7Фев

Двс строение: Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Содержание

Проект по физике на тему; «Двигатель внутреннего сгорания»

Муниципальное общеобразовательное учреждение-

средняя общеобразовательная школа №1

имени 397-й Сарненской дивизии

города Аткарска Саратовской области


Проект по физике

«Двигатель внутреннего сгорания»

Выполнил:

ученик 8 «Б» класса

Глухов Антон

Руководитель:

Илларионова Наталья Викторовна

г.Аткарск

2018 год

Цель проекта:

Узнать, что такое двигатель внутреннего сгорания, и где он используется.

Задачи проекта:

  • Изучить историю ДВС

  • Изучить строение ДВС

  • Составить схему строения ДВС

  • Провести анкетирование

  • Сделать выводы

Содержание

1) Цели и задачи……………………………………………………………………………2

2) Введение…………………………………………………………………………………3

3) История создания двигателя внутреннего сгорания…………………………………4

4) Строение двигателя внутреннего сгорания……………………………………………7

5) Влияние двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду…………………..10

6) Анкетирование…………………………………………………………………………..13

7) Практическое применение двигателя внутреннего сгорания…………………………14

8) Заключение………………………………………………………………………………15

Введение

Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был изобретен французским инженером Ленуаром в 1860 г. Этот двигатель во многом повторял паровую машину, работал на светильном газе по двухтактному циклу без сжатия. Мощность такого двигателя составляла примерно 8 л.с., КПД – около 5%. Этот двигатель Ленуара был очень громоздким и поэтому не нашел дальнейшего применения.

Через 7 лет немецкий инженер Н. Отто (1867 г.) создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. Этот двигатель имел мощность 2 л.с., с числом оборотов 150 об/мин. Двигатель мощностью 10 л.с. имел КПД 17% , массу 4600 кг нашел широкое применение. Всего таких двигателей было выпущено более 6 тыс.1880 г. мощность двигателя была доведена до 100 л.с.

В 1885 г. в России капитан Балтийского флота И.С.Костович создал двигатель для воздухоплавания мощностью 80 л.с. с массой 240 кг. Тогда же в Германии Г.Даймлер и независимо от него К.Бенц создали двигатель небольшой мощность для самодвижущихся экипажей – автомобилей. С этого года началась эра автомобилей.

В конце 19 в. немецким инженером Дизелем был создан и запатентован двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора двигателем Дизеля. Топливо в двигателе Дизеля подавалось в цилиндр сжатым воздухом от компрессора и воспламенялось от сжатия. КПД такого двигателя составляло примерно 30%.

Интересно, что за несколько лет до Дизеля русский инженер Тринклер разработал двигатель, работающий на сырой нефти по смешанному циклу – по которому работают все современные дизельные двигатели, однако он не был запатентован, а имя Тринклера мало кто теперь знает.

Двигатели внутреннего сгорания, особенно дизельные, нашли самое широкое применение в качестве силового оборудования на разнообразных строительных и дорожных машинах, требующих независимости от внешних источников энергии. Это, в первую очередь, транспортные (автомобили общего и специального назначения, седельные тягачи, тракторы), погрузочно-разгрузочные машины (вилочные и ковшовые погрузчики, многоковшовые погрузчики), стреловые самоходные краны, машины для земляных работ и т.д. На строительных и дорожных машинах применяются двигатели мощностью от 2 до 900 кВт. Особенностью их эксплуатации является то, что эти машины длительное время эксплуатируются на режимах близких к номинальным, при значительном и непрерывном изменении внешней нагрузки, повышенной запыленности воздуха, в существенно различных климатических условиях и нередко без гаражного хранения.

История создания двигателя внутреннего сгорания

Филипп Лебон

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

Жан Этьен Ленуар

В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.

Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.

Николаус Отто

К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Николаусом Отто.

В 1864 году он получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение.

Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.

Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Роша. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.

Хотя конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге.

Бензиновый двигатель

Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнёсся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.

Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом, была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счёт увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки. Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалось за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.

Строение и принцип действия ДВС

Строение ДВС

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно 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 необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка.

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Влияние ДВС на окружающую среду

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Однако полного сгорания в поршневых ДВС достичь технически невозможно. Сегодня порядка 60% из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, приходится на автомобильный транспорт.

В состав отработавших газов ДВС входит более 200 различных химических веществ. Среди них:

  • продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, водорода, перекисных соединений, сажи;

  • продукты термических реакций азота с кислородом – оксиды азота;

  • соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива, – свинца и других тяжелых металлов, диоксид серы и др.;

  • избыточный кислород..

Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их кислородом воздуха оксид азота превращается в диоксид. Оксид азота (NO) – бесцветный газ, диоксид азота (NO2 ) – газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 способствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 часов в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Причиной образования углеводородов (СН) является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах цилиндра (паразитных объемах) топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов.

Оксиды азота и углеводороды тяжелее воздуха и могут накапливаться вблизи дорог и улиц. В них под воздействием солнечного света проходят различные химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О3 ). В нормальных условиях озон не стоек и быстро распадается, но в присутствии углеводородов процесс его распада замедляется. Он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями, образуя смог. Кроме того, озон разъедает глаза и легкие.

Состав отработавших газов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота.

В отработавших газах также обнаружен акреолин (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров и при содержании более 0.004 мг/л вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.

Чтобы предотвратить экологические проблемы люди стали искать альтернативные виды двигателей:

а) Электродвигатель — электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую.

Электромобиль появился раньше, чем двигатель внутреннего сгорания. Первый электромобиль в виде тележки с электромотором был создан в 1841 году. Первый двухместный электромобиль русского инженера-изобретателя Ипполита Романова образца 1899 года изменял скорость движения в девяти градациях — от 1,6 км в час до максимальной в 37,4 км в час. В первой четверти XX века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 году примерно половина автомобилей в США была на паровом ходу, в 1910-х в Нью-Йорке в такси работало до 70 тысяч электромобилей. Значительное распространение в начале века получили и грузовые электромобили, а также электрические омнибусы (электробусы). Возрождение интереса к электромобилям произошло в 1960-е годы из-за экологических проблем автотранспорта, а в 1970-е годы и из-за резкого роста стоимости топлива в результате энергетических кризисов.

б) Гибридный двигатель — двигатель, комбинирующий преимущества обоих моторов: ДВС и электродвигателя. Применяется в автомобилях как альтернатива двигателю внутреннего сгорания. Первоначально идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические провода, была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах. Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства

Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche. Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в 1900 — 1901 годах. В Советском Союзе также велись работы по разработке гибридных автомобилей. Так, работы советского ученого Нурбея Гулиа привели к созданию прототипа гибридного автомобиля на базе автомобиля-грузовика УАЗ-450.

в) Водородный ДВС — это двигатель, использующий в качестве топлива водород.

В конце 70-ых годов прошлого века исследователи пришли к выводу, что заменителем нефти и ее производных станет водород. Работы по созданию 21 двигателей, работающих на водородном топливе, велись в США, Германии, Японии и в СССР. Ученые Ленинградского Политехнического института начали исследования по возможности создания автомобиля, двигатель которого работает на водороде. В Германии, США и Японии работы не прекращаются и сейчас, там довольно большой парк экспериментальных водородных автомобилей. Необходимые затраты для получения сжиженного водорода довольно быстро окупаются при больших пробегах автомобиля. Для поездок на малые расстояния могут быть более выгодны установки с гидридным способом хранения водорода — в порошке. Порошок подогревается отработавшими газами, и водород переходит в газообразное состояние. За эти 15 лет технологии сделали определенный шаг вперед по водородной тематике.

Сейчас компания Дженерал Моторс разработала автомобиль, работающий на водородном топливе. Его эффективность в четыре раза превышает обычные машины, использующие бензин. Экономия топлива в этой машине эквивалентна потреблению бензина 3 литра на 100 км. По внешнему виду машина не отличается от традиционных моделей. Топливный бак придется заполнять через каждые 800 км. До скорости 90 км\ ч машине понадобится 9 секунд. Специалисты Мюнхенского Технического университета перевели на чистый водород некоторые модели ВМW. Сжиженный водород хранится на автомобиле в криогенном баке. Широкое внедрение водородного топлива сдерживается более высокой ценой водорода по сравнению с привычными топливами, а также отсутствием необходимой инфраструктуры.

Анкетирование

  1. Вопрос: «Вы знаете, что такое двигатель внутреннего сгорания?»

Количество опрошенных: 30 человек

Ответы: Да — 21 человек

Нет — 9 человек

  1. Вопрос: «Как Вы считаете, где чаще используются двигатели внутреннего сгорания?»

Количество опрошенных:30 человек

Ответы:

  • В легковых автомобилях:8 человек

  • В самолетах: 5 человек

  • В поездах: 1 человек

  • В морских судах: 5 человек

  • В грузовых автомобилях: 7 человек

  • В тракторах:4 человека

Практическое применение ДВС

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, строительные краны. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.  

Применение двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе, однако, ограничивается транспортными и судовыми установками вследствие меньших ресурсов жидкого топлива сравнительно с каменным углем. Двигатели внутреннего сгорания на стационарных установках применяются также в районах, где жидкое и газообразное топливо используется в качестве основного.

Эффективность применения двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяется их долговечностью и надежностью в эксплуатации. Одним из важных факторов при этом является износостойкость, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки. Для обеспечения надежной работы современных двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет предотвращение образования в них лаков, нагаров, низкотемпературных осадков, коррозии поверхностей некоторых деталей, а также очистка масла в двигателях ( фильтрация, центрифугирование) от образующихся в нем механических примесей. Все перечисленные вопросы отражены в книге.

Повышение экономичности применения двигателей внутреннего сгорания, снижение трудоемкости технического ухода за ними имеет важное народнохозяйственное значение. Большую роль при этом играет установление обоснованных сроков замены масла. Малые сроки замены масла приводят к значительному его перерасходу; особенно это заметно в связи с тем, что ряд удачных конструктивных и технологических решений способствовал снижению проникновения масла в камеры сгорания и его расхода на угар в современных двигателях.

В настоящее время применение двигателей внутреннего сгорания на промыслах весьма ограничено, а с расширением применения двигателей внутреннего сгорания потребность в бензине непрерывно увеличилась.

Исключительное разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания обусловливает соответственно и многообразие конструктивных форм этих двигателей, а также значительные трудности их классификации.

В виду чрезвычайного разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать единые нормы испытаний для всех двигателей внутреннего сгорания.

Вместе с тем по условиям работы двигатели внутреннего сгорания могут быть разделены на три основные группы:

1) двигатели, работающие при постоянном числе оборотов под воздействием скоростного регулятора, — стационарные и с ручной регулировкой – судовые

2) двигатели, работающие при переменных числах оборотов, обычно быстроходные

3) двигатели, работающие при постоянном высоком числе оборотов.

Заключение

В итоге проделанной работы цели и задачи, поставленные в начале, достигнуты. Я выяснил, что такое ДВС. ДВС — поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.

Также изучил историю создания ДВС. Первый ДВС был изобретен Ленуаром в 1860 г. Через 7 лет немецкий инженер Отто создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. В 1885 г. в России капитан Балтийского флота Костович создал двигатель для воздухоплавания. В конце 19 века немецким инженером Дизелем был создан двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора. В настоящее время дизели применяются на разных транспортных машинах.

После узнал строение ДВС. Главным элементом является поршень. Внутри поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, тот шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. В надпоршневом пространстве расположены впускной и выпускной клапаны, а также свеча зажигания.

Двигатели внутреннего сгорания бывают двух- и четырехтактные. На современных автомобилях чаще ставят четырехтактные.

1 такт – впуск смеси бензина с воздухом

2 такт – сжатие горючей смеси

3 такт – рабочий ход (расширение газа)

4 такт – выпуск отработанных газов

ДВС оказывает на окружающую среду отрицательное влияние. Углеводороды, которые должны разделяться на воду и углекислый газ, полностью не сгорают и выбрасываются в атмосферу вместе с оксидом азота, диоксидом серы и других металлов.

Чтобы предотвратить экологические проблемы люди стали искать альтернативные виды двигателей, таких как:

  • Электродвигатель

  • Гибридный двигатель

  • Водородный ДВС

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания ставят на легковые и грузовые автомобили, самолеты, теплоходы, тракторы, тепловозы, строительные краны, а также на речные и морские суда.

Выводы:

  • Если бы не было двигателя внутреннего сгорания то, возможно, некоторые отрасли человеческой деятельности также не существовали бы.

  • Хоть двигатель внутреннего сгорания полезен для людей, но для экологии он приносит вред.

  • Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд недостатков, следовательно, их скоро заменят на более современные типы двигателей.

Токио, центр установки контрактных ДВС и КПП Красноярск

Нашёл что искал спасибо .

Недельку назад обратился я по поводу покупки Акпп в «100 Моторов» с их установкой. Приобрел они меня направили в автосервис «Токио» там составили заказ наряд на установку Акпп сказали будет готова в течении дня-полтора, оставляй машину, мы тебе позвоним. Позвонили на третий день, приезжайте забирайте все сделано. Приехал, все готово, но Акпп не та что приобретал в «100 Моторов», они что сделали, сняли мою Акпп и перебрали с какой-то, с моей поставили купол, планетарную шестерню, датчик скорости, гребенку, и бублик. Сказали что не подошла. Спорить не стал нужна была срочно машина. Вот я и думаю где меня надули. А Акпп уже издает не хорошие звуки.

Ответ компании на отзыв:

Здравствуйте . В отзыве вы не указали номер заказ наряда и поэтому у нас нет возможности с вами связаться и решить все вопросы которые у вас есть по поводу замены акпп . Просьба связаться с нами по телефону 27-27-448 и разобраться в данном случае.

Неделю назад стала хрустеть при трогании с места акпп на моей Мазде. Заезжал в несколько разных сервисов и все говорили замена коробки, откатал неделю и она вообще встала. Поискал в инете и их цена меня устроила . Приехал на замену и мне приёмщик предложил сначала посмотреть на подъёмнике что хрустит, оказалось это привод в подвесном разбит. Заменили подвесное и все заработало. Хруста нет и акпп в порядке, не тянет, не питается, едет хорошо. Цена вопроса 4500, а я уже на замену рассчитывал. Экономия семейного бюджета и респект сервису который имеет правильный подход к своей работе.

Отвратительная контора, поменяли у них мотор, через день заметили что бежит масло с грма. В добавок машина тупит!

Ответ компании на отзыв:

Здравствуйте. Если вы меняли мотор с заменой всех сальников, то все работы по устранению течи будут бесплатные. После вашего повторного обращения течь масла была из под прокладки балансировочного вала и ее устранили вам бесплатно. Вы должны понимать что покупаете не новый, а бывший в употреблении агрегат и менять все резиновые прокладки на нем выйдет по цене дороже самого агрегата и поэтому мы предлагаем поменять только самое необходимое, вам в данном случае помогла гарантия по которой вам сделали все бесплатно. Извините если вам были причинены неудобства. У нас честная гарантия и мы стараемся выполнять свои обещания по договору.

Менял мотор, раньше обслуживание было лучше, теперь все намного хуже стало, не рекомендую сюда обращаться, а если обращаетесь, проследите чтобы все болты и крепления были надежно завернуты и прикручены. И все работы которые оговорены были выполнены. Не рекомендую.

Нормально делают, мотор поменял, прошел два ТО, все в норме. Езжу масло к ним меняю, со скидкой как постоянному клиенту выходит 2000 за все.

Ответ компании на отзыв:

Здравствуйте Артем! Спасибо за ваш отзыв, всегда рады помочь!

