Составные части двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания бывают самых разных типов, но имеют определенное сходство между собой и, следовательно, имеют много общих типов компонентов.

Камеры сгорания

до 36 ( Lycoming R-7755 Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество камер сгорания (цилиндров), обычно их число составляет от одной до двенадцати, хотя использовалось ). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: во-первых, двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшими отдельными возвратно-поступательными массами, то есть масса каждого поршня может быть меньше, что обеспечивает более плавную работу двигателя, поскольку двигатель имеет тенденцию вибрировать. в результате перемещения поршней вверх и вниз. Удвоение количества цилиндров одинакового размера позволит удвоить крутящий момент и мощность. Обратной стороной большего количества поршней является то, что двигатель будет иметь тенденцию весить больше и создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть цилиндров. Это имеет тенденцию снижать топливную экономичность и лишает двигатель части мощности. Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, в которых используются современные материалы и технологии, таких как двигатели современных автомобилей, по-видимому, существует точка около 10 или 12 цилиндров, после которой добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности. Хотя такие исключения, как Двигатель W16 от Volkswagen существует.

Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, некоторые высокопроизводительные автомобили — десять, 12 или даже 16, а некоторые очень маленькие легковые и грузовые автомобили — два или три. В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92 , имели двухцилиндровые или двухтактные двигатели.
Радиальные авиационные двигатели имели от трех до 28 цилиндров; примеры включают небольшой Kinner B-5 и большой Pratt & Whitney R-4360 . Более крупные примеры были построены в несколько строк. Поскольку каждый ряд содержит нечетное количество цилиндров, чтобы обеспечить четную последовательность зажигания для четырехтактного двигателя, четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым крупным из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но в производство он не пошел.
Мотоциклы обычно имеют от одного до четырех цилиндров, а некоторые высокопроизводительные модели имеют шесть цилиндров; хотя есть некоторые «новинки» с 8, 10 или 12.
Снегоходы Обычно имеют от одного до четырех цилиндров и могут быть как двухтактными, так и четырехтактными, обычно в рядной конфигурации; однако с двигателями V-4 снова есть некоторые новинки.
Небольшие портативные приборы, такие как бензопилы , генераторы и бытовые газонокосилки , чаще всего имеют один цилиндр, но существуют и двухцилиндровые бензопилы.
Большие реверсивные двухтактные судовые дизели имеют от трех до десяти и более цилиндров. Грузовые тепловозы обычно имеют от 12 до 20 цилиндров из-за нехватки места, поскольку более крупные цилиндры занимают больше места (объема) на кВтч из-за ограничения средней скорости поршня менее 30 футов / с на двигателях, срок службы которых превышает 40 000 часов под нагрузкой. полная мощность.

Система зажигания

Система зажигания двигателей внутреннего сгорания зависит от типа двигателя и используемого топлива. Бензиновые двигатели обычно зажигаются от точно рассчитанной искры, а дизельные двигатели - от сжатия . Исторически с внешним пламенем и горячими трубками использовались системы , см. Двигатель с горячей лампой .

Искра

В двигателе с искровым зажиганием смесь воспламеняется электрической искрой свечи зажигания , момент зажигания которой очень точно контролируется. Почти все бензиновые двигатели относятся к этому типу. Время в дизельных двигателях точно контролируется нагнетательным насосом и форсункой. Нормальное расстояние между свечами зажигания составляет 1 мм, а напряжение составляет 3000 В при нормальных атмосферных условиях.

Сжатие

Воспламенение происходит, когда температура топливно-воздушной смеси превышает температуру ее самовоспламенения из-за тепла, выделяемого при сжатии воздуха во время такта сжатия. Подавляющее большинство двигателей с воспламенением от сжатия представляют собой дизели, в которых топливо смешивается с воздухом после того, как воздух достиг температуры воспламенения. В данном случае синхронизация происходит от системы впрыска топлива. В двигателях очень небольших моделей, для которых простота и легкий вес важнее затрат на топливо, используется легковоспламеняющееся топливо (смесь керосина, эфира и смазочного материала) и регулируемая компрессия для управления моментом зажигания при запуске и работе.

