Двигатель внутреннего сгорания ( ДВС или двигатель внутреннего сгорания ) — это тепловой двигатель , в котором сгорание топлива происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания , которая является неотъемлемой частью контура потока рабочей жидкости . В двигателе внутреннего сгорания расширение газов высокой температуры и высокого давления , образующихся при сгорании, прикладывает прямую силу к некоторому компоненту 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. Этот процесс преобразует химическую энергию в кинетическую энергию , которая используется для приведения в движение, перемещения или питания всего, 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, более знакомые двухтактные и четырехтактные поршневые двигатели, а также их варианты, такие 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 на том же принципе, что и описанный ранее. [1] [2] ( Огнестрельное оружие также является формой двигателя внутреннего сгорания, [2] хотя его тип настолько специализирован, что его обычно рассматривают как отдельную категорию, наряду с таким оружием, как минометы и зенитные пушки.) Напротив, в двигателях внешнего сгорания , таких как паровые или двигатели Стирлинга , энергия подается в рабочую жидкость, не состоящую из продуктов сгорания, не смешанную с ними и не загрязненную ими. Рабочие жидкости для двигателей внешнего сгорания включают воздух, горячую воду, воду под давлением или даже жидкий натрий , нагреваемый в котле .
Хотя существует множество стационарных применений, большинство ДВС используются в мобильных приложениях и являются основным источником питания для транспортных средств, таких как автомобили , самолеты и лодки . ДВС обычно работают на углеводородном топливе, таком как природный газ , бензин , дизельное топливо или этанол . Возобновляемое топливо , такое как биодизель, используется в двигателях с воспламенением от сжатия (CI), а биоэтанол или ЭТБЭ (этил-трет-бутиловый эфир), производимый 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] Возобновляемое топливо обычно смешивают с ископаемым топливом. Водород , который используется редко, можно получить либо из ископаемого топлива, либо из возобновляемой 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 был первым, использующим жидкое топливо , и построил двигатель примерно в то же время. 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 запустили прототип двигателя внутреннего сгорания, используя контролируемые взрывы пыли, Pyréolophore , на который Наполеон Бонапарт выдал патент . 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 основе водорода и привел двигатель 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 был применен 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 двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе. [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 сжатый заряд, четырехтактный двигатель. В 1879 году Карл Бенц запатентовал надежный двухтактный бензиновый двигатель. Позже, в 1886 году, Бенц начал первое коммерческое производство автотранспортных средств с двигателем внутреннего сгорания, в котором трехколесный, четырехтактный двигатель и шасси составляли единое целое. [14] В 1892 году Рудольф Дизель разработал первый сжатый заряд, двигатель с 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 .
В свое время слово engine (через старофранцузский , от латинского ingenium , «способность») означало любую часть машины — значение, которое сохраняется в таких выражениях, как осадная машина . «Мотор» (от латинского motor , «движитель») — это любая машина, которая производит механическую энергию . Традиционно электродвигатели не называются «двигателями»; однако двигатели внутреннего сгорания часто называют «моторами». ( Электрическим двигателем называют локомотив, работающий на электричестве.)
В судоходстве двигатель внутреннего сгорания, установленный в корпусе, называется двигателем, а двигатели, установленные на транце, называются моторами. [15]
Двигатели с возвратно-поступательным движением поршня 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 большинство используют дизельные двигатели [16] [17] ). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и мотоциклах. Они известны под общим названием транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (ICEV). [18]
Там, где требуется высокое отношение мощности к весу, двигатели внутреннего сгорания появляются в виде турбин внутреннего сгорания или иногда двигателей Ванкеля. Самолеты с двигателем обычно используют ДВС, который может быть поршневым двигателем. Вместо этого самолеты могут использовать реактивные двигатели , а вертолеты могут использовать турбовальные двигатели ; оба из них являются типами турбин. Помимо обеспечения движения, самолеты могут использовать отдельный ДВС в качестве вспомогательной силовой установки . Двигатели Ванкеля устанавливаются на многих беспилотных летательных аппаратах .
ДВС приводят в действие крупные электрогенераторы, питающие электросети. Они встречаются в виде турбин внутреннего сгорания с типичной электрической мощностью в диапазоне около 100 МВт. Электростанции комбинированного цикла используют высокотемпературные выхлопные газы для кипения и перегрева водяного пара для работы паровой турбины . Таким образом, эффективность выше, поскольку из топлива извлекается больше энергии, чем может быть извлечено одним двигателем внутреннего сгорания. Электростанции комбинированного цикла достигают эффективности в диапазоне 50–60%. В меньших масштабах стационарные двигатели, такие как газовые двигатели или дизельные генераторы, используются для резервного питания или для обеспечения электроэнергией районов, не подключенных к электросети .
Небольшие двигатели (обычно двухтактные бензиновые/бензиновые двигатели) являются распространенным источником энергии для газонокосилок , триммеров , цепных пил , воздуходувок , моек высокого давления , снегоходов , гидроциклов , подвесных лодочных 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 автомобилях , а также в других транспортных средствах, произведенных для экономии топлива [20] ):
Основой поршневого двигателя внутреннего сгорания является блок цилиндров , который обычно изготавливается из чугуна (из-за его хорошей износостойкости и низкой стоимости) [22] или алюминия . В последнем случае гильзы цилиндров изготавливаются из чугуна или стали [23] или имеют покрытие, такое как никасил или алюсил . Блок цилиндров 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 ), а также возможны и использовались другие конфигурации двигателей . Одноцилиндровые двигатели (или thumpers ) распространены для мотоциклов и других небольших двигателей, используемых в легкой технике. На внешней стороне цилиндра в блок цилиндров отлиты каналы, содержащие охлаждающую жидкость, тогда как в некоторых двигателях большой мощности каналы представляют собой типы съемных гильз цилиндров, которые могут быть заменены. [22] Двигатели с водяным охлаждением содержат каналы в блоке двигателя, где циркулирует охлаждающая жидкость ( водяная рубашка ). Некоторые небольшие двигатели охлаждаются воздухом, и вместо водяной рубашки блок цилиндров имеет ребра, выступающие из него, чтобы охлаждать двигатель путем прямой передачи тепла воздуху. Стенки цилиндров обычно отделываются хонингованием для получения поперечной штриховки , которая способна удерживать больше масла. Слишком грубая 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 небольших двигателях поршни изготавливаются из алюминия, в то время как в более крупных они обычно изготавливаются из чугуна. [22] В высокопроизводительных приложениях поршни также могут быть из титана или кованой стали для большей прочности. Верхняя поверхность поршня называется его головкой и обычно плоская или вогнутая. В некоторых двухтактных двигателях используются поршни с дефлекторной головкой . Поршни открыты снизу и полые, за исключением встроенной армирующей конструкции (поршневой перемычки). Когда двигатель работает, давление газа в камере сгорания оказывает усилие на головку поршня, которое передается через ее перемычку на поршневой палец . Каждый поршень имеет кольца, установленные по его окружности, которые в основном предотвращают утечку газов в картер или масла в камеру сгорания. [24] Система вентиляции выводит небольшое количество газа, которое выходит мимо поршней во время нормальной работы (картерные газы), из картера, так что он не скапливается, загрязняя масло и вызывая коррозию. [22] В двухтактных бензиновых двигателях картер является частью топливовоздушного тракта, и из-за его непрерывного потока двухтактным двигателям не нужна отдельная система вентиляции картера.