Обратился в данный сервис для установки АКПП, так как коробку заказывали у их партнера. При установке АКПП выяснилось, что крышка пробита, ответственность за это не взяли на себя ни эта компания, ни партнёр (Торренс), лишь предложили купить у них АКПП намного дороже, либо менять крышку со своей коробки, но тоже за деньги. Деваться было некуда, коробка была снята, решили поменять крышку. По мимо этого пытались навязать лишние услуги по замене подушки, катализатора и т.д., при том что они были в рабочем состоянии. Когда пришел забирать машину, при осмотре автомобиля нашел следующие косяки: не подключена фишка катализатора, порван трос переключения, на что мне было сказано, что с этим тросом можно так ездить, выехал-машина не едет, вернулся, оказалось не подключена фишка АКПП, закусил трос переключения, увидел что не стоят хомуты на шлангах охлаждения АКПП. Все замечания устранили, за замену троса взяли ещё денег. Когда приехал домой, обнаружил, что гайки на стойках были просто наживлены, это могло привести к ДТП с тяжёлыми последствиями. Было обнаружено ещё несколько мелких недочётов. В данную компанию обращаться не советую.

Ответ компании на отзыв:

Здравствуйте Вячеслав! При покупке акпп в сторонней компании, Вы сами смотрите ее состояние, мы не могли знать что там имеется дефект. При обнаружении были предложены варианты решения данной проблемы, Вы выбрали замену крышки, это дополнительная работа, а любая работа должна оплачиваться. Возможно, цена акпп и была ниже, чем стоимость акпп в нашей компании, из-за этого брака. Услуги по удалению катализатора и подушек Вам никто не навязывал, это выявленные неисправности в процессе работы. Мы лишь диагностируем неисправности и предлагаем способы решения, Вам выбирать делать это или нет. Рабочее состояние это обширный термин, кто-то на рваных подушках ездит, кто-то при появлении трещин меняет. Про трос Вам так-же написали в рекомендациях, у нас нет таких запчастей, поэтому не предлагали его заменить. При замене АКПП стойки автомобиля не трогаются, мы никак не могли их открутить, обратитесь в сервис где Вы обслуживались по подвеске. По поводу мелких недочетов, Вам дается гарантия, в период которой все работы касаемо заменяемого агрегата проводятся бесплатно. Для этого и существуют два технических осмотра при пробеге 1000 км. и 5000 км. Спасибо за оставленный Вами отзыв, мы постоянно совершенствуем качество обслуживания, опираясь, в том числе на отзывы.

Оторвало шатун на моем Лексусе RX300. Стал искать контрактный двигатель. Позвонил в компанию. По телефону менеджеры говорят о наличии контрактного двигателя, причем (как будто) таких движков у них три. Приезжаю на Вавилова. По ошибке зашел на склад. Спрашиваю — где посмотреть? Ответ прост: «У нас таких нет. Обратитесь к менеджеру». Девочки-менеджеры, отвечавшие мне на телефон, сидят, потупив глазки. Вызывают главного менеджера. Тот говорит, что у них нет таких двигателей. Выясняем, что я звонил именно им. Менеджер убегает к себе в закуток и через пять минут говорит, что двигатели есть, но на вынос они их не продают. Только с установкой в их сервисе. То есть посмотреть на движок нельзя, а установить его можно; сначала двигателей не было, а потом появились.

Ответ компании на отзыв:

Уважаемый Евгений, за несколько дней до вашего приезда вы звонили нам и разговаривали по телефону где я вам объяснил , что данный двигатель продается только с установкой на нашем сервисе так как переднее крепление двигателя отличается и установить на вашу машину его нельзя без переделки данного крепежа и перестановки навесного оборудования, а так как по закону прав потребителя если купленная деталь была установлена на автомобиль другой марки и конфигурации то гарантия на него не распространяется и поэтому чтобы в дальнейшем не было взаимных претензий наши менеджеры отказали вам в продаже на вынос. Все разговоры по телефону в нашей компании записываются и прослушав ваш звонок мы еще раз убедились что вам было сказано что данный товар продается только с установкой на нашем сервисе. При установке данного двигателя на нашем сервисе вы бы получили гарантию на него 6 месяцев и все переделки входили бы в стоимость установки данного агрегата. Будьте в следующий раз более внимательнее при разговоре с менеджерами по телефону. Спасибо за понимание.

Общее устройство поршневых двигателей внутреннего сгорания

Картер представляет собой замкнутый объем в нижней части двигателя. В полости картера вращается коленчатый вал с кривошипами. Над картером расположен цилиндр. Внутри цилиндра возвратно-поступательно перемещается поршень. Шарнирная связь поршня с кривошипом осуществляется через промежуточное звено — шатун. Свежий заряд топлива и воздуха (или чистого воздуха) поступает через впускной канал и расположенный в нем впускной клапан в камеру сгорания, где перед воспламенением подвергается сжатию.

Действительный двигатель в отличие от его принципиальной схемы имеет более сложное устройство. Он состоит из ряда механизмов и систем, имеющих специальное назначение, но работающих согласованно.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал в процессе работы воспринимает и суммирует механическую энергию всех поршней двигателя.

Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск свежего заряда путем открытия впускного клапана, надежное разобщение полости цилиндра и камеры сгорания от атмосферы при сжатии и расширении за счет плотного перекрытия клапанами впускного и выпускного каналов, а также очистку цилиндра от продуктов сгорания путем открытия выпускного клапана. С механизмом газораспределения связан декомпрессионный механизм, который путем постоянного сообщения полости цилиндра с атмосферой облегчает проворачивание коленчатого вала, исключая сжатие, а также обеспечивает продувку цилиндров.

Система питания служит для приготовления топливо-воздушной смеси такого состава, который бы обеспечивал экономичную и устойчивую работу двигателя на различных режимах. Автоматическое регулирование подачи топлива или топливовоздушной смеси в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя осуществляется системой регулирования (регулятором), непосредственно связанной с системой питания.

Система зажигания обеспечивает своевременное воспламенение сжатого в цилиндре заряда, она присуща только карбюраторному двигателю.

Система охлаждения поддерживает оптимальный тепловой режим работы двигателя.

Система смазки уменьшает трение между деталями двигателя путем подвода смазки на трущиеся поверхности, а также обеспечивает частичный отвод теплоты от тех деталей двигателя, которые не могут охлаждаться системой охлаждения.

Система пуска предназначена для надежного и достаточно быстрого запуска двигателя в различных метеорологических и эксплуатационных условиях.

Рассмотрим устройство поршневых ДВС на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения и систем: охлаждения, питания, смазки, зажигания и пуска.

Основная часть кривошипно-шатунного механизма — цилиндр, вдоль оси которого перемещается поршень с кольцами. С помощью поршневого пальца поршень соединен с верхней головкой шатуна. Нижняя головка шатуна установлена на коленчатом валу. Сверху цилиндр закрыт головкой, а снизу к нему примыкают картер и поддон. На заднем конце коленчатого вала установлен маховик, а на переднем — шестерня. От нее через шестерню приводится в действие механизм газораспределения, основным элементом которого является распределительный вал с кулачками, управляющими работой впускного и выпускного клапанов. Система питания двигателя включает в себя карбюратор в котором приготовляется смесь топлива с воздухвм. Карбюратор установлен на впускном трубопроводе, соединенным с отверстием клапана. Выпускной трубопровод соединен с отверстием клапана.

Одна из основных частей системы охлаждения — водяной насос. Он направляет охлаждающую жидкость в полость (водяную рубашку), окружающую наиболее нагретые части двигателя. Система смазки работает от насоса, который приводится в действие от шестерни. Масло из поддона подается к трущимся поверхностям через трубопровод. Для обеспечения принудительного воспламенения смеси топлива с воздухом в цилиндре двигателя служит система зажигания. Воспламенение происходит от электрической искры, возникающей между электродами свечи. Система пуска двигателя на рис. 2 не показана.

Принципиальное устройство дизеля во многом аналогично устройству рассмотренного карбюраторного двигателя. Отличием являются отсутствие системы зажигания и измененная система питания двигателя.

Рис. 2. Одноцилиндровый карбюраторный двигатель

Принцип работы двс анимация. Строение двигателей

Многие автолюбители и другие люди, далёкие от знаний и понятия того как устроен двигатель автомобиля хотят наглядно увидеть работу мотора и рассмотреть все процессы происходящие внутри. Если вы не студент соответствующих учебных заведений, где в специальных классах и аудиториях размещают макеты двигателей в разрезе и другие учебные материалы, то понять как все же устроен двигатель достаточно сложно. Сухое описание в книжках о том сколько тактов проходит в момент работы двигателя и какой там точки достигает поршень в определенный момент расчитано на людей которые как минимум могут это представить и не настолько далеки от этой темы. Редкие черно-белые картинки в подобной литературе так же не способны пролить свет на этот вопрос. Поэтому представляю вашему вниманию современные гиф анимации на тему работы двигателя изнутри. Визуализация всех процессов поможет вам более глубоко понимать принцип устройства и работы двигателя в вашем автомобиле.

На данной анимации представлен рядный цетырех тактный двигатель с двумя впускными и двумя выпускными клапанами на каждом цилиндре. Первый такт — впуск, в цилиндр поступает горючая смесь приготовленная в карбюраторе и засасываемая в цилиндр по впускному коллектору, когда открываются впускные клапаны. Данная анимация показывает впрыск инжектором, поэтому смесь образуется уже непосредственно в цилиндре. Открываются клапаны, заходит поток воздуха и одновременно впрыскивается топливо. Второй такт — сжатие. В этот момент впускные клапаны закрываются и поршень поднимается вверх по цилиндру сжимая смесь топлива и воздуха в объеме. Третий такт — рабочий ход поршня вниз по цилиндру, вследствии того, что происходит воспламенение горючей смеси после того как свеча зажигания дает искру. От энергии воспламенения, что по сути является маленьким взрывом, поршень отталкивает вниз. Эта волна и заставляет шатуны вращать коленвал и соответственно приводить в движение маховик и передавать вращение на колеса автомобиля. Так работает двигатель. В четвертом такте поршень возвращается вверх по цилиндру, открываются выпускные клапаны и отработанные газы через выпускной коллектор и систему выхлопных газов (глушитель, выхлопную трубу) попадают в атмосферу. Далее такты повторяются и так до тех пор пока не закончится топливо или двигатель не остановят выключением зажигания.

На этой анимации можно видеть как приводятся в движение валы газораспределительного механизма и какое положение занимают поршни в цилиндрах по отношению друг друга во время работы двигателя. Цветами схематически обозначены такты, в соответствии с теми что были присвоены им на первой анимации выше.

Здесь можно видеть как работает трамблер (разносчик искры по цилиндрам, распределитель зажигания) и наблюдать порядок выдачи искры по цилиндрам. В нужный момент бегунок, находяшийся на валу распределителя зажигания передает напряжение к нужному участку крышки трамблера и по высоковольтному кабелю — к нужному цилиндру. Высоковольтный кабель одетый на свечу зажигания, заставляет её работать выдавая искру внутрь цилиндра. Она уже зажигает смесь.

На данной анимации показано как поток воздуха захватывается черех воздухозаборник, проходит через воздушный фильтр и образуя смесь с топливом попадает в цилиндры. Здесь же ниже показана система смазки двигателя, которая обеспечивает работу всех вращаемых узлов двигателя. Маслозаборник расположен в нижней части углубления поддона и при помощи насоса масло поступает вверх по масляным каналам и попадает в необходимые места.

Показана работа инжектора и контроллера определяющего впрыск в необходимый момент.

(англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде:)

А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.

Под четырьма тактами подразумеваются: впуск , сжатие , рабочий ход , и выпуск . Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki

Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема). Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.

Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.

В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda , но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах .

  • Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
  • низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
  • Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
  • меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35-40 % число деталей
  • Недостатки :
  • Быстрый износ
  • Склонности к перегреву
  • Сложность в производстве
  • Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.

На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же;)

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Источники:
www.animatedengines.com

  • Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
  • Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
  • The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
  • Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
  • Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
  • Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
  • Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
  • Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
  • Toyota Web site Prius specifications
  • Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
  • Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
  • Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
  • An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
  • An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.

Несмотря на то, чтоДВСотносятся к относительно несовершенному типутепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимостьохлаждения исмазки , высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т. д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрическиеаккумуляторы ),ДВСочень широко распространены, — например, на транспорте
ДВС 16-ти клапанный 4-х цилиндровый

Типы ДВС Поршневой ДВС

Роторный ДВС

Газотурбинный ДВС

Циклы работы поршневых ДВС

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле надвухтактныеичетырёхтактные.

Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. В двигателе рабочий цикл может быть осуществлен по следующей широко применяемой схеме:

1. В процессе впуска поршень перемещается отверхней мертвой точки (в.м.т.) книжней мертвой точке (н.м.т.) , а освобождающееся надпоршневое пространство цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом. Из-за разности давлений во впускном коллекторе и внутри цилиндра двигателя при открытии впускного клапана смесь поступает (всасывается) в цилиндр в момент времени, называемый углом открытия впускного клапана φ а.

Воздушно-топливная смесь и продукты сгорания (всегда остающиеся в объёме пространства сжатия от предыдущего цикла), смешиваясь между собой, образуют рабочую смесь. Тщательно приготовленная рабочая смесь повышает эффективность сгорания топлива, поэтому её подготовке уделяется большое внимание во всех типах поршневых двигателей.

Количество воздушно-топливной смеси, поступающее в цилиндр за один рабочий цикл, называется свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся в цилиндре к моменту поступления в него свежего заряда — остаточными газами.

Чтобы повысить эффективность работы двигателя, стремятся увеличить абсолютную величину свежего заряда и его весовую долю в рабочей смеси.

2. В процессе сжатия оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от н.м.т. к в.м.т. и уменьшая объём надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.

Двигатели внутреннего сгорания строятся с возможно большей степенью сжатия, которая в случаях принудительного зажигания смеси достигает значения 10—12, а при использовании принципа самовоспламенения топлива выбирается в пределах 14—22.

3. В процессе сгорания происходит окисление топлива кислородом воздуха, входящего в состав рабочей смеси, вследствие чего давление в надпоршневой полости резко возрастает.

В рассматриваемой схеме рабочая смесь в нужный момент вблизи в.м.т. поджигается от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (порядка 15 кв). Для подачи искры в цилиндр служит свеча зажигания, которая ввер­тывается в головку цилиндра.

Для двигателей с воспламенением топлива от тепла, выделяющегося от предварительно сжатого воздуха, запальная свеча не нужна. Такие двигатели снабжаются специальной форсункой, через которую в нужный момент в цилиндр впрыскивается топливо под давлением в 100 ÷ 300 кГ/см² (≈ 10—30 Мн/м²) и более.

4. В процессе расширения раскаленные газы, стремясь расшириться, перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на шатунную шейку коленчатого вала и проворачивает его.

5. В процессе выпуска поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через второй открывающийся к этому времени клапан, выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объёме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочих циклов.

Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию её в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгора­ния, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счёт энергии маховика, которую он накапливает в про­цессе рабочего хода.

В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счёт работы других (соседних) цилиндров. Поэтому эти двигатели в принципе могут работать без маховика.

Для удобства изучения рабочий цикл различных двигателей расчленяют на процессы или, наоборот, группируют процессы рабочего цикла с учетом положения поршня относительно мертвых точек в цилиндре. Это позволяет все процессы в поршневых двигателях рассматривать в зависимости от перемещения поршня, что более удобно.

Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками, называется тактом.

Такту, а следовательно, и соответствующему ходу поршня присваивается название процесса, который является основным при данном перемещении поршня между двумя его мертвыми точками (положениями).

В двигателе каждому такту (ходу поршня) соответствуют, например, вполне определённые основные для них процессы: впуск, сжатие, расширение, выпуск. Поэтому в таких двигателях различают такты: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Каждое из этих четырёх названий соответственно присваивается ходам поршня.

В любых поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл складывается из рассмотренных выше пяти процессов по ра­зобранной выше схеме за четыре хода поршня или всего за два хода поршня. В соответствии с этим поршневые двигатели подразделяют на двух- и четырёхтактные.

Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин — четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены практически на всех легковых автомобилях и грузовиках.

Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин — четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя, возможно, является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены на всех легковых автомобилях и грузовиках.

Четыре такта цикла — это впуск, компрессия, расширение и выпуск выхлопных газов. Каждому соответствует один полный ход поршня, поэтому полный цикл требует двух оборотов коленчатого вала.

Такт впуска.
Во время впуска, поршень движется от ВМТ (верхней мертвой точки) вниз к НМТ (нижней мертвой точке), засасывая свежий заряд топливо-воздушной смеси. Изображенный на рисунке двигатель имеет «тарельчатый» впускной клапан, который открывается потоком всасываемого свежего заряда. Некоторые ранние двигатели работали именно таким образом. Однако, в современных двигателях впускной клапан открывается кулачком распределительного клапана.

Такт сжатия.
После достижения НМТ поршень начинает двигаться вверх к ВМТ, давление в цилиндре возрастает, впускной клапан закрывается и происходит сжатие топливо-воздушной смеси.

Такт расширения, или рабочий ход.
Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом.

Такт выпуска.
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Анимационные рисунки показывают основной принцип работы одного цилиндра четырех-тактного двигателя.

{seyretpic id= 20 align=center}

Строение двигателя автомобиля — как работает и из чего состоит? Как же устроен двс Часть двигателя внутреннего сгорания.

Однако светильный газ годился не только для освещения.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару . Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневой ДВС

Роторный ДВС

Газотурбинный ДВС

  • Поршневые двигатели — камера сгорания содержится в цилиндре , где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма .

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

  1. впуска,
  2. сжатия заряда,
  3. рабочего хода и
  4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения . Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW , Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ ) до 20-30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20-30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД . В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил , увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20-30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия . Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля , в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

См. также

  • Филипп Лебон — французский инженер , получивший в 1801 году патент на двигатель внутреннего сгорания со сжатием смеси газа и воздуха.
  • Роторный двигатель: конструкции и классификация
  • Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)

Примечания

Ссылки

  • Бен Найт «Увеличиваем пробег» //Статья о технологиях, которые уменьшают расход топлива автомобильным ДВС

На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания (ДВС) или как его еще называют «атмосферник» — основной тип двигателя, который широко применяется в автомобильной индустрии. Что такое ДВС? Это — многофункциональный тепловой агрегат, который при помощи химических реакций и законов физики преобразует химическую энергию топливной смеси в механическую силу (работу).

Двигатели внутреннего сгорания делятся на:

  1. Поршневой ДВС.
  2. Роторно-поршневой ДВС.
  3. Газотурбинный ДВС.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания — самый популярный среди вышеперечисленных двигателей, он завоевал мировое признание и уже много лет лидирует в автоиндустрии. Предлагаю более детально рассмотреть устройство ДВС , а также принцип его работы.

К преимуществам поршневого двигателя внутреннего сгорания можно отнести:

  1. Универсальность (применение на различных транспортных средствах).
  2. Высокий уровень автономной работы.
  3. Компактные размеры.
  4. Приемлемая цена.
  5. Способность к быстрому запуску.
  6. Небольшой вес.
  7. Возможность работы с различными видами топлива.

Кроме «плюсов» имеет двигатель внутреннего сгорания и ряд серьезных недостатков, среди которых:

  1. Высокая частота вращения коленвала.
  2. Большой уровень шума.
  3. Слишком большой уровень токсичности в выхлопных газах.
  4. Маленький КПД (коэффициент полезного действия).
  5. Небольшой ресурс службы.

Двигатели внутреннего сгорания различаются по типу топлива, они бывают:

  1. Бензиновыми.
  2. Дизельными.
  3. А также газовыми и спиртовыми.

Последние два можно назвать альтернативными, поскольку на сегодняшний день они не получили широкого применения.

Спиртовой ДВС работающий на водороде — самый перспективный и экологичный, он не выбрасывает в атмосферу вредный для здоровья «СО2», который содержится в отработанных газах поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Поршневой ДВС состоит из следующих подсистем:

  1. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ).
  2. Система впуска.
  3. Топливная система.
  4. Система смазки.
  5. Система зажигания (в бензиновых моторах).
  6. Выпускная система.
  7. Система охлаждения.
  8. Система управления.

Корпус двигателя состоит из нескольких частей, в которые входят: блок цилиндров, а также головка блока цилиндров (ГБЦ). Задача КШМ — преобразовать возвратно-поступательные движения поршня во вращательные движения коленвала. Газораспределительный механизм необходим ДВС для обеспечения своевременного впуска в цилиндры топливно-воздушной смеси и такой же своевременный выпуск отработанных газов.

Впускная система служит для своевременной подачи воздуха в двигатель, который необходим для образования топливно-воздушной смеси. Топливная система осуществляет подачу в двигатель топлива, в тандеме две этих системы работают над образованием топливно-воздушной смеси после чего она подается посредством системы впрыска в камеру сгорания.

Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит благодаря системе зажигания (в бензиновых ДВС), в дизельных моторах воспламенение происходит за счет сжатия смеси и свечей накала.

Система смазки как уже понятно из названия служит для смазки трущихся деталей, снижая тем самым их износ, увеличивая срок их службы и отводя тем самым от их поверхностей температуру. Охлаждение нагревающихся поверхностей и деталей обеспечивает система охлаждения, она отводит температуру при помощи охлаждающей жидкости по своим каналам, которая проходя через радиатор — охлаждается и повторяет цикл. Система выпуска обеспечивает вывод отработанных газов из цилиндров ДВС посредством , которая входит в состав этой системы, снижает шум сопровождаемый выброс газов и их токсичность.

Система управления двигателем (в современных моделях за это отвечает электронный блок управления (ЭБУ) или бортовой компьютер) необходима для электронного управление всеми вышеописанными системами и обеспечения их синхронности.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Принцип работы ДВС базируется на эффекте теплового расширения газов, которое возникает во время сгорания топливно-воздушной смеси, за счет чего осуществляется движение поршня в цилиндре. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания происходит за два оборота коленвала и состоит из четырех тактов, отсюда и название — четырехтактный двигатель.

  1. Первый такт — впуск.
  2. Второй — сжатие.
  3. Третий — рабочий ход.
  4. Четвертый — выпуск.

Во время первых двух тактов — впуска и рабочего такта, движется вниз, за два других сжатие и выпуск – поршень идет вверх. Рабочий цикл каждого из цилиндров настроен таким образом чтобы не совпадать по фазам, это необходимо для того чтобы обеспечить равномерность работы двигателя внутреннего сгорания. Есть в мире и другие двигатели, рабочий цикл которых происходит всего за два такта – сжатие и рабочий ход, этот двигатель называется двухтактным.

На такте впуска топливная система и впускная образуют топливно-воздушную смесь, которая образуется во впускном коллекторе или непосредственно в камере сгорания (все зависит от типа конструкции). Во впускном коллекторе в случае с центральным и распределенным впрыском бензиновых ДВС. В камере сгорания в случае с непосредственным впрыском в бензиновых и дизельных моторах. Топливно-воздушная смесь или воздух во время открытия впускных клапанов ГРМ подается в камеру сгорания за счет разряжения, которое возникает во время движения поршня вниз.

Впускные клапаны закрываются на такте сжатия, после чего топливно-воздушная смесь в цилиндрах двигателя сжимается. Во время такта «рабочий ход» смесь воспламеняется принудительно или самовоспламеняется. После возгорания в камере возникает большое давление, которое создают газы, это давление воздействует на поршень, которому ничего не остается как начать двигаться вниз. Это движение поршня в тесном контакте с кривошипно-шатунным механизмом приводят в движение коленчатый вал, который в свою очередь образует крутящий момент, приводящий колеса автомобиля в движение.

Такт «выпуск» , после чего отработанные газы освобождают камеру сгорания, а после и выпускную систему, уходя охлажденными и частично очищенными в атмосферу.

Короткое резюме

После того как мы рассмотрели принцип работы двигателя внутреннего сгорания можно понять почему ДВС обладает низким КПД, который составляет примерно 40%. В то время как в одном цилиндре происходит полезное действие, остальные цилиндры грубо говоря бездействуют, обеспечивая работу первого тактами: впуск, сжатие, выпуск.

На этом у меня все, надеюсь вам все понятно, после прочтения данной статьи вы легко сможете ответить на вопрос, что такое ДВС и как устроен двигатель внутреннего сгорания. Спасибо за внимание!

С момента изобретения первого мотора, работающего за счет горения топливной смеси прошло уже больше ста пятидесяти лет. Человечество продвинулось в техническом прогрессе, однако заменить так и не удаётся. Этот тип силовой установки используется как привод на технике. За счет мотора работают мопеды, автомобили, трактора, и другие самоходные агрегаты.

За время эксплуатации, изобретено и применено к использованию больше десяти видов и типов моторов. Однако, принцип работы не поменялся. В сравнении с паровым агрегатом, который предшествовал установке, двигатель, преобразующий тепловую энергию сгорания в механическую работу, экономичней с большим коэффициентом полезного действия. Эти свойства, залог успеха мотора, который полтора века остаётся востребованным и пользуется популярностью.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Особенность работы

Особенность, делающая мотор не похожим на другие установки, заключается в том, что работа двигателя внутреннего сгорания сопровождается воспламенением топливной смеси непосредственно в камере. Само пространство, где происходит горение, внутри установки, это легло в основу названия классификации моторов. В процессе сложной экзотермической реакции, когда исходная рабочая смесь превращается в продукты сгорания с выделением тепла, выполняется преобразование в механическую работу. Работа за счет теплового расширения, движущая сила, без которой было бы не возможно существование установки. Принцип завязан на давлении, газов в пространстве цилиндра.

Виды моторов

В процессе технического прогресса разрабатывались и испытывались виды агрегатов, в которых горючее сжигалось во внутреннем пространстве, не все доказали свою целесообразность. Выделены распространенные типы двигателей внутреннего сгорания:

Поршневая установка.

Составная часть агрегата выполнена в виде блока с вмонтированными внутрь цилиндрическими полостями. Часть цилиндра служит для сжигания горючего. Посредством поршня, кривошипа и шатуна происходит трансформация энергии горения в энергию вращения вала. В зависимости от того, как готовится горючая смесь, агрегаты делят:

  • Карбюраторные. В таких установках, горючее готовится за счет карбюрации. Атмосферный воздух и топливо транспортируются в механизм в пропорции, после чего смешивается внутри установки. Готовая смесь подается в камеру и сжигается;
  • Инжектор. В установку рабочая смесь подаётся при помощи распылителя. Впрыск осуществляется в коллектор и контролируется электроникой. По коллектору горючее поступает в камеру, где поджигается свечой;
  • Дизель. Принцип коренным образом отличается от предыдущих оппонентов. Процесс протекает за счёт давления. В объём через распылитель впрыскивается порция топлива (солярка), температура воздуха выше температуры горения, горючее воспламеняется.

Поршневой мотор:


  • Роторно-поршневой мотор. Преобразование энергии расширения газов в механическую работу происходит за счет оборотов ротора. Ротор представляет собой деталь специального профиля, на которую давят газы, заставляя совершать вращательные движения. Траектория движения ротора по камере объёмного вытеснения сложная, образована эпитрохоидой. Ротор выполняет функции: поршня, распределителя газов, вала.

Роторно-поршневой мотор:


  • Газотурбинные моторы. Процесс выполняется за счёт преобразования тепла в работу. Непосредственное участие принимают лопатки ротора. Вращение деталей от потока газов передаётся на турбину.

Сегодня, поршневые моторы окончательно вытеснили остальные типы установок и заняли доминирующее положение в автомобильной отрасли. Процентное соотношение роторно-поршневых моторов мало, поскольку производством занимается только Mazda. К тому же выпуск установок ведётся в ограниченном количестве. Газотурбинные агрегаты так же не прижились, поскольку имели ряд недостатков для гражданского использования, основной, это повышенный расход топлива.

Классификация двигателей внутреннего сгорания так же возможна и по потребляемому горючему. Моторы используют: бензин, дизель, газ, комбинированное топливо.

Газотурбинный мотор:

Устройство

Несмотря на разнообразие установок, виды двигателей внутреннего сгорания компонуются из нескольких узлов. Совокупность компонентов размещается в корпусе агрегата. Чёткая и слаженная работа каждой составной части в отдельности, в совокупности представляет мотор единым неделимым организмом.

  • Блок мотора.Блок цилиндров объёдиняет в себе полости цилиндрической формы, внутри которых происходит воспламенение, и сгорание топливовоздушной смеси. Горения приводит к тепловому расширению газов, а цилиндры мотора служат направляющей, не дающей тепловому потоку выйти за пределы нужных рамок;

Блок цилиндров мотора:


  • Механизм кривошипов и шатунов мотора.Совокупность рычагов, посредством которых на коленчатый вал передается сила, заставляющая совершать вращательные движения;

Кривошипно-шатунный механизм мотора:


  • Распределитель газа мотора.Приводит в движение клапана впуска и выпуска, способствует процессу газообмена. Выводит отработку из полости агрегата, наполняет её нужной порцией с целью продолжить работу механизма;

Газораспределительный механизм мотора:

  • Подвод горючего в моторе.Служит для приготовления порции горючего в нужной пропорции с воздухом, передаёт эту порцию в полость посредством распыления или самотёком;

  • Система воспламенения в моторе.Механизм поджигает поступившую порцию в полости камеры. Выполняется посредством свечи зажигания или свечи накаливания.

Свеча зажигания:

  • Система вывода отработанных продуктов из мотора.Механизм предназначен для эффективного удаления сгоревших продуктов и излишков тепла.

Приёмная труба:

Запуск силовой установки внутреннего сгорания сопровождается подачей горючего в агрегат, в полости камеры объёмного вытеснения субстанция сгорает. Процесс сопровождается выделением тепла и увеличением объёма, что провоцирует перемещение поршня. Перемещаясь, деталь преобразует механическую работу в кручение коленчатого механизма.

По завершению действие повторяется снова, таким образом, не прерываясь ни на минуту. Процессы, в течении которых совершается работа установки:

  • Такт.Перемещение поршня из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение и в обратном порядке. Такт считается одним перемещением в одну сторону.
  • Цикл.Суммарное количество тактов, необходимое при совершении работы. Конструктивно, агрегаты в состоянии выполнять цикл за 2 (один оборот вала) или 4 (два оборота) такта.
  • Рабочий процесс.Действие, подразумевающее: впуск смеси, сдавливание, окисление, рабочий ход, удаление. Рабочий процесс характерен как для двухтактных моторов, так и для четырёхтактных двигателей.

Двухтактный мотор

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве рабочего процесса два такта прост. Отличительная особенность мотора, выполнение двух тактов: сдавливание и рабочий ход. Такты впуска и очистки интегрированы в сдавливание и рабочий ход, поэтому вал проворачивается на 360° за рабочий процесс.

Выполняемый порядок таков:

  1. Сдавливание.Поршень из крайнего нижнего положения уходит в крайнее верхнее положение. Перемещение создает разряжение под поршнем, благодаря чему через продувочные отверстия просачивается горючее. Дальнейшее перемещение провоцирует перекрытие отверстия впуска юбкой поршня и отверстий выпуска, выводящих отработку. Замкнутое пространство способствует росту напряжения. В крайней верхней точке заряд поджигается.
  2. Расширение.Горение создает давление внутри камеры, заставляя посредством расширения газов перемещаться поршень в низ. Происходит поочередное открытие выпускных и продувочных окон. Напряжение в области днища провоцирует поступление горючего в цилиндрическую полость, одновременно очищая её от отработки.

Устройство агрегата на два такта исключает механизм распределяющий газы, что сказывается на качестве процесса обмена. Кроме того, невозможно исключить продувку, а это сильно увеличивает расход топлива, поскольку часть смеси выбрасывается наружу с отработанными газами.

