Двигатель внутреннего сгорания ( ДВС или ДВС ) — тепловой двигатель , в котором сгорание топлива происходит с окислителем ( обычно воздухом) в камере сгорания , являющейся неотъемлемой частью контура движения рабочего тела . В двигателе внутреннего сгорания расширение газов с высокой температурой и высоким давлением , образующихся при сгорании, оказывает прямое воздействие на некоторые компоненты двигателя. Сила обычно прикладывается к поршням ( поршневой двигатель ), лопаткам турбины ( газовая турбина ), ротору (двигатель Ванкеля) или соплу ( реактивный двигатель ). Эта сила перемещает компонент на расстояние, преобразуя химическую энергию в кинетическую энергию , которая используется для приведения в движение, перемещения или приведения в действие того, к чему прикреплен двигатель.
Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром около 1860 года, [1] а первый современный двигатель внутреннего сгорания, известный как двигатель Отто , был создан в 1876 году Николаусом Отто . Термин « двигатель внутреннего сгорания» обычно относится к двигателю, в котором сгорание является прерывистым , например, к более знакомым двухтактным и четырехтактным поршневым двигателям, а также к вариантам, таким как шеститактный поршневой двигатель и роторный двигатель Ванкеля . Второй класс двигателей внутреннего сгорания использует непрерывное сгорание: газовые турбины , реактивные двигатели и большинство ракетных двигателей , каждый из которых является двигателем внутреннего сгорания по тому же принципу, что был описан ранее. [1] [2] ( Огнестрельное оружие также является разновидностью двигателя внутреннего сгорания, [2] хотя оно настолько специализировано, что его обычно рассматривают как отдельную категорию, наряду с таким вооружением, как минометы и зенитные пушки.) В Напротив, в двигателях внешнего сгорания , таких как паровые двигатели или двигатели Стирлинга , энергия передается рабочему телу, не состоящему из продуктов сгорания, не смешанному с ними и не загрязненному ими. Рабочие жидкости для двигателей внешнего сгорания включают воздух, горячую воду, воду под давлением или даже нагретый в котле жидкий натрий .
Хотя существует множество стационарных приложений, большинство ДВС используются в мобильных приложениях и являются основным источником питания для таких транспортных средств , как автомобили , самолеты и лодки . ДВС обычно работают на углеводородном топливе, таком как природный газ , бензин , дизельное топливо или этанол . Возобновляемые виды топлива , такие как биодизель, используются в двигателях с воспламенением от сжатия (CI), а биоэтанол или ЭТБЭ (этил-трет-бутиловый эфир), получаемый из биоэтанола, в двигателях с искровым зажиганием (SI). Еще в 1900 году изобретатель дизельного двигателя Рудольф Дизель использовал арахисовое масло для работы своих двигателей. [3] Возобновляемые виды топлива обычно смешиваются с ископаемым топливом. Водород , который используется редко, можно получить либо из ископаемого топлива, либо из возобновляемых источников энергии.
Различные ученые и инженеры внесли свой вклад в разработку двигателей внутреннего сгорания. В 1791 году Джон Барбер разработал газовую турбину . В 1794 году Томас Мид запатентовал газовый двигатель . Также в 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель внутреннего сгорания, который также первым использовал жидкое топливо , и примерно в это же время построил двигатель. В 1798 году Джон Стивенс построил первый американский двигатель внутреннего сгорания. В 1807 году французские инженеры Нисефор Ньепс (который впоследствии изобрел фотографию ) и Клод Ньепс разработали прототип двигателя внутреннего сгорания, использующий контролируемые взрывы пыли, Пиреолофор , патент на который получил Наполеон Бонапарт . Этот двигатель приводил в движение лодку на реке Сона во Франции. [4] [5] В том же году швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз изобрел двигатель внутреннего сгорания на водородной основе и привел его в действие электрической искрой. В 1808 году Де Риваз приспособил свое изобретение к примитивному рабочему транспортному средству – «первому в мире автомобилю с двигателем внутреннего сгорания». [6] В 1823 году Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания, который стал применяться в промышленности.
В 1854 году в Великобритании итальянские изобретатели Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи получили сертификат: «Получение движущей силы путем взрыва газов». В 1857 году Патентное бюро Большой печати выдало им патент № 1655 на изобретение «Усовершенствованного устройства для получения движущей силы из газов». [7] [8] [9] [10] Барсанти и Маттеуччи получили другие патенты на то же изобретение во Франции, Бельгии и Пьемонте между 1857 и 1859 годами. [11] [12] В 1860 году бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар создал газовый двигатель внутреннего сгорания. [13] В 1864 году Николаус Отто запатентовал первый атмосферный газовый двигатель. В 1872 году американец Джордж Брайтон изобрел первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе. В 1876 году Николаус Отто начал работать с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом , запатентовал четырехтактный двигатель со сжатым зарядом. В 1879 году Карл Бенц запатентовал надежный двухтактный бензиновый двигатель. Позднее, в 1886 году, Бенц начал первое коммерческое производство автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, в котором трехколесный четырехтактный двигатель и шасси составляли единое целое. [14] В 1892 году Рудольф Дизель разработал первый двигатель со сжатым зарядом и воспламенением от сжатия. В 1926 году Роберт Годдард запустил первую ракету на жидком топливе. В 1939 году Heinkel He 178 стал первым в мире реактивным самолетом .
Когда-то слово « машина» (в старофранцузском языке , от латинского ingenium , «способность») обозначало любую часть машины — это значение сохраняется в таких выражениях, как « осадная машина» . «Мотор» (от лат. « двигатель ») — это любая машина, производящая механическую энергию . Традиционно электродвигатели не называют «двигателями»; однако двигатели внутреннего сгорания часто называют «двигателями». ( Электрический двигатель — это локомотив , работающий от электричества.)
В лодке двигатель внутреннего сгорания, установленный в корпусе, называется двигателем, а двигатели, расположенные на транце, называются моторами. [15]
Поршневые поршневые двигатели на сегодняшний день являются наиболее распространенным источником энергии для наземных и водных транспортных средств , включая автомобили , мотоциклы , корабли и, в меньшей степени, локомотивы (некоторые из них электрические, но в большинстве используются дизельные двигатели [16] [17] ). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и мотоциклах. Все они известны как автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). [18]
Там, где требуется высокая удельная мощность, используются двигатели внутреннего сгорания в виде турбин внутреннего сгорания , а иногда и двигателей Ванкеля. В самолетах с двигателем обычно используется ДВС, который может представлять собой поршневой двигатель. Вместо этого в самолетах могут использоваться реактивные двигатели , а в вертолетах — турбовальные двигатели ; оба из которых являются типами турбин. Помимо обеспечения тяги, авиалайнеры могут использовать отдельный ДВС в качестве вспомогательной силовой установки . Двигатели Ванкеля устанавливаются на многие беспилотные летательные аппараты .
ДВС приводят в действие большие электрические генераторы, питающие электрические сети. Они представлены в виде турбин внутреннего сгорания с типичной электрической мощностью около 100 МВт. Электростанции с комбинированным циклом используют высокотемпературные выхлопные газы для кипячения и перегрева водяного пара для работы паровой турбины . Таким образом, эффективность выше, поскольку из топлива извлекается больше энергии, чем можно было бы извлечь только двигателем внутреннего сгорания. Электростанции комбинированного цикла достигают эффективности в диапазоне 50–60%. В меньших масштабах стационарные двигатели , такие как газовые двигатели или дизель-генераторы, используются для резервного копирования или для обеспечения электроэнергией территорий, не подключенных к электрической сети .
Малые двигатели (обычно двухтактные бензиновые/бензиновые двигатели) являются распространенным источником энергии для газонокосилок , триммеров , цепных пил , воздуходувок , моек высокого давления , снегоходов , водных мотоциклов , подвесных моторов , мопедов и мотоциклов .
Существует несколько возможных способов классификации двигателей внутреннего сгорания.
