Четырехтактный двигатель

Четырехтактный (IC) , (также четырех циклов ) двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания в котором поршень завершает четыре отдельных удара при повороте коленчатого вала. Инсульт относится к полному перемещению поршня вдоль цилиндра в любом направлении. Четыре отдельных удара называются:
- Потребление : также известно как индукция или всасывание. Этот ход поршня начинается в верхнем мертвом центре (TDC) и заканчивается в нижнем мертвом центре (BDC). На этом ударе впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень тянет в цилиндре воздушную смесь в цилиндр, производя частичный вакуум (отрицательное давление) в цилиндре через его вниз.
- Сжатие : этот ход начинается при BDC или прямо в конце удара всасывания, и заканчивается на TDC. В этом ударе поршень сжимает смесь воздушного топлива при подготовке к зажиганию во время удара мощности (ниже). Как впуск, так и выпускные клапаны закрыты на этом этапе.
- Сгорание : также известное как сила или зажигание. Это начало второй революции четырех инсульта. В этот момент коленчатый вал завершил полную революцию на 360 градусов. В то время как поршень находится в TDC (конец хода сжатия), сжатая сжатая смесь воздушного топлива воспламеняется зажиганием ( в бензиновом двигателе) или нагреваемой нагреванием с помощью высокого сжатия (дизельные двигатели), насильно возвращая поршень к BDC Этот ход производит механическую работу от двигателя, чтобы повернуть коленчатый вал.
- Выхлоп : также известный как выход. Во время удара выхлопа поршень снова возвращается от BDC к TDC, а выпускной клапан открыт. Это действие вытесняет отработанную смесь воздушного топлива через выхлопный порт.
Четырехтактные двигатели являются наиболее распространенной конструкцией двигателя внутреннего сгорания для моторизованного земельного транспорта, [ 1 ] Используется в автомобилях , грузовиках , дизельных поездах , световых самолетах и мотоциклах . Основным альтернативным дизайном является двухтактный цикл . [ 1 ]
История
[ редактировать ]Отто цикл
[ редактировать ]
Николаус Август Отто был путешествующим продавцом за продуктовую проблему. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским экспатриантом Жана Джозефа Этьена Ленуара . В 1860 году Ленуар успешно создал двигатель двойного действия, который работал на освещающем газе с эффективностью 4%. 18 -литровый двигатель Lenoir производил только 2 лошадиных сил. Двигатель Lenoir работал на освещающем газе, сделанном из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном . [ 2 ]
При тестировании копии двигателя Lenoir в 1861 году Отто узнал о влиянии сжатия на заряд топлива. В 1862 году Отто попытался произвести двигатель для повышения плохой эффективности и надежности двигателя Lenoir. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь до зажигания, но потерпел неудачу, так как этот двигатель будет работать не более чем за несколько минут до его уничтожения. Многие другие инженеры пытались решить проблему без успеха. [ 2 ]
В 1864 году Отто и Евген Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания, NA Otto и Cie (Na Otto and Company). В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. [ 2 ] На фабрике не хватало места и был переведен в город Дойц , Германия, в 1869 году, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (компания Deutz Gas Engine Manufacturing). [ 2 ] В 1872 году Готлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Мэйбах был главой дизайна двигателя. Даймлер был оружейником, который работал над двигателем Lenoir. К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжал топливную смеси до сжигания для гораздо более высокой эффективности, чем любой двигатель, созданный в это время.
Daimler и Maybach покинули свои работы в Otto и Cie и разработали первый высокоскоростный двигатель Otto в 1883 году. В 1885 году они произвели первый автомобиль, который будет оснащен двигателем Otto. Daimler Reitwagen использовал систему зажигания горячей трубки и топливо, известное как лигроин , чтобы стать первым в мире транспортным средством, работающим на двигателе внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель на основе дизайна Отто. В следующем году Карл Бенц произвел четырехтактный двигатель, который рассматривается как первый автомобиль. [ 3 ]
В 1884 году компания Отто, тогда известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор. В 1890 году Daimler и Maybach сформировали компанию, известную как Daimler Motoren Gesellschaft . Сегодня эта компания Daimler-Benz .
Цикл Аткинсона
[ редактировать ]
Двигатель Atkinson-Cycle-это тип однопрочного двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона предназначен для обеспечения эффективности за счет плотности мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических применениях.
