Двигатели внутреннего сгорания « KaiserScience

Одним из наиболее практических применений термодинамики является преобразование тепловой энергии в механическую.

Устройство, преобразующее тепло в механическую энергию, называется

двигателем .

Двумя наиболее важными типами являются двигатели внешнего сгорания

и двигатели внутреннего сгорания .

Оба зависят от химической реакции, называемой горением.

В чем разница между ними?

Двигатели внешнего сгорания – Сгорание происходит вне поршневого цилиндра. Сгоревшие газы используются для нагрева вторичного рабочего тела, такого как воздух или вода. Затем эта нагретая жидкость приводит в движение цилиндр.

Вот, например, двигатель Ньюкомена, предшественник парового двигателя. Обратите внимание на котел с подогревом снизу.

Это было первое практическое устройство, использующее пар для выполнения механической работы.

Двигатели Ньюкомена использовались по всей Великобритании и Европе, в основном для откачки воды из шахт. Сотни были построены в 18 веке. (Википедия)

Изображение из атмосферного двигателя Ньюкомена, Википедия.

Двигатели внутреннего сгорания – Здесь сгорание топлива происходит только в цилиндре. Сгоревшие газы или продукты сгорания совершают работу над поршнем, производя работу. Продукты сгорания выходят через выпускные клапаны.

Это типичный 4-цилиндровый двигатель внутри автомобиля.

Они есть у всех современных автомобильных двигателей, поэтому давайте посмотрим:

4-тактные двигатели внутреннего сгорания

Этот тип двигателей приводит в действие ваш типичный автомобиль.

Этот раздел предоставлен STM, SpeedTech MotorSport, Performance Vehicle Specialists, Новая Зеландия.

Многие автомобильные двигатели имеют 4 цилиндра.

Каждый цилиндр имеет поршень, соединенный с коленчатым валом шатуном.

Коленчатый вал передает мощность двигателя на сцепление, коробку передач и, наконец, на колеса.

Посмотрим, как двигатель вырабатывает эту мощность.

Термины, используемые ниже, являются общепринятыми в технике.

https://stmtune.wordpress.com/2011/07/25/suck-squeeze-bang-blow/

всасывание – ход впуска. Поршень опускается в цилиндр и всасывает в двигатель свежую воздушно-топливную смесь.

сжатие – такт сжатия. Поршень поднимается вверх по цилиндру и плотно сжимает топливно-воздушную смесь. Чем плотнее сжата смесь, тем больше энергии можно извлечь из нее при ее воспламенении.

удар – рабочий ход. Свеча зажигания воспламеняет воздушно-топливную смесь. Взрыв представляет собой быстрое расширение газов, которые толкают поршень обратно в цилиндр. Это передает крутящий момент на коленчатый вал.

удар – такт выпуска. Сгоревшая воздушно-топливная смесь вытесняется через выпускные клапаны, когда поршень движется обратно вверх по цилиндру.

После того, как все четыре такта завершены, двигатель возвращается к старту и снова готов к работе.

Все это происходит очень быстро: один цикл двигателя занимает всего 17 миллисекунд при 7000 об/мин!

Как работает автомобильный двигатель

Следующая инфографика была создана Джейкобом О’Нилом, графическим дизайнером.

Полный набор его инфографики см. в разделе «Автомобильные анимаграфы» или на сайте Animagraffs.com «Как работает автомобильный двигатель».

Проекты

Учащиеся могут построить модель двигателя внутреннего сгорания.

(A) Мы могли бы купить комплекты для сборки небольших настоящих двигателей внутреннего сгорания. Они сжигают бензин. Их нужно использовать либо на открытом воздухе, либо у открытого окна для безопасной вентиляции.

Hackaday: соберите двигатель внутреннего сгорания, используя только запчасти из строительного магазина.

(B) Мы могли бы построить набор-макет с движущимися частями, например, передовой научный набор Smithsonian Motor-Works.

Также Adam Savage’s One Day Builds: Комплект модели двигателя автомобиля

В любом случае, мы могли бы построить его, запустить его, и учащимся было бы предложено подумать о:

* Как энергия передается в эту систему

* сколько энергии используется для выполнения полезной работы (движение поршней, частей, с которыми они соединены, вплоть до того места, где она начнет встречаться с трансмиссией)

* сколько энергии теряется на трение и тепловыделение

Авиационные реактивные двигатели

Аналогичные принципы действуют в аэрокосмической промышленности.

Сердечники реактивных двигателей Honeywell являются хорошим примером. Внутри ядра газотурбинного двигателя

Стандарты обучения

Структура учебной программы штата Массачусетс по науке и технологиям/инженерному делу, 2016 г.

HS-PS3-2. Разработайте и используйте модель, чтобы проиллюстрировать, что энергия в макроскопическом масштабе может быть  объяснена либо как движение частиц и объектов, либо как энергия, хранящаяся в полях.
Уточняющие заявления: примеры явлений в макроскопическом масштабе могут включать испарение и конденсацию, преобразование кинетической энергии в тепловую,

HS-PS3-4a. Приведите доказательства того, что, когда два объекта с разной температурой находятся в тепловом контакте в замкнутой системе, передача тепловой энергии от объектов с более высокой температурой к объектам с более низкой температурой приводит к тепловому равновесию или к более равномерному распределению энергии между объектами и к изменению температуры. необходимые для достижения теплового равновесия, зависят от удельной теплоемкости двух веществ. Изменения энергии следует описывать как количественно в одной фазе (Q = m·c·∆T), так и концептуально либо в одной фазе, либо во время фазового перехода.