По количеству ударов:
По типу зажигания:
По механическому/термодинамическому циклу (эти циклы используются нечасто, но обычно встречаются в гибридных транспортных средствах , а также в других транспортных средствах, изготовленных с целью экономии топлива [20] ):
Основой поршневого двигателя внутреннего сгорания является блок цилиндров , который обычно изготавливают из чугуна (ввиду его хорошей износостойкости и дешевизны) [22] или алюминия . В последнем случае гильзы цилиндров изготавливаются из чугуна или стали [23] или имеют такое покрытие, как никасил или алюсил . Блок двигателя содержит цилиндры . В двигателях с более чем одним цилиндром они обычно располагаются либо в 1 ряд ( прямой двигатель ), либо в 2 ряда ( оппозитный двигатель или V-образный двигатель ); В современных двигателях иногда используются 3 или 4 ряда ( двигатель W ), возможны и используются другие конфигурации двигателей . Одноцилиндровые двигатели (или тамперы ) обычно используются в мотоциклах и других небольших двигателях, используемых в легкой технике. На внешней стороне цилиндра в блоке цилиндров отлиты каналы, содержащие охлаждающую жидкость, тогда как в некоторых двигателях большой мощности эти каналы представляют собой съемные гильзы цилиндров, которые можно заменить. [22] Двигатели с водяным охлаждением имеют в блоке цилиндров каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость ( водяная рубашка ). Некоторые небольшие двигатели имеют воздушное охлаждение, и вместо водяной рубашки блок цилиндров имеет выступающие из него ребра для охлаждения двигателя путем прямой передачи тепла воздуху. Стенки цилиндров обычно подвергаются хонингованию, чтобы получить поперечный люк , способный удерживать больше масла. Слишком шероховатая поверхность быстро повредит двигатель из-за чрезмерного износа поршня.
Поршни представляют собой короткие цилиндрические детали, которые герметизируют один конец цилиндра от высокого давления сжатого воздуха и продуктов сгорания и непрерывно скользят внутри него во время работы двигателя . В двигателях меньшего размера поршни изготовлены из алюминия; в то время как в более крупных приложениях они обычно изготавливаются из чугуна. [22] Для повышения производительности поршни также могут быть изготовлены из титана или кованой стали для большей прочности. Верхняя поверхность поршня называется его головкой и обычно бывает плоской или вогнутой. В некоторых двухтактных двигателях используются поршни с дефлекторной головкой . Поршни открыты снизу и полые, за исключением встроенной усиливающей конструкции (перегородки поршня). При работе двигателя давление газов в камере сгорания оказывает давление на днище поршня, которое через его перемычку передается на поршневой палец . Каждый поршень имеет кольца , установленные по окружности, которые в основном предотвращают утечку газов в картер или масла в камеру сгорания. [24] Система вентиляции выводит небольшое количество газа, которое выходит через поршни во время нормальной работы (картерные газы), из картера, чтобы он не накапливался, загрязняя масло и вызывая коррозию. [22] В двухтактных бензиновых двигателях картер является частью воздухо-топливного тракта, и благодаря непрерывному потоку в нем двухтактные двигатели не нуждаются в отдельной системе вентиляции картера.
Головка блока цилиндров крепится к блоку двигателя многочисленными болтами или шпильками . Он имеет несколько функций. Головка блока цилиндров герметизирует цилиндры со стороны, противоположной поршням; он содержит короткие каналы ( порты ) для впуска и выпуска, а также соответствующие впускные клапаны , которые открываются, чтобы наполнить цилиндр свежим воздухом, и выпускные клапаны, которые открываются, чтобы позволить газам сгорания выйти. Однако в двухтактных двигателях с продувкой картера газовые каналы соединяются непосредственно со стенкой цилиндра без тарельчатых клапанов; Вместо этого поршень контролирует их открытие и окклюзию. Головка блока цилиндров также удерживает свечу зажигания в случае двигателей с искровым зажиганием и форсунку в двигателях с непосредственным впрыском. Все двигатели с воспламенением от сжатия используют впрыск топлива, обычно прямой, но в некоторых двигателях вместо этого используется непрямой впрыск . Двигатели SI (искровое зажигание) могут использовать карбюратор или впрыск топлива в качестве впрыска в порт или прямого впрыска . Большинство двигателей SI имеют одну свечу зажигания на цилиндр, но некоторые имеют две . Прокладка головки предотвращает утечку газа между головкой блока цилиндров и блоком двигателя. Открытие и закрытие клапанов контролируется одним или несколькими распределительными валами и пружинами, а в некоторых двигателях — десмодромным механизмом , не использующим пружины. Распределительный вал может непосредственно давить на шток клапана или воздействовать на коромысло , опять же, либо напрямую, либо через толкатель .
Картер снизу закрыт поддоном , который собирает падающее масло во время нормальной работы для повторного включения в цикл. В полости, образованной между блоком цилиндров и поддоном картера, находится коленчатый вал , преобразующий возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатый вал удерживается относительно блока двигателя с помощью коренных подшипников , которые позволяют ему вращаться. Переборки в картере составляют половину каждого коренного подшипника; другая половина — съемная крышка. В некоторых случаях вместо нескольких крышек меньшего размера используется одна коренная опора . Шатун соединен со смещенными секциями коленчатого вала ( шатунными шейками ) на одном конце и с поршнем на другом конце через поршневой палец и, таким образом, передает усилие и преобразует возвратно-поступательное движение поршней в круговое движение коленчатого вала. . Конец шатуна, прикрепленный к поршневому пальцу, называется его малым концом, а другой конец, где он соединяется с коленчатым валом, - большим концом. Большой конец имеет съемную половину, позволяющую монтировать его вокруг коленчатого вала. Он крепится к шатуну съемными болтами.
Головка блока цилиндров имеет впускной и выпускной коллекторы , прикрепленные к соответствующим портам. Впускной коллектор подключается непосредственно к воздушному фильтру или к карбюратору, если таковой имеется, который затем соединяется с воздушным фильтром . Он распределяет воздух, поступающий от этих устройств, по отдельным цилиндрам. Выпускной коллектор является первым компонентом выхлопной системы . Он собирает выхлопные газы из цилиндров и направляет их к следующему компоненту на пути. Выхлопная система ДВС также может включать в себя каталитический нейтрализатор и глушитель . Последним участком на пути выхлопных газов является выхлопная труба .
Верхняя мертвая точка (ВМТ) поршня — это положение, где он находится ближе всего к клапанам; нижняя мертвая точка (НМТ) – противоположное положение, где она находится дальше всего от них. Ход — это перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот вместе с соответствующим процессом. Во время работы двигателя коленчатый вал постоянно вращается с почти постоянной скоростью . В 4-тактном ДВС каждый поршень испытывает 2 хода за один оборот коленчатого вала в следующем порядке. Начиная описание с ВМТ, это: [25] [26]
Определяющей характеристикой этого типа двигателя является то, что каждый поршень совершает цикл при каждом обороте коленчатого вала. Четыре процесса впуска, сжатия, мощности и выпуска происходят всего за два такта, поэтому невозможно выделить один такт исключительно для каждого из них. Начиная с ВМТ, цикл состоит из:
В то время как в 4-тактном двигателе поршень используется в качестве насоса объемного действия для выполнения продувки за 2 из 4 тактов, в 2-тактном двигателе используется последняя часть рабочего такта и первая часть такта сжатия для комбинированного впуска и выпуска. . Работа, необходимая для вытеснения наддувочных и выхлопных газов, производится либо картером, либо отдельным нагнетателем. Для продувки, удаления сгоревшего газа и ввода свежей смеси описаны два основных подхода: петлевая продувка и однопоточная продувка. В новостях SAE, опубликованных в 2010-х годах, говорилось, что «Очистка циклов» при любых обстоятельствах лучше, чем очистка Uniflow. [19]
Некоторые двигатели SI имеют продувку картера и не используют тарельчатые клапаны. Вместо этого в качестве насоса используется картер и часть цилиндра под поршнем. Впускной канал соединен с картером через пластинчатый клапан или поворотный дисковый клапан, приводимый в движение двигателем. Для каждого цилиндра перепускной канал соединяется одним концом с картером, а другим концом со стенкой цилиндра. Выпускное отверстие соединено непосредственно со стенкой цилиндра. Перепускное и выпускное отверстие открываются и закрываются поршнем. Пластинчатый клапан открывается, когда давление в картере становится немного ниже давления на впуске, чтобы позволить ему заполниться новым топливом; это происходит, когда поршень движется вверх. При движении поршня вниз давление в картере увеличивается и лепестковый клапан быстро закрывается, после чего заряд в картере сжимается. Когда поршень движется вниз, он также открывает выпускное отверстие и передаточное отверстие, а более высокое давление заряда в картере заставляет его попадать в цилиндр через передаточное отверстие, выдувая выхлопные газы. Смазка осуществляется путем добавления в топливо двухтактного масла в небольших количествах. Нефть относится к смеси бензина с вышеупомянутым маслом. Этот тип 2-тактного двигателя имеет более низкий КПД, чем сопоставимые 4-тактные двигатели, и выделяет больше вредных выхлопных газов при следующих условиях:
Основным преимуществом двухтактных двигателей этого типа является механическая простота и более высокая удельная мощность, чем у четырехтактных аналогов. Несмотря на вдвое большее количество рабочих тактов за цикл, на практике достижима менее чем вдвое мощность сопоставимого 4-тактного двигателя.
