Принципы работы двигателей внутреннего сгорания

Принципы работы двигателей внутреннего сгорания

Работу двигателя за один цикл можно представить в виде индикаторной диаграммы — графика зависимости давления газа в цилиндре от объема, изменяющегося при перемещении поршня (координаты р — V).

Рабочий процесс четырехтактного дизельного двигателя протекает так (рис. 1). При движении поршня отв. м. т. к н. м. т. в освобождающемся объеме цилиндра и в камере сгорания создается разрежение (р — 0,08…0,095 МПа). Открывается впускной клапан и вследствие перепада давлений, атмосферного и внутри цилиндра, очищенный атмосферный воздух (В) заполняет полости камеры сгорания и цилиндра, перемешиваясь там с остатками продуктов сгорания (участок га на рис. 1, б). Это такт впуска.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Рис. 1. Схема работы (а) и индикаторная диаграмма (б) четырехтактного дизельного двигателя

После перехода поршнем н. м. т. впускной клапан закрывается и полость цилиндра и камеры сгорания надежно разобщается с атмосферой. Начинается такт сжатия К моменту завершения такта сжатия температура газов в цилиндре поднимается до 600…650 °С. Очищенное топливо (Т) под давлением от 10 до 140 МПа в тонкораспыленном виде впрыскивается в камеру сгорания и перемешивается с воздухом и остаточными газами. Образующаяся рабочая смесь (PC), состоящая из топлива, воздуха и отработавших газов (ОГ), самовоспламеняется (это происходит до прихода поршня в в. м. т.) и продолжает гореть после окончания впрыска почти на всем протяжении такта расширения (zb).

Рис. 2. Схема работы (а) и индикяторняя диаграмма (б) четырехтактного карбюраторного двигателя

С началом горения рабочей смеси давление в цилиндре начинает резко возрастать (до 6…9 МПа), а температура продуктов сгорания поднимается до 1800…2000 °С.

Около точки 2 впрыск топлива прекращается, процесс горения и интенсивность выделения газов замедляются. Начинается такт расширения (zb). Поршень перемещается к н. м. т., освобождая объем цилиндра. Давление газов в цилиндре падает, они отдают часть теплоты стенкам цилиндра, камере сгорания и днищу поршня, их температура снижается до 600…700 °С.

Еще до прихода поршня в н. м. т. открывается выпускной клапан и отработавшие газы под действием значительного перепада давлений в цилиндре (0,4…0,5 МПа) и атмосферного вырываются через выпускной канал в атмосферу. Это такт выпуска. Очистка цилиндра и камеры сгорания продолжается при движении поршня от н. м. т. к в. м. т. (br), затем рабочий цикл дизеля повторяется.

Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя и его индикаторная диаграмма показаны на рисунке 5.

При такте впуска (га) разрежение из цилиндра передается по всем всасывающим каналам, в результате чего очищенный атмосферный воздух поступает в карбюратор, где к нему примешивается топливо. Образовавшаяся горючая смесь заполняет камеру сгорания и цилиндр, перемешиваясь с остаточными газами.

В процессе такта сжатия (ас) рабочая смесь сжимается поршнем и подогревается. К концу такта сжатия давление в цилиндре и камере сгорания повышается до <4п“о МПа, а температура рабочей смеси доходит до 10…300 °С. Поскольку температура рабочей смеси здесь не поднимается выше температуры ее воспламенения, самопроизвольного зажигания рабочей смеси не происхо-

В момент подхода поршня кв. м. т. при такте сжатия электрическая система зажигания (Зж) подает импульс высокого напряжения на свечу зажигания. В результате искрового разряда между электродами свечи зажигания в камере сгорания выделяется такое количество теплоты, которого достаточно для воспламенения сжатой, тщательно перемешанной и подогретой рабочей смеси.

Горение рабочей смеси сопровождается интенсивным выделением газов и повышением температуры. В точке г. когда поршень переходит в. м. т. и начинает движение к н. м. т., давление газов повышается до 3,0…3,5МПа, а температура — до 2500 °С.