Принцип работы двухтактного мотора:


Четырёхтактный мотор

Моторами, которые выполняют 4 такта работы двигателя внутреннего сгорания за рабочий процесс, оснащена используемая сегодня техника. В этих моторах, ввод и вывод горючего и отработки, выполняются отдельными тактами. Двигатели используют механизм распределения газов, что синхронизирует клапана и вал. Преимущество мотора на четыре такта, подача горючего в очищенную от отработанных газов камеру при закрытых клапанах, что исключает утечку топлива.

Порядок таков:

  • Ввод.Перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее. Происходит разряжение в полости, что открывает клапана впуска. Горючее заходит в камеру объёмного вытеснения.
  • Сдавливание.Перемещение поршня снизу вверх (крайние положения). Отверстия входа и выхода перекрыты, что способствует нарастанию давления в камере объёмного вытеснения.
  • Рабочий ход.Смесь загорается, выделяется тепло, резкое увеличение объёма и рост силы, давящей на поршень. Движение последнего в крайнее нижнее положение.
  • Очистка.Отверстия выпуска открыты, поршень перемещается снизу вверх. Избавление от отработки, очистка полости перед следующей порцией рабочей смеси.

Механический КПД двигателя внутреннего сгорания, с циклом на 4 такта ниже, в сравнении с агрегатом на 2 такта. Это обусловлено сложным устройством и наличием механизма распределения газов, который забирает часть энергии на себя.

Принцип работы четырёхтактного мотора:


Механизм искрообразования

Цель механизма, своевременное искрение в полости цилиндра мотора. Искра помогает воспламениться горючему и совершить агрегату рабочий ход. Механизм искрообразования, составная часть электрического оборудования автомобиля, куда входят:

  • Источник хранения электрической энергии, аккумулятор. Источник, вырабатывающий электрическую энергию, генератор.
  • Механическое или электрическое устройство, подающее электрическое напряжение в сеть автомобиля, его еще называют зажигание.
  • Накопитель и преобразователь электрической энергии, трансформатор, или катушка. Механизм обеспечивает достаточный заряд на свечах мотора.
  • Механизм распределения зажигания, или трамблёр. Устройство предназначено для распределения и своевременной подачи в нужный цилиндр электрического импульса на свечи зажигания.


Механизм впуска

Цель механизма, бесперебойное образование в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания автомобиля, нужного количества воздуха. Впоследствии, воздух смешивается с топливом, и всё это воспламеняется для рабочего процесса. Устаревшие, карбюраторные моторы для впуска использовали элемент для фильтрации воздуха и воздуховод. Современные установки укомплектованы:

  • Механизм забора воздуха мотором.Деталь выполнена в виде патрубка, определённого профиля. Задача конструкции, подать в цилиндр как можно больше воздуха создав при этом меньшее сопротивление на входе. Всасывание воздушной массы происходит за счет разницы давлений при движении поршня в положение нижней мёртвой точки.
  • Воздушный фильтрующий элемент мотора.Деталь применяется для очистки воздуха, попадающего в мотор. Работа элемента влияет на ресурс и работоспособность силовой установки. Фильтр относится к расходным материалам, и меняется через промежуток времени.
  • Заслонка дросселя мотора.Перепускной механизм, находящийся во впускном коллекторе и регулирующий количество подаваемого в мотор воздуха. Деталь работает за счёт электроники, или механическим путём.
  • Коллектор впуска мотора.Предназначение механизма, распределить количество воздуха равномерно по цилиндрам мотора. Процесс регулируется заслонками впуска и усилителями потока.

Система впуска:


Механизм питания

Назначение, бесперебойная подача горючего для последующего смешивания с воздухом и приготовлением гомогенной стехиометрической смеси. Механизм питания включает:

  • Бак мотора.Ёмкость замкнутого типа, в которой хранится топливо (бензин, солярка). Бак оборудован устройством забора горючего (помпа) и устройством, заправляющим ёмкость (заливная горловина).
  • Топливная проводка мотора.Патрубки, шланги, по которым транспортируется или перенаправляется топливо.
  • Механизм, смешивающий горючее в моторе.Изначально силовые установки оборудовались карбюратором, в современных двигателях применяют инжектор. Задача, подать приготовленную смесь внутрь камеры сгорания.
  • Блок управления.Назначение механизма, управлять смесеобразованием и впрыском. В установках, оборудованных инжектором, устройство синхронизирует работу для увеличения эффективности процесса.
  • Помпа мотора.Устройство, создающее напряжение в топливном проводе мотора и способствующее движению горючей жидкости.
  • Элемент фильтрации.Механизм очищает поступающее топливо от примесей и грязи, что увеличивает ресурс силовой установки.

Механизм питания:


Механизм смазки

Назначение механизма, обеспечить детали силовой установки необходимым количеством масла для создания на поверхностях защитной плёнки. Применение жидкости уменьшает воздействие силы трения в точках соприкосновения деталей, удаляет продукты износа, защищает агрегат от коррозии, уплотняет узлы и механизмы. состоит:

  • Поддон мотора.Ёмкость, в которой помещается, хранится и охлаждается смазочная жидкость. Для нормального функционирования мотора важно соблюдать требуемый уровень масла, поэтому поддоны укомплектованы щупом, для контроля.
  • Масляная помпа мотора.Механизм, перекачивающий жидкость из поддона двигателя и направляющий масло к точкам, нуждающимся в смазке. Движение масла происходит по магистралям.
  • Масляный фильтрующий элемент.Назначение детали, очистить масло от примесей и продуктов износа, которые циркулируют в моторе. Элемент меняют при каждой замене масла, поскольку работа влияет на износ механизма.
  • Охладитель масла мотора.Назначение механизма, отбор излишков тепла, из системы смазки. Поскольку масло, отводит тепло от перегретых поверхностей, то само масло так же подвержено перегреву. Характерная особенность механизма смазки, обязательное использование, не зависимо, от того, какова модель двигателя внутреннего сгорания применяется. Происходит это по той причине, что на сегодня эффективней этого метода защиты мотора нет.

Система смазки:

Механизм выпуска

Механизм предназначен для отвода отработанных газов и уменьшения шума в процессе работы двигателя. Состоит из следующих компонентов:

  • Коллектор выпуска мотора.Набор патрубков, выполненных из жаропрочного материала, поскольку они первыми соприкасаются с раскалёнными газами, выходящими из камеры сгорания. Коллектор гасит колебания и переправляет газы далее в трубу;
  • Труба мотора.Приёмная труба предназначена для получения газов и транспортировки далее по системе. Материал, из которого выполнена деталь, обладает высокой стойкостью к температурам.
  • Резонатор.Устройство, позволяющее разделить газы и снизить их скорость.
  • Катализатор.Устройство очистки и нейтрализации газов.
  • Глушитель мотора.Резервуар с вмонтированными перегородками, благодаря перенаправлению отработанных газов, позволяет снизить шум.

Система выпуска мотора:


Механизм охлаждения

На маломощных двигателях внутреннего сгорания применяется охлаждение мотора встречным потоком. Современные агрегаты, автомобильные, судовые, грузовые используют жидкостное охлаждение. Задача жидкости, забрать на себя часть избыточного тепла и снизить тепловую нагрузку на узлы и механизмы агрегата. Механизм охлаждения включает:

  • Радиатор мотора.Задача устройства передать избыточное тепло от жидкости окружающей среде. Деталь включает в себя набор алюминиевых трубок с отводящими ребрами;
  • Вентилятор мотора.Задача вентилятора, увеличить эффект от охлаждения за счёт принудительного обдува радиатора и отвода с его поверхности излишков тепла.
  • Помпа мотора.Задача водяной помпы обеспечить циркуляцию охлаждающей жидкости по системе. Циркуляция проходит по малому кругу (пока двигатель не разогрет), после чего, клапан переключает движение жидкости на большой круг.
  • Перепускной клапан мотора.Задача механизма, обеспечить переключение циркуляции жидкости с малого круга обращения на большой круг.

Система охлаждения мотора:


Несмотря на многочисленные попытки уйти от двигателя внутреннего сгорания, в ближайшем обозрим будущем, такой возможности не предвидится. Поэтому силовые установки данного типа еще долго будут радовать нас своей слаженной работой.

– универсальный силовой агрегат, используемый практически во всех видах современного транспорта. Три луча заключенные в окружность, слова «На земле, на воде и в небе» — товарный знак и девиз компании Мерседес Бенц, одного из ведущих производителей дизельных и бензиновых двигателей. Устройство двигателя, история его создания, основные виды и перспективы развития – вот краткое содержание данного материала.

Немного истории

Принцип превращения возвратно-поступательного движения во вращательное, посредством использования кривошипно-шатунного механизма известен с 1769 года, когда француз Николя Жозеф Кюньо показал миру первый паровой автомобиль. В качестве рабочего тела двигатель использовал водяной пар, был маломощным и извергал клубы черного, дурнопахнущего дыма. Подобные агрегаты использовались в качестве силовых установок на заводах, фабриках, пароходах и поездах, компактные же модели существовали в виде технического курьеза.

Все изменилось в тот момент, когда в поисках новых источников энергии человечество обратило свой взор на органическую жидкость — нефть. В стhемлении повысить энергетические характеристики данного продукта, ученные и исследователи, проводили опыты по перегонке и дистилляции, и, наконец, получили неизвестное доселе вещество – бензин. Эта прозрачная жидкость с желтоватым оттенком сгорала без образования копоти и сажи, выделяя намного большее, чем сырая нефть, количество тепловой энергии.

Примерно в то же время Этьен Ленуар сконструировал первый газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший по двухтактной схеме, и запатентовал его в 1880 году.

В 1885 году немецкий инженер Готтлиб Даймлер, в сотрудничестве с предпринимателем Вильгельмом Майбахом, разработал компактный бензиновый двигатель, уже через год нашедший свое применение в первых моделях автомобилей. Рудольф Дизель, работая в направлении повышения эффективности ДВС (двигателя внутреннего сгорания), в 1897 году предложил принципиально новую схему воспламенения топлива. Воспламенение в двигателе, названном в честь великого конструктора и изобретателя, происходит за счет нагревания рабочего тела при сжатии.

А в 1903 году братья Райт подняли в воздух свой первый самолет, оснащенный бензиновым двигателем Райт-Тейлор, с примитивной инжекторной схемой подачи топлива.

Как это работает

Общее устройство двигателя и основные принципы его работы станут понятны при изучении одноцилиндровой двухтактной модели.

Такой ДВС состоит из:

  • камеры сгорания;
  • поршня, соединенного с коленвалом посредством кривошипно-шатунного механизма;
  • системы подачи и воспламенения топливно-воздушной смеси ;
  • клапана для удаления продуктов горения (выхлопных газов).

При пуске двигателя поршень начинает путь от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ), за счет поворота коленвала. Достигнув нижней точки, он меняет направление движения к ВМТ, одновременно с чем проводится подача топливно-воздушной смеси в камеру сгорания. Движущийся поршень сжимает ТВС, при достижении верхней мертвой точки система электронного зажигания воспламеняет смесь. Стремительно расширяясь, горящие пары бензина отбрасывают поршень в нижнюю мертвую точку. Пройдя определенную часть пути, он открывает выхлопной клапан, через который раскаленные газы покидают камеру сгорания. Пройдя нижнюю точку, поршень меняет направление движения к ВМТ. За это время коленвал совершил один оборот.

Данные пояснения станут более понятными при просмотре видео о работе двигателя внутреннего сгорания.

Данный видеоролик наглядно показывает устройство и работу двигателя автомобиля.

Два такта

Основным недостатком двухтактной схемы, в которой роль газораспределительного элемента играет поршень, является потеря рабочего вещества в момент удаления выхлопных газов. А система принудительной продувки и повышенные требования к термостойкости выхлопного клапана приводят к увеличению цены двигателя. В противном случае добиться высокой мощности и долговечности силового агрегата не представляется возможным. Основная сфера применения подобных двигателей – мопеды и недорогие мотоциклы, лодочные моторы и бензокосилки.

Четыре такта

Описанных недостатков лишены четырехтактные ДВС, используемые в более «серьезной» технике. Каждая фаза работы такого двигателя (впуск смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов), осуществляется при помощи газораспределительного механизма .

Разделение фаз работы ДВС очень условно. Инерционность отработавших газов, возникновение локальных вихрей и обратных потоков в зоне выхлопного клапана приводит к взаимному перекрыванию во времени процессов впрыска топливной смеси и удаления продуктов горения. Как результат, рабочее тело в камере сгорания загрязняется отработанными газами, вследствие чего меняются параметры горения ТВС, уменьшается теплоотдача, падает мощность.

Проблема была успешно решена путем механической синхронизации работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. Проще говоря, впрыск топливно-воздушной смеси в камеру сгорания произойдет только после полного удаления отработанных газов и закрытия выхлопного клапана.

Но данная система управления газораспределением так же имеет свои недостатки. Оптимальный режим работы двигателя (минимальный расход топлива и максимальная мощность), может быть достигнут в достаточно узком диапазоне оборотов коленвала.

Развитие вычислительной техники и внедрение электронных блоков управления дало возможность успешно разрешить и эту задачу. Система электромагнитного управления работой клапанов ДВС позволяет на лету, в зависимости от режима работы, выбирать оптимальный режим газораспределения. Анимированные схемы и специализированные видео облегчат понимание этого процесса.

На основании видео не сложно сделать вывод, что современный автомобиль это огромное количество всевозможных датчиков.

Виды ДВС

Общее устройство двигателя остается неизменным достаточно долгое время. Основные различия касаются видов используемого топлива, систем приготовления топливно-воздушной смеси и схем ее воспламенения.
Рассмотрим три основных типа:

  1. бензиновые карбюраторные;
  2. бензиновые инжекторные;
  3. дизельные.

Бензиновые карбюраторные ДВС

Приготовление гомогенной (однородной по своему составу), топливно-воздушной смеси происходит путем распыления жидкого топлива в воздушном потоке, интенсивность которого регулируется степенью поворота дроссельной заслонки. Все операции по приготовлению смеси проводятся за пределами камеры сгорания двигателя. Преимуществами карбюраторного двигателя является возможность регулировки состава топливной смеси «на коленке», простота обслуживания и ремонта, относительная дешевизна конструкции. Основной недостаток – повышенный расход топлива.

Историческая справка. Первый двигатель данного типа сконструировал и запатентовал в 1888 году российский изобретатель Огнеслав Костович. Оппозитная система горизонтально расположенных и двигающихся навстречу друг другу поршней, до сих пор успешно используется при создании двигателей внутреннего сгорания. Самым известным автомобилем, в котором использовался ДВС данной конструкции, является Фольксваген Жук.

Бензиновые инжекторные ДВС

Приготовление ТВС осуществляется в камере сгорания двигателя, путем распыления топлива инжекторными форсунками. Управление впрыском осуществляется электронным блоком или бортовым компьютером автомобиля. Мгновенная реакция управляющей системы на изменение режима работы двигателя обеспечивает стабильность работы и оптимальный расход топлива. Недостатком считается сложность конструкции, профилактика и наладка возможны только на специализированных станциях технического обслуживания.

Дизельные ДВС

Приготовление топливно-воздушной смеси происходит непосредственно в камере сгорания двигателя. По окончании цикла сжатия воздуха, находящегося в цилиндре, форсунка проводит впрыск топлива. Воспламенение происходит за счет контакта с перегретым в процессе сжатия атмосферным воздухом. Всего лишь 20 лет назад низкооборотистые дизеля использовались в качестве силовых агрегатов специальной техники. Появление технологии турбонагнетания открыло им дорогу в мир легковых автомобилей.

Пути дальнейшего развития ДВС

Конструкторская мысль никогда не стоит на месте. Основные направления дальнейшего развития и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания – повышение экономичности и минимизация вредных для экологии веществ в составе выхлопных газов. Применение слоистых топливных смесей, конструирование комбинированных и гибридных ДВС – лишь первые этапы долгого пути.