В США двухтактные двигатели были запрещены для дорожных транспортных средств из-за загрязнения. Мотоциклы, предназначенные только для бездорожья, по-прежнему часто бывают двухтактными, но редко разрешены для использования на дорогах. Тем не менее, используются многие тысячи двухтактных двигателей для ухода за газонами. [ нужна цитата ]
Использование отдельного нагнетателя позволяет избежать многих недостатков продувки картера за счет увеличения сложности, что означает более высокую стоимость и увеличение требований к техническому обслуживанию. В двигателе этого типа используются каналы или клапаны для впуска и клапаны для выпуска, за исключением двигателей с оппозитными поршнями , которые также могут использовать каналы для выпуска. Обычно используется воздуходувка типа Рутса , но используются и другие типы. Такая конструкция является обычным явлением в двигателях CI и иногда используется в двигателях SI.
Двигатели CI, в которых используется нагнетатель, обычно используют однопоточную продувку . В этой конструкции стенка цилиндра содержит несколько впускных отверстий, расположенных на равном расстоянии по окружности чуть выше того положения, которого достигает головка поршня в НМТ. Используется выпускной клапан или несколько подобных клапану 4-тактных двигателей. Завершающая часть впускного коллектора представляет собой воздушный рукав, питающий впускные каналы. Впускные каналы расположены под горизонтальным углом к стенке цилиндра (то есть: они находятся в плоскости головки поршня), чтобы обеспечить завихрение поступающего заряда и улучшение сгорания. Самыми крупными возвратно-поступательными двигателями являются тихоходные двигатели внутреннего сгорания этого типа; они используются для судовых двигателей (см. Судовой дизельный двигатель ) или для выработки электроэнергии и достигают самого высокого теплового КПД среди двигателей внутреннего сгорания любого типа. Некоторые дизель-электрические двигатели локомотивов работают по двухтактному циклу. Самые мощные из них имеют тормозную мощность около 4,5 МВт или 6000 л.с. Локомотивы класса EMD SD90MAC являются примером таких локомотивов. Сопоставимый класс GE AC6000CW , чей тягач имеет почти такую же тормозную мощность, использует 4-тактный двигатель.
Примером двигателя этого типа является 2-тактный дизельный двигатель Wärtsilä-Sulzer RTA96-C с турбонаддувом, используемый на больших контейнеровозах. Это самый эффективный и мощный поршневой двигатель внутреннего сгорания в мире с тепловым КПД более 50%. [27] [28] [29] Для сравнения, наиболее эффективные небольшие четырехтактные двигатели имеют термический КПД около 43% (SAE 900648); [ нужна цитация ] Размер является преимуществом с точки зрения эффективности из-за увеличения соотношения объема к площади поверхности.
См. внешние ссылки для просмотра видео о сгорании в цилиндре двухтактного мотоциклетного двигателя с оптическим доступом.
Дугальд Клерк разработал первый двухтактный двигатель в 1879 году. В нем использовался отдельный цилиндр, который функционировал как насос для перекачки топливной смеси в цилиндр. [19]
В 1899 году Джон Дэй упростил конструкцию Клерка до двухтактного двигателя, который очень широко используется сегодня. [30] Двигатели с дневным циклом продуваются из картера и синхронизируются по портам. Картер и часть цилиндра под выпускным отверстием используются в качестве насоса. Работа двигателя с дневным циклом начинается, когда коленчатый вал поворачивается так, что поршень движется от НМТ вверх (к головке), создавая вакуум в области картера/цилиндра. Затем карбюратор подает топливную смесь в картер через пластинчатый клапан или поворотный дисковый клапан (с приводом от двигателя). От картера к отверстию в цилиндре проложены литые каналы для впуска, а также от выпускного канала к выхлопной трубе. Высота порта по отношению к длине цилиндра называется «синхронизацией порта».
При первом ходе двигателя вверх топливо в цилиндр не попадало, поскольку картер был пуст. При ходе вниз поршень теперь сжимает топливную смесь, которая смазывает поршень в цилиндре и подшипники, поскольку в топливную смесь добавлено масло. Когда поршень движется вниз, он сначала открывает выхлопную систему, но при первом ходе сгоревшего топлива для выхлопа не остается. По мере дальнейшего движения поршня вниз он открывает впускное отверстие, в котором есть канал, идущий к картеру. Поскольку топливная смесь в картере находится под давлением, смесь движется по воздуховоду в цилиндр.
Поскольку в цилиндре нет препятствий для движения топлива непосредственно из выпускного отверстия до того, как поршень поднимется достаточно далеко, чтобы закрыть отверстие, в ранних двигателях использовался поршень с высоким куполом для замедления потока топлива. Позже топливо «резонировало» обратно в цилиндр с использованием конструкции расширительной камеры. Когда поршень приблизился к ВМТ, искра воспламенила топливо. Когда поршень движется вниз с силой, он сначала открывает выпускное отверстие, где сгоревшее топливо выбрасывается под высоким давлением, а затем впускное отверстие, где процесс завершен и будет продолжать повторяться.
В более поздних двигателях использовался тип портирования, разработанный компанией Deutz для улучшения характеристик. Она называлась системой обратного потока Шнурле . DKW лицензировала эту конструкцию для всех своих мотоциклов. Их DKW RT 125 стал одним из первых автомобилей, расход топлива которых превысил 100 миль на галлон. [31]
Двигатели внутреннего сгорания требуют воспламенения смеси либо искровым зажиганием (SI) , либо воспламенением от сжатия (CI) . До изобретения надежных электрических методов использовались методы с горячей трубкой и пламенем. Созданы экспериментальные двигатели с лазерным зажиганием . [32]
.jpg/1280px-Bosch_magneto_(Army_Service_Corps_Training,_Mechanical_Transport,_1911).jpg){kind=spacer}
Двигатель с искровым зажиганием представлял собой усовершенствованную версию ранних двигателей, в которых использовалось зажигание с горячей трубкой. Когда компания Bosch разработала магнето, оно стало основной системой производства электроэнергии для подачи питания на свечу зажигания. [33] Многие небольшие двигатели до сих пор используют магнето зажигание. Малые двигатели запускаются вручную с помощью ручного стартера или рукоятки. До того, как Чарльз Ф. Кеттеринг из Delco разработал автомобильный стартер, во всех автомобилях с бензиновым двигателем использовалась ручная рукоятка. [34]
Двигатели большего размера обычно приводят в действие свои пусковые двигатели и системы зажигания, используя электрическую энергию, запасенную в свинцово-кислотной батарее . Заряженное состояние аккумулятора поддерживается автомобильным генератором переменного тока или (ранее) генератором, который использует мощность двигателя для создания накопителя электрической энергии.