Момент зажигания

Для поршневых двигателей точка цикла, в которой воспламеняется топливно-окислительная смесь, оказывает прямое влияние на КПД и мощность ДВС. Термодинамика . идеализированного теплового двигателя Карно говорит нам, что ДВС наиболее эффективен, если большая часть сгорания происходит при высокой температуре в результате сжатия — вблизи верхней мертвой точки На скорость фронта пламени напрямую влияют степень сжатия , температура топливной смеси , а также октановое или цетановое число топлива. Более бедные смеси и более низкое давление смеси сгорают медленнее, что требует более раннего опережения зажигания . Важно, чтобы горение распространялось за счет теплового фронта пламени ( дефлаграция ), а не за счет ударной волны. Распространение сгорания ударной волной называется детонацией , а в двигателях также известно как стук или стук в двигателе .

Таким образом, по крайней мере, в бензиновых двигателях момент зажигания представляет собой в значительной степени компромисс между более поздней «запаздывающей» искрой, которая обеспечивает большую эффективность при использовании высокооктанового топлива, и более ранней «усовершенствованной» искрой, которая позволяет избежать детонации при использовании используемого топлива. По этой причине сторонники высокопроизводительных дизельных автомобилей, такие как Гейл Бэнкс , считают, что

Пока что можно использовать двигатель с воздушной дроссельной заслонкой и бензин с октановым числом 91. Другими словами, именно топливо, бензин, стало ограничивающим фактором. ... Хотя турбонаддув применяется как к бензиновым, так и к дизельным двигателям, к бензиновому двигателю можно добавить лишь ограниченное наддув, прежде чем октановое число топлива снова станет проблемой. У дизеля давление наддува практически не ограничено. Буквально возможно запустить столько наддува, сколько двигатель физически выдержит, прежде чем развалится. Следовательно, конструкторы двигателей пришли к выводу, что дизели способны развивать значительно большую мощность и крутящий момент, чем любой бензиновый двигатель сопоставимых размеров. ^[1]

Топливные системы

Анимированная схема типичной топливной форсунки — устройства, используемого для подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания.

Топливо сгорает быстрее и эффективнее, когда оно обеспечивает большую площадь поверхности для кислорода воздуха. Жидкое топливо необходимо распылять для создания топливно-воздушной смеси, традиционно это делалось с помощью карбюратора в бензиновых двигателях и с впрыском топлива в дизельных двигателях. В большинстве современных бензиновых двигателей теперь также используется впрыск топлива, хотя технология совершенно другая. Хотя дизельное топливо должно впрыскиваться в определенный момент цикла двигателя, в бензиновом двигателе такая точность не требуется. Однако отсутствие смазывающей способности бензина означает, что сами форсунки должны быть более сложными.

Карбюратор

В более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр по-прежнему используется карбюратор. Хотя технология карбюраторов в автомобилях достигла очень высокой степени сложности и точности, с середины 1980-х годов она уступила в стоимости и гибкости системе впрыска топлива. Простые формы карбюраторов по-прежнему широко используются в небольших двигателях, таких как газонокосилки, а более сложные формы по-прежнему используются в небольших мотоциклах.

Впрыск топлива

Более крупные бензиновые двигатели, используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива (см. « Прямой впрыск бензина »). В дизельных двигателях всегда использовалась система впрыска топлива, поскольку время впрыска инициирует и контролирует сгорание.

В двигателях, работающих на газе, используются либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.

Топливный насос

Большинству двигателей внутреннего сгорания теперь требуется топливный насос. В дизельных двигателях используется полностью механическая прецизионная насосная система, которая обеспечивает впрыск по времени непосредственно в камеру сгорания, поэтому для преодоления давления в камере сгорания требуется высокое давление нагнетания. Впрыск бензинового топлива подается во впускной тракт при атмосферном давлении (или ниже), и синхронизация не задействована, эти насосы обычно приводятся в действие электрическим приводом. Газотурбинные и ракетные двигатели используют электрические системы.