Хотим отметить, что если вы нуждаетесь в каких либо автозапчастях для своего автомобиля , то наш интернет-сервис будет рад предложить вам их по самым низким ценам. Все, что вам нужно, это зайти в меню » » и заполнить форму, либо ввести название запчасти в верхнем правом окошке данной страницы, после этого на вас выйдут наши менеджеры и предложат лучшие цены, каких вы еще видом не видывали и слыхом не слыхивали! Теперь к главному.

Итак, все мы знаем, что самой важной частью машины является маэстро двигатель. Основной целью работы двигателя является преобразование бензина в движущую силу. В настоящее время, самым простым способом заставить автомобиль двигаться, является сжигание бензина внутри двигателя. Именно поэтому двигатель автомобиля называется двигателем внутреннего сгорания .

Две вещи, которые следует запомнить:

Существуют различные двигатели внутреннего сгорания. Например, дизельный двигатель отличается от бензинового. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Существует такая вещь, как двигатель внешнего сгорания. Лучшим примером такого двигателя является паровой двигатель парохода. Топливо (уголь, дерево, масло) сгорает вне двигателя, образовывая пар, который и является движущей силой. Двигатель внутреннего сгорания является гораздо более эффективным (требуется меньше топлива на километр пути). К тому же он намного меньше эквивалентного двигателя внешнего сгорания. Это объясняет тот факт, почему мы не видим на улицах автомобили с паровыми движками.

Принцип, лежащий в основе работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания : если вы поместите небольшое количество высокоэнергетического топлива (например, бензина) в небольшое замкнутое пространство, и зажжете его, то при сгорании в виде газа высвобождается невероятное количество энергии. Если создать непрерывный цикл маленьких взрывов, скорость которых будет, например, сто раз в минуту, и пустить получаемую энергию в правильное русло, то мы получим основу работы двигателя.

Сейчас почти все автомобили используют так называемый четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движущую силу четырех колесного друга. Четырехтактный подход также известен как цикл Отто, в честь Николауса Отто, который изобрел его в 1867 году. К четырем тактам относятся:

  1. Такт впуска.
  2. Такт сжатия.
  3. Такт горения.
  4. Такт выведения продуктов сгорания.

Устройство под названием поршень, выполняющее одну из основных функций в двигателе, своеобразно заменяет картофельный снаряд в картофельной пушке. Поршень соединен с коленчатым валом шатуном. Как только коленчатый вал начинает вращение, происходит эффект «разряда пушки». Вот что происходит, когда двигатель проходит один цикл:

Ø Поршень находится сверху, затем открывается впускной клапан и поршень опускается, при этом двигатель набирает полный цилиндр воздуха и бензина. Это такт называется тактом впуска. Для начала работы достаточно смешать воздух с небольшой каплей бензина.

Ø Затем поршень движется обратно и сжимает смесь воздуха и бензина. Сжатие делает взрыв более мощным.

Ø Когда поршень достигает верхней точки, свеча испускает искры, чтобы зажечь бензин. В цилиндре происходит взрыв бензинового заряда, что заставляет поршень опуститься вниз.

Ø Как только поршень достигает дна, открывается выхлопной клапан, и продукты сгорания выводятся из цилиндра через выхлопную трубу.

Теперь двигатель готов к следующему такту и цикл повторяется снова и снова.

Теперь давайте рассмотрим все части двигателя, работа которых взаимосвязана. Начнем с цилиндров.

Основные составные части двигателя благодаря которым он работает

Осноова двигателя — это цилиндр , в котором вверх-вниз перемещается поршень. Двигатель, описанный выше, имеет один цилиндр. Это характерно для большинства газонокосилок, но большинство автомобилей имеет более чем один цилиндр (как правило, четыре, шесть и восемь). В многоцилиндровых моторах цилиндры обычно размещаются тремя способами: в один ряд, V-образным способом и плоским способом (также известный как горизонтально-оппозитный).

Разные конфигурации имеют разные преимущества и недостатки с точки зрения гладкости, производственных затрат и характеристик формы. Эти преимущества и недостатки делают их более или менее подходящими к разным видам транспортных средств.

Давайте более подробно рассмотрим некоторые ключевые детали двигателя.

Свечи зажигания

Свечи зажигания обеспечивают искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь. Искра должна возникнуть в правильный момент для безотказной работы двигателя.

Клапаны

Впускные и выпускные клапаны открываются в определенный момент для того чтобы впустить воздух и топливо и выпустить продукты сгорания. Следует обратить внимание на то, что оба клапана закрыты в момент сжатия и сгорания, обеспечивая герметичность камеры сгорания.

Поршень

Поршень — это цилиндрический кусок металла, который движется вверх-вниз внутри цилиндра двигателя.

Поршневые кольца

Поршневые кольца обеспечивают герметичность между скользящим внешним краем поршня и внутренней поверхностью цилиндра. Кольца имеют два назначения:

  • Во время тактов сжатия и сгорания они предотвращают утечку воздушно-топливной смеси и выхлопных газов из камеры сгорания
  • Они не позволяют маслу попасть в зону сгорания, где оно будет уничтожено.

Если ваш автомобиль начинает «подъедать масло» и вам приходиться подливать его каждые 1000 километров, значит двигатель автомобиля довольно старый и поршневые кольца в нем сильно изношены. Как следствие они не могут обеспечивать герметичность на должном уровне. А это значит, вам нужно озадачиться вопросом, ибо покупка нового движка кропотливое и ответственное дело.

Шатун

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он может вращаться в разные стороны и с обоих концов, т.к. и поршень и коленчатый вал находятся в движении.

Коленчатый вал

Круговыми движениями коленчатый вал заставляет поршень двигаться вверх-вниз.

Маслосборник

Маслосборник окружает коленчатый вал. Он содержит некоторое количество масла, которое собирается в нижней его части (в масляном поддоне).

Основные причины неполадок и перебоев в машине и двигателе

Одним прекрасным утром вы можете сесть в свой автомобиль и осознать, что утро не так уж и прекрасно… Автомобиль не заводится, мотор не работает. Что может быть причиной этому. Теперь, когда мы разобрались в работе двигателя, вы можете понять, что может стать причиной его поломки. Существует три основных причины: плохая топливная смесь, отсутствие сжатия или отсутствие искры. Кроме того тысячи мелочей могут стать причиной его неисправности, но эти три образуют «большую тройку». Мы рассмотрим, как эти причины влияют на работу мотора на примере совсем простого двигателя, который мы уже обсуждали ранее.

Плохая топливная смесь

Данная проблема может возникнуть в следующих случаях:

· У вас закончился бензин и в автодвигатель поступает только воздух, чего не достаточно для сгорания.

· Могут быть забиты воздухозаборники, и в движок просто не поступает воздух, который крайне необходим для такта сгорания.

· Топливная система может поставлять слишком мало или слишком много топлива в смесь, а это означает, что горение не происходит должным образом.

· В топливе могут быть примеси (например, вода в бензобаке), которые препятствуют горению топлива.

Отсутствие сжатия

Если топливная смесь не может быть сжата должным образом, то и не будет надлежащего процесса сгорания обеспечивающего работу машины. Отсутствие сжатия может возникнуть по следующим причинам:

· Поршневые кольца двигателя изношены, поэтому воздушно-топливная смесь просачивается между стенкой цилиндра и поверхностью поршня.

· Один из клапанов неплотно закрывается, что, опять-таки, позволяет смеси вытекать.

· В цилиндре есть отверстие.

В большинстве случаев «дырки» в цилиндре появляются в том месте, где верхушка цилиндра присоединяется к самому цилиндру. Как правило, между цилиндром и головкой цилиндра есть тонкая прокладка, которая обеспечивает герметичность конструкции. Если прокладка ломается, то между головкой цилиндра и самим цилиндром образуются отверстия, которые также становятся причиной утечки.

Отсутствие искры

Искра может быть слабой или вообще отсутствовать по нескольким причинам:

  • Если свеча зажигания или провод, идущий к ней, изношены, то искра будет довольно слабой.
  • Если провод перерезан или отсутствует вообще, если система, посылающая искры вниз по проводу не работает должным образом, то искры не будет.
  • Если искра приходит в цикл слишком рано, или же слишком поздно, топливо не сможет воспламениться в нужный момент, что соответственно влияет на стабильную работу мотора.

Возможны и другие проблемы с двигателем. Например:

  • Если разряжен, то двигатель не сможет сделать ни одного оборота, соответсвенно вы не сможете завести автомобиль.
  • Если подшипники, которые позволяют свободно вращаться коленчатому валу, изношены, коленчатый вал не сможет провернуться и запустить двигатель.
  • Если клапаны не будут закрываться или открываться в необходимый момент цикла, то работа двигателя будет невозможна.
  • Если в автомобиле закончилось масло, поршни не смогут свободно двигаться в цилиндре, и двигатель застопорится.

В правильно работающем двигателе вышеописанные проблемы быть не могут. Если же они появились, ждите беды.

Как видите, в моторе автомобиля есть ряд систем, которые помогают ему выполнять главную задачу — преобразовывать топливо в движущую силу.

Клапанный механизм двигателя и система зажигания

Большинство подсистем автомобильного мотора могут быть внедрены по средствам различных технологий, и более совершенные технологии могут улучшить эффективность работы двигателя. Давайте рассмотрим эти подсистемы, используемые в современных автомобилях. Начнем с клапанного механизма. Он состоит из клапанов и механизмов, которые открывают и закрывают проход топливным отходам. Система открытия и закрытия клапанов называется валом. На распределительном валу имеются выступы, которые и перемещают клапаны вверх и вниз.

Большинство современных движков имеют так называемые накладные кулачки. Это означает, что вал расположен над клапанами. Кулачки вала воздействуют на клапаны непосредственно или через очень короткие связующие звенья. Эта система настроена так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Многие высокоэффективные двигатели имеют по четыре клапана на один цилиндр — два на вход воздуха и два на выход продуктов сгорания, и такие механизмы требуют два распределительных вала на один блок цилиндров.

Система зажигания производит высоковольтный заряд и передает его на свечи зажигания при помощи проводов. Сначала заряд поступает в распределитель, который вы можете с легкостью найти под капотом большинства легковых автомобилей. В центр распределителя подключен один провод, а из него выходит четыре, шесть или восемь других проводов (в зависимости от количества цилиндров в двигателе). Эти провода посылают заряд на каждую свечу зажигания. Работа двигателя настроена так, что за один раз только один цилиндр получает заряд от распределителя, что гарантирует максимально плавную работу мотора.

Система зажигания двигателя, охлаждения и набора воздуха

Система охлаждения в большинстве автомобилей состоит из радиатора и водяного насоса. Вода циркулирует вокруг цилиндров по специальным проходам, потом, для охлаждения, она поступает в радиатор. В редких случаях двигатели автомобиля оснащены воздушной системой автомобиля. Это делает двигатели легче, но охлаждение при этом менее эффективное. Как правило, двигатели с таким видом охлаждения, имеют меньший срок службы и меньшую производительность.

Теперь вы знаете, как и почему мотор вашей машины охлаждается. Но почему же тогда так важна циркуляция воздуха? Существуют автомобильные двигателя с наддувом — это означает, что воздух проходит через воздушные фильтры и попадает непосредственно в цилиндры. Для увеличения производительности некоторые двигатели оснащены турбонаддувом, а это значит, что воздух, который поступает в двигатель, уже находится под давлением, следовательно, в цилиндр может быть втиснуто больше воздушно-топливной смеси.

Повышение производительности автомобиля — это круто, но что же происходит на самом деле, когда вы проворачиваете ключ в замке зажигания и запускаете автомобиль? Система зажигания состоит из электромотора, или стартера, и соленоида. Когда вы проворачиваете ключ в замке зажигания, стартер вращает двигатель на несколько оборотов для того чтобы начался процесс сгорания топлива. Требуется действительно мощный мотор, чтобы запустить холодный двигатель. Так как запуск двигателя требует много энергии, сотни ампер должны поступить в стартер для его запуска. Соленоид является тем переключателем, который может справиться с таким мощным потоком электричества, и когда вы проворачиваете ключ зажигания, активируется именно соленоид, который, в свою очередь, запускает стартер.

Смазочные жидкости двигателя, топливная, выхлопная и электрические системы

Когда дело доходит до ежедневного использования автомобиля, первое, о чем вы заботитесь это наличие бензина в бензобаке. Каким образом этот бензин приводит в действие цилиндры? Топливная система двигателя выкачивает бензин из бензобака и смешивает его с воздухом таким образом, чтобы в цилиндр поступила правильная воздушно-бензиновая смесь. Топливо подается тремя распространенными способами: смесеобразованием, впрыском через топливный порт и прямым впрыском.

При смесеобразовании, прибор под названием карбюратор, добавляет бензин в воздух, как только воздух попадает в двигатель.

В инжекторном движке топливо впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр либо через впускной клапан (впрыск через топливный порт), либо непосредственно в цилиндр (прямой впрыск).

Масло также играет важную роль в двигателе. Смазочная система гарантирует, что в каждую из движущихся частей двигателя поступает масло для плавной работы. Поршни и подшипники (которые позволяют свободно вращаться коленчатому и распределительному валу) — основные части, которые имеют повышенную потребность масла. В большинстве автомобилей, масло засасывается через масляный насос и маслосборника, проходит через фильтр, чтобы очиститься от песка, затем, под высоким давлением впрыскивается в подшипники и на стенки цилиндра. Далее масло стекает в маслосборник, и цикл повторяется снова.

Теперь вы знаете немного больше о тех вещах, которые поступают в двигатель вашего автомобиля. Но давайте поговорим и том, что выходит из него. Выхлопная система. Она крайне проста и состоит из выхлопной трубы и глушителя. Если бы не было глушителя, вы бы слышали звук всех тех мини-взрывов, которые происходят в двигателе. Глушитель гасит звук, а выхлопная труба выводит продукты сгорания из автомобиля.

Теперь поговорим об электрической системе автомобиля, которая тоже приводит его в действие. Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора переменного тока. Генератор переменного тока подключен проводами к двигателю и вырабатывает электроэнергию, необходимую для подзарядки аккумулятора. В свою очередь, аккумулятор предоставляет электроэнергию всем системам автомобиля, которые в ней нуждаются.

Теперь вы знаете все о главных подсистемах двигателя. Давайте рассмотрим, каким способом вы можете увеличить мощность двигателя своего автомобиля.

Как увеличить производительность двигателя и улучшить его работу?

Используя всю вышеприведенную информацию, вы, должно быть, обратили внимание на то, что есть возможность заставить двигатель работать лучше. Производители автомобилей постоянно играют с этими системами с одной лишь целью: сделать двигатель более мощным и сократить расход топлива.

Увеличение объема двигателя. Чем больше объем двигателя, тем больше его мощность, т.к. за каждый оборот двигатель сжигает больше топлива. Увеличение объема двигателя происходит за счет увеличения либо самих цилиндров, либо их количества. В настоящее время 12 цилиндров — это предел.

Увеличение степени сжатия. До определенного момента, высшая степень сжатия производит больше энергии. Однако, чем больше вы сжимаете воздушно-топливную смесь, тем выше вероятность того, что она воспламенится раньше, чем свеча зажигания даст искру. Чем выше октановое число бензина, тем меньше вероятность преждевременного воспламенения. Именно поэтому высокопроизводительные автомобили нужно заправлять высокооктановым бензином, так как двигатели таких машин используют очень высокий коэффициент сжатия для получения большей мощности.

Большее наполнение цилиндра. Если в цилиндр определенного размера можно втиснуть больше воздуха (и, следовательно, топлива), то вы сможете получить больше энергии от каждого цилиндра. Турбонаддувы и наддувы нагнетают давление воздуха и эффективно вталкивают его в цилиндр.