Научные стандарты нового поколения

HS-PS3-4. Спланируйте и проведите исследование, чтобы получить доказательства того, что передача тепловой энергии при объединении двух компонентов с разной температурой в замкнутой системе приводит к более равномерному распределению энергии между компонентами в системе (второй закон термодинамики).

Влияние науки, техники и технологий на общество и мир природы: современная цивилизация зависит от основных технологических систем. Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования, чтобы увеличить выгоды при одновременном снижении затрат и рисков. (ГС-ПС3-3)

Изменения энергии и материи в системе можно описать в терминах потоков энергии и материи в систему, из нее и внутри нее. (HS-PS3-3)

Энергия не может быть создана или уничтожена — только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и/или полями или между системами. (HS-PS3-2)

AP Physics

7.B.2.1: Студент способен качественно связать второй закон термодинамики с точки зрения функции состояния, называемой энтропией, и того, как она (энтропия) ведет себя в обратимых и необратимые процессы. [СП 7.1]
– AP Physics Course and Exam Description

Нравится:

Нравится Загрузка…

Как работает система зажигания внутреннего сгорания

Инициирование горения

Связанное видео

9 0155 Тепло инициирует процесс внутреннего сгорания. Дизельные двигатели используют повышение температуры от чрезвычайно высокого сжатия (давления) для воспламенения воздушно-топливной смеси с небольшой помощью свечей накаливания при холодном запуске. Но для более летучих видов топлива, таких как бензин, требуется искра, чтобы зажечь огонь. Эта электрически производимая форма тепла является основой системы зажигания.

Искра зажигания представляет собой протекание электрического тока высокого напряжения через воздушный зазор свечи зажигания. Производство этого тока основано на теории электромагнитной индукции. Проще говоря, движение магнитного поля по проводнику (катушке провода) индуцирует электричество.

Катушка зажигания

Катушка зажигания состоит из двух витков проволоки, намотанной на железный сердечник. «Первичная» катушка состоит из меньшего количества витков провода большего сечения, а «вторичная» использует гораздо больше витков провода меньшего диаметра. Обе катушки электрически изолированы друг от друга.

На первичную обмотку подается напряжение 12 В от аккумулятора при включенном зажигании, а заземление другого конца замыкает цепь. Земля открывается и закрывается транзистором (или точками зажигания) в такт с положением поршня. Мы вернемся к этому позже.

Резисторы используются для ограничения величины тока в первичной обмотке, а конденсатор (конденсатор) используется для временного накопления энергии. Рассматривайте напряжение как электрическое давление, а ток (ампер) — это объем электрического потока. Искра зажигания может достигать диапазона 50 000 В при скачке искрового промежутка, в то время как сила тока относительно низкая и менее агрессивна для компонентов зажигания.

Давайте зажжем. Первичная катушка запитана напряжением 12 В от замка зажигания и заземлена через транзистор (твердотельные точки). Напряжение нарастает, и первичная сторона становится электромагнитом. Когда цепь быстро разрывается (размыкается) транзистором, магнитное поле разрушается и охватывает вторичные обмотки. Мощное приложение магнитного поля вызывает выброс высокого напряжения во вторичных обмотках. По хорошо изолированному проводнику (провода штепсельной вилки и т. д.) ток высокого напряжения проходит от вторичной катушки и проходит через разрядник свечи зажигания. Это воспламеняет воздушно-топливную смесь, что приводит к сгоранию, рабочему такту и так далее.

Магнето зажигания

Очень похожая система зажигания была разработана с использованием магнето до того, как стали доступны аккумуляторы и системы зарядки, пригодные для эксплуатации в дороге. Принципы индуцирования напряжения от первичной обмотки к вторичной обмотке одинаковы. Однако источник напряжения на первичную катушку поступает от постоянного магнита. Магнит вручную вращается и наводит электричество на первичные обмотки, а с помощью прерывателя цепь размыкается. Сворачивающееся электромагнитное поле индуцирует напряжение на вторичной обмотке и снова вызывает искру на свече.

Магнето были и остаются надежным источником воспламенения, потому что им не требуется внешний источник электричества — не требуется батарея. Каждый раз, когда вы запускаете мотоцикл для бездорожья или запускаете газонокосилку, вы используете магнето зажигания.

Распределитель

Распределители системы зажигания развивались и со временем были заменены. С крышкой распределителя сверху и изолированными проводами свечи зажигания, прикрепленными к каждой клемме, распределитель приводится в действие распределительным валом четырехтактного двигателя. Это позволяет равномерно распределять искру на свечах, когда каждый поршень приближается к верхней мертвой точке такта сжатия.

