Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

  • Поршнево́й дви́гатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.

Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт (судовые двигатели).

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:

* жидкости — бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;

* газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;

монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырёхтактные двигатели.

Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют рабочим объёмом двигателя.

По способу смесеобразования делятся:

* Двигатели с внешним смесеобразованием. Воздушно-топливная смесь готовится в карбюраторе, поступает по впускным коллекторам (патрубкам) в цилиндры двигателя, как вариант — инжекторная система подачи топлива. Воспламенение топливо-воздушной смеси выполнется, как правило, электроискровым разрядом, вырабатываемым системой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, сжиженные углеводородные газы, биогаз, генераторный газ, см. газогенераторный автомобиль, газовый двигатель);

* Компрессионные карбюраторные двигатели. В них топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях), обычно в основе топлива — диэтиловый эфир, касторовое масло и керосин). Воспламенение происходит от сжатия. Степень сжатия регулируется контрпоршнем, так как от этого зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях. Компрессионные карбюраторные двигатели не являются дизельными двигателями.

* Калильные карбюраторные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт теплоты сгорания топлива на предыдущем такте. Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;

* Двигатели с внутренним смесеобразованием. Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:

* Дизельные, работающие на дизельном топливе. В этих двигателях сжатию подвергается только воздух в цилиндрах, вблизи верхней мёртвой точки при такте сжатия в камеру сгорания форсункой впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым от сжатия до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.

Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня или калильной головки. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ), в первой половине XX века применялись в сельском хозяйстве.Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

Существуют также газодизельные двигатели, работающие на смеси природного газа с воздухом. Так как температура воспламенения от сжатия газовоздушной смеси составляет около 700 °C (дизельное топливо воспламеняется при 320—380 °C), воспламенение производится впрыскиванием через форсунки небольшого количества дизельного топлива.В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД поршневого ДВС не превышает 60 %. Остальная тепловая энергия распределяется, в основном, между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:

* воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха;

* жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором.

Читать еще:  Что такое фреон в двигателе

* Иногда в некоторых деталях (например, выпускные клапана) в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Двигатель внутреннего сгорания

Для того, чтобы правильно понимать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, нужно еще и разбираться, что там к чему, нужно иметь представление об основных элементах, а также строении этого агрегата.

В устройстве такого двигателя основным элементом является поршень, его изготавливают из металла, он имеет вид стакана с пустотелым сферическим дном, это дно — головка, располагается вверх. Этими стенками поршень двигается в корпусе двигателя, создавая давление, необходимое для правильной работы мотора, это давление должно быть постоянным, и не меняться во время работы. Под действием давления происходит сгорание смеси воздуха и бензина, которое подается в полость двигателя, так что герметичность этого элемента должна быть стопроцентной, иначе работа мотора будет нарушена.

На юбке поршня находятся две канавки, в которые вставляются поршневые кольца, это не менее важные элементы в работе мотора, так как именно благодаря ним происходит два основных момента в моторе, создание компрессии и предотвращение попадания масла в полость сгорания. Нижние кольца называются маслосъемными, то есть служат для съема остатков масла, необходимого для плавного хода поршня, съем масла происходит в обратном направлении от полости сгорания. Верхние кольца предназначены для того, чтобы давление при ходе поршня не сбрасывалось через щели в корпусе, при правильной подгонке и притирке колец к корпусу, их функции выполняются в полном объеме.

Когда человек садится за руль автомобиля, включает зажигание, мотор начинает работать, из карбюратора или инжектора попадает топливо в камеру сгорания, эта смесь от поднятия поршня вверх сжимается до предела, поднятие поршня освобождает отверстие, в которое вкручена свеча системы зажигания. Искра от свечи воспламеняет топливную смесь и при сгорании объем резко увеличивается, что создает огромное давление и толкает поршень вниз, таким образом, энергия из тепловой преобразуется в энергию поступательного движения. Так и происходит движение поршня вверх и вниз. В дизельных моторах свечи зажигания нет, а смесь дизельного топлива возгорается самопроизвольно от резкого изменения давления внутри камеры с поршнями.

Следующим этапом преобразования энергии в двигателе внутреннего сгорания становится превращение поступательного движения поршня во вращательное движения приводного вала, это процесс не менее сложный, чем сгорание топлива внутри мотора. Система представляет собой обычный кривошипно-шатунный механизм, который всем известен из теоретической механики. На верхней части юбки находится отверстие для пальца, которым соединяется верхняя часть шатуна с поршнем двигателя, шатун зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленчатый вал установлен в подшипниковых опорах, находящихся в картере мотора, когда шатуны начинают двигаться, они вращают коленчатый вал, передавая крутящий момент на приводные колеса. Но переход на колеса происходит не сразу, так как его еще нужно немного усилить или ускорить, с чем прекрасно справляется коробка скоростей, работающая от набора шестерен различного диаметра и с различным передаточным числом. Вращение передается через систему трансмиссионных и промежуточных валов.