Охлаждение поступающего воздуха. Сжатие воздуха повышает его температуру. Тем не менее, хотелось бы иметь как можно более холодный воздух в цилиндре, т.к. чем выше температура воздуха, тем он расширяется при горении. Поэтому многие системы турбонаддува и наддува имеют интеркулер. Интеркулер — это радиатор, через который проходит сжатый воздух и охлаждается, прежде чем попасть в цилиндр.

Сделать меньшим вес деталей. Чем легче часть двигателя, тем лучше он работает. Каждый раз, когда поршень меняет направление, он тратит энергию на остановку. Чем легче поршень, тем меньше энергии он потребляет.

Впрыск топлива. Система впрыска топлива позволяет очень точное дозирование топлива, которое поступает в каждый цилиндр. Это повышает производительность двигателя и существенно экономит топливо.

Теперь вы знаете практически все о том, как работает двигатель автомобиля, а также причины основных неполадок и перебоев в машине. Напоминаем, что если после прочтения данной статьи вы почувствовали, что ваша машина требует обновления каких либо автодеталей, то рекомендуем заказать и купить их через наш интернет-сервис заполнив форму запроса в меню » «, либо заполнив название запчасти в правом верхнем окошке данной страницы. Надеемся, что наша статья о том, как работает двигатель автомобиля? А также основные причины неполадок и перебоев в машине поможет вам совершить правильную покупку.


Двигатели внутреннего сгорания — презентация онлайн

История создания..
Этапы развития ДВС:
1860 г. Этьен Ленуар изобрел первый
двигатель, работавший на
светильном газе
1862 г. Альфонс Бо Де Роша предложил
идею четырехтактного двигателя.
Однако свою идею осуществить он
не сумел.
Этьен Ленуар
(1822-1900)
1876 г. Николаус Август Отто создает
четырехтактный двигатель по Роше.
1883 г. Даймлер предложил
конструкцию двигателя, который мог
работать как на газе, так и на
бензине
Август Отто
(1832-1891)
Карл Бенц изобрел самоходную
трехколесную коляску на основе
технологий Даймлера.
Даймлер
К 1920 г. ДВС становятся лидирующими.
экипажи на паровой и
электрической тяге стали большой
редкостью.
Карл Бенц
Трехколесная коляска, изобретенная Карлом Бенцом
Четырехтактный двигатель
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
внутреннего сгорания совершается за 4 хода поршня (такта), т. е.
за 2 оборота коленчатого вала.
Различают 4 такта:
1 такт – впуск (горючая смесь из карбюратора
поступает в цилиндр)
2 такт – сжатие (клапаны закрыты и смесь
сжимается, в конце сжатия смесь
воспламеняется электрической искрой и
происходит сгорание топлива)
3 такт – рабочий ход (происходит преобразование
тепла, полученного от сгорания топлива, в
механическую работу)
4 такт – выпуск (отработавшие газы вытесняются
поршнем)
Двухтактный двигатель
Существует также двухтактный двигатель внутреннего сгорания.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя внутреннего
сгорания осуществляется за два хода поршня или за один оборот
коленчатого вала .
1 такт
Сжатие
впуск
2 такт
Сгорание
выпуск
На практике мощность двухтактного карбюраторного двигателя
внутреннего сгорания часто не только не превышает мощность
четырёхтактного, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем,
что значительная часть хода (20-35%) поршень совершает при
открытых клапанах
КПД двигателя внутреннего сгорания мал и примерно
составляет 25% – 40%. Максимальный эффективный КПД
наиболее совершенных ДВС около 44%.Поэтому многие
ученые пытаются увеличить КПД, а также и при этом саму
мощность двигателя.
Способы увеличения мощности двигателя:
Использование многоцилиндровых двигателей
Использование специального топлива
(правильного соотношения смеси и рода смеси)
Замена частей двигателя (правильных размеров
составных частей, зависящие от рода
двигателя)
Устранение части потерь теплоты перенесением
места сжигания топлива и нагревания рабочего
тела внутрь цилиндра
Степень сжатия
Одной из важнейших характеристик двигателя является его
степень сжатия, которая определяется следующее:
e
V2
V1
где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени
сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта
сжатия , что способствует более полному ее сгоранию.
жидкостные
газовые
(карбюраторный)
с искровым зажиганием
без искрового зажигания
(дизельные)

9. Строение яркого представителя ДВС – карбюраторного двигателя

Остов двигателя (блок-картер, головки цилиндров, крышки
подшипников коленчатого вала, масляный поддон)
Механизм движения (поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик)
Механизм газораспределения (кулачковый вал, толкатели, штанги,
коромысла)
Система смазки (масло, фильтр грубой отчистки, поддон)
жидкостная (радиатор, жидкость, др.)
Система охлаждения
воздушная (обдув потоками воздуха)
Система питания (топливный бак, топливный фильтр, карбюратор,
насосы)
Система зажигания (источник тока – генератор и аккумулятор,
прерыватель + конденсатор)
Система пуска (электрический стартер, источник тока –
аккумулятор, элементы дистанционного управления)
Система впуска и выпуска (трубопроводы, воздушный фильтр,
глушитель)
Карбюратор двигателя
Однако, несмотря на длительное и бурное развитие, ДВС имеют
существенный недостаток — несовершенное, неполное сгорание
топлива. Поэтому повышение КПД двигателя хотя бы на несколько
процентов дает колоссальный эффект по экономии топлива и по
чистоте окружающей среды.
Проблема выпуска в атмосферу вредных соединений – одна из
важнейших проблем экологии 21 века…
Открытие Двигателя внутреннего
сгорания оказало большое влияние на
развитие многих отраслей
промышленности, сельского хозяйства
и науки. И пускай проходит эра
двигателя внутреннего сгорания, пусть
у них есть много недостатков,
пусть появляются новые двигатели, не
загрязняющие внутреннюю среду и не
использующие функцию теплового
расширения, но первые еще долго
будут приносить пользу людям, и
люди через многие сотни лет будут
по доброму отзываться о них, ибо они
вывели человечество на новый
уровень развития, а, пройдя его,
человечество поднялось еще выше.

Диагностика и качественный ремонт ДВС в Зеленограде

При регулярной и качественной компьютерной диагностике вашего автомобиля экстренные поломки происходят редко. Современные технологии проведения ТО позволяют выявлять небольшие сбои работы систем и исправлять их до того как какой-то из элементов выйдет из строя.

Наш автосервис предлагает клиентам услуги профилактической диагностики двигателя и все виды ремонта ДВС в Зеленограде. Мы работаем по разумным ценам, предлагаем постоянным клиентам индивидуальные скидки, располагаем собственным складом с широким выбором оригинальных запчастей для автомобилей большинства популярных моделей.

Преимущества компьютерной диагностики ДВС

В отличие от визуального осмотра, который позволяет выявлять только серьезные, видимые глазу сбои работы системы или их последствия (поломки элементов), компьютерная диагностика ДВС помогает зафиксировать нарушения, которые в данный момент не вызывают серьезных проблем, но грозят обернуться дорогостоящим ремонтом в будущем.

Для проведения процедуры наши специалисты используют современное оборудование, которое при подключении к бортовому компьютеру помогает оценить:

  • исправность системы управления;
  • функциональность и качество работы топливной системы;
  • уровень наполняемости цилиндров;
  • состояние и исправность всех элементов двигателя.

На основе полученной информации мастер при необходимости рекомендует автовладельцу техническую профилактику или ремонт ДВС.

Как проходит ремонт ДВС в Зеленограде

Ремонт двигателя в нашем автосервисе может включать в себя устранение небольших эксплуатационных неисправностей (чаще проводится в рамках ТО), восстановление функциональности отдельных элементов или капитальные работы (при серьезных поломках), направленные на восстановление работоспособности всех механизмов ДВС. При необходимости наши мастера произведут разбор и дефектовку, заменят вышедшие из строя детали или механизмы, протестируют собранный и установленный двигатель.

Наш автосервис располагает необходимым современным оборудованием и качественными автозапчастями для проведения ремонта ДВС в Зеленограде. После компьютерной диагностики опытный специалист выявит точные причины неисправностей и устранит их в кратчайшие сроки. Для постоянных клиентов действует программа лояльности, в рамках которой вы получаете существенные скидки и другие бонусы.

Структура льда | Химия для неосновных специалистов

Цели обучения

  • Опишите структуру льда.
  • Объясните, почему лед менее плотен, чем жидкая вода.

Вы когда-нибудь катались на коньках?

Лед — интересный и полезный материал. Его можно использовать для охлаждения продуктов и сохранения их свежести. Он может обеспечить отдых, например, катание на коньках. При замерзании лед может нанести большой ущерб — дороги могут прогнуться, дома могут быть повреждены, водопроводные трубы могут лопнуть.Все это происходит из-за уникального свойства воды и льда. Когда вода замерзает, она увеличивается в объеме за счет образования льда.

Структура льда

Жидкая вода — это жидкость. Водородные связи в жидкой воде постоянно разрываются и восстанавливаются, когда молекулы воды проносятся мимо друг друга. По мере охлаждения воды ее молекулярное движение замедляется, и молекулы постепенно приближаются друг к другу. Плотность любой жидкости увеличивается с понижением ее температуры.Для большинства жидкостей это продолжается, когда жидкость замерзает, и твердое состояние становится более плотным, чем жидкое состояние. Однако вода ведет себя иначе. На самом деле максимальная плотность достигается при температуре около 4 ° C.

Плотность воды и льда

Температура (° C)

Плотность (г / см 3 )

100 (жидкость)

0.9584

50

0,9881

25

0,9971

10

0,9997

4

1.000

0 (жидкость)

0,9998

0 (сплошной)

0.9168

Между 4 ° C и 0 ° C плотность постепенно уменьшается, поскольку водородные связи начинают формировать сеть, характеризующуюся обычно гексагональной структурой с открытыми пространствами в середине шестиугольников.

Рис. 1. Структура жидкой воды (слева) состоит из молекул, соединенных короткоживущими водородными связями, потому что вода — это жидкость. Во льду (справа) водородные связи становятся постоянными, в результате образуется взаимосвязанный гексагональный каркас молекул.

Лед менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он плавает. Пруды или озера начинают замерзать на поверхности, ближе к холодному воздуху. Слой льда образуется, но не тонет, как если бы вода не имела этой уникальной структуры, обусловленной ее формой, полярностью и водородными связями. Если бы лед затонул при замерзании, замерзли бы целые озера. Поскольку лед не тонет, жидкая вода остается подо льдом всю зиму. Это важно, поскольку рыбы и другие организмы способны пережить зиму.Лед — одно из очень немногих твердых тел, которое менее плотно, чем его жидкая форма.

Сводка

  • Лед менее плотный, чем жидкая вода.
  • В межмолекулярной структуре льда есть пространства, которых нет в жидкой воде.

Практика

Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы ответить на следующие вопросы:

  1. Что делают водородные связи в жидкой воде?
  2. Какая структура у льда?
  3. Сколько молекул воды взаимодействуют в воде? Во льду?

Обзор

  1. Что происходит с плотностью большинства жидкостей при понижении температуры?
  2. Как меняется плотность воды при температуре выше 4 ° C?
  3. Как меняется плотность воды ниже 4 ° C?

Глоссарий

  • плотность: Концентрация вещества.Увеличивается при понижении температуры.
  • шестиугольник: Имеет форму шестиугольника.

Физические свойства льда

Физические Свойства льда
Кристаллическая структура льда. Ice может предполагать большое количество различных кристаллические структуры, больше, чем любой другой известный материал.При обычном давлении стабильная фаза льда называется льдом I, а различные фазы льда с высоким давлением номер до льда XIV. (Ice IX получил известность от Курта Роман Воннегута Кошачья колыбель .)
Есть два близких варианта льда I: гексагональный лед Ih, имеющий гексагональная симметрия и кубический лед Ic, который имеет кристаллическую структуру, подобную алмаз. Ice Ih — это нормальная форма льда; лед Ic образуется путем осаждения пара на очень низкие температуры (ниже 140К).Аморфный лед можно получить, отложив водяной пар на подложку при еще более низких температурах.
Каждый атом кислорода внутри решетки льда Ih окружен четырьмя другими атомами кислорода. атомы в тетраэдрическом расположении. Расстояние между кислородом примерно 2,75 Ангстрем. Атомы водорода во льду расположены следующим образом: Правила Бернала-Фаулера: 1) два протона находятся близко (около 0,98 А) к каждому атому кислорода, очень похоже на свободную молекулу воды; 2) каждая молекула H 2 0 ориентирована так, что два протона указывают на два соседних атома кислорода; 3) есть только один протон между двумя соседними атомами кислорода; 4) в обычных условиях любой из большого количества возможные конфигурации равновероятны.

Фазовая диаграмма воды и Лед. График справа показывает фазовую диаграмму воды (нажмите на изображение для расширенной версии). Тройная точка воды — когда лед, вода и водяной пар могут сосуществовать — при температуре 0,01 ° C (0 ° C = 273,16К) и давлением 6,1 мбар. Вода — единственное вещество, которое мы обычно переживать близость к своей тройной точке в повседневной жизни.

Равновесный пар Давление льда и воды. График справа показывает равновесие давление водяного пара льда и воды как функция температуры в диапазоне интерес для роста кристаллов снега [1]. Единицы давления указаны в мбар, и можно преобразовать в другие единицы с помощью калькулятора преобразования (1 мбар = 100 Паскалей (Ньютонов / кв. метр) = 0,75 мм рт. ст. = 0.001 атмосфера.)
Давление пара хорошо описывается соотношением Клаузиуса-Клапейрона, и соответствие данным дает приближения:

P вода (T) = [2,8262e9 — 1,0897e6 * T — 94934 * T 2 + 582.2 * T 3 ] exp (-5450 / T K )

P лед (T) = [3,6646e10 — 1,3086e6 * T — 33793 * T 2 ] exp (-6150 / T K )

где давление P в мбар, температура T в градусов Цельсия, а T K — в градусах Кельвина (примечание 0C = 273.16К). Эти приблизительные выражения имеют точность лучше 0,1 процента в диапазоне от -50 ° C до 50 ° C.
Сценарий справа показано значение пересыщения водяным паром, равное (P вода -P лед ) / P лед . Это уровень пересыщения, который обычно встречается в плотных облаках, которые ведь состоят из капель воды. Уровни перенасыщения выше этого наверное, довольно необычно в атмосфере.

Различные константы связанных со льдом и образованием снежных кристаллов.
Масса молекулы воды:
Плотность льда (около 0C):
Скрытая теплота сублимации, испарения, и плавка:
Теплоемкость льда, воды (около 0С):
Электрический дипольный момент воды молекула:
Собственная диэлектрическая поляризуемость молекула воды:
Полная диэлектрическая поляризуемость молекула воды (около 0C):
Энергия поверхности льда:
Константа диффузии молекул воды в воздух на СТП:
Критический радиус зародышеобразования:
Коэффициент теплового расширения льда:
Теплопроводность льда (около -20 ° C):


[1] Из Б.Дж. Мейсон, Т , Физика облаков, . (Clarendon Press, 1971) ..

8.12: Лед и вода — Химия LibreTexts

Следующим простейшим и, безусловно, самым важным примером водородной связи является та, которая возникает в H 2 O. И снова есть четкие доказательства наличия водородных связей в структуре. твердого тела. На рисунке 1 показаны две компьютерные схемы кристаллической решетки льда. В модели ясно видно, что каждый атом O окружен четырьмя атомами H, расположенными тетраэдрически.Два из них находятся на расстоянии 99 пм и явно ковалентно связаны с атомом O. Два других находятся на расстоянии 177 часов вечера.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) . Два компьютерных изображения структуры льда. Молекулы воды расположены так, что каждый атом кислорода окружен четырьмя атомами водорода в тетраэдрической геометрии. Два из этих атомов ковалентно связаны с кислородом, а два других — водородными связями с кислородом.

Они ковалентно связаны с другими атомами O, но связаны водородными связями с атомом, о котором идет речь.Ситуация такова:

Как и в случае с HF, расстояние между молекулами аномально короткое. Сумма ван-дер-ваальсовых радиусов H и O составляет 260 пм, что значительно больше наблюдаемых 177 пм.