При такте расширения (zb) продолжается догорание рабочей смеси. Поскольку объем цилиндра при движении поршня к н. м. т. увеличивается, а интенсивность выделения газов снижается, давление газов на поршень постепенно ослабевает (до 0,5…0,6 МПа при подходе поршня к н. м. т.), происходит утечка теплоты через поверхность замкнутого объема (стенки цилиндра и камеры сгорания, днище поршня). Температура газов в конце такта расширения снижается до 900…1100 °С.

Такт выпуска осуществляется в основном за счет перепада давлений в цилиндре и атмосферного, этот перепад давлений поддерживается при движении поршня от н. м. т. к в. м. т.

Двухтактный карбюраторный двигатель работает по схеме, изображенной на рисунке 6.

При движении поршня от н. м. т. к в. м. т. в тщательно герметизированном картере (кривошипной камере) создается разрежение. Когда поршень открывает впускной канал, разрежение передается в карбюратор. Топливо (Г), перемешанное с воздухом (В), из карбюратора поступает в картер. При ходе поршня к н. м. т. впускной канал перекрывается и горючая смесь (ГС) сжимается в картере. Как только поршень открывает перепускной канал, предварительно сжатая в картере горючая смесь устремляется в надпоршневое пространство цилиндра. Дальнейшее продвижение поршня к и. м. т. способствует сжатию горючей смеси в картере и снижению давления в цилиндре, что ускоряет перетекание горючей смеси из картера в цилиндр.

Рис. 3. Схема работы двухтактного карбюраторного двигателя

Когда движением поршня в в. м. т. перекрываются сначала перепускной, а затем выпускной каналы, рабочая смесь (PC) в цилиндре подвергается основному сжатию. При подходе поршня к в. м. т. сжатая рабочая смесь воспламеняется при помощи системы зажигания (Зою).

Под давлением газов, действующих на днище, поршень устремляется к н. м. т. и открывает выпускной и далее перепускной каналы. Происходит выпуск отработавших газов (ОГ), а затем и продувка цилиндра, то есть одновременное протекание выпуска отработавших газов через выпускной канал и впуск в цилиндр горючей смеси из картера через перепускной канал.

Таким образом, в двухтактном карбюраторном двигателе такты протекают одновременно как в полости картера, так и в цилиндре.

При ходе поршня от н. м. т. к в. м. т. происходит впуск горючей смеси в полость картера, а также сжатие и воспламенение рабочей смеси в цилиндре.

Когда поршень движется от в. м. т. к н. м. т., в картере происходит предварительное сжатие горючей смеси, а затем перекачка ее через перепускной канал в цилиндр; в цилиндре в это время идет расширение (рабочий ход), выпуск отработавших газов и поступление горючей смеси из картера.

Следовательно, в двухтактном двигателе рабочий цикл также состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, однако протекают эти такты совмещение в двух полостях — картера и цилиндра — всего за два хода поршня, то есть за один оборот коленчатого вала.

—

Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра с картером, кривошипно-шатунного механизма, коленчатого вала, механизма газораспределения, систем охлаждения, зажигания и питания.

Устройство одноцилиндрового карбюраторного четырехтактного двигателя показано на рис. 11. Цилиндр представляет собой отливку, имеющую сверху головку. Внутри цилиндра перемещается возвратно-поступательно поршень, соединенный шатуном с коленчатым валом, вращающимся в подшипниках, установленных в картере. Поршень соединяется с шатуном шарнирно при помощи поршневого пальца. При движении поршня верхняя головка шатуна тоже перемещается возвратно-поступательно. Нижняя головка шатуна вместе с коленчатым валом совершает вращательное движение, преобразуя таким образом прямолинейное перемещение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Для работы двигателя применяют горючую смесь, состоящую из паров топлива и воздуха. Для приготовления ее служит карбюратор.

Рис. 4. Устройство четырехтактного карбюраторного двигателя: 1 — иилиндр, 2 — головка, 3 — водяная рубашка, 4 — поршень, 5 — поршневой палец, 6 — шатун, 7 — верхний картер, 8 — коленчатый вал, 9 — нижний картер (поддон), 10 — распределительные шестерни, 11 — распределительный вал, 12 — толкатель, 13 — клапанная пружина, 14 — впускной трубопровод, 15 — выпускной трубопровод, 16 — карбюратор, 17 — клапаны, 18 — свеча зажигания

При движении поршня вниз вследствие разрежения в цилиндре горючая смесь заполняет цилиндр. Смешиваясь с остаточными газами в цилиндре, горючая смесь превращается в рабочую смесь, которая после сжатия воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи зажигания. Образующиеся при горении топлива газы, расширяясь, давят нз поршень и заставляют его двигаться вниз, а коленчатый вал.