Головка цилиндра крепится к блоку двигателя многочисленными болтами или шпильками . Она имеет несколько функций. Головка цилиндра герметизирует цилиндры со стороны, противоположной поршням; она содержит короткие каналы ( порты ) для впуска и выпуска и соответствующие впускные клапаны , которые открываются, чтобы цилиндр был заполнен свежим воздухом, и выпускные клапаны, которые открываются, чтобы выпустить газы сгорания. Клапаны часто представляют собой тарельчатые клапаны [25] [26], но они также могут быть поворотными клапанами [27] или золотниковыми клапанами . [28] Однако двухтактные двигатели с продувкой картера соединяют газовые порты непосредственно со стенкой цилиндра без тарельчатых клапанов; вместо этого поршень управляет их открытием и закрытием. Головка цилиндра также удерживает свечу зажигания в случае двигателей с искровым зажиганием и инжектор для двигателей, которые используют прямой впрыск. Все двигатели CI (воспламенение от сжатия) используют впрыск топлива, обычно прямой впрыск, но некоторые двигатели вместо этого используют непрямой впрыск . Двигатели SI (искровое зажигание) могут использовать карбюратор или впрыск топлива в качестве впрыска во впускной канал или непосредственного впрыска . Большинство двигателей SI имеют одну свечу зажигания на цилиндр, но некоторые имеют 2. Прокладка головки предотвращает утечку газа между головкой цилиндра и блоком двигателя. Открытие и закрытие клапанов контролируется одним или несколькими распределительными валами и пружинами — или в некоторых двигателях — десмодромным механизмом , который не использует пружины. Распределительный вал может напрямую нажимать на шток клапана или может воздействовать на коромысло , опять же, либо напрямую, либо через толкатель .
Картер герметизирован снизу поддоном , который собирает падающее масло во время нормальной работы для повторного цикла. В полости, образованной между блоком цилиндров и поддоном, находится коленчатый вал , который преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение. Коленчатый вал удерживается на месте относительно блока двигателя коренными подшипниками , которые позволяют ему вращаться. Переборки в картере образуют половину каждого коренного подшипника; другая половина представляет собой съемную крышку. В некоторых случаях используется одна основная палуба подшипника вместо нескольких меньших крышек. 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 соединен с коленчатым валом, большим концом. Большая головка имеет съемную половину, позволяющую сборку вокруг коленчатого вала. Она крепится к шатуну съемными болтами.
Головка блока цилиндров имеет впускной коллектор и выпускной коллектор, прикрепленные к соответствующим портам. Впускной коллектор подключается непосредственно к воздушному фильтру или к карбюратору, если он имеется, который затем подключается к воздушному фильтру . Он распределяет поступающий из этих устройств воздух по отдельным цилиндрам. Выпускной коллектор является первым компонентом в выхлопной системе . Он собирает выхлопные газы из цилиндров и направляет их к следующему компоненту на пути. Выхлопная система ДВС может также включать каталитический нейтрализатор и глушитель . Конечным участком на пути выхлопных газов является выхлопная труба .
Верхняя мертвая точка (ВМТ) поршня — это положение, в котором он находится ближе всего к клапанам; нижняя мертвая точка (НМТ) — это противоположное положение, в котором он находится дальше всего от них. Ход — это движение поршня от ВМТ к НМТ или наоборот вместе с сопутствующим процессом. Во время работы двигателя коленчатый вал непрерывно вращается с почти постоянной скоростью . В 4-тактном ДВС каждый поршень совершает 2 хода за один оборот коленчатого вала в следующем порядке. Начиная описание с ВМТ, это: [29] [30]
Определяющей характеристикой этого типа двигателя является то, что каждый поршень завершает цикл за каждый оборот коленчатого вала. 4 процесса впуска, сжатия, мощности и выпуска происходят всего за 2 такта, так что невозможно выделить такт исключительно для каждого из них. Начиная с ВМТ цикл состоит из:
В то время как 4-тактный двигатель использует поршень как насос прямого вытеснения для выполнения продувки, используя 2 из 4 тактов, 2-тактный двигатель использует последнюю часть рабочего хода и первую часть такта сжатия для комбинированного впуска и выпуска. Работа, необходимая для вытеснения заряда и выхлопных газов, выполняется либо картером, либо отдельным нагнетателем. Для продувки, вытеснения сгоревшего газа и ввода свежей смеси описаны два основных подхода: продувка контуром и продувка однопоточным способом. Новости SAE, опубликованные в 2010-х годах, говорят о том, что «продувка контуром» лучше при любых обстоятельствах, чем продувка однопоточным способом. [19]
Некоторые двигатели SI продуваются картером и не используют тарельчатые клапаны. Вместо этого картер и часть цилиндра под поршнем используются в качестве насоса. Впускной порт соединен с картером через пластинчатый клапан или поворотный дисковый клапан, приводимый в действие двигателем. Для каждого цилиндра порт передачи одним концом соединяется с картером, а другим концом — со стенкой цилиндра. Выпускной порт соединен непосредственно со стенкой цилиндра. Порт передачи и выпускной порт открываются и закрываются поршнем. Пластинчатый клапан открывается, когда давление в картере немного ниже давления впуска, чтобы позволить ему наполниться новым зарядом; это происходит, когда поршень движется вверх. Когда поршень движется вниз, давление в картере увеличивается, и пластинчатый клапан быстро закрывается, затем заряд в картере сжимается. Когда поршень движется вниз, он также открывает выпускной порт и порт передачи, и более высокое давление заряда в картере заставляет его поступать в цилиндр через порт передачи, выдувая выхлопные газы. Смазка осуществляется путем добавления двухтактного масла в топливо в небольших пропорциях. Petroil относится к смеси бензина с вышеупомянутым маслом. Этот тип двухтактного двигателя имеет более низкую эффективность, чем сопоставимые четырехтактные двигатели, и выделяет больше загрязняющих выхлопных газов при следующих условиях:
Главным преимуществом двухтактных двигателей этого типа является механическая простота и более высокое отношение мощности к весу, чем у их четырехтактных аналогов. Несмотря на то, что на цикл приходится в два раза больше рабочих тактов, на практике достижима мощность менее чем в два раза выше мощности сопоставимого четырехтактного двигателя.
