сгорания, поэтому она показывает, как энергия преобразуется в двигателе. Общая механическая работа поршня, суммированная в течение одного цикла сгорания или такта, получается из давления и соответствующего изменения объема камеры сгорания.

Каковы характеристические переменные для кривой давления в цилиндре?

Ключевыми характеристическими переменными являются уровень сигнала (пиковое давление) и указанное среднее эффективное давление (IMEP) в течение одного цикла сгорания.

Как оптический анализ горения используется для измерения давления в цилиндре?

Оптический анализ сгорания используется в качестве дополнения к измерению давления в цилиндре и других опций для оптимизации процессов сгорания. Основой для этого служат современные оптические датчики, которые точно определяют причину детонации и преждевременного воспламенения, а также образование сажи в камере сгорания. Эти оптические отверстия могут быть встроены в свечи зажигания всех типов.Другие системы могут интегрировать изображения высокоскоростной камеры для визуализации быстрых процессов подсистемы, таких как события нагнетания и распространение пламени.

Вилочный погрузчик с двигателем внутреннего сгорания | Вилочные двигатели

Нужна сервисная поддержка вилочного погрузчика? ProLift помогает клиентам выбрать вилочный погрузчик любой марки или модели. КОНТАКТЫ PROLIFT

Двигатель — это устройство, использующее химическую энергию — топливо — для производства механической энергии. Двигатели, работающие на этом принципе, называются двигателями внутреннего сгорания и используются в вилочных погрузчиках внутреннего сгорания.

Поскольку в автомобилях используется один и тот же тип двигателя, многие люди знакомы с двигателем внутреннего сгорания (ВС). Хотя он работает аналогично вашему автомобилю, в вилочных погрузчиках используются четыре уникальных типа двигателей.

Типы двигателей для вилочных погрузчиков

• Бензиновые двигатели используют то же топливо, что и автомобили.
• Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (LPG), работают на природном газе. LPG обычно используется для газовых грилей.
В двигателях
• , работающих на сжатом природном газе (КПГ), используется то же топливо, которое подается в дома и на предприятия для питания плит, печей и других приборов.
• Дизельные двигатели используют дизельное топливо, топливо более низкого качества, не такое очищенное, как бензин, и, следовательно, не такое горючее.

Вилочный погрузчик с двигателем внутреннего сгорания

Зажигательная батарея и стартер с шестеренчатым приводом заставляют двигатель «проворачиваться», запуская процесс внутреннего сгорания. Карбюратор смешивает горючее жидкое топливо с воздухом и впрыскивает его в цилиндры через клапан. Внутри цилиндра поршень прикреплен к штоку, который, в свою очередь, прикреплен к коленчатому валу.

Механическая энергия образуется, когда свеча зажигания создает искру в сжатой топливно-воздушной смеси, вызывая взрыв. Взрыв толкает поршень и шток в цилиндр. Из-за конструкции коленчатого вала он преобразует направленную вниз энергию поршня и штока в механическую энергию (число оборотов в минуту).

Ряд этих цилиндров соединен с коленчатым валом в блоке. Блок содержит другие механизмы, такие как кулачковый вал, который использует число оборотов в минуту для открытия и закрытия клапанов в точной временной последовательности.Эта механическая энергия также приводит в действие генератор или генератор (установленный на двигателе и приводимый ремнем), который подает ток на электрические компоненты погрузчика.