Другой

В других двигателях внутреннего сгорания, таких как реактивные двигатели и ракетные двигатели, используются различные методы подачи топлива, включая ударные струи, сдвиг газа и жидкости, предварительные горелки и другие.

Система впуска окислителя и воздуха

Некоторые двигатели, такие как твердотопливные ракеты, уже содержат окислители в камере сгорания, но в большинстве случаев для того, чтобы произошло горение, в камеру сгорания должна подаваться непрерывная подача окислителя.

Безнаддувные двигатели

Когда воздух используется в поршневых двигателях, он может просто всасывать его, поскольку поршень увеличивает объем камеры. Однако это дает максимальную разницу давления на впускных клапанах в 1 атмосферу, а на высоких оборотах двигателя возникающий поток воздуха может ограничить потенциальную мощность.

Нагнетатели и турбокомпрессоры

Нагнетатель — это система « принудительной индукции », в которой используется компрессор, приводимый в действие валом двигателя, который нагнетает воздух через клапаны двигателя для достижения более высокого расхода. При использовании этих систем максимальное абсолютное давление на впускном клапане обычно примерно в 2 раза превышает атмосферное давление или более.

Турбокомпрессоры — это еще один тип системы принудительной индукции, компрессор которой приводится в действие газовой турбиной, отводящей выхлопные газы двигателя.

Турбокомпрессоры и нагнетатели особенно полезны на больших высотах и часто используются в авиационных двигателях .

Канальные реактивные двигатели используют ту же базовую систему, но вместо поршневого двигателя заменяют его горелкой.

Жидкости

В жидкостных ракетных двигателях окислитель имеет форму жидкости, и его необходимо подавать под высоким давлением (обычно 10–230 бар или 1–23 МПа) в камеру сгорания. Обычно это достигается за счет использования центробежного насоса с приводом от газовой турбины — конфигурация, известная как турбонасос , но она также может работать под давлением .

Части

Ключевые части четырехтактного шатун двигателя включают коленчатый вал (фиолетовый), ( оранжевый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны . Для двухтактного двигателя вместо системы клапанов может быть просто выпускной патрубок и впускной патрубок для топлива. В двигателях обоих типов имеется один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра имеется свеча зажигания (темно-серая, только для бензиновых двигателей), поршень (желтый) и шатун (фиолетовый). Одиночный проход цилиндра поршнем вверх или вниз называется ходом. Ход вниз, который происходит непосредственно после прохождения топливовоздушной смеси из карбюратора или топливной форсунки в цилиндр (где она воспламеняется), также известен как рабочий ход.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, который вращается в эпитрохоидальной камере (форма фигуры 8) вокруг эксцентрикового вала. Четыре фазы работы (впуск, сжатие, мощность и выпуск) происходят в движущейся камере переменного объема.

Клапаны

Во всех четырехтактных двигателях внутреннего сгорания используются клапаны для контроля поступления топлива и воздуха в камеру сгорания. В двухтактных двигателях в отверстии цилиндра используются отверстия, закрытые и открытые поршнем, хотя существовали и другие варианты, такие как выпускные клапаны.

Поршневые клапаны двигателя

В поршневых двигателях клапаны сгруппированы на «впускные клапаны», которые пропускают топливо и воздух, и «выпускные клапаны», которые позволяют выхлопным газам выходить. Каждый клапан открывается один раз за цикл, а те, которые подвергаются экстремальным ускорениям, удерживаются закрытыми пружинами, которые обычно открываются стержнями, вращающимися на распределительном валу, двигателя вращающемся вместе с коленчатым валом .