Аккумулятор подает электроэнергию для запуска, когда двигатель имеет систему запуска , и подает электроэнергию, когда двигатель выключен. Аккумулятор также обеспечивает электроэнергию в редких условиях работы, когда генератор не может поддерживать напряжение выше 13,8 В (для обычной автомобильной электрической системы с напряжением 12 В). Когда напряжение генератора падает ниже 13,8 В, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея все больше принимает на себя электрическую нагрузку. Практически во всех режимах работы, включая нормальные условия холостого хода, генератор подает первичную электроэнергию.
Некоторые системы отключают питание поля генератора (ротора) в условиях полностью открытой дроссельной заслонки. Отключение поля снижает механическую нагрузку на шкив генератора практически до нуля, максимально увеличивая мощность коленчатого вала. В этом случае батарея обеспечивает всю первичную электроэнергию.
Бензиновые двигатели поглощают смесь воздуха и бензина и сжимают ее за счет движения поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, когда топливо находится при максимальном сжатии. Уменьшение размеров рабочей площади цилиндра с учетом объема камеры сгорания описывается соотношением. Ранние двигатели имели степень сжатия 6 к 1. По мере увеличения степени сжатия увеличивалась и эффективность двигателя.
В ранних системах впуска и зажигания степень сжатия должна была поддерживаться на низком уровне. Благодаря достижениям в области топливных технологий и управления сгоранием высокопроизводительные двигатели могут надежно работать при передаточном соотношении 12:1. При использовании низкооктанового топлива проблема могла возникнуть, поскольку степень сжатия увеличивалась по мере воспламенения топлива из-за вызванного этим повышения температуры. Чарльз Кеттеринг разработал добавку свинца , обеспечивающую более высокую степень сжатия, от которой с 1970-х годов постепенно отказывались для использования в автомобилях , отчасти из-за опасений отравления свинцом .
Топливная смесь воспламеняется при разном ходе поршня в цилиндре. На низких оборотах искра возникает вблизи поршня, достигающего верхней мертвой точки. Чтобы обеспечить большую мощность, по мере увеличения оборотов искра во время движения поршня возникает быстрее. Искра возникает в то время, когда топливо все еще сжимается по мере увеличения оборотов. [35]
Необходимое высокое напряжение, обычно 10 000 вольт, подается с помощью индукционной катушки или трансформатора. Индукционная катушка представляет собой систему обратного хода, в которой используется прерывание тока первичной электрической системы с помощью синхронизированного прерывателя определенного типа. Прерывателем может быть либо контактный контакт, либо силовой транзистор. Проблема с этим типом зажигания заключается в том, что с увеличением числа оборотов доступность электрической энергии снижается. Это особенно проблема, поскольку количество энергии, необходимое для воспламенения более плотной топливной смеси, выше. Результатом часто были пропуски зажигания на высоких оборотах.
Разработано зажигание конденсаторного разряда . Он создает возрастающее напряжение, которое подается на свечу зажигания. Напряжение системы CD может достигать 60 000 вольт. [36] В устройствах зажигания CD используются повышающие трансформаторы . Повышающий трансформатор использует энергию, запасенную в емкости, для генерации электрической искры . В любой из систем механическая или электрическая система управления подает тщательно рассчитанное высокое напряжение на соответствующий цилиндр. Эта искра через свечу зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь в цилиндрах двигателя.
Хотя бензиновые двигатели внутреннего сгорания гораздо легче запустить в холодную погоду, чем дизельные, у них все равно могут возникнуть проблемы с запуском в экстремальных условиях. В течение многих лет решением было парковать машину в отапливаемых помещениях. В некоторых частях мира масло сливали, нагревали за ночь и возвращали в двигатель для холодного запуска. В начале 1950-х годов была разработана установка газификатора бензина, в которой при запуске в холодную погоду сырой бензин направлялся в установку, где часть топлива сжигалась, а другая часть превращалась в горячий пар, направляемый непосредственно во впускной коллектор. Этот агрегат был довольно популярен до тех пор, пока электрические обогреватели блока цилиндров не стали стандартом для бензиновых двигателей, продаваемых в холодном климате. [37]
В дизельных двигателях, двигателях PPC и HCCI зажигание зависит исключительно от высокой температуры и давления, создаваемых двигателем в процессе сжатия. Уровень сжатия обычно в два и более раз выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух и незадолго до пика сжатия впрыскивают небольшое количество дизельного топлива в цилиндр через топливную форсунку, что позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI потребляют как воздух, так и топливо, но продолжают полагаться на процесс самосгорания без посторонней помощи из-за более высокого давления и температуры. По этой же причине дизельные двигатели и двигатели HCCI более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они работают так же хорошо в холодную погоду. В дизельных двигателях малой мощности с непрямым впрыском топлива в автомобилях и легких грузовиках используются свечи накаливания (или другие устройства предварительного подогрева: см. Cummins ISB#6BT ), которые предварительно нагревают камеру сгорания непосредственно перед запуском, чтобы уменьшить вероятность невозможности запуска в холодную погоду. Большинство дизелей также имеют аккумулятор и систему зарядки; тем не менее, эта система является второстепенной и добавляется производителями как роскошь для облегчения запуска, включения и выключения топлива (что также можно сделать с помощью переключателя или механического устройства), а также для работы вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. В большинстве новых двигателей используются электрические и электронные блоки управления двигателем (ЭБУ), которые также регулируют процесс сгорания для повышения эффективности и снижения выбросов.
.jpg/1280px-Overhead_cam_engine_with_forced_oil_lubrication_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Поверхности, находящиеся в контакте и относительном движении относительно других поверхностей, требуют смазки , чтобы уменьшить износ, шум и повысить эффективность за счет уменьшения потерь мощности на преодоление трения или для того, чтобы механизм вообще работал. Кроме того, используемая смазка может уменьшить избыточное тепло и обеспечить дополнительное охлаждение компонентов. По крайней мере, двигатель требует смазки в следующих частях:
В двухтактных двигателях с продувкой картера внутренняя часть картера и, следовательно, коленчатый вал, шатун и нижняя часть поршней опрыскиваются двухтактным маслом из воздушно-топливной смеси, которое затем сгорает вместе с топливом. . Клапанный механизм может находиться в отсеке, залитом смазкой, поэтому масляный насос не требуется.
В системе смазки разбрызгиванием масляный насос не используется. Вместо этого коленвал погружается в масло в поддоне и из-за высокой скорости забрызгивает коленчатый вал, шатуны и днища поршней. Для усиления этого эффекта к крышкам больших головок шатуна может быть прикреплен ковш. Клапанный механизм также может быть герметично закрыт в затопленном отсеке или открыт к коленчатому валу таким образом, чтобы на него попадало разбрызганное масло и чтобы оно могло стечь обратно в поддон картера. Смазка разбрызгиванием обычно используется в небольших 4-тактных двигателях.
В системе принудительной смазки (также называемой системой смазки под давлением ) смазка осуществляется по замкнутому контуру, который подает моторное масло к поверхностям, обслуживаемым системой, а затем возвращает масло в резервуар. Вспомогательное оборудование двигателя обычно не обслуживается этим контуром; например, в генераторе переменного тока могут использоваться шарикоподшипники , запечатанные собственной смазкой. Резервуаром для масла обычно является картер, и в этом случае его называют системой с мокрым картером . Если имеется другой масляный резервуар, картер все равно удерживает его, но он постоянно опорожняется специальным насосом; это называется системой с сухим картером .