Cоединенный с ним через шатун, — вращаться. При последующем движении поршня вверх продукты сгорания — отработавшие газы- выталкиваются из цилиндра через выпускной клапан.

Впуск горючей смеси в цилиндр и выпуск из него отработавших газов производятся по трубопроводам соответственно через отверстия в верхней части цилиндра, плотно закрываемые клапанами. Своевременный впуск в цилиндр горючей смеси и удаление из него отработавших газов обеспечиваются газораспределительным механизмом, состоящим из распределительного вала, толкателя, пружины, клапанов и распределительных шестерен.

Для уменьшения трения сопряженные детали двигателя смазываются маслом, которое подается насосом. Масло служит также для частичного охлаждения деталей, нагреваемых при трении.

При работе двигателя стенки и головка цилиндра сильно нагреваются. Для отвода тепла стенки и головка цилиндра омываются снаружи водой, находящейся в полости, называемой водяной рубашкой.

Устройство газового двигателя аналогично устройству карбюраторного двигателя, за исключением способа смесеобразования; в газовом двигателе вместо карбюратора имеется смеситель, где горючий газ смешивается с воздухом.

Положение поршня в самой верхней точке в цилиндре назы-йается верхней «мертвой» точкой (в. м. т.), а в самой нижней — нижней «мертвой» точкой (н. м. т.).

Расстояние, проходимое от верхней мертвой точки до нижней или наоборот, называется ходом поршня (S). Каждому ходу йоршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°. В обеих Мертвых точках поршень неподвижен и меняет направление движения.

Часть рабочего процесса двигателя, протекающего в цилиндре за один ход поршня, называется тактом. Объем Vc, образующийся над поршнем при его положении в в. м. т., называется камерой сжатия или камерой сгорания. Рабочим объемом цилиндра Vh называется объем, освобождаемый в цилиндре при перемещении поршня от в. м. т. до н. м. т.

Эволюция двигателя внутреннего сгорания

Автомобильная промышленность имела своего рода «большой взрыв». Из нескольких относительно контролируемых взрывов в конце 18 века расцвела многомиллиардная индустрия, на которую опирается почти каждый человек. Косите ли вы газон, едете на поезде на работу или совершаете долгую поездку, чтобы увидеть своих родственников, скорее всего, вы используете для этого двигатель. Сегодня двигатели внутреннего сгорания бывают самых разных форм и размеров, но принцип остается тем же: воздух и топливо попадают в цилиндр, происходит взрыв, который толкает поршень, проворачивается кривошип, и цикл повторяется. Тем не менее, инженеры, кажется, постоянно расширяют возможности двигателя, делая его быстрее и эффективнее. Теперь Honda Civic 2017 года может развивать максимальную скорость 170 миль в час по сравнению с 1976 308GTB Ferrari с максимальной скоростью 156 миль в час. Так как же мы дошли до того, что суперкары предыдущего поколения изо всех сил старались не отставать от вашего семейного хэтчбека? Мы собираемся исследовать некоторые из основных инженерных прорывов 20-го века, которые способствовали эволюции двигателя внутреннего сгорания.

Впрыск топлива

До впрыска топлива подача топлива в камеру сгорания производилась с помощью карбюратора и была довольно неточным процессом. Всасывание, создаваемое всасываемым воздухом, использовалось для всасывания топлива в воздушный поток. Первоначально использовавшиеся в самолетах во время Второй мировой войны, топливные форсунки были внедрены в автомобили в 19-м веке.50-е годы. Топливная форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания через форсунку под высоким давлением. Эта система позволила двигателю работать более плавно и эффективно и избавила от необходимости регулировать воздушную заслонку, которая требовалась в автомобилях с карбюратором каждый раз, когда вы его заводили.