Регулирующие клапаны

Двигатели непрерывного сгорания, как и поршневые двигатели, обычно имеют клапаны, которые открываются и закрываются для впуска топлива и/или воздуха при запуске и остановке. Некоторые клапаны регулируются для регулирования потока и контроля мощности или частоты вращения двигателя.

Выхлопные системы

Двигатели внутреннего сгорания должны эффективно управлять выхлопом охлажденных газов сгорания из двигателя. Выхлопная система часто содержит устройства для контроля как химического, так и шумового загрязнения. Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания выхлопная система часто настраивается для улучшения опорожнения камеры сгорания. Большинство выхлопных систем также имеют системы, предотвращающие попадание тепла в места, которые могут быть повреждены, например, на термочувствительные компоненты, часто называемые « управление теплом выхлопных газов» .

В реактивных двигателях внутреннего сгорания «выхлопная система» имеет форму высокоскоростного сопла , которое создает тягу двигателя и образует коллимированную струю газа, которая и дала двигателю его название.

Системы охлаждения

При сгорании выделяется большое количество тепла, часть которого передается стенкам двигателя. Отказ произойдет, если корпус двигателя нагреется до слишком высокой температуры; либо двигатель выйдет из строя физически, либо используемые смазочные материалы испортятся до такой степени, что перестанут защищать двигатель. Смазочные материалы должны быть чистыми, поскольку грязные смазочные материалы могут привести к чрезмерному образованию отложений в двигателях.

В системах охлаждения обычно используется воздушное ( с воздушным охлаждением ) или жидкостное (обычно водяное ) охлаждение, тогда как в некоторых очень горячих двигателях используется радиационное охлаждение (особенно в некоторых ракетных двигателях ). В некоторых высотных ракетных двигателях используется абляционное охлаждение, при котором стенки постепенно контролируемым образом разрушаются. В частности, ракеты могут использовать регенеративное охлаждение , при котором топливо используется для охлаждения твердых частей двигателя.

Поршень

Поршень является составной частью поршневых двигателей . Он расположен в цилиндре и герметичен поршневыми кольцами . Его цель — передать силу от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шток поршня и/или шатун . В двухтактных двигателях поршень также действует как клапан , закрывая и открывая отверстия в стенке цилиндра.

Выдвижное сопло

Для реактивных форм двигателей внутреннего сгорания имеется метательное сопло. Он принимает выхлопные газы высокой температуры и высокого давления, расширяет и охлаждает их. Выхлоп покидает сопло, двигаясь с гораздо более высокой скоростью и обеспечивая тягу, а также сужая поток из двигателя и повышая давление в остальной части двигателя, обеспечивая большую тягу выходящей массы выхлопных газов.

Коленчатый вал

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания в конечном итоге вращают вал. Это означает, что линейное движение поршня необходимо преобразовать во вращение. Обычно это достигается с помощью коленчатого вала.

Маховики

Маховик представляет собой диск или колесо, прикрепленное к кривошипу, образующее инерционную массу , запасающую энергию вращения. В двигателях только с одним цилиндром маховик необходим для передачи энергии из рабочего такта в последующий такт сжатия. Маховики присутствуют в большинстве поршневых двигателей для сглаживания подачи мощности при каждом обороте кривошипа, а в большинстве автомобильных двигателей также имеется зубчатый венец для стартера. Инерция вращения маховика также позволяет значительно снизить минимальную скорость без нагрузки, а также улучшает плавность хода на холостом ходу. Маховик также может выполнять часть балансировки системы и, таким образом, сам по себе быть разбалансированным, хотя в большинстве двигателей используется нейтральный баланс для маховика, что позволяет его балансировать отдельной операцией. Маховик также используется в качестве опоры для сцепления или гидротрансформатора в большинстве автомобильных применений.