Оригинальный поршневой двигатель Аткинсон-цикл позволил получить впуск, сжатие, мощность и выхлопные удары четырехтактного цикла за один ход коленчатого вала и был разработан, чтобы не нарушать определенные патенты, покрывающие двигатели Отто-цикла. [ 4 ]
Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала Аткинсона, его коэффициент расширения может отличаться от его коэффициента сжатия, и, с помощью мощного хода дольше, чем его ход сжатия, двигатель может достигать большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель. В то время как оригинальный дизайн Аткинсона - это не более чем историческое любопытство, многие современные двигатели используют нетрадиционное время клапана для создания эффекта более короткого удара сжатия/более длительного мощного удара, что осознает улучшения экономии топлива , которое может обеспечить цикл Аткинсона. [ 5 ]
Дизельный цикл
[ редактировать ]
Дизельный двигатель -это техническая уточнение двигателя Отто-цикла 1876 года. В 1861 году Отто понял, что эффективность двигателя может быть увеличена, сначала сжав топливную смесь перед его зажиганием, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе. освещающем газе Атмосферные и сжательные двигатели Lenoir, Otto и сжатие Otto (как 1861, так и 1876) были разработаны для запуска на (угольный газ) . С такой же мотивацией, что и Otto, Дизель хотел создать двигатель, который даст небольшим промышленным компаниям свой собственный источник электроэнергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как и Отто, уйти от требования быть привязанным к муниципальному поставку топлива. Полем [ Цитация необходима ] Как и Otto, потребовалось более десяти лет, чтобы произвести двигатель с высокой сжатием, который мог бы спрыгнуть в цилиндр. Дизель использовал воздушный спрей в сочетании с топливом в своем первом двигателе.
Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, почти убивая дизельное топливо. Он упорствовал и, наконец, создал успешный двигатель в 1893 году. Двигатель с высокой сжатием, который зажигает его топливо из-за тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, будь то четырехтактный или двухтактный дизайн.
Четырехтактный дизельный двигатель использовался в большинстве тяжелых приложений в течение многих десятилетий. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требует меньшей уточнения для производства. Наиболее эффективные двигатели Отто-цикла работают около 30% тепловой эффективности. [ нужно разъяснения ]
Термодинамический анализ
[ редактировать ]
Термодинамический . анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей Тем не менее, анализ может быть значительно упрощен, если допущения Air Standard [ 6 ] используются. Полученный цикл, который очень напоминает фактические условия работы, является циклом Отто.
Во время нормальной работы двигателя, когда сжимается воздушная/топливная смесь, электрическая искра создается для зажигания смесь. При низком обороне это происходит близко к TDC (верхний мертвый центр). По мере роста оборотов двигателя скорость фронта пламени не меняется, поэтому точка искры развивается ранее в цикле, чтобы обеспечить большую долю цикла для заряда сжимать до сжига до начала мощности. Это преимущество отражается в различных конструкциях двигателей OTTO; Двигатель атмосферного (не сжатия) работает с эффективностью 12%, тогда как двигатель сжатого заряда имеет эффективность работы около 30%.
Топливо соображения
[ редактировать ]Проблема с сжатым зарядным двигателями заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать предварительную жопу. Если это происходит в неподходящее время и слишком энергично, это может повредить двигатель. Различные фракции нефти имеют широко изменяющиеся точки вспышки (температуры, при которых топливо может самостинитировать). Это должно быть принято во внимание в двигателе и проектировании топлива.
Тенденция к сжатой топливной смеси рано воспламеняется химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для размещения различных уровней производительности двигателей. Топливо изменяется, чтобы изменить температуру самостоятельного зажигания. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими коэффициентами сжатия, результатом является то, что предварительная зажигания гораздо чаще встречается, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры до преднамеренного зажигания. Более высокая температура более эффективно испаряет топливо, такое как бензин, что повышает эффективность сжатого двигателя. Более высокие коэффициенты сжатия также означают, что расстояние, которое поршень может настаивать на создании мощности, больше (которое называется коэффициентом расширения ).
Октановый рейтинг данного топлива является мерой сопротивления топлива к самообеспечению. Топливо с более высоким численным октановым рейтингом обеспечивает более высокий коэффициент сжатия, который извлекает большую энергию из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания. Высокое октановое топливо также дороже.