Первоначально использовались точки зажигания. Точки представляют собой простую пару электрических контактов, которые вращаются на кулачке, прикрепленном к валу распределителя. Кулачок имеет верхнюю и нижнюю точки (4 на 4 цилиндре, 6 на 6 и т.д.). В нижних точках кулачка контакты замкнуты, подавая питание на первичную сторону катушки зажигания. Подходя к верхним точкам, контакты размыкаются, первичное магнитное поле схлопывается, на вторичные обмотки наводится напряжение и возникает искра.

В большинстве случаев используется внешняя катушка зажигания (некоторые в крышке). Искра проходит по изолированному проводу катушки к центральному контакту крышки распределителя. Здесь искра касается центра ротора распределителя. Ротор вращается на верхней части вала распределителя и проходит от центра наружу к клемме провода свечи зажигания каждого цилиндра. Вот как он подает искру в нужное время на каждый цилиндр.

Вал и ротор распределителя вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от применения. Однако все провода свечей зажигания должны быть подключены к правильным клеммам на крышке в правильном порядке зажигания. На малоблочном двигателе Chevy порядок работы 1-8-4-3-6-5-7-2.

Электронное зажигание

Электронное зажигание относится к контактным точкам, замененным транзистором для открытия и закрытия первичной цепи катушки. Транзистор — это просто переключатель включения / выключения с электрическим питанием без движущихся частей, расположенный внутри модуля управления зажиганием. Кулачок распределителя, который открывал и закрывал точки зажигания, заменен зубчатым (или выемчатым) тормозным колесом, которое запускает (чаще всего) переключатель на эффекте Холла или катушку датчика. Зубцы релюктора прерывают магнитное поле датчика и генерируют электронный импульс. Большим преимуществом было устранение ненадежности и необходимости обслуживания точек, а также более точный контроль напряжения первичной обмотки и момента зажигания.

Безраспределительная система зажигания (DIS)

Современные серийные легковые и грузовые автомобили полностью отказались от дистрибьюторов. Вместо этого, подобно переключателю на эффекте Холла электронного зажигания, датчики положения коленчатого и распределительного валов используются для определения частоты вращения двигателя и положения распределительного вала. Это также дает PCM возможность установить диагностический код неисправности, отражающий изношенную цепь привода ГРМ или скачок зуба на ремне ГРМ. Датчик положения коленчатого вала также может обнаруживать пропуски зажигания двигателя по изменению частоты вращения коленчатого вала.

PCM получает все необходимые данные для расчета угла опережения зажигания и последовательно управляет независимыми катушками зажигания. Конфигурация катушки на свече исключает использование проводов свечей зажигания, требующих частого обслуживания. Некоторые системы с катушкой на штекере управляют цепью заземления первичной катушки с помощью транзистора (драйвера), встроенного в PCM, в то время как другие включают модуль зажигания с каждым узлом катушки: PCM посылает командный сигнал, и транзистор в модуле зажигания открывается/открывается. замыкает первичную цепь.

До того, как были введены системы катушки на штекере, несколько производителей использовали пакеты катушек. Принципы работы были в основном те же, катушки управлялись PCM без распределителя, но сгруппированы в сборе — и по-прежнему требовались свечные провода. В этих пакетах катушек часто использовалась одна катушка для двух цилиндров, которые зажигали ненужную искру во время такта выпуска на невоспламеняющемся цилиндре. Пакеты катушек по-прежнему используются с конфигурациями двигателей, где расположение свечи зажигания нецелесообразно для катушки на свече.

Момент зажигания

Момент зажигания — это момент зажигания свечи зажигания относительно положения каждого поршня на такте сжатия. Это определяется в градусах до ВМТ (до верхней мертвой точки) или до ВМТ (после верхней мертвой точки). Момент зажигания имеет решающее значение для работы двигателя. Обычно синхронизация опережает (BTDC). Когда воздушно-топливная смесь воспламеняется, требуется время, чтобы процесс сгорания завершился и полностью расширился в камере сгорания. Таким образом, важно синхронизировать зажигание до ВМТ, когда камера сгорания имеет минимальный размер и максимальное давление. Это помогает обеспечить максимальное усилие, перемещающее поршень вниз во время рабочего такта.

Слишком позднее зажигание (меньшее опережение) может привести к недостатку мощности, снижению расхода топлива и повышению температуры сгорания. Слишком большое опережение может привести к детонации и повреждению двигателя. Детонация возникает, когда искра настолько опережает ВМТ, что сгорание пытается отодвинуть поршень назад (вниз) в такте сжатия, а не в ВМТ на рабочем такте.

Trending Pages

• Hyundai Santa Fe 2024 года был намеренно разработан в обратном порядке

• Новые фотографии показывают, что Lexus GX следующего поколения выглядит чертовски крутым

• Новый трехрядный внедорожник Lexus TX вмещает до 8 пассажиров Годовой тест 50 Lightning XLT: переход к Ухабистое начало с «RangeLiar»

• Как работает Apple CarPlay и что это такое? Краткое руководство пользователя

Рекомендованные статьи MotorTrend

Ford Ranger Tremor 2024 года: все, что мы знаем о внедорожном среднеразмерном пикапе

Моника Гондерман|