В США двухтактные двигатели были запрещены для дорожных транспортных средств из-за загрязнения. Мотоциклы, предназначенные только для бездорожья, по-прежнему часто имеют двухтактные двигатели, но редко разрешены для дорог общего пользования. Тем не менее, используются тысячи двухтактных двигателей для ухода за газонами. [ необходима 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. Двигатель этого типа использует порты или клапаны для впуска и клапаны для выпуска, за исключением двигателей с оппозитными поршнями , которые также могут использовать порты для выпуска. Нагнетатель обычно типа Roots, но использовались и другие типы. Такая конструкция является обычной в двигателях CI и иногда использовалась в двигателях SI.
Двигатели с воспламенением от сжатия, в которых используется нагнетатель, обычно используют прямоточную продувку . В этой конструкции стенка цилиндра содержит несколько впускных отверстий, равномерно расположенных по окружности чуть выше положения, которого достигает головка поршня в НМТ. Используется выпускной клапан или несколько, как в 4-тактных двигателях. Конечная часть впускного коллектора представляет собой воздушный рукав, который питает впускные отверстия. Впускные отверстия расположены под горизонтальным углом к стенке цилиндра (т. е. они находятся в плоскости головки поршня), чтобы придать вихрь входящему заряду для улучшения сгорания. Самыми большими поршневыми двигателями с воспламенением от сжатия являются низкооборотные двигатели с воспламенением от сжатия этого типа; они используются для морского движения (см. морской дизельный двигатель ) или выработки электроэнергии и достигают наивысшей тепловой эффективности среди двигателей внутреннего сгорания любого типа. Некоторые двигатели дизель-электрических локомотивов работают по двухтактному циклу. Самые мощные из них имеют тормозную мощность около 4,5 МВт или 6000 л. с . Примером такого класса являются локомотивы класса EMD SD90MAC. Сопоставимый класс GE AC6000CW , чей первичный двигатель имеет почти такую же тормозную мощность, использует 4-тактный двигатель.
Примером такого типа двигателя является двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом Wärtsilä-Sulzer RTA96-C , используемый на больших контейнеровозах. Это самый эффективный и мощный поршневой двигатель внутреннего сгорания в мире с термическим КПД более 50%. [31] [32] [33] Для сравнения, самые эффективные малые четырехтактные двигатели имеют термический КПД около 43% (SAE 900648); [ требуется ссылка ] размер является преимуществом для эффективности из-за увеличения отношения объема к площади поверхности.
По внешним ссылкам можно посмотреть видео о сгорании топлива в цилиндре двухтактного оптически доступного двигателя мотоцикла.
Дугалд Клерк разработал первый двухтактный двигатель в 1879 году. Он использовал отдельный цилиндр, который функционировал как насос для перекачивания топливной смеси в цилиндр. [19]
В 1899 году Джон Дэй упростил конструкцию Клерка до типа двухтактного двигателя, который очень широко используется сегодня. [34] Двигатели с циклом Дэй имеют продувку картера и синхронизацию портов. Картер и часть цилиндра под выпускным портом используются в качестве насоса. Работа двигателя с циклом Дэй 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 (приводимый в действие двигателем). От картера к порту в цилиндре отлиты каналы, обеспечивающие впуск, и еще один от выпускного порта к выхлопной трубе. Высота порта по отношению к длине цилиндра называется «синхронизацией порта».
При первом ходе двигателя вверх топливо не будет всасываться в цилиндр, так как картер будет пуст. При ходе вниз поршень теперь сжимает топливную смесь, которая смазала поршень в цилиндре и подшипники из-за того, что в топливную смесь было добавлено масло. Когда поршень движется вниз, он сначала открывает выхлоп, но при первом ходе нет сгоревшего топлива для выпуска. Когда поршень движется дальше вниз, он открывает впускной порт, который имеет канал, идущий к картеру. Поскольку топливная смесь в картере находится под давлением, смесь движется через канал в цилиндр.
Поскольку в цилиндре нет препятствий для прямого выхода топлива из выпускного отверстия до того, как поршень поднимется достаточно высоко, чтобы закрыть отверстие, в ранних двигателях использовался высокий куполообразный поршень для замедления потока топлива. Позже топливо «резонировало» обратно в цилиндр с помощью конструкции расширительной камеры. Когда поршень поднимался близко к ВМТ, искра воспламеняла топливо. Когда поршень движется вниз под действием силы, он сначала открывает выпускное отверстие, где сгоревшее топливо выбрасывается под высоким давлением, а затем впускное отверстие, где процесс был завершен и будет продолжать повторяться.
Более поздние двигатели использовали тип портирования, разработанный компанией Deutz для улучшения производительности. Он назывался Schnurle Reverse Flow system. DKW лицензировала эту конструкцию для всех своих мотоциклов. Их DKW RT 125 был одним из первых транспортных средств, достигших в результате более 100 миль на галлон. [35]
Двигатели внутреннего сгорания требуют воспламенения смеси либо искровым зажиганием (SI) , либо воспламенением от сжатия (CI) . До изобретения надежных электрических методов использовались методы горячей трубки и пламени. Были построены экспериментальные двигатели с лазерным зажиганием . [36]
.jpg/1280px-Bosch_magneto_(Army_Service_Corps_Training,_Mechanical_Transport,_1911).jpg){kind=spacer}
Двигатель с искровым зажиганием был усовершенствованием ранних двигателей, которые использовали зажигание Hot Tube. Когда Bosch разработал магнето, оно стало основной системой для производства электроэнергии для питания свечи зажигания. [37] Во многих небольших двигателях до сих пор используется зажигание от магнето. Небольшие двигатели запускаются вручную с помощью стартера с ручным приводом или рукоятки. До разработки Чарльзом Ф. Кеттерингом из Delco автомобильного стартера все автомобили с бензиновым двигателем использовали рукоятку. [38]
Более крупные двигатели обычно питают свои пусковые двигатели и системы зажигания , используя электрическую энергию, хранящуюся в свинцово-кислотной батарее . Заряженное состояние батареи поддерживается автомобильным генератором или (ранее) генератором, который использует мощность двигателя для создания хранилища электроэнергии.
Аккумуляторная батарея обеспечивает электроэнергию для запуска, когда двигатель имеет систему пускового двигателя , и обеспечивает электроэнергию, когда двигатель выключен. Аккумуляторная батарея также обеспечивает электроэнергию в редких условиях работы, когда генератор не может поддерживать напряжение более 13,8 вольт (для обычной автомобильной электрической системы 12 В). Когда напряжение генератора падает ниже 13,8 вольт, свинцово-кислотная аккумуляторная батарея все больше принимает на себя электрическую нагрузку. Практически во всех условиях работы, включая нормальные условия холостого хода, генератор обеспечивает первичную электроэнергию.
Некоторые системы отключают питание поля генератора (ротора) при полностью открытой дроссельной заслонке. Отключение поля снижает механическую нагрузку шкива генератора почти до нуля, максимизируя мощность коленчатого вала. В этом случае аккумулятор поставляет всю первичную электроэнергию.