Motorhelp.ru диагностика и ремонт двигателя

  • Инжектор-СервисДиагностика и ремонт инжекторных двигателейЧип-тюнингПромывка инжектора
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Основы теории двигателя внутреннего сгорания. Часть 1

Основные понятия и сокращения
Дроссельная заслонка (ДС) – металлическая пластина, жестко соединенная с педалью «газа». При нажатии педали она открывается и в карбюратор или во входной коллектор системы впрыска засасывается больше воздуха, вызывая увеличение оборотов коленчатого вала двигателя.
Топливно-воздушная смесь (ТВС) или горючая смесь – смесь бензина с воздухом приготовляемая карбюратором или системами впрыска, и подаваемая в предклапанную зону Двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Рабочая смесь – смесь ТВС с остаточными газами, которая поджигается свечами зажигания и сгорает в камере сгорания двигателя, приводя в движение поршни и коленчатый вал.
Угол поворота коленчатого вала (УПКВ) – поскольку скорость вращения коленчатого вала изменяется в зависимости от скорости автомобиля, то и длительность процессов, происходящих в работающем двигателе тоже непостоянна и зависит от скорости вращения коленчатого вала. В связи с этим величиной однозначно характеризующей длительность отдельных этапов работы ДВС является УПКВ. Например, полный цикл работы четырехтактного ДВС составляет два оборота коленчатого вала, или 720º УПКВ.
Угол опережения зажигания (УОЗ) – один из основных параметров работы двигателя. Дело в том, что время горения рабочей смеси величина вообще говоря постоянная. Конечно она изменяется в зависимости от качества топлива, характеристик ТВС, температуры, формы и размеров КС и др., но для конкретного двигателя с исправной системой питания она является почти константой. Но так как скорость вращения коленвала постоянно меняется, то и угол опережения зажигания необходимо постоянно подстраивать так, чтобы воспламенение смеси происходило в тот момент, когда поршень находится близко к верху цилиндра (верхней мертвой точке ВМТ). Если же угол опережения зажигания выставлен неправильно, то возможны два случая:
— если УОЗ мал, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ и энергия тратится не на разгон двигателя, а на его торможение. При этом металл камеры сгорания (КС) и клапанов сильно разогреваются, и возникает явление детонации в цилиндрах;
— если УОЗ слишком велик, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень уже прошел ВМТ и под действием инерции маховика идет назад. При этом энергия горения рабочей смеси воздействует на поршень не все время рабочего хода, а только его часть, что значительно снижает мощность двигателя и приводит к перерасходу топлива.
Для обеспечения максимальной мощности ДВС необходимо, чтобы УОЗ был бы как можно меньше, но при этом его значение не переходило ту грань, за которой начинается детонация. Поэтому значение УОЗ выражается формулой , где – установочный угол опережения зажигания, – поправка УОЗ.
Установочный УОЗ определяется по характеристикам двигателя и выставляется или корректируется вручную при установке зажигания. Поправка УОЗ многофункциональна. Она зависит от частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, качества топлива и т.д.
Подробнее про УОЗ здесь.
Детонация – взрывное воспламенение рабочей смеси и ее сгорание со скоростью значительно превышающей обычную скорость сгорания. Сопровождается характерным металлическим стуком и перегревом двигателя. Может привести к повреждению поршней, зеркала цилиндра, клапанов и свечей зажигания.
Электронный блок управления двигателем ЭБУ – предназначен для управления работой ДВС путем анализа информации получаемой от различных датчиков, расположенных в разных местах двигателя, и управления его работой с помощью исполнительных устройств. Главные параметры, с помощью которых ЭБУ воздействует на ДВС, это изменение угла опережения зажигания и количество впрыснутого топлива (качество горючей смеси).
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом двигателя называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности – «впуск», «сжатие», «рабочий ход», «выпуск».
Объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки ВМТ к нижней мертвой точке НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Суммарный рабочий объем всех цилиндров называется литражом двигателя. Объем над поршнем в ВМТ называется объемом камеры сгорания КС. Отношение полного рабочего объема к объему КС называется степенью сжатия. Характеристики работы блока цилиндров представлены в таблице 1.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выражаемые в углах поворота коленчатого вала УПКВ, называется фазами газораспределения. Момент, когда открыты оба клапана, называется углом перекрытия клапанов в районе ВМТ. Сжатие необходимо для создания оптимальных условий горения, для увеличения температуры перепада цикла, для увеличения КПД ДВС.