Многие современные четырехтактные двигатели используют прямую инъекцию бензина или GDI. В двигателе с прямым впрыском бензина форсунка инжектора выступает в камеру сгорания. Прямая топливная инжектор вводит бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время удара сжатия, когда поршень находится ближе к вершине. [ 7 ]
Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительной жопами. Они обеспокоены тем, можно ли начать сгорание или нет. Описание того, насколько вероятно, что дизельное топливо зажигает, называется Цетановым рейтингом. Поскольку дизельное топливо имеет низкую волатильность, их может быть очень трудно начать при холоде. Различные методы используются для запуска холодного дизельного двигателя, наиболее распространенным из которых является использование свечи светильника .
Принципы проектирования и инженерии
[ редактировать ]Ограничения выходной мощности
[ редактировать ]
1 = TDC
2 = BDC
A: Потребление
B: сжатие
C: Power
D: выхлоп
Максимальное количество энергии, генерируемой двигателем, определяется максимальным количеством проглатываемого воздуха. Количество энергии, генерируемое поршневым двигателем, связано с его размером (объем цилиндра), будь то двухтактный двигатель или четырехтактный конструкция, объемная эффективность , потери, соотношение воздуха к топливу, калорийное значение Топливо, содержание кислорода в воздухе и скорости ( оборотная оборота ). Скорость в конечном итоге ограничена прочностью материала и смазкой . Клапаны, поршни и шатуны страдают сильными силами ускорения. При высокой скорости двигателя физическая поломка и поршневое кольцо может возникнуть , что приведет к потере мощности или даже разрушению двигателя. Поршневое кольцо трепетание возникает, когда кольца колеблются вертикально в рамках поршневых канавок, в которых они проживают. Кольцевое трепетание компромирует уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает потерю давления и мощности цилиндра. Если двигатель вращается слишком быстро, пружины Valve не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Это обычно называют ' Valve Float ', и это может привести к тому, что поршень к контакту клапана сильно повреждает двигатель. На высоких скоростях смазка раздела поршневого цилиндра имеет тенденцию разрушаться. Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей примерно 10 м/с.
Потребление впуска/выхлопного порта
[ редактировать ]Выходная мощность двигателя зависит от способности приема (воздушная смесь) и выхлопных веществ для быстрого перемещения через порты клапанов, обычно расположенные в головке цилиндра . Чтобы увеличить выходную мощность двигателя, могут быть удалены нарушения в пути впускного и выхлопного выхлопа, такие как недостатки литья, и, с помощью скамейки воздушного потока , радиусы порта клапана могут быть изменены, чтобы уменьшить сопротивление. Этот процесс называется портированием , и он может быть сделан вручную или с помощью машины с ЧПУ .
Уточнение отходов двигателя внутреннего сгорания
[ редактировать ]Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовать только 40-45% поставляемой энергии в механическую работу. Большая часть энергии отходов находится в форме тепла, которая выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, плавники и т. Д. Если каким -то образом отходы могут быть захвачены и превращены в механическую энергию, производительность и/или топливная эффективность двигателя могут быть улучшены Повышение общей эффективности цикла. Было обнаружено, что даже если 6% полностью потраченного впустую тепла восстанавливается, это может значительно повысить эффективность двигателя. [ 8 ]
Многие методы были разработаны для извлечения отходов от выхлопного газа и использовать его для извлечения некоторой полезной работы, одновременно уменьшая загрязняющие вещества выхлопных газов. Использование цикла Ранкина , турбонаддува и термоэлектрического генерации может быть очень полезным в качестве системы восстановления отходов .
Надгробие
[ редактировать ]Одним из способов увеличения мощности двигателя является усиление воздуха в цилиндре, чтобы можно было производить больше мощности с каждого хода питания. Это может быть сделано с помощью некоторого типа устройства сжатия воздуха, известного как нагнетатель , который можно питать коленчатым валом двигателя.
Нагрузка увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания по сравнению с его смещением. Чаще всего нагнетатель всегда работает, но были конструкции, которые позволяют его вырезать или работать на различных скоростях (относительно скорости двигателя). Механически управляемое нагрузка имеет невыгодное положение, которое используется часть выходной мощности для управления нагнетателем, в то время как мощность тратится на выхлоп высокого давления. на одном этапе.