Бензиновые двигатели всасывают смесь воздуха и бензина и сжимают ее движением поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, когда топливо находится в состоянии максимального сжатия. Уменьшение размера рабочей поверхности цилиндра и учет объема камеры сгорания описываются соотношением. Ранние двигатели имели степень сжатия 6 к 1. С увеличением степени сжатия эффективность двигателя также увеличивалась.
С ранними системами индукции и зажигания степень сжатия приходилось поддерживать низкой. С достижениями в топливной технологии и управлении сгоранием высокопроизводительные двигатели могут надежно работать при соотношении 12:1. С низкооктановым топливом возникала проблема, поскольку степень сжатия увеличивалась по мере воспламенения топлива из-за повышения температуры, которое возникало в результате этого. Чарльз Кеттеринг разработал свинцовую добавку , которая позволяла добиться более высоких степеней сжатия, от которой постепенно отказывались в автомобильной промышленности с 1970-х годов, отчасти из-за проблем с отравлением свинцом .
Топливная смесь воспламеняется при разных перемещениях поршня в цилиндре. При низких оборотах искра синхронизируется так, чтобы она возникла близко к достижению поршнем верхней мертвой точки. Для того чтобы вырабатывать больше мощности, по мере увеличения оборотов искра продвигается вперед раньше во время движения поршня. Искра возникает, когда топливо все еще сжимается все больше и больше по мере увеличения оборотов. [39]
Необходимое высокое напряжение, обычно 10 000 вольт, подается индукционной катушкой или трансформатором. Индукционная катушка представляет собой систему обратного хода, использующую прерывание тока первичной электрической системы через некоторый тип синхронизированного прерывателя. Прерывателем могут быть как контактные точки, так и силовой транзистор. Проблема с этим типом зажигания заключается в том, что с ростом оборотов в минуту доступность электрической энергии уменьшается. Это особенно проблема, поскольку количество энергии, необходимое для воспламенения более плотной топливной смеси, выше. Результатом часто были пропуски зажигания на высоких оборотах в минуту.
Было разработано зажигание с разрядом конденсатора . Оно создает нарастающее напряжение, которое подается на свечу зажигания. Напряжение в системе CD может достигать 60 000 вольт. [40] В системах зажигания CD используются повышающие трансформаторы . Повышающий трансформатор использует энергию, накопленную в емкости, для генерации электрической искры . В любой из систем механическая или электрическая система управления обеспечивает тщательно рассчитанное высокое напряжение для соответствующего цилиндра. Эта искра через свечу зажигания воспламеняет воздушно-топливную смесь в цилиндрах двигателя.
Хотя бензиновые двигатели внутреннего сгорания гораздо легче запускаются в холодную погоду, чем дизельные, у них все еще могут быть проблемы с запуском в холодную погоду в экстремальных условиях. В течение многих лет решением было парковать автомобиль в отапливаемых местах. В некоторых частях мира масло фактически сливали и нагревали в течение ночи и возвращали в двигатель для холодного запуска. В начале 1950-х годов был разработан блок бензинового газификатора, в котором при запуске в холодную погоду сырой бензин направлялся в блок, где часть топлива сжигалась, заставляя другую часть превращаться в горячий пар, направляемый непосредственно во впускной клапанный коллектор. Этот блок был довольно популярен, пока электрические нагреватели блока цилиндров не стали стандартными для бензиновых двигателей, продаваемых в холодном климате. [41]
Для зажигания дизельные, PPC и HCCI двигатели полагаются исключительно на высокую температуру и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия. Уровень сжатия, который возникает, обычно в два раза или больше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели всасывают только воздух и незадолго до пикового сжатия впрыскивают небольшое количество дизельного топлива в цилиндр через топливный инжектор, который позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI всасывают как воздух, так и топливо, но продолжают полагаться на процесс самовоспламенения без посторонней помощи из-за более высоких давлений и температуры. Вот почему дизельные и HCCI двигатели более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя они работают так же хорошо в холодную погоду после запуска. Легковые дизельные двигатели с непрямым впрыском в автомобилях и легких грузовиках используют свечи накаливания (или другой предварительный нагрев: см. Cummins ISB#6BT ), которые предварительно нагревают камеру сгорания непосредственно перед запуском, чтобы уменьшить условия отсутствия запуска в холодную погоду. Большинство дизелей также имеют аккумулятор и систему зарядки; Тем не менее, эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для простоты запуска, включения и выключения подачи топлива (что также может быть сделано с помощью переключателя или механического устройства), а также для работы вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. Большинство новых двигателей используют 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 по отношению к другим поверхностям, требуют смазки для снижения износа, шума и повышения эффективности за счет снижения потерь мощности при преодолении 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, а следовательно, коленчатый вал, шатун и днище поршней опрыскиваются двухтактным маслом в смеси воздуха, топлива и масла, которое затем сжигается вместе с топливом. Клапанный механизм может быть заключен в отсек, заполненный смазкой, так что масляный насос не требуется.
В системе смазки разбрызгиванием масляный насос не используется. Вместо этого коленчатый вал погружается в масло в поддоне и из-за своей высокой скорости разбрызгивает масло на коленчатый вал, шатуны и днище поршней. Крышки больших концов шатунов могут иметь прикрепленный ковш для усиления этого эффекта. Клапанный механизм также может быть запечатан в затопленном отсеке или открыт для коленчатого вала таким образом, что он принимает разбрызгиваемое масло и позволяет ему стекать обратно в поддон. Смазка разбрызгиванием распространена для небольших 4-тактных двигателей.
В принудительной (также называемой напорной ) системе смазки смазка осуществляется в замкнутом контуре, который переносит моторное масло к поверхностям, обслуживаемым системой, а затем возвращает масло в резервуар. Вспомогательное оборудование двигателя обычно не обслуживается этим контуром; например, генератор переменного тока может использовать шарикоподшипники, герметизированные собственной смазкой. Резервуаром для масла обычно является поддон, и в этом случае его называют системой с мокрым картером . Когда есть другой масляный резервуар, картер все равно улавливает его, но оно непрерывно сливается специальным насосом; это называется системой с сухим картером .
В нижней части поддона находится маслозаборник, покрытый сетчатым фильтром, который соединен с масляным насосом, а затем с масляным фильтром снаружи картера. Оттуда масло поступает в коренные подшипники коленчатого вала и клапанный механизм. Картер содержит по крайней мере один масляный канал (канал внутри стенки картера), в который масло поступает из масляного фильтра. Коренные подшипники содержат канавку по всей или половине своей окружности; масло поступает в эти канавки из каналов, соединенных с масляным каналом. Коленчатый вал имеет отверстия, которые берут масло из этих канавок и подают его в подшипники большой головки. Все подшипники большой головки смазываются таким образом. Один коренной подшипник может обеспечивать маслом 0, 1 или 2 подшипника большой головки. Подобная система может использоваться для смазки поршня, его поршневого пальца и малого конца его шатуна; В этой системе большая головка шатуна имеет канавку вокруг коленчатого вала и отверстие, соединенное с канавкой, которое распределяет масло оттуда к нижней части поршня и оттуда в цилиндр.