В нижней части картера находится маслозаборник, закрытый сетчатым фильтром, который соединен с масляным насосом, а затем с масляным фильтром снаружи картера. Оттуда он направляется к коренным подшипникам коленчатого вала и клапанному механизму. Картер содержит по меньшей мере один масляный канал (канал внутри стенки картера), в который подается масло из масляного фильтра. Коренные подшипники имеют канавку по всей или половине окружности; масло поступает в эти канавки из каналов, соединенных с масляной галереей. Коленчатый вал имеет отверстия, которые забирают масло из этих канавок и доставляют его к подшипникам шатунных головок. Таким образом смазываются все подшипники шатунов. Один главный подшипник может обеспечивать маслом 0, 1 или 2 подшипника с шатунными головками. Аналогичная система может использоваться для смазки поршня, его поршневого пальца и малого конца шатуна; В этой системе большой конец шатуна имеет канавку вокруг коленчатого вала и отверстие, соединенное с канавкой, которое распределяет масло оттуда к нижней части поршня, а затем к цилиндру.
Для смазки цилиндра и поршня также используются другие системы. Шатун может иметь сопло для подачи масляной струи в цилиндр и нижнюю часть поршня. Эта форсунка движется относительно цилиндра, который она смазывает, но всегда направлена в сторону него или соответствующего поршня.
Обычно системы принудительной смазки имеют поток смазки, превышающий необходимый для удовлетворительной смазки, чтобы способствовать охлаждению. В частности, смазочная система помогает переносить тепло от горячих частей двигателя к охлаждающей жидкости (в двигателях с водяным охлаждением) или ребрам (в двигателях с воздушным охлаждением), которые затем передают его в окружающую среду. Смазка должна быть химически стабильной и сохранять подходящую вязкость в температурном диапазоне, с которым она сталкивается в двигателе.
Общие конфигурации цилиндров включают прямую или рядную конфигурацию , более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или оппозитную конфигурацию . Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию , что обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как H , U , X и W.
В многоцилиндровых двигателях клапанный механизм и коленчатый вал сконфигурированы таким образом, что поршни находятся на разных этапах своего цикла. Желательно, чтобы циклы поршней были равномерно распределены (это называется равномерным воспламенением ), особенно в двигателях с принудительной индукцией; это снижает пульсации крутящего момента [38] и делает рядные двигатели с числом цилиндров более 3 статически сбалансированными по своим основным силам. Однако в некоторых конфигурациях двигателей для достижения лучшего баланса требуется нечетное зажигание, чем это возможно при равномерном зажигании. Например, 4-тактный двигатель I2 имеет лучший баланс, когда угол между шатунными шейками составляет 180°, потому что поршни движутся в противоположных направлениях и силы инерции частично компенсируются, но это дает странную схему зажигания, когда один цилиндр вращает коленчатый вал на 180°. после другого, то ни один цилиндр не сработает на 540°. При равномерной схеме зажигания поршни будут двигаться синхронно, и соответствующие силы будут складываться.
Конфигурациям с несколькими коленчатыми валами вообще не обязательно нужна головка блока цилиндров , поскольку вместо этого они могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с противоположным поршнем . Поскольку впускные и выпускные отверстия для топлива расположены на противоположных концах цилиндра, можно добиться прямоточной продувки, которая, как и в четырехтактном двигателе, эффективна в широком диапазоне оборотов двигателя. Термический КПД улучшен из-за отсутствия головок цилиндров. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами на обоих концах одного ряда цилиндров и, что наиболее примечательно, в дизельных двигателях Napier Deltic . В них использовались три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двусторонних цилиндров , расположенных в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Он также использовался в однорядных локомотивных двигателях и до сих пор используется в судовых маршевых двигателях и судовых вспомогательных генераторах.
В большинстве грузовых и автомобильных дизельных двигателей используется цикл, напоминающий четырехтактный, но с повышением температуры за счет сжатия, вызывающим воспламенение, вместо того, чтобы нуждаться в отдельной системе зажигания. Этот вариант называется дизельным циклом. В дизельном цикле дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, так что сгорание происходит при постоянном давлении при движении поршня.
Цикл Отто является наиболее распространенным циклом для двигателей внутреннего сгорания большинства автомобилей, в которых в качестве топлива используется бензин. Он состоит из тех же основных этапов, что и для четырехтактного двигателя: впуск, сжатие, воспламенение, расширение и выпуск.
В 1879 году Николаус Отто изготовил и продал двигатель двойного расширения (принципы двойного и тройного расширения широко использовались в паровых двигателях) с двумя небольшими цилиндрами по обе стороны от большего цилиндра низкого давления, в котором происходит второе расширение газа такта выхлопа. имело место; владелец вернул его, сославшись на плохую работу. В 1906 году эта концепция была воплощена в автомобиле, построенном EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); [39] , а в 21 веке Илмор разработал и успешно испытал 5-тактный двигатель внутреннего сгорания двойного расширения с высокой выходной мощностью и низким SFC (удельным расходом топлива). [40]
Шеститактный двигатель был изобретен в 1883 году. В четырех типах шеститактных двигателей используется обычный поршень в обычном цилиндре (шеститактный Griffin, шеститактный Bajulaz, шеститактный Velozeta и шеститактный Crower), срабатывая каждые три обороты коленчатого вала. Эти системы улавливают отходящее тепло четырехтактного цикла Отто путем впрыска воздуха или воды.
Двигатели Beare Head и «поршневое зарядное устройство» работают как оппозитные двигатели : два поршня в одном цилиндре, совершающие каждые два оборота, а не каждые четыре, как в четырехтактном двигателе.
Самые первые двигатели внутреннего сгорания не сжимали смесь. На первой части хода поршня вниз всасывалась топливно-воздушная смесь, затем впускной клапан закрывался, а на оставшейся части хода поршня вниз сгорала топливно-воздушная смесь. Выпускной клапан открылся для хода поршня вверх. Эти попытки имитировать принцип работы парового двигателя оказались весьма неэффективными. Существует ряд вариаций этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера .
Двигатели с разделенным циклом разделяют четыре такта впуска, сжатия, сгорания и выпуска на два отдельных, но спаренных цилиндра. Первый цилиндр используется для впуска и сжатия. Затем сжатый воздух передается через перекрестный канал из цилиндра сжатия во второй цилиндр, где происходит сгорание и выхлоп. Двигатель с разделенным циклом на самом деле представляет собой воздушный компрессор с одной стороны и камеру сгорания с другой.
Предыдущие двигатели с разделенным циклом имели две основные проблемы: плохое дыхание (объемный КПД) и низкий тепловой КПД. Однако вводятся новые конструкции, направленные на решение этих проблем. Двигатель Scuderi решает проблему дыхания за счет уменьшения зазора между поршнем и головкой блока цилиндров с помощью различных методов турбонаддува. Конструкция Scuderi требует использования клапанов, открывающихся наружу, которые позволяют поршню перемещаться очень близко к головке блока цилиндров без вмешательства клапанов. Scuderi решает проблему низкого теплового КПД за счет зажигания после верхней мертвой точки (ВМТ).
Включение ATDC может быть достигнуто путем использования воздуха под высоким давлением в передаточном канале для создания звукового потока и высокой турбулентности в силовом цилиндре.
В реактивных двигателях используется несколько рядов лопастей вентилятора для сжатия воздуха, который затем поступает в камеру сгорания , где смешивается с топливом (обычно топливом JP), а затем воспламеняется. Сгорание топлива повышает температуру воздуха, который затем выходит из двигателя, создавая тягу. Современный турбовентиляторный двигатель может работать с КПД до 48%. [41]
В турбовентиляторном двигателе шесть секций:
Газовая турбина сжимает воздух и использует его для вращения турбины . По сути, это реактивный двигатель, который направляет свою мощность на вал. Турбина состоит из трех ступеней: 1) воздух пропускается через компрессор, где температура повышается из-за сжатия, 2) топливо добавляется в камеру сгорания и 3) горячий воздух выпускается через лопатки турбины, которые вращают вал, соединенный с турбиной. компрессор.