Стартовые системы

Всем двигателям внутреннего сгорания требуется какая-то система для запуска их в работу. В большинстве поршневых двигателей используется стартер, питаемый от той же батареи, что и остальные электрические системы. Большие реактивные двигатели и газовые турбины запускаются с помощью пневматического двигателя , который приводится в движение одним из приводных валов двигателя. Сжатый воздух может подаваться от другого двигателя, наземной установки или от ВСУ самолета . Небольшие двигатели внутреннего сгорания часто запускаются с помощью троса. Мотоциклы всех размеров традиционно запускались с помощью двигателя, хотя все, кроме самых маленьких, теперь имеют электрический запуск. Большие стационарные и судовые двигатели можно запускать путем впрыска сжатого воздуха в цилиндры по времени, а иногда и с помощью картриджей. Запуск от внешнего источника относится к помощи другого аккумулятора (обычно, когда установленный аккумулятор разряжен), а запуск от удара относится к альтернативному методу запуска с помощью какой-либо внешней силы, например, скатывания с холма.

Системы теплозащиты

Эти системы часто работают в сочетании с системами охлаждения двигателя и выхлопной системой. Теплозащита необходима для предотвращения повреждения термочувствительных компонентов теплом двигателя. В большинстве старых автомобилей используется простая стальная теплозащита для уменьшения теплового излучения и конвекции . В настоящее время для современных автомобилей наиболее распространенным является использование алюминиевой теплозащиты, которая имеет меньшую плотность , легко поддается формовке и не подвергается коррозии так же, как сталь . В автомобилях с более высокими характеристиками начинают использовать керамическую теплозащиту, поскольку она может выдерживать гораздо более высокие температуры, а также дальнейшее снижение теплопередачи.

Системы смазки

Двигатели внутреннего сгорания требуют смазки в работе , чтобы движущиеся части плавно скользили друг по другу. Недостаточная смазка приводит к соприкосновению деталей двигателя с металлом, трению, перегреву, быстрому износу, который часто завершается сваркой деталей трением, например, поршни в цилиндрах. подшипников с большими головками Заклинивание иногда приводит к поломке шатуна и его высовыванию через картер.

Используются несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в индукционный поток в виде распыления. Ранние тихоходные стационарные и судовые двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в паровых двигателях того времени, а тендер для двигателей заполнял их по мере необходимости. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к весу привела к увеличению скорости, более высоким температурам и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением для кривошипных подшипников и шатунных шеек . Это обеспечивалось либо прямой смазкой от насоса, либо косвенно струей масла, направленной на приемные чашки на концах шатуна, что имело то преимущество, что обеспечивало более высокое давление по мере увеличения частоты вращения двигателя.

Системы управления

Большинству двигателей требуется одна или несколько систем для запуска и остановки двигателя, а также для управления такими параметрами, как мощность, скорость, крутящий момент, загрязнение окружающей среды, температура сгорания и эффективность, а также для стабилизации двигателя в режимах работы, которые могут вызвать самоповреждение, например как преждевременное зажигание . Такие системы можно назвать блоками управления двигателем .

Многие системы управления сегодня являются цифровыми и часто называются системами FADEC (полное цифровое электронное управление).

Диагностические системы

Бортовая диагностика двигателя (также известная как OBD) — это компьютеризированная система, позволяющая проводить электронную диагностику силовой установки автомобиля. Первое поколение, известное как OBD1 , было представлено через 10 лет после того, как Конгресс США принял Закон о чистом воздухе в 1970 году как способ контроля системы впрыска топлива автомобиля. OBD2 , второе поколение компьютеризированной бортовой диагностики, было кодифицировано и рекомендовано Калифорнийским советом по воздушным ресурсам в 1994 году и стало обязательным оборудованием на всех транспортных средствах, продаваемых в США с 1996 года. Также применяется во всех автомобилях.

См. также

Ссылки

^ Дизель — Выбор производительности. Архивировано 13 июня 2008 г. в Wayback Machine , Banks Talks Tech, 19.11.04.

Внешние ссылки

Компоненты двигателя внутреннего сгорания

[1] Дизель — Выбор производительности. Архивировано 13 июня 2008 г. в Wayback Machine , Banks Talks Tech, 19.11.04.

[1]