Турбонаддув
[ редактировать ]Турбокомпрессор - это нагнетатель, который управляется выхлопными газами двигателя с помощью турбины . Турбокомпрессор включен в выхлопную систему транспортного средства, чтобы использовать исключенный выхлоп. Он состоит из двухэтажной высокоскоростной турбины с одной стороной, которая сжимает впускной воздух, а также с другой стороны, которая питается от оттока выхлопного газа.
При холостом ходу и при низких до умеренных скоростях турбина производит небольшую мощность от небольшого объема выхлопных газов, турбокомпрессор мало влияет, и двигатель работает почти естественным образом. Когда требуется гораздо больше выходной мощности, скорость двигателя и отверстие дроссельной заслонки увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными для «развертки» турбины турбокомпрессора, чтобы начать сжимать гораздо больше воздуха, чем обычно в впускной коллектор. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) исключена через функцию этой турбины.
Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя, потому что оно приводится в движение давлением выхлопных газов, которое в противном случае было бы (в основном) потрачено впустую, но существует конструктивное ограничение, известное как турбо -отставание . Повышенная мощность двигателя не сразу доступна из -за необходимости резкого увеличения оборотов двигателя, для повышения давления и вращения турбо, прежде чем турбопет начнет делать какое -либо полезное сжатие воздуха. Увеличенный объем впуска вызывает увеличение выхлопных газов и вращается быстрее турбо, и т. Д. До тех пор, пока не будет достигнута устойчивая высокая мощность. Другая трудность заключается в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопную газ переносить больше тепла в механические части двигателя.
Соотношение стержни и поршня к удару
[ редактировать ]Соотношение стержня к удару-это отношение длины соединительного стержня к длине хода поршня. Более длинный стержень уменьшает побочное давление поршня на стенке цилиндра и сил напряжений, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и высоту и вес двигателя.
«Квадратный двигатель» - это двигатель с диаметром отверстия, равный длине такта. Двигатель, в котором диаметр отверстия больше, чем его ход, представляет собой двигатель квадратного квадрата , наоборот, двигатель с диаметром отверстия, который меньше его длины удара, является двигателем недостаточного квадрата.
Клапанский поезд
[ редактировать ]Клапаны обычно управляются распределительным валом, вращающимся на половине скорости коленчатого вала . Он имеет серию кулачков по своей длине, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части потребления или выхлопного хода. Тайп между клапаном и кулачкой - это контактная поверхность, на которой кулака скользит, чтобы открыть клапан. Многие двигатели используют один или несколько распределительных валов «выше» строки (или каждую строку) цилиндров, как на иллюстрации, на которой каждый кулачок непосредственно ведет клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателя распределительный вал находится в картере , и в этом случае каждая кулачка обычно контактирует с толстой , которая контактирует с рычагом , который открывает клапан, или в случае пластинного двигателя не требуется толкающий стержень. Конструкция накладного камеры обычно обеспечивает более высокую скорость двигателя, потому что он обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.
Клен клапан
[ редактировать ]Зазор клапана относится к небольшому разрыву между подъемником клапана и стеблем клапана, который гарантирует, что клапан полностью закрывается. На двигателях с регулировкой механического клапана чрезмерное зазор вызывает шум от поезда клапана. Слишком маленький зазор клапана может привести к тому, что клапаны не закрываются должным образом. Это приводит к потере производительности и, возможно, перегреву выпускных клапанов. Как правило, зазоры должны быть перенастроены каждые 20 000 миль (32 000 км) с калибром.
Большинство современных производственных двигателей используют гидравлические подъемники для автоматической компенсации износа компонентов поезда клапана. Грязное моторное масло может вызвать сбой подъема.
Энергетический баланс
[ редактировать ]Двигатели Отто примерно на 30% эффективны; Другими словами, 30% энергии, генерируемой сгоранием, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, в то время как оставшаяся часть теряется из -за тепла, трения и аксессуаров двигателя. [ 9 ] Есть ряд способов восстановления некоторых энергии, потерянной для отходов тепла. Использование турбокомпрессора в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления входящего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, как и больше. Компания Mack Truck, десятилетия назад, разработала турбинную систему, которая превращала тепло отходов в кинетическую энергию, которую она возвращалась в передачу двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке Turbosteamer , двухэтапной системы тепло-рекуперации, аналогичной системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии в выхлопном газе и повышает эффективность двигателя Otto на 15%. [ 10 ] Напротив, шестипрочный двигатель может снизить расход топлива на целых 40%.