Газовая турбина — это роторная машина, по принципу действия аналогичная паровой турбине и состоящая из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Температура воздуха после сжатия в компрессоре повышается за счет сжигания в нем топлива. Нагретый воздух и продукты сгорания расширяются в турбине, производя работу. Около 2/3 работы приводит в движение компрессор: остальная часть (около 1/3 ) доступна в качестве полезной работы . [43]
Газовые турбины являются одними из самых эффективных двигателей внутреннего сгорания. Электростанции комбинированного цикла с турбинами General Electric 7HA и 9HA имеют КПД более 61%. [44]
Газовая турбина — роторная машина, по принципу действия несколько похожая на паровую турбину. Он состоит из трех основных компонентов: компрессора, камеры сгорания и турбины. Воздух сжимается компрессором, где происходит повышение температуры. Температура сжатого воздуха дополнительно повышается за счет сгорания впрыскиваемого топлива в камере сгорания, что приводит к расширению воздуха. Эта энергия вращает турбину, которая приводит в действие компрессор через механическую муфту. Затем горячие газы выбрасываются, создавая тягу.
В двигателях с газотурбинным циклом используется система непрерывного сгорания, в которой сжатие, сгорание и расширение происходят одновременно в разных местах двигателя, что обеспечивает постоянную мощность. Примечательно, что сгорание происходит при постоянном давлении, а не при постоянном объеме по циклу Отто.
Двигатель Ванкеля (роторный двигатель) не имеет хода поршня. Он работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель, причем фазы расположены в разных местах двигателя. С термодинамической точки зрения он соответствует циклу двигателя Отто , поэтому его можно рассматривать как «четырехфазный» двигатель. Хотя это правда, что за один оборот ротора обычно происходит три рабочих такта, из-за соотношения оборотов ротора и эксцентрикового вала 3:1 на самом деле происходит только один рабочий такт за один оборот вала. Приводной (эксцентриковый) вал вращается один раз за каждый рабочий такт, а не дважды (коленчатый вал), как в цикле Отто, что обеспечивает большее соотношение мощности к весу, чем у поршневых двигателей. Этот тип двигателя чаще всего использовался в Mazda RX-8 , более ранней модели RX-7 и других моделях автомобилей. Двигатель также используется в беспилотных летательных аппаратах, где преимуществом являются малые размеры и вес, а также высокая удельная мощность.
Принудительная индукция — это процесс подачи сжатого воздуха на впуск двигателя внутреннего сгорания. Двигатель с принудительной индукцией использует газовый компрессор для повышения давления, температуры и плотности воздуха . Двигатель без наддува считается безнаддувным двигателем .
Принудительная индукция используется в автомобильной и авиационной промышленности для увеличения мощности и эффективности двигателя. Особенно это помогает авиационным двигателям, поскольку им приходится работать на большой высоте.
Принудительная индукция достигается с помощью нагнетателя , где компрессор приводится в действие непосредственно от вала двигателя или, в турбокомпрессоре , от турбины, питаемой выхлопными газами двигателя.
Все двигатели внутреннего сгорания работают на сжигании химического топлива , обычно с кислородом из воздуха (хотя можно впрыскивать закись азота , чтобы сделать то же самое и получить прирост мощности). Процесс сгорания обычно приводит к производству большого количества тепловой энергии, а также к образованию пара, углекислого газа и других химических веществ при очень высокой температуре; достигаемая температура определяется химическим составом топлива и окислителей (см. Стехиометрия ), а также сжатием и другими факторами.
Наиболее распространенные современные виды топлива состоят из углеводородов и получаются в основном из ископаемого топлива ( нефти ). Ископаемое топливо включает дизельное топливо , бензин и нефтяной газ , а также более редкое использование пропана . За исключением компонентов подачи топлива, большинство двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для использования бензина, могут работать на природном газе или сжиженных нефтяных газах без серьезных модификаций. Большие дизели могут работать на смеси воздуха с газами и пилотном впрыске дизельного топлива. Также можно использовать жидкое и газообразное биотопливо , такое как этанол и биодизель (форма дизельного топлива, производимая из культур, выделяющих триглицериды, таких как соевое масло). Двигатели с соответствующими модификациями также могут работать на водородном , древесном или древесно-угольном газе , а также на так называемом генераторном газе, полученном из другой подходящей биомассы. Также проводились эксперименты с использованием порошкообразного твердого топлива, такие как цикл впрыска магния .
В настоящее время в качестве топлива используются:
Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, использующие в качестве топлива газы, называются газовыми двигателями, а двигатели, использующие жидкие углеводороды, — нефтяными; однако бензиновые двигатели также часто в просторечии называют «газовыми двигателями» (« бензиновые двигатели » за пределами Северной Америки).
Основные ограничения топлива заключаются в том, что оно должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания и что топливо при сгорании выделяет достаточно энергии в виде тепла для практического использования двигателя.
Дизельные двигатели , как правило, тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели . Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их более высокой топливной эффективности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах . Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов . В Европе сложные автомобили с дизельными двигателями заняли около 45% рынка с 1990-х годов. Существуют также двигатели, работающие на водороде , метаноле , этаноле , сжиженном нефтяном газе (СНГ), биодизельном топливе , парафине и тракторном испаряющемся масле (ТВО).
Водород может в конечном итоге заменить обычное ископаемое топливо в традиционных двигателях внутреннего сгорания. В качестве альтернативы технология топливных элементов может оправдать свои ожидания, а использование двигателей внутреннего сгорания может быть даже прекращено.
Хотя существует множество способов получения свободного водорода, эти методы требуют преобразования горючих молекул в водород или потребления электроэнергии. Если электроэнергия не производится из возобновляемых источников и не требуется для других целей, водород не решит ни одного энергетического кризиса . Во многих ситуациях недостатком водорода по сравнению с углеродным топливом является его хранение . Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность (в 14 раз ниже, чем у воды) и требует тщательной изоляции, тогда как газообразный водород требует тяжелых резервуаров. Даже в сжиженном состоянии водород имеет более высокую удельную энергию, но объемный запас энергии все равно примерно в пять раз ниже, чем у бензина. Однако плотность энергии водорода значительно выше, чем у электрических батарей, что делает его серьезным претендентом на роль энергоносителя для замены ископаемого топлива. Процесс «Водород по требованию» (см. прямой боргидридный топливный элемент ) создает водород по мере необходимости, но имеет и другие проблемы, такие как высокая цена на боргидрид натрия , который является сырьем.
Поскольку воздуха много на поверхности земли, окислителем обычно является атмосферный кислород, преимущество которого состоит в том, что он не хранится внутри транспортного средства. Это увеличивает соотношение мощности к весу и мощности к объему. Другие материалы используются для специальных целей, часто для увеличения выходной мощности или для обеспечения работы под водой или в космосе.
Охлаждение необходимо для отвода чрезмерного тепла — высокая температура может привести к отказу двигателя, обычно из-за износа (из-за отказа смазки, вызванного высокой температурой), растрескивания или деформации. Двумя наиболее распространенными формами охлаждения двигателя являются воздушное и водяное охлаждение . Большинство современных автомобильных двигателей имеют как водяное, так и воздушное охлаждение, поскольку вода/жидкая охлаждающая жидкость подается к ребрам и/или вентиляторам с воздушным охлаждением, тогда как более крупные двигатели могут иметь только водяное охлаждение, поскольку они стационарны и имеют постоянную подачу охлаждающей жидкости. вода через водопровод или пресную воду, в то время как большинство двигателей электроинструментов и других небольших двигателей имеют воздушное охлаждение. Некоторые двигатели (с воздушным или водяным охлаждением) также имеют масляный радиатор . В некоторых двигателях, особенно для охлаждения лопаток газотурбинных двигателей и жидкостного охлаждения ракетных двигателей , в качестве охлаждающей жидкости используется топливо, поскольку перед впрыском его в камеру сгорания его одновременно подогревают.
Двигатели внутреннего сгорания должны запустить свои циклы. В поршневых двигателях это достигается поворотом коленчатого вала (вала ротора Ванкеля), который вызывает циклы впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Первые двигатели запускались поворотом маховиков , а первая машина (Daimler Reitwagen) запускалась с помощью рукоятки. Все автомобили с двигателями внутреннего сгорания запускались с помощью ручных кривошипов, пока Чарльз Кеттеринг не разработал электрический стартер для автомобилей. [47] Этот метод в настоящее время получил наиболее широкое распространение даже среди неавтомобилей.