В 1955 году компания Mercedez-Benz выпустила первый серийный спортивный автомобиль с электрической системой прямого впрыска Bosch — 300SL. В том же году Стирлинг Мосс на модели 300SLR одержал победу в гонке Mille Miglia в Италии, установив рекордное время в 10 часов 7 минут и 48 секунд! Со временем Bosch проник почти в каждого автопроизводителя в Европе.

Карбюраторы были основным способом подачи топлива до конца 1980-х годов и не были неэффективными. Однако требования к каталитическим нейтрализаторам означали, что необходим более точный метод подачи топлива, который контролировал бы количество кислорода, оставшегося в выхлопных газах.

Турбокомпрессор

Следующим важным шагом в эволюции двигателя внутреннего сгорания является турбокомпрессор. Это устройство представляет собой небольшую турбину, работающую от выхлопных газов двигателя, которая нагнетает больше сжатого воздуха в камеру сгорания. Турбина может нагнетать в камеру больше воздуха, чем атмосферное давление, и, следовательно, увеличивает выходную мощность и эффективность двигателя. Первоначально турбокомпрессоры использовались для авиационных двигателей во время войны, что позволяло самолетам летать выше, дальше и намного быстрее. Так почему бы не поставить его в машину?

Как работает турбокомпрессор?

В 1962 году довольно непредубежденный General Motors, стремясь поэкспериментировать с новыми технологиями, установил турбокомпрессор на Oldsmobile Jetfire. Однако для каждого бака с бензином вам также приходилось добавлять смесь дистиллированной воды и метанола, умно названную «Turbo Rocket Fluid». Это довольно авантюрное стремление GM просуществовало недолго, и идея сошла на нет еще до 70-х годов.

Турбокомпрессор стал более распространенным в автомобилях после поправок к Закону о чистом воздухе 1977 года. Они стали важным методом снижения расхода топлива и выбросов выхлопных газов. Сегодня турбокомпрессор присутствует почти в каждом автомобиле, выжимая как можно больше мощности даже из самых маленьких двигателей, все еще позволяя вам чувствовать себя так, как будто вы гоняетесь за Люфтвафе на M4.

Гибриды

Гибриды становятся все более популярными сегодня, сочетая двигатель внутреннего сгорания с электродвигателем. Основной принцип заключается в том, что разные двигатели лучше работают на разных скоростях. Электродвигатели более эффективны при создании крутящего момента, а двигатель внутреннего сгорания лучше поддерживает высокую скорость. Переключение между двумя системами может оптимизировать топливную экономичность автомобиля. Поскольку крупные производители автомобилей стали пионерами в этом направлении, может ли двигатель внутреннего сгорания разделить центр внимания с электродвигателем?

Что дальше?

Важно отметить, что часто эти технологии проходят множество неудачных испытаний, прежде чем они попадут в производство. Но, какой бы ни была причина, инженеры всегда будут расширять возможности двигателей внутреннего сгорания, делая их быстрее, эффективнее и мощнее. Ну и что дальше? Многие люди предполагают, что это конец двигателя внутреннего сгорания. Я например так не считаю! Снова и снова производители вытаскивают из сумки концепцию, с которой какой-то сумасшедший инженер экспериментировал десять лет назад. Сегодня предметом беспокойства являются эффективность двигателя и выбросы. Производители сталкиваются с растущим давлением в поиске решений, отвечающих нормам по выбросам и эффективности. Итак, чтобы ответить на вопрос — «Что дальше?» Я отвечаю другим вопросом: «Вы слышали о керамических двигателях?»

Сверхэффективные керамические двигатели

В 1980-х годах был большой толчок к производству компонентов двигателей из керамических материалов, а именно оксида алюминия и нитрида кремния. Керамика может работать при очень высоких температурах. Это повышает производительность, снижает расход топлива и позволяет использовать несколько видов топлива. Форд и Изузу были пионерами этих программ развития. Однако прототипы оказались нестабильными, и вскоре от проектов отказались.

M4U1L1

%PDF-1.6 % 107 0 объект > эндообъект 890 объект > эндообъект 104 0 объект >поток Acrobat Distiller 7.