Тетраэдрическая ориентация атомов H вокруг атомов O, возникающая в результате образования водородных связей, оказывает сильное влияние на свойства льда и жидкой воды. На диаграмме заполнения пространства льда большая часть электронной плотности каждого атома H и O заключена в граничной поверхности.Как видите, водородная связь заставляет молекулы H 2 O принимать довольно открытую структуру с гексагональными каналами, проходящими через нее. Эти каналы содержат почти идеальный вакуум — в них есть небольшая электронная плотность от окружающих атомов, но ничего больше.

Когда лед тает, некоторые водородные связи разрываются, и жесткая кристаллическая решетка несколько разрушается. Гексагональные каналы частично заполняются, и объем заданного количества H 2 O уменьшается.Это причина того, что лед менее плотный, чем вода, и будет плавать по нему. Когда температура поднимается выше 0 ° C, разрывается больше водородных связей, заполняется больше пустого пространства, а объем продолжает уменьшаться. К моменту достижения 4 ° C увеличенные скорости молекул позволяют каждой молекуле H 2 O отталкивать своих соседей дальше. Это противодействует эффекту разрыва водородных связей, и объем заданного количества H 2 O начинает увеличиваться с температурой.

Большинство твердых тел расширяются при плавлении, а соответствующие жидкости непрерывно расширяются с повышением температуры, поэтому поведение воды довольно необычно. Это также чрезвычайно важно для окружающей среды. Когда вода замерзает в небольших трещинах в камне, больший объем льда может разбить камень на более мелкие части. В конечном итоге они становятся способными поддерживать жизнь растений, и поэтому вода способствует образованию плодородной почвы. То же самое происходит с дорогами и является причиной новых трещин и выбоин на дорогах после холодной зимы.Эксперимент с ледяной бомбой, показанный ниже, является, пожалуй, наиболее ярким примером расширения воды в замороженном состоянии.

На видео вода наливается в чугунную емкость, которая плотно закрыта. Затем контейнер помещают в ил ацетон / сухой лед, имеющий температуру -77 ° C. Через короткий промежуток времени лед замерзает, расширяется и вызывает взрыв чугунного контейнера, срывая крышку ванны с ацетоном / сухим льдом и распыляя всю ванну. Несмотря на то, что чугунный контейнер имел стенки толщиной в дюйма, давление расширяющегося льда все же могло разорвать его на части.

Поскольку максимальная плотность воды составляет 4 ° C, вода с такой температурой опускается на дно глубокого озера, обеспечивая относительно однородную среду круглый год. Если бы лед опустился на дно, как это произошло бы с большинством замерзающих жидкостей, поверхность озера не была бы изолирована от холодного зимнего воздуха. Оставшаяся вода кристаллизовалась бы намного быстрее, чем это происходит на самом деле. В мире, где лед был плотнее воды, рыба и другие водные организмы должны были бы выдерживать замораживание в течение длительного времени.

Водородные связи также вносят вклад в аномально большое количество тепла, которое требуется для плавления, кипения или повышения температуры определенного количества воды. Тепловая энергия требуется для разрыва водородных связей, а также для ускорения движения молекул воды, поэтому данное количество тепла повышает температуру грамма воды меньше, чем почти любой другой жидкости. Даже при 100 ° C остается очень много неразрывных водородных связей, и для испарения моля воды требуется почти в 4 раза больше тепла, чем можно было бы ожидать, если бы водородных связей не было.Эта сверхбольшая потребность в энергии является причиной того, что вода имеет более высокую температуру кипения, чем любые другие гидриды.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) Температуры кипения гидридов неметаллов в зависимости от периода, в котором они встречаются в периодической таблице. Обратите внимание на аномально высокие температуры кипения H 2 O, HF и NH 3 во втором периоде.

Тот факт, что для плавления, кипения или повышения температуры воды требуется много тепла, делает эту жидкость идеальной для передачи тепла из одного места в другое.Вода используется инженерами в автомобильных радиаторах, системах водяного отопления и коллекторах солнечной энергии. Более того, циркуляция (в кровотоке) и испарение (из кожи) воды регулируют температуру человеческого тела. (У вас от 55 до 65 процентов воды для женщин и от 65 до 75 процентов для мужчин.) По этой (а также по многим другим причинам) вода является важным компонентом живых систем. Способность воды накапливать тепловую энергию также является важным фактором, влияющим на мировой климат.Люди, живущие возле больших озер или океанов, испытывают меньшие колебания температуры между зимой и летом, чем те, кто населяет такие места, как Сибирь, в тысячах километров от значительного водоема. Океанские течения, такие как Гольфстрим, переносят тепло из тропиков в районы, которые в противном случае были бы довольно холодными. Интересно, например, спросить, могла ли европейская цивилизация развиваться без помощи тепла, переносимого обычной, но весьма необычной жидкостью — водой.

Одномерная ледяная структура, построенная из пятиугольников

  • 1

    Ямада, Т., Тамамори, С. и Окуяма, Х. Анизотропный рост водной цепи на Cu (110), наблюдаемый с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Phys. Rev. Lett. 96 , 036105 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 2

    Ли, Дж., Сореску, Д. К., Джордан, К. Д. и Йейтс, Дж. Т. Мл. Образование гидроксильной цепи на поверхности Cu (110): наблюдение за диссоциацией воды. J. Phys. Chem. С 112 , 17672–17677 (2008).

    CAS Статья Google Scholar

  • 3

    Фейбельман П. Дж. Частичная диссоциация воды на Ru (0001). Наука 295 , 99–102 (2002).

    CAS Статья Google Scholar

  • 4

    Менцель Д. Наука о поверхности — Вода на металлической поверхности. Science 295 , 58–59 (2002).

    CAS Статья Google Scholar

  • 5

    Михаэлидес, А. и Моргенштерн, К. Нанокластеры льда на гидрофобных металлических поверхностях. Nature Mater. 6 , 597–601 (2007).

    CAS Статья Google Scholar

  • 6

    Cerda, J. et al. Новый рост водяного верхнего слоя на Pd (111), охарактеризованный с помощью сканирующей туннельной микроскопии и теории функционала плотности. Phys. Rev. Lett. 93 , 116101 (2004).

    CAS Статья Google Scholar

  • 7

    Огасавара, Х. и др. Структура и связь воды на Pt (111). Phys. Rev. Lett. 89 , 276102 (2002).

    CAS Статья Google Scholar

  • 8

    Андерссон, К., Никитин, А., Петтерссон, Л. Г. М., Нильссон, А., Огасавара, Х.Диссоциация воды на Ru (001): активированный процесс. Phys. Rev. Lett. 93 , 196101 (2004).

    CAS Статья Google Scholar

  • 9

    Weissenrieder, J., Mikkelsen, A., Andersen, J. N., Feibelman, P.J. & Held, G. Экспериментальные доказательства частично диссоциированного водного бислоя на Ru (0001). Phys. Rev. Lett. 93 , 196102 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 10

    Хак, С., Клэй, К., Дарлинг, Г. Р., Зимбитас, Г. и Ходжсон, А. Рост неповрежденного водяного льда на Ru (0001) между 140 и 160 K: эксперимент и расчеты теории функционала плотности. Phys. Ред. B 73 , 115414 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 11

    Мэн, С., Ван, Э. Г. и Гао, С. В. Адсорбция воды на металлических поверхностях: общая картина из исследований теории функционала плотности. Phys. Ред. B 69 , 195404 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 12

    Янг, Ю., Мэн, С. и Ван, Э. Г. Адсорбция воды на поверхности NaCl (001): исследование теории функционала плотности. Phys. Ред. B 74 , 245409 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 13

    Ren, J. & Meng, S. Атомная структура и связывание водного верхнего слоя на Cu (110): граница неповрежденной и диссоциативной адсорбции. J. Am. Chem. Soc. 128 , 9282–9283 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 14

    Рен, Дж. И Менг, С. Изучение воды из первых принципов на поверхностях из меди и благородных металлов (110). Phys. Ред. B 77 , 054110 (2008).

    Артикул Google Scholar

  • 15

    Schiros, T. et al. Структура воды, адсорбированной на открытой поверхности Cu (110): H-вверх, H-вниз или оба? Chem.Phys. Lett. 429 , 415–419 (2006).

    CAS Статья Google Scholar

  • 16

    Andersson, K. et al. Молекулярно неповрежденная и диссоциативная адсорбция воды на чистой Cu (110): сравнение с системой вода / Ru (001). Surf. Sci. 585 , L183 – L189 (2005).

    CAS Статья Google Scholar

  • 17

    Банге, К., Грайдер Д. Э., Мадей Т. Э. и Сасс Дж. К. Поверхностная химия h3O на чистой и покрытой кислородом Cu (110). Surf. Sci. 136 , 38–64 (1984).

    Артикул Google Scholar

  • 18

    Тиль П. А. и Мэди Т. Е. Взаимодействие воды с твердыми поверхностями — фундаментальные аспекты. Surf. Sci. Rep. 7 , 211–385 (1987).

    CAS Статья Google Scholar

  • 19

    Скирос, Т. Водно-металлические поверхности . Докторская диссертация по химической физике (Стокгольмский университет, 2008 г.).

  • 20

    Ma, B.-Q., Sun, H.-L. & Гао, С. Циклический водный пентамер в ленточной структуре. Chem. Commun. 2220–2221 (2004).

  • 21

    Наскар, Дж. П., Дрю, М. Г. Б., Халм, А., Точер, Д. А. и Датта, Д. Возникновение лент циклических пентамеров воды в металлоорганическом каркасе, образованном спонтанной фиксацией СО2. Cryst. Англ. Comm. 7 , 67–70 (2005).

    CAS Статья Google Scholar

  • 22

    Кресс, Г. и Хафнер, Дж. Ab initio молекулярная динамика жидких металлов. Phys. Ред. B 47 , 558–561 (1993).

    CAS Статья Google Scholar

  • 23

    Kresse, G. & Furthmüller, J. Эффективные итерационные схемы для ab initio вычислений полной энергии с использованием базисного набора плоских волн. Phys. Ред. B 54 , 11169–11186 (1996).

    CAS Статья Google Scholar

  • 24

    Perdew, J. P., Burke, K. & Ernzerhof, M. Обобщенное приближение градиента стало проще. Phys. Rev. Lett. 77 , 3865–3868 (1996).

    CAS Статья Google Scholar

  • 25

    Кресс, Г. и Жубер, Д. От ультрамягких псевдопотенциалов к методу дополненных волн проектора. Phys. Ред. B 59 , 1758–1775 (1999).

    CAS Статья Google Scholar

  • 26

    Терсофф, Дж. И Хаманн, Д. Р. Теория и применение сканирующего туннельного микроскопа. Phys. Rev. Lett. 50 , 1998–2001 (1983).

    CAS Статья Google Scholar

  • 27

    Михаэлидес, А., Алави, А. и Кинг, Д.А. Понимание адсорбции и диссоциации h3O-льда на металлических поверхностях на основе моделирования из первых принципов. Phys. Ред. B 69 , 113404 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • Структура и природа льда XIX

    Дифракция нейтронов на месте

    На рисунке 2а показаны нейтронограммы образца льда D 2 O, легированного 0,01 молярным DCl при ~ 1,6 ГПа. Дифракционная картина при 230 K согласуется с полностью неупорядоченным водородом льдом VI с симметрией пространственной группы P 4 2 / nmc .Примечательно, что медленное охлаждение до 100 К при ~ 0,5 К мин -1 и ~ 1,6 ГПа приводит к появлению двух очень слабых дополнительных брэгговских особенностей при ~ 2,14 и ~ 2,21 Å, как показано на рис. 2а. Еще одно существенное кристаллографическое изменение — это увеличение интенсивности брэгговской особенности на ~ 1,77 Å. Оба изменения выделены зелеными заштрихованными участками на рис. 2а. Как показано на дополнительном рисунке 1, модель P 4 2 / nmc ice VI достаточно хорошо соответствует данным низкотемпературной дифракции.Однако воспроизвести дополнительные пики и рост интенсивности на ~ 1,77 A невозможно. Это означает, что образовалась новая фаза льда, которая структурно тесно связана со льдом VI, но с более низкой симметрией пространственной группы. Отметки соответствующей структуры P 1 с постоянными решетки льда VI на дополнительном рис. 1 показывают, что размер элементарной ячейки должен быть увеличен для получения дополнительных пиков Брэгга. Индексирование дифракционной картины предполагает увеличение размера элементарной ячейки до суперъячейки √2 × √2 × 1.По сравнению с элементарной ячейкой льда VI, которая состоит из двух гексамерных кластеров, сверхъячейка √2 × √2 × 1 содержит четыре гексамерных кластера.

    Рис. 2: Анализ дифракционных данных образцов D 2 O ice VI, легированных DCl, собранных при 1,6 ГПа.

    a аппроксимации по Ритвельду дифракционных данных, собранных при 230 и 100 K с использованием пространственной группы P 4 2 / nmc для льда VI и Pbcn для льда XIX. Верхние деления показывают ожидаемые положения пиков Брэгга для льда, а нижние деления — от наковальни из спеченного алмаза.На вставках показаны совпадения в областях, где наблюдается наибольшее изменение интенсивности пиков и дополнительные слабые пики Брэгга для льда XIX. b Кристаллическая структура льда XIX с использованием пространственной группы Pbcn . Атомы водорода показаны белым цветом, а атомы кислорода двух отдельных сетей — бордовым и оранжевым соответственно.

    Структурные искажения и симметрия пространственной группы

    В дополнительной таблице 1 мы представляем систематический и общий анализ различных возможных кристаллографических подгрупп пространственной группы льда VI P 4 2 / nmc .Это показывает, что увеличение элементарной ячейки до суперъячейки √2 × √2 × 1 встречается довольно часто. Здесь представлен более интуитивно понятный кристаллохимический подход, который рассматривает локальные искажения гексамерных единиц как причину изменения симметрии пространственной группы в соответствии с выводами нашего спектроскопического исследования 22 . Как оказалось, суперячейка √2 × √2 × 1 — это наименьшая ячейка, необходимая для описания значимых искажений отдельных сетей. Даже внешний вид структуры льда VI с ее связанными гексамерными кластерами позволяет предположить, что такая структура может быть подвержена локальным искажениям (см.рис.1а).

    На рисунке 3 показаны различные способы искажения структуры Ice VI на основе суперячейки √2 × √2 × 1. Во-первых, рассматриваются все перестановки наклона гексамерных кластеров друг относительно друга, что приводит к снижению симметрии пространственной группы с P 4 2 / nmc до Pbcn , P 2/ c , и Ccc 2. Из них только Pbcn допускает отражения в положениях дополнительных функций Брэгга.Кроме того, искажение Pbcn является единственным, которое имеет механический смысл, поскольку соседние кластеры с водородными связями всегда наклоняются в противоположном направлении, как схематично показано на фиг. 3b. Сдвиг гексамерных кластеров согласуется с пространственными группами Pbcn и P 2/ c . Искажение Pbcn снова кажется более благоприятным, поскольку молекулы на границах раздела между двумя сетями всегда движутся в одном направлении.Полное смещение двух соседних сетей относительно друг друга допускается в пространственной группе Pnna . Последний способ исказить гексамерные кластеры — это режимы сжатия, при которых они сжимаются в одном направлении и расширяются в перпендикулярном направлении. Пройдя через все перестановки, результирующие пространственные группы: Pbcn , P 2/ c, и Ccc 2, из которых Pbcn снова является единственной, совместимой с дополнительными характеристиками Брэгга.Учитывая, что искажения происходят при высоком давлении, модели P 2/ c и Ccc 2 также маловероятны с механической точки зрения, поскольку они потребуют расширения на большие расстояния в одном или даже в двух измерениях, соответственно. С другой стороны, режимы сжатия Pbcn не требуют изменения объема, поскольку соседние кластеры с водородными связями всегда сжимаются в противоположном направлении. Таким образом, Pbcn допускает множество механически значимых искажений структуры льда VI и допускает дополнительные брэгговские особенности, видимые на дифракционной картине при 100 К и ~ 1.6 ГПа. Сдвиговая деформация Pnna также допускает появление новых пиков Брэгга и, следовательно, также требует исследования.