Для смазки цилиндра и поршня используются также другие системы. Шатун может иметь форсунку для подачи струи масла в цилиндр и нижнюю часть поршня. Эта форсунка движется относительно смазываемого ею цилиндра, но всегда направлена на него или на соответствующий поршень.
Обычно принудительные системы смазки имеют поток смазки выше, чем требуется для удовлетворительной смазки, чтобы способствовать охлаждению. В частности, система смазки помогает переносить тепло от горячих деталей 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 разработана так, чтобы быть химически стабильной и поддерживать подходящую вязкость в диапазоне температур, с которым она сталкивается в двигателе.
Обычные 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 использовать радиальную конфигурацию , которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как H , U , X и W.
Многоцилиндровые двигатели имеют клапанный механизм и коленчатый вал, сконфигурированные таким образом, что поршни находятся в разных частях своего цикла. Желательно, чтобы циклы поршней были равномерно распределены (это называется равномерным срабатыванием ), особенно в двигателях с принудительной индукцией; это снижает пульсации крутящего момента [42] и делает рядные двигатели с более чем 3 цилиндрами статически сбалансированными по своим первичным силам. Однако некоторые конфигурации двигателей требуют нечетного срабатывания для достижения лучшего баланса, чем то, что возможно при равномерном срабатывании. Например, 4-тактный двигатель I2 имеет лучший баланс, когда угол между шатунными шейками составляет 180°, потому что поршни движутся в противоположных направлениях, а инерционные силы частично компенсируются, но это дает нечетную схему срабатывания, когда один цилиндр срабатывает на 180° поворота коленчатого вала после другого, затем ни один цилиндр не срабатывает в течение 540°. При равномерной схеме срабатывания поршни будут двигаться в унисон, и связанные с ними силы будут складываться.
Конфигурации с несколькими коленчатыми валами не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров , поскольку вместо этого они могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с оппозитным поршнем . Поскольку входы и выходы топлива расположены на противоположных концах цилиндра, можно добиться продувки однопоточным потоком, которая, как и в четырехтактном двигателе, эффективна в широком диапазоне скоростей двигателя. Тепловая эффективность повышается из-за отсутствия головок цилиндров. Такая конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 , использующем два коленчатых вала на каждом конце одного ряда цилиндров, и наиболее примечательно в дизельных двигателях Napier Deltic . Они использовали три коленчатых вала для обслуживания трех рядов двухсторонних цилиндров, расположенных в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам. Она также использовалась в однорядных двигателях локомотивов и до сих пор используется в судовых двигателях и вспомогательных судовых генераторах.
Большинство дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используют цикл, напоминающий четырехтактный цикл, но с повышением температуры за счет сжатия, вызывающего воспламенение, вместо необходимости 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 по мере движения поршня.
Цикл Отто — наиболее распространенный цикл для большинства двигателей внутреннего сгорания автомобилей, использующих бензин в качестве топлива. Он состоит из тех же основных этапов, что и описанные для четырехтактного двигателя: впуск, сжатие, зажигание, 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, где происходило второе расширение выхлопного газа; владелец вернул его, заявив о плохой производительности. В 1906 году эта концепция была реализована в автомобиле, построенном EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); [43] а в 21 веке Илмор спроектировал и успешно испытал 5-тактный двигатель внутреннего сгорания двойного расширения с высокой выходной мощностью и низким удельным расходом топлива (SFC). [44]
Шеститактный двигатель был изобретен в 1883 году. Четыре типа шеститактных двигателей используют обычный поршень в обычном цилиндре (шеститактный двигатель Griffin, шеститактный двигатель Bajulaz, шеститактный двигатель Velozeta и шеститактный двигатель Crower), срабатывая каждые три оборота коленчатого вала. Эти системы улавливают отработанное тепло четырехтактного цикла Отто с помощью впрыска воздуха или воды.
Двигатели Beare Head и «поршневой нагнетатель» работают по принципу двигателей с оппозитным расположением поршней , два поршня в одном цилиндре, срабатывая каждые два оборота, а не каждые четыре, как в четырехтактном двигателе.
Первые двигатели внутреннего сгорания не сжимали смесь. Первая часть хода поршня вниз втягивала топливно-воздушную смесь, затем впускной клапан закрывался, и в оставшейся части хода вниз топливно-воздушная смесь воспламенялась. Выпускной клапан открывался для хода поршня вверх. Эти попытки имитировать принцип парового двигателя были очень неэффективны. Существует ряд вариаций этих циклов, наиболее известными из которых являются циклы Аткинсона и Миллера .
Двигатели с разделенным циклом разделяют четыре такта впуска, сжатия, сгорания и выпуска на два отдельных, но парных цилиндра. Первый цилиндр используется для впуска и сжатия. Затем сжатый воздух передается через переходной канал из цилиндра сжатия во второй цилиндр, где происходит сгорание и выпуск. 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 (объемная эффективность) и низкий тепловой КПД. Однако внедряются новые конструкции, которые стремятся решить эти проблемы. Двигатель Scuderi решает проблему дыхания, уменьшая зазор между поршнем и головкой цилиндра с помощью различных методов турбонаддува. Конструкция Scuderi требует использования открывающихся наружу клапанов, которые позволяют поршню перемещаться очень близко к головке цилиндра без помех со стороны клапанов. Scuderi решает проблему низкого теплового КПД с помощью зажигания после верхней мертвой точки (ATDC).
Запуск ATDC может быть осуществлен путем использования воздуха высокого давления в передаточном канале для создания звукового потока и высокой турбулентности в силовом цилиндре.
Реактивные двигатели используют ряды лопастей вентилятора для сжатия воздуха, который затем поступает в камеру сгорания , где смешивается с топливом (обычно JP-топливом) и затем воспламеняется. Сгорание топлива повышает температуру воздуха, который затем выбрасывается из двигателя, создавая тягу. Современный турбовентиляторный двигатель может работать с эффективностью до 48%. [45]
Турбореактивный двигатель состоит из шести секций:
Газовая турбина сжимает воздух и использует его для вращения турбины . По сути, это реактивный двигатель, который направляет свой выход на вал. Турбина состоит из трех этапов: 1) воздух втягивается 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 компрессором.