Современные двигатели часто намеренно создаются, чтобы быть немного менее эффективными, чем они могли бы быть иначе. Это необходимо для контролей эмиссии, таких как рециркуляция выхлопных газов и каталитические конвертеры , которые уменьшают смог и другие загрязнители атмосферы. Снижение эффективности может быть противодействовано блоком управления двигателем с использованием методов Lean Burn . [ 11 ]
В Соединенных Штатах средняя корпоративная экономия топлива требует, чтобы транспортные средства должны достичь в среднем 34,9 миль на галлон (6,7 л/100 км; 41,9 миль на галлон ) по сравнению с текущим стандартом 25 миль на галлон (9,4 л/100 км ; 30,0 миль на галлон ). [ 12 ] новые способы инженерии традиционного двигателя внутреннего сгорания Поскольку автопроизводители стремятся соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо учитывать (ICE). Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых мандатов включают стрельбу после того, как поршень дальше всего от коленчатого вала, известный как верхний мертвый центр , и применение цикла Миллера . Вместе эта редизайн может значительно снизить расход топлива и Нет x выбросов.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный "4-XLOKE ДВИГАТЕЛИ: Что они и как они работают?" Полем UTI. 5 мая 2020 года . Получено 19 ноября 2021 года .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый «125 Jahre Viertaktmotor» [125 лет четырехтактного двигателя]. Клуб Oldtimer Николаус Август Отто Э.В. (на немецком языке). Германия. 2009. Архивировано из оригинала 7 мая 2011 года.
- ^ Ральф Стейн (1967). Автомобильная книга. Paul Hamlyn Ltd
- ^ США 367496 , Дж. Аткинсон, «Газовый двигатель», выпущен 1887-08-02
- ^ «Автотехнологии: двигатели и гибриды Atkinson Cycle» . Autos.ca . 14 июля 2010 года . Получено 23 февраля 2013 года .
- ^ «Лучшее место для инженерии и технологий, допущений воздушного стандарта» . Архивировано из оригинала 21 апреля 2011 года.
- ^ «Четырехтактный двигатель: как он работает, анимация» . testingautos.com . Получено 25 января 2020 года .
- ^ Sprouse III, Чарльз; Depcik, Кристофер (1 марта 2013 г.). «Обзор органических циклов Ранкина для внутреннего двигателя сгорания. Отвращение отходов отходов отходов». Прикладная тепловая инженерия . 51 (1–2): 711–722. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2012.10.017 .
- ^ Феррейра, Омар Кампос (март 1998 г.). «Эффективность внутренних сжигающих двигателей» . Экономика и энергия (на португальском языке). Бразилия . Получено 11 апреля 2016 года .
- ^ Нефф, Джон (9 декабря 2005 г.). «BMW Turbo Steamer становится горячим и уходит» . Autoblog . Получено 11 апреля 2016 года .
- ^ Файз, Асиф; Уивер, Кристофер С.; Уолш, Майкл П. (1996). Загрязнение воздуха от автомобилей: стандарты и технологии для контроля выбросов . Публикации Всемирного банка. ISBN 9780821334447 .
- ^ «Экономия топлива» . США: Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) . Получено 11 апреля 2016 года .
Общие источники
[ редактировать ]- Харденберг, Хорст О. (1999). Средние века двигателя внутреннего сгорания . Общество автомобильных инженеров (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8 .
- scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
- Сенгель, Юнус А; Майкл А. Болес; Ялинг Хе (2009). Термодинамика инженерный подход. Гнездо McGraw Hill Companies. ISBN 978-7-121-08478-2 .
- Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «4 -ударный двигатель внутреннего сгорания» . п. Национальная авиационная и космическая администрация . Получено 5 мая 2011 года .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Патент США 194 047
- Четыре удара по анимации двигателя
- Подробные анимации двигателя архивировали 25 июня 2017 года на машине Wayback
- Как работают автомобильные двигатели
- Анимированные двигатели, четыре удара , еще одно объяснение четырехтактного двигателя.
- CDX E Учебник , несколько видео компонентов автомобилей в действии.
- Новый 4 ход