Поскольку дизельные двигатели стали крупнее, а их механизмы утяжелились, в употребление вошли пневматические стартеры . [48] Это связано с отсутствием крутящего момента в электростартерах. Пневматический стартер работает путем нагнетания сжатого воздуха в цилиндры двигателя, чтобы заставить его вращаться.
Двигатели двухколесных транспортных средств можно запустить одним из четырех способов:
Существуют также стартеры, в которых пружина сжимается при движении кривошипа, а затем используется для запуска двигателя.
В некоторых небольших двигателях используется механизм натяжного троса, называемый «запуском с отдачей», поскольку трос сматывается после того, как его вытащили для запуска двигателя. Этот метод обычно используется в толкаемых газонокосилках и других устройствах, где для проворачивания двигателя требуется лишь небольшой крутящий момент.
Турбинные двигатели часто запускаются электродвигателем или сжатым воздухом.
Типы двигателей сильно различаются по ряду причин:
После воспламенения и сгорания продукты сгорания — горячие газы — имеют больше доступной тепловой энергии , чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (которая имела более высокую химическую энергию ). Эта доступная энергия проявляется в виде более высокой температуры и давления , которые могут быть преобразованы двигателем в кинетическую энергию . В поршневом двигателе газы под высоким давлением внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.
После того, как имеющаяся энергия удалена, оставшиеся горячие газы выпускаются ( часто путем открытия клапана или открытия выхлопного отверстия), и это позволяет поршню вернуться в свое предыдущее положение (верхняя мертвая точка или ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, которая варьируется в зависимости от двигателя. Любая тепловая энергия, которая не преобразуется в работу, обычно считается отходами и удаляется из двигателя либо воздушной, либо жидкостной системой охлаждения.
Двигатели внутреннего сгорания считаются тепловыми двигателями (поскольку выделение химической энергии при сгорании имеет тот же эффект, что и передача тепла в двигатель), и поэтому их теоретическая эффективность может быть аппроксимирована идеализированными термодинамическими циклами . Термический КПД теоретического цикла не может превышать КПД цикла Карно , КПД которого определяется разницей между нижней и верхней рабочей температурой двигателя. Верхняя рабочая температура двигателя ограничивается двумя основными факторами; температурные эксплуатационные пределы материалов и устойчивость топлива к самовоспламенению. Все металлы и сплавы имеют температурный предел эксплуатации, и проводятся значительные исследования керамических материалов, которые можно изготовить с большей термической стабильностью и желаемыми структурными свойствами. Более высокая термическая стабильность обеспечивает большую разницу температур между нижней (окружающей) и верхней рабочей температурами, следовательно, более высокий термодинамический КПД. Кроме того, по мере повышения температуры цилиндра топливо становится более склонным к самовоспламенению. Это происходит, когда температура цилиндра приближается к температуре вспышки заряда. В этот момент воспламенение может произойти самопроизвольно до того, как загорится свеча зажигания, что приведет к чрезмерному давлению в цилиндре. Самовоспламенение можно уменьшить, используя топливо с высоким сопротивлением самовоспламенению ( октановым числом ), однако оно по-прежнему устанавливает верхнюю границу допустимой пиковой температуры в цилиндре.
Термодинамические пределы предполагают, что двигатель работает в идеальных условиях: мир без трения, идеальные газы, идеальные изоляторы и работа в течение бесконечного времени. Реальные приложения создают сложности, которые снижают эффективность. Например, реальный двигатель лучше всего работает при определенной нагрузке, называемой его диапазоном мощности . Двигатель автомобиля, едущего по шоссе, обычно работает значительно ниже идеальной нагрузки, поскольку он рассчитан на более высокие нагрузки, необходимые для быстрого ускорения. [ нужна цитата ] Кроме того, такие факторы, как сопротивление ветра, снижают общую эффективность системы. Экономия топлива автомобиля измеряется в милях на галлон или в литрах на 100 километров. Объем углеводородов предполагает стандартное энергосодержание.
Даже при использовании турбокомпрессоров и средств повышения эффективности большинство двигателей сохраняют средний КПД около 18–20%. [49] Однако новейшие технологии в двигателях Формулы-1 позволили повысить тепловой КПД более чем на 50%. [50] Существует множество изобретений, направленных на повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания. В целом, практические двигатели всегда находятся под угрозой из-за компромисса между различными свойствами, такими как эффективность, вес, мощность, тепло, отклик, выбросы выхлопных газов или шум. Иногда экономия также играет роль не только в стоимости производства самого двигателя, но также в производстве и распределении топлива. Увеличение эффективности двигателя приводит к большей экономии топлива, но только в том случае, если стоимость топлива на единицу энергоемкости одинакова.
Для стационарных и валовых двигателей, включая гребные двигатели, расход топлива измеряется путем расчета удельного расхода топлива тормозов , который измеряет массовый расход расхода топлива, деленный на произведенную мощность.
Для двигателей внутреннего сгорания в виде реактивных двигателей выходная мощность резко меняется в зависимости от скорости полета, и используется менее изменчивая мера: удельный расход топлива тяги (TSFC), который представляет собой массу топлива, необходимую для генерации импульсов , измеряемую в фунтах. сила-час или граммы топлива, необходимые для создания импульса размером в один килоньютон-секунду.
Для ракет можно использовать TSFC, но обычно традиционно используются другие эквивалентные меры, такие как удельный импульс и эффективная скорость истечения .
Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы загрязняющих воздух из-за неполного сгорания углеродистого топлива. Основными производными процесса являются углекислый газ CO.
2, вода и немного сажи — также называемые твердыми частицами (PM). Последствия вдыхания твердых частиц изучались на людях и животных и включают астму, рак легких, сердечно-сосудистые заболевания и преждевременную смерть. Однако в зависимости от условий эксплуатации и соотношения топлива и воздуха в процессе сгорания образуются некоторые дополнительные продукты, в том числе оксиды азота и серы , а также некоторые несгоревшие углеводороды.
Выбросы углекислого газа от двигателей внутреннего сгорания (особенно тех, которые используют ископаемое топливо, такое как бензин и дизельное топливо) способствуют антропогенному изменению климата . Повышение топливной эффективности двигателя может снизить, но не устранить количество CO .
2выбросы, поскольку при сжигании топлива на основе углерода образуется CO
2. С момента удаления CO
2от выхлопных газов двигателя нецелесообразно, растет интерес к альтернативам. Примерами являются экологически чистые виды топлива, такие как биотопливо , синтетическое топливо и электродвигатели , работающие от аккумуляторов.
Не все топливо полностью расходуется в процессе сгорания. После сгорания присутствует небольшое количество топлива, и некоторая его часть вступает в реакцию с образованием кислородсодержащих соединений, таких как формальдегид или ацетальдегид , или углеводородов, изначально не присутствующих во входной топливной смеси. Неполное сгорание обычно происходит из-за недостаточного количества кислорода для достижения идеального стехиометрического соотношения. Пламя «гасится» относительно прохладными стенками цилиндра, оставляя непрореагировавшее топливо, которое выбрасывается вместе с выхлопными газами. При работе на более низких оборотах тушение обычно наблюдается в дизельных двигателях (с воспламенением от сжатия), работающих на природном газе. Закалка снижает эффективность и усиливает детонацию, что иногда приводит к остановке двигателя. Неполное сгорание также приводит к образованию угарного газа (CO). Другими выбрасываемыми химическими веществами являются бензол и 1,3-бутадиен , которые также являются опасными загрязнителями воздуха .
Увеличение количества воздуха в двигателе снижает выбросы продуктов неполного сгорания, а также способствует реакции между кислородом и азотом воздуха с образованием оксидов азота ( NOx ). NO x опасен для здоровья растений и животных и приводит к образованию озона ( O
3). Озон не выделяется напрямую; скорее, это вторичный загрязнитель воздуха, образующийся в атмосфере в результате реакции NO x и летучих органических соединений в присутствии солнечного света. Приземный озон вреден для здоровья человека и окружающей среды. Хотя это одно и то же химическое вещество, приземный озон не следует путать со стратосферным озоном или озоновым слоем , который защищает Землю от вредных ультрафиолетовых лучей.
Углеродное топливо, содержащее серу, производит оксиды серы (SO) и диоксид серы ( SO
2) способствует возникновению кислотных дождей .
В Соединенных Штатах оксиды азота, твердые частицы , окись углерода, диоксид серы и озон регулируются в качестве критериев загрязнения воздуха в соответствии с Законом о чистом воздухе до уровней, обеспечивающих защиту здоровья и благосостояния человека. Другие загрязнители, такие как бензол и 1,3-бутадиен, регулируются как опасные загрязнители воздуха , выбросы которых необходимо максимально снизить в зависимости от технологических и практических соображений.
NO x , окись углерода и другие загрязняющие вещества часто контролируются посредством рециркуляции выхлопных газов , которая возвращает часть выхлопных газов обратно во впуск двигателя. Каталитические нейтрализаторы используются для преобразования химикатов выхлопных газов в CO.
2( парниковый газ ), H
2O (водяной пар, также парниковый газ) и N
2(азот).
Стандарты выбросов, используемые во многих странах, предъявляют особые требования к внедорожным двигателям , которые используются в оборудовании и транспортных средствах, не эксплуатируемых на дорогах общего пользования. Стандарты отделены от дорожных транспортных средств. [51]
Значительный вклад в шумовое загрязнение вносят двигатели внутреннего сгорания. Движение автомобилей и грузовиков на автомагистралях и уличных системах создает шум, равно как и полеты самолетов из-за шума реактивных самолетов, особенно самолетов, способных развивать сверхзвуковые скорости. Ракетные двигатели создают самый сильный шум.
Двигатели внутреннего сгорания продолжают потреблять топливо и выбрасывать вредные вещества на холостом ходу. Холостой ход снижается за счет систем «стоп-старт» .
Хороший способ оценить массу углекислого газа, выделяющегося при сгорании одного литра дизельного топлива (или бензина), можно найти следующим образом: [52]
В хорошем приближении химическая формула дизельного топлива: C.
нЧАС
2н. На самом деле дизельное топливо представляет собой смесь разных молекул. Поскольку углерод имеет молярную массу 12 г/моль, а водород (атомный) имеет молярную массу около 1 г/моль, массовая доля углерода в дизельном топливе составляет примерно 12 ⁄ 14 .
Реакция сгорания дизельного топлива выражается:
2 С
нЧАС
2н+ 3н О
2⇌ 2н СО
2+ 2н Ч
2О
Диоксид углерода имеет молярную массу 44 г/моль, так как состоит из 2 атомов кислорода (16 г/моль) и 1 атома углерода (12 г/моль). Итак, из 12 г углерода получается 44 г углекислого газа.
Дизель имеет плотность 0,838 кг на литр.
Если сложить все вместе, массу углекислого газа, образующегося при сжигании 1 литра дизельного топлива, можно рассчитать как:
Полученная при такой оценке цифра близка к значениям, найденным в литературе.
Для бензина плотностью 0,75 кг/л и соотношением атомов углерода и водорода примерно от 6 до 14 расчетное значение выброса углекислого газа при сжигании 1 литра бензина составляет:
Термин «паразитные потери» часто применяется к устройствам, которые забирают энергию от двигателя, чтобы повысить способность двигателя создавать больше энергии или преобразовывать энергию в движение. В двигателе внутреннего сгорания почти каждый механический компонент, включая трансмиссию , вызывает паразитные потери и поэтому может быть охарактеризован как паразитная нагрузка.
Подшипники , масляные насосы, поршневые кольца , клапанные пружины, маховики , трансмиссии , карданные валы и дифференциалы действуют как паразитные нагрузки, лишающие систему мощности. Эти паразитные нагрузки можно разделить на две категории: те, которые присущи работе двигателя, и те потери трансмиссии, которые возникают в системах, передающих мощность от двигателя на дорогу (таких как трансмиссия, карданный вал, дифференциалы и оси).
Например, в первую категорию (паразитные нагрузки двигателя) входит масляный насос, используемый для смазки двигателя, который является необходимым паразитом, потребляющим мощность двигателя (его хозяина). Другим примером паразитной нагрузки двигателя является нагнетатель , который получает мощность от двигателя и создает для него большую мощность. Мощность, которую потребляет нагнетатель, представляет собой паразитные потери и обычно выражается в киловаттах или лошадиных силах . Хотя мощность, которую потребляет нагнетатель по сравнению с той, которую он генерирует, невелика, ее все же можно измерить или вычислить. Одной из желательных особенностей турбокомпрессора по сравнению с нагнетателем является меньшие паразитные потери первого. [53]
Паразитные потери трансмиссии включают как установившиеся, так и динамические нагрузки. Устойчивые нагрузки возникают при постоянных скоростях и могут возникать в отдельных компонентах, таких как гидротрансформатор , масляный насос трансмиссии и/или сопротивление сцепления , а также в сопротивлениях уплотнения/подшипника, взбалтывании смазки и парусности / трении шестерни , обнаруженных во всей системе. Динамические нагрузки возникают при ускорении и вызваны инерцией вращающихся компонентов и/или повышенным трением. [54]
Хотя практические правила, такие как потеря 15% мощности из-за паразитных нагрузок трансмиссии, часто повторяются, фактические потери энергии из-за паразитных нагрузок различаются в зависимости от системы. На него могут влиять конструкция трансмиссии, тип и температура смазочного материала, а также многие другие факторы. [54] [55] В автомобилях потери в трансмиссии можно определить количественно, измеряя разницу между мощностью, измеренной динамометрическим стендом двигателя и динамометрическим стендом шасси . Однако этот метод в первую очередь полезен для измерения установившихся нагрузок и может неточно отражать потери из-за динамических нагрузок. [54] В лабораторных условиях можно использовать более продвинутые методы, такие как измерение давления в цилиндрах, расхода и температуры в определенных точках, а также тестирование отдельных деталей или узлов для определения потерь на трение и насосные потери. [56]
Например, в ходе динамометрического испытания, проведенного журналом Hot Rod , у Ford Mustang , оснащенного модифицированным малоблочным двигателем Ford V8 357ci и автоматической коробкой передач, измеренные потери мощности трансмиссии составили в среднем 33%. В том же тесте было измерено, что у Buick , оснащенного модифицированным двигателем 455ci V8 и 4-ступенчатой механической коробкой передач, средняя потеря мощности трансмиссии составила 21%. [57]
Лабораторные испытания дизельного двигателя большой мощности показали, что 1,3% потребляемой энергии топлива теряется из-за паразитных нагрузок на аксессуары двигателя, такие как водяные и масляные насосы. [56]
Инженеры-автомобилестроители и тюнеры обычно принимают решения, которые снижают паразитные нагрузки с целью повышения эффективности и выходной мощности. Это может включать выбор основных компонентов или систем двигателя, например, использование системы смазки с сухим картером вместо системы с мокрым картером . В качестве альтернативы это может быть достигнуто путем замены второстепенных компонентов, доступных в качестве модификаций послепродажного обслуживания, например, замены вентилятора с прямым приводом от двигателя на вентилятор, оснащенный муфтой вентилятора или электровентилятором. [57] Еще одной модификацией, направленной на снижение паразитных потерь, обычно наблюдаемых в гусеничных автомобилях, является замена водяного насоса с приводом от двигателя на электрический водяной насос. [58] Снижение паразитных потерь в результате этих изменений может быть связано с уменьшением трения или многими другими переменными, которые делают конструкцию более эффективной. [ нужна цитата ]
После сборки баллон с воздухом должен быть заряжен до 450 фунтов. давление