Газовая турбина — это роторная машина, по принципу действия похожая на паровую турбину , и она состоит 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 действие компрессор: остальная часть (около 1 ⁄ 3 ) доступна в качестве полезной работы. [47]
Газовые турбины являются одними из самых эффективных двигателей внутреннего сгорания. Электростанции комбинированного цикла турбин 7HA и 9HA компании General Electric имеют КПД более 61%. [48]
Газовая турбина — это роторная машина, в принципе похожая на паровую турбину. Она 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, которое расширяет воздух. Эта энергия вращает турбину, которая приводит в действие компрессор через механическую связь. Затем горячие газы выбрасываются, обеспечивая тягу.
Газотурбинные двигатели используют систему непрерывного сгорания, в которой сжатие, сгорание и расширение происходят одновременно в разных местах двигателя, обеспечивая непрерывную мощность. Примечательно, что сгорание происходит при постоянном давлении, а не при постоянном объеме, как в цикле Отто.
Двигатель Ванкеля (роторный двигатель) не имеет поршневых ходов. Он работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель, причем фазы происходят в разных местах двигателя. В термодинамических терминах он следует циклу двигателя Отто , поэтому его можно рассматривать как «четырехфазный» двигатель. Хотя верно, что три рабочих такта обычно происходят за один оборот ротора, из-за соотношения оборотов ротора и эксцентрикового вала 3:1 на самом деле происходит только один рабочий ход за один оборот вала. Ведущий (эксцентриковый) вал вращается один раз за каждый рабочий ход вместо двух (коленчатый вал), как в цикле Отто, что дает ему большее отношение мощности к весу, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя наиболее заметно использовался в Mazda RX-8 , более раннем RX-7 и других моделях транспортных средств. Двигатель также используется в беспилотных летательных аппаратах, где небольшие размеры и вес, а также высокое отношение мощности к весу являются преимуществами.
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 принудительной индукции считается двигателем без наддува .
Принудительная индукция используется в автомобильной и авиационной промышленности для увеличения мощности и эффективности двигателя. Она особенно полезна для авиационных двигателей, поскольку им необходимо работать на большой высоте.
Принудительная индукция достигается с помощью нагнетателя , в котором компрессор приводится в действие непосредственно от вала двигателя или, в турбонагнетателе , от турбины, приводимой в действие выхлопными газами двигателя.
Все двигатели внутреннего сгорания зависят от сгорания химического топлива , как правило, с кислородом из воздуха (хотя можно впрыскивать закись азота , чтобы сделать больше того же самого и получить прирост мощности). Процесс сгорания обычно приводит к производству большого количества тепловой энергии, а также к производству пара, углекислого газа и других химикатов при очень высокой температуре; достигаемая температура определяется химическим составом топлива и окислителей (см. стехиометрию ), а также сжатием и другими факторами.
Наиболее распространенные современные виды топлива состоят из углеводородов и в основном производятся из ископаемого топлива ( нефти ). К ископаемым видам топлива относятся дизельное топливо , бензин и нефтяной газ , а также реже пропан . 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, которая производится из культур, дающих триглицериды , такие как соевое масло). Двигатели с соответствующими модификациями также могут работать на водородном газе, древесном газе или древесном угле , а также на так называемом генераторном газе, полученном из другой удобной биомассы. Также проводились эксперименты с использованием порошкообразного твердого топлива, такого как цикл впрыска магния .
В настоящее время используются следующие виды топлива:
Даже порошки псевдоожиженных металлов и взрывчатые вещества нашли некоторое применение. Двигатели, использующие газы в качестве топлива, называются газовыми двигателями, а те, которые используют жидкие углеводороды, называются нефтяными двигателями; однако бензиновые двигатели также часто в разговорной речи называют «газовыми двигателями» (« бензиновыми двигателями » за пределами Северной Америки).
Основными ограничениями для топлива являются то, что оно должно легко транспортироваться по топливной системе в камеру сгорания , а также то, что топливо должно выделять достаточно энергии в виде тепла при сгорании для практического использования в двигателе.
Дизельные двигатели, как правило, тяжелее, шумнее и мощнее на более низких скоростях, чем бензиновые двигатели . Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (все чаще из-за их повышенной топливной экономичности 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), биодизеле , парафине и тракторном испаряющемся масле (ТВО).
Водород в конечном итоге может заменить обычное ископаемое топливо в традиционных двигателях внутреннего сгорания. В качестве альтернативы технология топливных элементов может оправдать свое обещание, и 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 только электричество не производится из возобновляемого источника и не требуется для других целей, водород не решает никаких энергетических кризисов . 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 обширной изоляции, в то время как газообразный водород требует большой емкости. Даже в сжиженном состоянии водород имеет более высокую удельную энергию , но объемное энергетическое хранилище все еще 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 борогидридный топливный элемент ) создает водород по мере необходимости, но имеет другие проблемы, такие как высокая цена борогидрида натрия , который является сырьем.
Поскольку воздуха много у поверхности земли, окислителем обычно является атмосферный кислород, преимущество которого 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 удаления избыточного тепла — высокая температура может привести к отказу двигателя, обычно из-за износа (из-за отказа смазки, вызванного высокой температурой), растрескивания или деформации. Две наиболее распространенные формы охлаждения двигателя — это воздушное и водяное охлаждение . Большинство современных автомобильных двигателей охлаждаются как водой, так и воздухом, поскольку охлаждающая жидкость/вода подается на охлаждаемые воздухом ребра и/или вентиляторы, тогда как более крупные двигатели могут охлаждаться только водой, поскольку они неподвижны и имеют постоянную подачу воды через водопровод или пресную воду, в то время как большинство двигателей электроинструментов и других небольших двигателей охлаждаются воздухом. Некоторые двигатели (с воздушным или водяным охлаждением) также имеют масляный радиатор . В некоторых двигателях, особенно для охлаждения лопаток турбинного двигателя и охлаждения жидкостного ракетного двигателя , в качестве охлаждающей жидкости используется топливо, поскольку оно одновременно предварительно нагревается перед впрыском в камеру сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания должны начинать свои циклы. В поршневых двигателях это достигается путем поворота коленчатого вала (вала ротора Ванкеля), который вызывает циклы впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Первые двигатели запускались поворотом маховиков , в то время как первый автомобиль (Daimler Reitwagen) запускался с помощью ручного заводного рычага. Все автомобили с двигателем внутреннего сгорания запускались с помощью ручного заводного рычага, пока Чарльз Кеттеринг не разработал электрический стартер для автомобилей. [51] Этот метод в настоящее время является наиболее широко используемым, даже среди неавтомобильных транспортных средств.
Поскольку дизельные двигатели стали больше, а их механизмы тяжелее, стали использоваться воздушные стартеры . [52] Это связано с отсутствием крутящего момента у электрических стартеров. Воздушные стартеры работают, нагнетая сжатый воздух в цилиндры двигателя, чтобы начать его вращение.
Двигатели двухколесных транспортных средств можно запускать одним из четырех способов:
Существуют также стартеры, в которых пружина сжимается при вращении рукоятки, а затем используется для запуска двигателя.
Некоторые небольшие двигатели используют механизм с тяговым тросом, называемый «старт с отдачей», поскольку трос сматывается обратно после того, как его выдернули для запуска двигателя. Этот метод обычно используется в толкаемых газонокосилках и других установках, где для запуска двигателя требуется лишь небольшой крутящий момент.
Турбинные двигатели часто запускаются электродвигателем или сжатым воздухом.
Типы двигателей существенно различаются по ряду причин:
После воспламенения и сгорания продукты сгорания — горячие газы — обладают большей доступной тепловой энергией , чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (имеющая более высокую химическую энергию ). Эта доступная энергия проявляется в виде более высокой температуры и давления , которые могут быть преобразованы в кинетическую энергию двигателем. В поршневом двигателе газы высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.
После того, как доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы выпускаются ( часто путем открытия клапана или открытия выхлопного отверстия), и это позволяет поршню вернуться в предыдущее положение (верхнюю мертвую точку, или ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, которая различается 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 высвобождение химической энергии при сгорании имеет тот же эффект, что и передача тепла в двигатель), и как таковые их теоретическая эффективность может быть аппроксимирована идеализированными термодинамическими циклами . Тепловая эффективность теоретического цикла не может превышать эффективность цикла Карно , эффективность которого определяется разницей между нижней и верхней рабочими температурами двигателя. Верхняя рабочая температура двигателя ограничена двумя основными факторами: тепловыми рабочими пределами материалов и сопротивлением самовоспламенению топлива. Все металлы и сплавы имеют тепловой рабочий предел, и проводятся значительные исследования керамических материалов, которые могут быть изготовлены с большей термической стабильностью и желаемыми структурными свойствами. Более высокая термическая стабильность допускает большую разницу температур между нижней (окружающей среды) и верхней рабочими температурами, следовательно, большую термодинамическую эффективность. 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 спонтанно до того, как сработает свеча зажигания, вызывая чрезмерное давление в цилиндре. Самовоспламенение можно смягчить, используя топливо с высокой стойкостью к самовоспламенению ( октановым числом ), однако это все равно накладывает верхний предел на допустимую пиковую температуру цилиндра.
Термодинамические пределы предполагают, что двигатель работает в идеальных условиях: мир без трения, идеальные газы, идеальные изоляторы и работа в течение бесконечного времени. Реальные приложения вносят сложности, которые снижают эффективность. Например, реальный двигатель работает лучше всего при определенной нагрузке, называемой его диапазоном мощности . Двигатель автомобиля, движущегося по шоссе, обычно работает значительно ниже своей идеальной нагрузки, поскольку он рассчитан на более высокие нагрузки, необходимые для быстрого ускорения. [ необходима цитата ] Кроме того, такие факторы, как сопротивление ветра, снижают общую эффективность системы. Экономия топлива транспортного средства измеряется в милях на галлон или в литрах на 100 километров. Объем углеводорода предполагает стандартное содержание энергии.
Даже при использовании турбокомпрессоров и стандартных средств повышения эффективности большинство двигателей сохраняют среднюю эффективность около 18–20%. [53] Однако новейшие технологии в двигателях Формулы-1 показали рост тепловой эффективности более чем на 50%. [54] Существует множество изобретений, направленных на повышение эффективности двигателей внутреннего сгорания. В целом, практические двигатели всегда идут на компромиссы между различными свойствами, такими как эффективность, вес, мощность, тепло, реакция, выбросы выхлопных газов или шум. Иногда экономия также играет роль не только в стоимости производства самого двигателя, но и в производстве и распределении топлива. Повышение эффективности двигателя приводит к лучшей экономии топлива, но только если стоимость топлива на единицу энергии одинакова.
Для стационарных и вальных двигателей, включая гребные двигатели, расход топлива измеряется путем расчета удельного расхода топлива на торможение , который представляет собой массовый расход топлива, деленный на вырабатываемую мощность.
Для двигателей внутреннего сгорания в виде реактивных двигателей выходная мощность существенно меняется в зависимости от скорости полета, поэтому используется менее изменчивая мера: удельный расход топлива на тягу (TSFC), представляющий собой массу топлива, необходимую для создания импульса , которая измеряется либо в фунтах силы в час, либо в граммах топлива, необходимых для создания импульса, который измеряется в один килоньютон в 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 веществ в атмосферу из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива. Основными производными процесса являются углекислый газ CO
2, вода и немного сажи — также называемой твердыми частицами (ТЧ). [55] Эффекты вдыхания твердых частиц изучались на людях и животных и включают астму, рак легких, сердечно-сосудистые проблемы и преждевременную смерть. [56] Однако существуют некоторые дополнительные продукты процесса сгорания, которые включают оксиды азота и серу , а также некоторые несгоревшие углеводороды, в зависимости от условий эксплуатации и соотношения топлива и воздуха.
Выбросы углекислого газа от двигателей внутреннего сгорания (особенно тех, которые используют ископаемое топливо, такое как бензин и дизельное топливо) способствуют изменению климата, вызванному деятельностью человека. Повышение топливной эффективности двигателя может уменьшить, но не устранить количество CO
2выбросы, так как сжигание углеродсодержащего топлива приводит к образованию CO
2. После удаления CO
2из выхлопных газов двигателя непрактично, растет интерес к альтернативам. Примерами являются устойчивые виды топлива, такие как биотопливо , синтетическое топливо и электродвигатели, работающие от батарей.
Не все топливо полностью потребляется в процессе сгорания. Небольшое количество топлива присутствует после сгорания, и часть его реагирует с образованием оксигенатов, таких как формальдегид или ацетальдегид , или углеводородов, изначально не присутствующих во входящей топливной смеси. Неполное сгорание обычно является результатом недостаточного количества кислорода для достижения идеального стехиометрического соотношения. Пламя «гасится» относительно холодными стенками цилиндра, оставляя непрореагировавшее топливо, которое выбрасывается с выхлопными газами. При работе на более низких скоростях гашение обычно наблюдается в дизельных двигателях (с воспламенением от сжатия), работающих на природном газе. Гашение снижает эффективность и увеличивает детонацию, иногда заставляя двигатель глохнуть. Неполное сгорание также приводит к образованию оксида углерода (CO). Другими выделяемыми химическими веществами являются бензол и 1,3-бутадиен , которые также являются опасными загрязнителями воздуха .
Увеличение количества воздуха в двигателе снижает выбросы продуктов неполного сгорания, но также способствует реакции между кислородом и азотом в воздухе с образованием оксидов азота ( NO x ). NO x опасен для здоровья как растений, так и животных и приводит к образованию озона ( O
3). Озон не выбрасывается напрямую; скорее, это вторичный загрязнитель воздуха, который образуется 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) способствующих образованию кислотных дождей .
В Соединенных Штатах оксиды азота, PM , оксид углерода, диоксид серы и озон регулируются как критериальные загрязнители воздуха в соответствии с Законом о чистом воздухе до уровней, при которых здоровье и благополучие человека защищены. Другие загрязнители, такие как бензол и 1,3-бутадиен, регулируются как опасные загрязнители воздуха, выбросы которых должны быть максимально снижены в зависимости от технологических и практических соображений.
NO x , оксид углерода и другие загрязняющие вещества часто контролируются с помощью рециркуляции выхлопных газов , которая возвращает часть выхлопных газов обратно в двигатель. Каталитические нейтрализаторы используются для преобразования выхлопных химикатов в CO
2( парниковый газ ), H
2O (водяной пар, также парниковый газ) и N
2(азот).
Стандарты выбросов, используемые во многих странах, имеют особые требования к двигателям недорожной техники , которые используются оборудованием и транспортными средствами, не эксплуатируемыми на дорогах общего пользования. Стандарты отделены от дорожных транспортных средств. [57]
Значительный вклад в шумовое загрязнение вносят двигатели внутреннего сгорания. Движение автомобилей и грузовиков, работающих на автомагистралях и уличных системах, создает шум, как и полеты самолетов из-за шума реактивных двигателей, особенно сверхзвуковых самолетов. Ракетные двигатели создают самый интенсивный шум.
Двигатели внутреннего сгорания продолжают потреблять топливо и выбрасывать загрязняющие вещества на холостом ходу. Холостой ход сокращается за счет систем «стоп-старт» .
Хороший способ оценить массу углекислого газа, выделяющегося при сгорании одного литра дизельного топлива (или бензина), можно найти следующим образом: [58]
В качестве хорошего приближения химическая формула дизельного топлива выглядит следующим образом: C
нЧАС
2н. На самом деле дизельное топливо представляет собой смесь различных молекул. Поскольку углерод имеет молярную массу 12 г/моль, а водород (атомарный) имеет молярную массу около 1 г/моль, то массовая доля углерода в дизельном топливе составляет примерно 12 ⁄ 14 .
Реакция сгорания дизельного топлива имеет вид:
2 С
нЧАС
2н+ 3н О
2⇌ 2н СО
2+ 2н Н
2О
Углекислый газ имеет молярную массу 44 г/моль, поскольку он состоит из 2 атомов кислорода (16 г/моль) и 1 атома углерода (12 г/моль). Таким образом, 12 г углерода дают 44 г углекислого газа.
Плотность дизельного топлива составляет 0,838 кг на литр.
Собрав все вместе, массу углекислого газа, выделяющегося при сжигании 1 литра дизельного топлива, можно рассчитать следующим образом:
Полученная при этой оценке цифра близка к значениям, найденным в литературе.
Для бензина с плотностью 0,75 кг/л и соотношением атомов углерода к атомам водорода примерно 6 к 14 расчетное значение выбросов углекислого газа при сжигании 1 литра бензина составляет:
Термин паразитные потери часто применяется к устройствам, которые берут энергию из двигателя, чтобы улучшить способность двигателя создавать больше энергии или преобразовывать энергию в движение. В двигателе внутреннего сгорания почти каждый механический компонент, включая трансмиссию , вызывает паразитные потери и, таким образом, может быть охарактеризован как паразитная нагрузка.
Подшипники , масляные насосы, поршневые кольца , пружины клапанов, маховики , трансмиссии , приводные валы и дифференциалы — все это паразитные нагрузки, которые лишают 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 к дороге (таких как трансмиссия, приводной вал, дифференциалы и оси).
Например, первая категория (паразитные нагрузки двигателя) включает масляный насос, используемый для смазки двигателя, который является необходимым паразитом, потребляющим мощность от двигателя (его хозяина). Другим примером паразитной нагрузки двигателя является нагнетатель , который получает свою мощность от двигателя и создает большую мощность для двигателя. Мощность, потребляемая нагнетателем, является паразитными потерями и обычно выражается в киловаттах или лошадиных силах . Хотя мощность, потребляемая нагнетателем по сравнению с той, что он генерирует, мала, ее все равно можно измерить или рассчитать. Одной из желательных особенностей турбонагнетателя по сравнению с нагнетателем является меньшая паразитная потеря первого. [59]
Паразитные потери трансмиссии включают как стационарные, так и динамические нагрузки. Стационарные нагрузки возникают при постоянных скоростях и могут возникать в дискретных компонентах, таких как гидротрансформатор , масляный насос трансмиссии и/или сопротивление сцепления , а также в сопротивлении уплотнения/подшипника, перемешивании смазки и вращении / трении шестерен, обнаруживаемых по всей системе. Динамические нагрузки возникают при ускорении и вызваны инерцией вращающихся компонентов и/или повышенным трением. [60]
Хотя эмпирические правила, такие как 15% потери мощности из-за паразитных нагрузок трансмиссии, обычно повторяются, фактическая потеря энергии из-за паразитных нагрузок различается в разных системах. На нее может влиять конструкция трансмиссии, тип и температура смазки и многие другие факторы. [60] [61] В автомобилях потери трансмиссии можно количественно оценить, измерив разницу между мощностью, измеренной динамометром двигателя и динамометром шасси . Однако этот метод в первую очередь полезен для измерения нагрузок в стационарном состоянии и может неточно отражать потери из-за динамических нагрузок. [60] Более продвинутые методы могут использоваться в лабораторных условиях, например, измерение давления в цилиндре, расхода и температуры в определенных точках, а также тестирование отдельных деталей или узлов для определения потерь на трение и насосные потери. [62]
Например, в динамометрическом тесте журнала Hot Rod , Ford Mustang, оснащенный модифицированным двигателем Ford V8 объемом 357 куб. см и автоматической коробкой передач, имел среднюю потерю мощности трансмиссии в 33%. В том же тесте Buick , оснащенный модифицированным двигателем V8 объемом 455 куб. см и 4-ступенчатой механической коробкой передач, имел среднюю потерю мощности трансмиссии в 21%. [63]
Лабораторные испытания дизельного двигателя большой мощности показали, что 1,3% потребляемой энергии топлива теряется из-за паразитных нагрузок на вспомогательное оборудование двигателя, такое как водяные и масляные насосы. [62]
Инженеры и тюнеры в области автомобилестроения обычно выбирают такие конструкции, которые снижают паразитные нагрузки, чтобы повысить эффективность и выходную мощность. Они могут 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, замена вентилятора с прямым приводом от двигателя на вентилятор с муфтой или электрическим вентилятором. [63] Еще одна модификация для снижения паразитных потерь, обычно встречающаяся в гоночных автомобилях, — это замена водяного насоса с приводом от двигателя на электрический водяной насос. [64] Снижение паразитных потерь в результате этих изменений может быть связано с уменьшением трения или многими другими переменными, которые делают конструкцию более эффективной. [ необходима цитата ]
После сборки баллон с воздухом должен быть заряжен до давления 450 фунтов.