    Рис. 3: Искажения структуры льда VI и их влияние на дифракцию.

    a Схематическое изображение возможных искажений льда VI за счет наклона, сдвига и сдавливания гексамерных единиц, как показано стрелками. Атомы кислорода двух отдельных сеток показаны бордовым и оранжевым цветом соответственно. b Расчетные дифракционные картины, иллюстрирующие появление дифракционных характеристик льда XIX в зависимости от угла наклона α для искажения Pbcn .Заштрихованные области соответствуют участкам, показанным на рис. 2а. Как показано на вставке, ось вращения перпендикулярна плоскости бумаги, а угол рассчитывается по проекциям на плоскость как вектора между атомами кислорода на вершине соседних кластеров, так и вектора кислорода на вершине к перетяжке в пределах данного кластера.

    Рисунок 3b хорошо иллюстрирует, как дополнительные брэгговские особенности появляются на рассчитанных дифракционных картинах, когда структура льда VI искажается из-за наклона гексамерных кластеров на угол α согласно Pbcn .Примечательно, что не только появляются дополнительные брэгговские особенности и их интенсивность увеличивается с α , искажение также увеличивает интенсивность брэгговского пика на ~ 1,77 Å, который мы наблюдали ранее на экспериментальной дифрактограмме, полученной при 100 К (см.рис. 2а).

    На следующем этапе полностью неупорядоченная по водороду модель Pbcn была уточнена в сравнении с экспериментальными низкотемпературными данными с использованием метода Ритвельда. Как видно на рис. 2а, получено очень хорошее совпадение интенсивностей всех брэгговских пиков в экспериментальных данных, включая ~ 1.77 Å и дополнительные слабые пики Брэгга ( wRp = 0,0206, Rp = 0,0205).

    Кристаллическая структура, полученная в результате конвергентного уточнения модели Pbcn по Ритвельду, ясно показывает искажения гексамерных кластеров (см. Рис. 2b). Угол наклона, как определено на рис. 3b, составляет около 3 °, что приводит к змееподобным искажениям на больших расстояниях при перемещении от одного кластера к другому в пределах одной и той же сети. Сдвиговое смещение незначительно и составляет 0,07 Å. Однако искажения при сжатии значительны.Расстояния между атомами кислорода перетяжки поперек гексамерных кластеров составляют 3,15 и 3,53 Å соответственно. Для сравнения, во льду VI при 230 К эти расстояния принимают равные значения 3,31 Å. Интересно, что сжатие кластеров приводит к небольшому перекручиванию водородных связей, ведущих от перетяжки к вершинам молекул, что кажется значимым механическим ответом на искажение сжатия. В целом искажения нарушают тетрагональную P 4 2 / nmc симметрию льда VI относительно орторомбической Pbcn .Константы решетки a и c структуры Pbcn принимают несколько разные значения: 8,3966 ± 0,0003 Å и 8,3737 ± 0,0003 Å, соответственно, что отражает орторомбическое расщепление. Полная кристаллографическая информация о структуре Pbcn представлена ​​в таблице 1.

    Таблица 1 Дробные координаты атомов, фракционные заселенности, параметры порядка и параметры изотропных атомных смещений ( U iso ) легированного DCl D 2 O ice XIX при 100 К и ~ 1.6 ГПа и с использованием структурной модели Pbcn .

    Обнадеживает тот факт, что систематический анализ подгрупп, показанный в дополнительной таблице 1, предоставил все возможные пространственные группы, которые также были получены с учетом различных типов искажений. Шесть возможных структур-кандидатов из анализа подгрупп показаны на дополнительном рисунке 2. Дополнительный рисунок 3 показывает, что из них структура Pcnb , которая эквивалентна структуре Pbcn , обсужденной ранее, дает наилучшее возможное соответствие. к дифракционным данным.Основываясь на этом анализе, ранее обсуждавшаяся модель Pnna также может быть отброшена. Соответственно, как систематический анализ подгрупп, так и кристаллохимический подход, учитывающий различные типы искажений, предполагают пространственную группу Pbcn .

    Поиск симметрии пространственной группы снизу вверх

    Несмотря на то, что модель Pbcn очень хорошо соответствует дифракционным данным, стоит задуматься, является ли фактическая симметрия искаженной структуры подгруппой Pbcn , которая всегда возможность в кристаллографии.Верхние атомы кислорода лежат в специальной позиции Вайкоффа в Pbcn , что означает, что двум сеткам не разрешено смещаться друг относительно друга в направлении b . Допуск таких сдвигов приведет к снижению симметрии пространственной группы с Pbcn до P 2/ c (с другой осью по сравнению с моделью P 2/ c , показанной на рис. 3a). Дополнительные сдвиги в направлениях a или c или оба понижают симметрию пространственной группы до Pc и \ (P \ bar1 \), соответственно.Учитывая, что гексамерные кластеры неупорядочены по водороду и, следовательно, имеют множество различных структур с молекулами в разной ориентации, кажется возможным, что при искажении кластеров имеет место широкий диапазон асимметричных локальных искажений. Принимая во внимание эту асимметрию, результирующая симметрия пространственной группы будет P 1.

    Вместо анализа низкосимметричных кристаллографических моделей методом Ритвельда мы используем прагматический подход на следующем этапе и аппроксимируем дифракционные данные с помощью метода обратного Монте. Подход Карло (RMC) с использованием программного обеспечения RMCProfile 23 .Здесь используется большая сверхъячейка без какой-либо симметрии и 1500 молекул воды. Подгонка к экспериментальным данным дифракции достигается перемещением 4500 отдельных атомов. Поскольку данные дифракции подобраны, результирующая структура после подгонки будет соответствовать средней структуре образца. Чтобы иметь возможность извлекать локальную информацию из окна моделирования в отсутствие данных полного рассеяния, мы реализовали простую вычислительную модель с гармоническими потенциалами между узлами кислорода и водорода и между двумя узлами водорода вдоль одной водородной связи.Один из участков водорода вдоль данной водородной связи занят, а другой — пустым, как того требуют правила льда, и с помощью нашей программы RandomIce 15 была обеспечена полная водородная разупорядоченность всей структуры. Помимо реализации значимой локальной структуры, потенциалы также гарантируют, что связность сети с водородными связями остается неизменной и что структура остается водородно-неупорядоченной. Затем RMCProfile пытается подогнать дифракционные данные, одновременно минимизируя общую энергию суперячейки 23 .

    Экспериментальные дифракционные данные могут быть легко согласованы с подходом RMC, как показано на рис. 4a, включая дополнительные особенности Брэгга и увеличенную интенсивность пика ~ 1,77 Å в низкотемпературных данных. Функции парного распределения g ( r ), показанные на рис. 4b, отражают вероятности обнаружения атомов на определенных расстояниях от центрального атома. В целом, функции O-D и O-O g ( r ) выглядят очень похожими для данных 230 и 100 K соответственно.Внимательное рассмотрение функций OD g ( r ) показывает, что ковалентные расстояния O – D на ~ 0,9 Å расширяются в сторону меньших и больших расстояний в данных 100 K, и то же самое относится к водородно-связанным O ·· · D расстояния ~ 1,7 Å. Расстояния между водородными связями O – O при ~ 2.7 Å в O-O g ( r ) также немного расширены в данных 100 K. Охлаждение льда VI до низких температур без локальных и асимметричных искажений привело бы к обострению этих характеристик за счет уменьшения тепловых смещений.Таким образом, наблюдаемое уширение деталей на малых расстояниях в функциях O-D и O-O g ( r ) согласуется с искаженной структурой при низкой температуре. Интересно, что на больших расстояниях функция OO g ( r ) при 100 K несколько более определена, чем при 230 K. Это означает, что, несмотря на локальные искажения, на больших расстояниях влияние более низкой температуры и, следовательно, меньшего теплового смещения становятся видимыми. В целом, RMC-анализ показал, что данные низкотемпературной дифракции могут быть согласованы с полностью водородно-неупорядоченной моделью льда VI, допускающей локальные искажения.

    Рис. 4: Подгонка без симметрии дифракционных данных льда VI и льда XIX с использованием метода обратного Монте-Карло (RMCProfile) и простой модели пружины для описания внутри- и межмолекулярной связи.

    a Подгонка к данным дифракции с использованием неупорядоченных водородом суперячеек льда VI, содержащих 1500 молекул D 2 O. Заштрихованные области соответствуют участкам, показанным на рис. 2а, и выделяют дифракционные диапазоны, в которых наблюдалось наибольшее увеличение интенсивности и новые пики Брэгга, характерные для льда XIX. b Результирующие функции парных распределений O – D и O – O, g ( r ) для двух структур.

    На следующем этапе большой блок моделирования был проанализирован на предмет симметрии, как показано на дополнительном рис. 4. Как и ожидалось, симметрия пространственной группы составляет P 1, если не допускаются допуски в положениях атомов. Однако при увеличении расстояния поиска в программе FINDSYM 24 все ранее обсуждавшиеся подгруппы Pbcn , которые возникли в результате дальнейших искажений, были идентифицированы до того, как Pbcn был обнаружен выше 0.36 Å. Таким образом, все три подхода, включая систематический поиск кристаллографических подгрупп, анализ значимых механических искажений и несимметричные уточнения профиля RMCP, указывают на структурные искажения типа Pbcn .

    FAQ: Расширение воды при замерзании

    Почему при замерзании вода расширяется?


    Почему у жидкой воды максимальная плотность?

    Большинство жидкостей в охлаждаемые (при фиксированном давлении): они дают усадку.Жидкость сжимается при охлаждении; потому что молекулы движутся медленнее, они менее способны преодолевать привлекательные межмолекулярные силы сближают их. Затем достигается температура замерзания, и вещество затвердевает, что заставляет его сокращаться больше, потому что твердые кристаллические вещества обычно плотно упакованы.

    Вода — одно из немногих исключений из этого поведения. Когда жидкая вода охлаждается, она сжимается, как и следовало ожидать. пока температура не достигнет примерно 4 градусов Цельсия.После этого он немного расширяется, пока не достигнет точки замерзания. точка, а затем при замораживании расширяется примерно на 9%.

    Это необычное поведение происходит из структура воды молекула. Существует сильная тенденция к образованию водородной сети. связи, где каждый атом водорода находится на линии между двумя кислородными атомы. Эта тенденция к образованию водородных связей усиливается с повышением температуры. становится ниже (потому что для встряхивания водорода требуется меньше тепловой энергии. облигации вне позиции).Структура льда полностью водородная. связаны, и эти связи заставляют кристаллическую структуру быть очень «открытый», как показано на следующем рисунке:

    Изображения на этой странице любезно предоставлены Проект MathMol в Лаборатории научной визуализации NYU / ACF.
    Информацию о MathMol можно найти здесь.

    На следующих двух изображениях первое показывает типичная структура жидкой воды, а вторая — ледяная структура; обратите внимание на дополнительное открытое пространство во льду.

    Именно эта открытая твердая структура делает лед менее плотным. чем жидкая вода. Поэтому на воде плавает лед, за что мы все должны быть благодарны, потому что, если вода вела себя «нормально», многие водоемы замерзали зимой, убивая всех жизнь внутри них.

    «Максимум плотности» воды — результат того же явления. Ближе к точке замерзания молекулы воды начинают располагаться локально в ледяные образования. Это создает некоторую «открытость» в жидкой воде, которая имеет тенденцию к уменьшению своей плотности.Этому противостоит обычная тенденция к увеличению охлаждения. плотность; примерно при 4 градусах Цельсия эти противоположные тенденции уравновешиваются, создавая максимум плотности.

    Обновлено 3 декабря 2013 г.


    Новые формы льда | London Nano

    Когда вода превращается в лед, ее молекулы перестраиваются. Если заморозить его при более высоком давлении, молекулярная перестройка может измениться, что позволит льду образовывать различные кристаллические структуры.Обычный лед имеет сотовую структуру, но если его нагреть до более низкой температуры или более высокого давления, начнут происходить значительные изменения.

    «При низких температурах система пытается повысить степень своего порядка», — объясняет Джон Финни, физик из Университетского колледжа Лондона, который вместе с Кристофом Зальцманном из Оксфордского университета и Паоло Радаэлли из ИГИЛ использовал нейтроны ИГИЛ для изучения льда. конструкции.


    Чтобы увеличить порядок, молекулы воды должны принять различную ориентацию по отношению друг к другу.Добавляя во льды небольшое количество соляной кислоты, ученые могут высвободить молекулы, чтобы они могли изменить порядок. Это запускает процесс перегруппировки, которому обычно препятствует слишком низкая температура: эти новые фазы льда образуются при температуре около -160 ° C.

    Фазовая диаграмма льда, включающая
    линий ликвидуса метастабильных льдов IV и XII
    (длинные пунктирные линии) и
    экстраполированных линий равновесия при низких температурах (короткие пунктирные линии).


    Используя эту технику, команда обнаружила три новых фазы льда, в результате чего общее количество известных ледяных форм на данный момент достигло шестнадцати.«Ни одна из этих фаз вряд ли возникнет на Земле в естественных условиях, но они могут быть обнаружены на некоторых ледяных лунах внешних планет», — говорит Зальцманн.

    Основным преимуществом использования ISIS для изучения льда было то, что ученые могли отслеживать, как структура меняется с течением времени. «Импульсный источник нейтронов позволил нам делать« снимки »структуры и наблюдать за фазовыми переходами по мере их возникновения», — говорит Финни. Проникающая способность нейтронов делает их идеальными для экспериментов, требующих толстостенных контейнеров для исследования образцов под давлением.Способность нейтронов видеть легкие элементы позволяет изучать водородные связи в таких веществах, как лед.

    Понимание спутников внешних планет — не единственное применение исследований льда. «Если мы сможем понять различные формы и то, как они переходят из одной в другую, это поможет нам лучше понять молекулу воды, что очень важно, если мы хотим понять роль воды в биологических и химических системах», — объясняет Финни.



    Кристаллические структуры двух новых фаз льда, льда XIII и льда XIV.Атомы кислорода красные, атомы водорода белые. Каждая молекула воды тетраэдрически связана с четырьмя другими молекулами. Лед XIII образовался при давлении около 5000 атмосфер, лед XIV — около 12000 атмосфер.

    Авторы исследования: Профессор Джон Финни (Университетский колледж Лондона), Кристоп Зальцман (Оксфорд), Паоло Радаэлли (ISIS)
    Дополнительная информация: Приготовление и структура упорядоченных водородом фаз льда, К.Г. Зальцманн и др., Science 311 (2006) 1758.

    Примечания для редакторов:

    1. О Лондонском центре нанотехнологий

    Лондонский центр нанотехнологий — это междисциплинарное совместное предприятие Университетского колледжа Лондона и Имперского колледжа Лондона. Объединяя инфраструктуру мирового класса и ведущие исследования в области нанотехнологий, Центр стремится достичь критической массы, чтобы конкурировать с лучшими зарубежными объектами. Исследовательские программы увязаны с тремя ключевыми областями, а именно: уход за планетами, здравоохранение и информационные технологии, и объединяют биомедицинские, физические и инженерные науки.Веб-сайт: www.london-nano.com

    2. Об ISIS

    ISIS — это ведущий в мире центр исследований в области физических наук и наук о жизни, управляемый Советом по науке и технологиям в лаборатории Резерфорда Эпплтона, Оксфордшир, Великобритания.

    ISIS поддерживает международное сообщество, насчитывающее около 1600 ученых, которые используют нейтроны и мюоны для исследований в области физики, химии, материаловедения, геологии, инженерии и биологии.