Читать еще:  Вибрация при работе двигателя дизель

Таблица 1. Характеристики работы блока цилиндров

Название тактаУгол поворота коленчатого валаВпускной клапанВыпускной клапанТемпература КС, ºCДавление в КС, атм.
Впуск0…180ОткрытЗакрыт80-1200. 8
Сжатие180…360ЗакрытЗакрыт200-4006-12
Раб. ход360. 540ЗакрытЗакрыт200040-50
Выпуск540. 720ЗакрытОткрыт500-6000,1 — 1,2

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

Начальная температура воспламенения топливно-воздушной смеси (ТВС)
При увеличении температуры ТВС увеличивается скорость распространения фронта пламени за счет увеличения скорости химических реакций.
За счет увеличения степени сжатия увеличивается одновременно температура и давление ТВС и снижается количество остаточных газов, что увеличивает скорость распространения пламени.
Форма КС влияет на длину фронта пламени и на теплообмен. Чем меньше отношение площади КС к ее объему, тем меньше потери тепла, следовательно, скорость распространения фронта пламени выше.
Угол опережения зажигания должен обеспечить окончание сгорания вблизи ВМТ (10…15º УПКВ), поэтому момент воспламенения смеси должен меняться в зависимости от состава ТВС и нагрузки. При увеличении оборотов двигателя угол опережения зажигания увеличивается.

Читать еще:  Starline a61 датчик температуры двигателя

Основная характеристика ТВС
Расчет состава смеси базируется на соблюдении стехиометрического соотношения количества топлива и воздуха: на один килограмм бензина требуется 14,7 кг воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен:

где – количество воздуха, поступившее во впускной коллектор
λ>1 – обедненная смесь
λ Вернуться Комментариев: 0

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания: общая информация

У большинства современных автомобилей под капотом располагается дизельный, мультитопливный или же бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Концепция его функциональности целиком основана на преобразовании топлива в механическую энергию. Хорошим свойством двигателя внутреннего сгорания стала оптимальная экологичность, потому что топливо перерабатывается внутри, следовательно, есть возможность избавиться от большого количества продуктов горения.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Цилиндрическая форма отсека сгорания в поршневом двигателе оснащена кривошипно-шатунным механизмом трансформации тепловой энергии. Что это значит? Чтобы понять деятельность внутренних химических процессов в цилиндрах двигателя, надо разобрать структуру механической энергии.

Углеводородное топливо сплетено из межмолекулярных связей, разрывающихся в секунды возгорания топлива посредством искры от провода зажигания. Из образующейся смеси выделяется газообразное количество тепловой энергии. Поступательное воздействие поршня оказывает давление на газообразную тепловую энергию, сосредоточенную в узком объёме цилиндра и активирует кривошипно-шатунный механизм.

Следует отметить универсальность заправки топлива самыми различными типами смеси:

  • бензин, дизель, биодизель;
  • биогаз, сжиженный газ, водород;
  • монооксид углерода из угля, торфа, древесины (из встроенного газогенератора).

Поршневые движки также подразделяются по объёму и количеству цилиндров, по размещению распределительных валов и т. п.

Следующим видом двигателей внутреннего сгорания является газотурбинный двигатель. Его устройство основано на выработке механической энергии через лопаточный механизм на валу. Газ под давлением пропускается через статор в корпусе, оставляя на нём кинетическое покрытие и заставляя лопатки крутиться. Лопатки сообщаются с валом благодаря турбинным дискам.

ДВС роторно-поршневые по комплектации идентичны с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, только вместо поршня работает ротор.

В зависимости от типа топлива двигатели внутреннего сгорания популярны в дизельном и бензиновом соотношении. Из карбюратора бензин с кислородным насыщением втягивается в цилиндр, где происходит сжатие и непрерывное сгорание посредством зажигательной искры от электродов свечи.

Инжекторная подача бензина осуществляется через распылитель во впускной коллектор. Концентрация впрыска регулируется механическими и электронными системами. Первые очень похожи на систему впрыска дизельных моторов — аналогичные конструкции, только рабочие давления отличаются.

У дизельного двигателя внутреннего сгорания всё устроено гораздо сложнее. Воздух в цилиндре сильно сжимается, равномерное впрыскивание топлива провоцирует возгорание, в итоге возникает усиленное давление на вращение вала. Если машина габаритная, для повышения быстроходности всё же подключают электрический стартер.

Немного о другом

Но оставим все эти технические подробности. Поговорим немного об истории создания этого эргономичного двигателя внутреннего сгорания. Началось всё с газовой лампы одного французского инженера, его идею подхватили конструкторы для внедрения технологии в реконструирование паровых машин. Кончилась история тем, что изобретатель газовой лампы сам соорудил прототип двигателя внутреннего сгорания, используя свойства изученного им газа.

Пара компрессоров и камера перемешивания в двигателе координировались потоком сжатого воздуха из одной секции в другую, с плотным газом из газогенератора, с конечным попаданием в цилиндр, где смесь возгоралась. По обе стороны поршня находились действующие камеры, т. е. двигатель обладал двойным переменным действием.

На основе этих разработок в дальнейшем придумали зажигать топливовоздушную смесь в цилиндрах посредством искры. Теперь мы пользуемся этим научным достижением в авиационной и транспортной промышленностях, и во многих других отраслях производства.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector