Процесс впуска в двигателях: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия — Cheholshop.ru

Содержание

устройство, принцип работы и классификация

Что такое ДВС?

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.

ДВС работает благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС. В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).

Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).

Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

Несмотря на то, что технологии, в том числе, в транспортной сфере, развиваются семимильными шагами, ДВС на авто человечество будет устанавливать еще долго. Даже концерн Volkswagen, который, как известно, готовит масштабную программу электрификации модельного ряда своих двигателей, пока не спешит отказываться от ДВС. Открытой является информация, что автомобили с ДВС будут выпускаться не только в ближайшие 5, но и 30 лет. Да, время разработок новых ДВС у концерна уже подходит к финальной стадии, но производство никто сворачивать не будет. Нынешние актуальные разработки будут использоваться и впредь. Некоторые же концерны по производству авто и вовсе не спешат переходить на электромоторы. Это можно обосновать и экономически, и технически. Именно ДВС из всех моторов одни из наиболее надежных и при этом дешёвых, а постоянное совершенствование моделей ДВС позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на атмосферу.

Современные дизельные двигатели внутреннего сгорания позволяют снизить расход топлива на 25-30 %. Лучше всего такое уменьшение расхода топлива смогли достигнуть производители дизельных ДВС. Но и производители бензиновых двигателей внутреннего сгорания активно удивляют. Ещё в 2012-м году назад американский концерн Transonic Combustion (разработчик так называемых сверхкритических систем впрыска топлива) впечатлил решением TSCiTM. Благодаря новому подходу к конструкции топливного насоса и инжекторам, бензиновый двигатель стал существенно экономичней.

Большие ставки на ДВС делает и концерн Mazda. Он акцентирует внимание на изменении конструкции выпускной системы. Благодаря ей улучшена продувка газов, повышена степень их сжатия, а, вместе с тем, снижены и обороты (причём сразу на 15%). А это и экономия расхода топлива, и уменьшение вредных выбросов – несмотря на то, что речь идёт о бензиновом двигателе, а не о дизеле.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

Блок цилиндров. Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).

Газораспределительный механизм (ГРМ). Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.
Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

Замену ГРМ проводят через каждые 60000 — 90 000 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.
Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.
Система питания. В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
Система смазки. Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.

Система охлаждения. Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.
Выхлопная система. Служит для отвода от мотора продуктов сгорания.
Включает:
— выпускной коллектор (приёмник отработанных газов),
— газоотвод (приёмная труба, в народе- «штаны»),
— резонатор для разделения выхлопных газов и уменьшения их скорости,
— катализатор (очиститель) выхлопных газов,
— глушитель (корректирует направление потока газов, гасит шум).
Система зажигания. Входит в состав только бензодвигателей. Неотъемлемые компоненты системы – свечи и катушки зажигания. Самый популярный вариант конструкции – «катушка на свече». У двигателей внутреннего сгорания старого поколения также были высоковольтные провода и трамблер (распределитель). Но современные производители моторов, прежде всего, благодаря появлению конструкции «катушка на свече», могут себе позволить не включать в систему эти компоненты.

Система впрыска. Позволяет организовать дозированную подачу топлива.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто. А это одна из важнейших характеристик любого мотора.

Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС.

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения «Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля», на платформе ELECTUDE. Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

Поршень в цилиндре движется вниз.
Открывается впускной клапан.
В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
Поршень поднимается.
Выпускной клапан закрывается.
Поршень сжимает воздух.
Поршень доходит до верхней мертвой точки.
Срабатывает свеча зажигания.
Открывается выпускной клапан.

Поршень начинает двигаться вверх.
Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно! Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE.

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.

Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

Такт выпуска.
Такт сжатия воздуха.
Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.

Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

Поршень двигается снизу-вверх.
В камеру сгорания поступает топливо.
Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
Возникает компрессия. (давление).
Возникает искра.
Топливо загорается.
Поршень продвигается вниз.
Открывается доступ к выпускному коллектору.
Из цилиндра выходят продукты сгорания.

То есть первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй — опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Двухтактный принцип работы – распространённое явление для мототехники, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности такие устройства можно сделать очень лёгкими и компактными.

Важно! Кроме количества тактов есть отличия в механизме газообмена.

В моделей, которые поддерживают 4 такта, газораспределительный механизм открывает и закрывает в нужный момент цикла клапаны впуска и выпуска.

У решений, которые поддерживают два такта, заполнение и очистка цилиндра осуществляются синхронно с тактами сжатия и расширения (то есть непосредственно в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки).

Классификация двигателей

Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.

Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла

В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс), выделяют два типа моторов:

Ориентированные на цикл Отто. Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
Ориентированные на цикл Дизеля. Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.

Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.

А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.

И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.

Классификация двигателей в зависимости от конструкции

Поршневой. Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
Роторные (двигатели Ванкеля). Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.

Классификация двигателей по принципу подачи воздуха

Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса:

Атмосферные. При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
Турбокомпрессорные. Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.

Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.

Атмосферные системы активно встречаются как среди дизельных, так и бензиновых моделей. Турбокомпрессорные ДВС – в большинстве своём, дизельные двигатели. Это связано с тем, что монтаж турбонаддува предполагает достаточно сложную конструкцию самого ДВС. И на такой шаг готовы пойти чаще всего производители авто премиум-класса, спорткаров. У них установка турбокомпрессора себя оправдывает. Да, такие решения более дорогие, но выигрыш есть в весе, компактности, показателе крутящего момента, уровни токсичности. Более того! Выигрыш есть и в расходе топлива. Его требуется существенно меньше.

Очень часто решения с турбокомпрессором выбирают автовладельцы, которые предпочитают агрессивный стиль езды, высокую скорость.

Преимущества ДВС

Удобство. Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
Высокая скорость заправки двигателя топливом.
Длительный ресурс работы. Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
Компактность. Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Недостатки ДВС

При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.

Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).

Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.

Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.

Процесс — впуск — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Процесс — впуск

Cтраница 1

Процессы впуска и выпуска в четырехтактном двигателе занимают более 50 % продолжительности цикла, а в двухтактном двигателе эти процессы протекают за время, составляющее 25 — 30 % продолжительности цикла. [1]

Процесс впуска начинается, когда вернпша А ротора ( рис. 316, а и б) открывает кромку впускного окна. Объем камеры / в это время приближается к наименьшему, выпускное окно еще открыто и закапчивается процесс выпуска отработавших газов. С ротора, происходят одновременно процессы расширения и начало выпуска отработавших газов. [2]

Процесс впуска предназначен для введения в цилиндр свежего заряда горючей смеси в карбюраторных двигателях или воздуха в дизелях. Для лучшего использования объемов цилиндров процесс впуска должен быть организован так, чтобы в цилиндр двигателя было введено возможно большее весовое Gc. [3]

Процесс впуска ( зарядки) необходим для наполнения цилиндра горючей смесью или воздухом. [4]

Процесс впуска следует за процессом выпуска, по окончании которого не может быть полной очистки цилиндра от сгоревших газов, так как были удалены только те продукты сгорания, которые мог вытолкнуть из цилиндра поднимающийся поршень. Поэтому вся камера сгорания всегда заполнена газами, остающимися от предшествующего цикла и поэтому называемыми остаточными газами. [5]

Процесс впуска начинается в тот момент, когда объем камеры сгорания заполнен, как указывалось ранее, сгоревшими газами, оставшимися от предшествовавшего цикла. Количество остаточных газов оказывает влияние на процесс наполнения и последующий процесс сгорания. Остаточные газы в карбюраторных двигателях способствуют лучшему испарению топлива, но замедляют процесс сгорания, так как они состоят из инертных газов. В дизелях, обладающих высокими степенями сжатия, количество остаточных газов обычно не превышает 3 — 4 %, поэтому они почти не оказывают влияния на процесс сгорания. [6]

Процесс впуска в двигателях предназначен для наполнения цилиндра горючей смесью в двигателях с внешним смесеобразованием или одним воздухом — — в двигателях с внутренним смесеобразованием. [7]

Процесс впуска воздуха на индикаторной диаграмме изображен линией га. [8]

Процесс впуска газа представлен линией 1 — 2; кривой 2 — 3 — сжатия; кривой 3 — 4 — выпуск сжатого газа; по линии 4 — / происходит процесс обратного расширения оставшегося в цилиндре газа до давления впуска. Нетрудно видеть, что площадь, ограниченная кривыми 1 — 2 — 3 — 4 — /, выражает работу, затраченную на сжатие газа в левой половине цилиндра за один оборот вала компрессора. [9]

Процесс впуска рабочей смеси в цилиндр происходит после выталкивания из него поршнем отработавшего газа. При выталкивании газ испытывает сопротивление в выпускных клапанах и трубопроводах. [11]

На процесс впуска большое влияние оказывают конструктивные особенности двигателя и факторы аэродинамического и теплового характера. [13]

Качество процесса впуска принято определять по величине коэффициента наполнения. [14]

В процессе впуска воздух из окружающей среды с давлением р ( з проходит в цилиндр двигателя, понижая свое давление до ра. [15]

Страницы: 1 2 3 4

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса — ДРАЙВ

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом. А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов. Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора. При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса. В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше). Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом. За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

…такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков. В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения. С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил. Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней. Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин. Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена». Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л. На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет. Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик. Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации. Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения. С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50). А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах. Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.

Принцип работы 2-х и 4-х тактных двигателей

Чем четырехтактный мотор лучше двухтактного?

Для начала рассмотрим устройство двигателей внутреннего сгорания.

Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.

Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.

В случае с двухтактным процессом всё уже не так просто. Такты условно называются сжатие и расширение. Как видно, места отдельным тактам впуска и выпуска здесь не нашлось. Это не случайно. Хотя в двухтактном двигателе процессы впуска и выпуска присутствуют, для их осуществления необходимо, чтобы давление на входе в цилиндр было выше атмосферного. То есть нужен принудительный наддув. Те, кто знаком с двухтактными мотоциклетными бензиновыми двигателями, могут возразить: на мотоциклах нет никаких турбо- или механических компрессоров. Отдельного компрессора в мотоциклетном двухтактнике действительно нет. Функция компрессора возложена на картер двигателя.

В простых мотоциклетных моторах нет клапанов в головке цилиндра, вместо них существуют впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, перекрываемые телом поршня. Впускные окна связаны с карбюратором не напрямую, а через перепускные каналы, выходящие в картер. В течение хода поршня вверх нижний край открывает окно, на котором находится карбюратор, рабочая смесь под действием разрежения, создаваемого идущим вверх поршнем, устремляется в картер. Когда поршень идёт вниз, он перекрывает это окно, рабочая смесь начинает сжиматься. Поршень идёт далее вниз, открывая перепускные окна, рабочая смесь под давлением подаётся в цилиндр, где вытесняет отработанные газы в выпускное окно. Поршень идёт снова вверх, и процессы под его днищем повторяются, а в это время в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Затем сжатая смесь воспламеняется свечой, и поршень идёт вниз, совершая такт расширения, или рабочий ход.

По материалам сайта airbase.ru

Преимущества и недостатки двух и четырех тактных ЛОДОЧНЫХ моторов.

Двухтактные преимущества

1. Меньший вес. Пример: 15 л.с. 2х тактный 36 кг 4-х тактный 45 кг. Казалось — бы 45 кг. — легко. Все не так просто. Вес мотора распределен крайне неравномерно. Примерно 90% весит голова (сам двигатель) 10% нога. Не нужно также забывать и о большем у 4-х тактников размере головы. Все это + одна маленькая не всегда удобная ручка для переноски делает этот процесс крайне затруднительным.

2. Цена. 4-х тактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже 2-х тактников.

3. Удобство перевозки 2-х тактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.

4. 2-х такт мотор живее реагирует на ручку газ. В 4-х тактниках для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в 2-х тактных только один. Частый вопрос: А правда ли что 4-х такная 15 л.с. бежит быстрее чем такая же 2-х тактная? Ответ: нет не правда. У обеих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один мотор должен ехать быстрее второго?

Двухтактные недостатки

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для 2х такта 300 грамм на одну лошадинную силу для 4х такта 200 грамм.

2. Шумноcть. На максимальных оборотах 2-х тактные моторы как правило работают немного громче 4х тактников.

3. Комфорт. 4-х тактные моторы не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 2-х и 4-х тактники вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как 2-х тактники. Дымность важный момент, особенно если вы любите тролить.

4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что 2-хтактные моторы менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от 4-х тактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны 4-х тактный мотор по конструкции намного сложнее конкурента, состоит из значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики «Чем проще тем надежнее» еще никто не отменял.

Какой же лодочный мотор выбрать?

Взвесьте все за и против изложенные выше и сделайте выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из моторов лучше Вы не найдете ни в одной из книг ни на одном из форумов. И у тех и у других типов двигателей есть свои поклонники. Личное мнение автора: мотор до 40 л.с. должен быть 2-х тактным, а свыше 40 л.с. — четырехтактником.

Выберите свой лодочный мотор Тохатсу!

Особенности тепломеханических характеристик пульсирующих потоков в газовоздушных трактах поршневых двигателей с турбонаддувом | Плотников

1. Байков Б.П., Бордуков В.Г. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Ленинград: Машиностроение, 1982. 200 с.

2. Круглов М.Г., Дехович Д.А., Иванов Г.И. Агрегаты для воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Москва: Машиностроение, 1973. 296 с.

3. Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры. Москва: ООО Издательство «Астрель – АСТ», 2003. 351 с.

4. Comparison and analysis of the effects of various improved turbocharging approaches on gasoline engine transient performances // Applied Thermal Engineering. 2016. V. 93, pp. 797-812.

5. Lee J., Tan C.S., Sirakov B.T., et al.Performance metric for turbine stage under unsteady pulsating flow environment // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 2017. V. 139, N 7.

6. An extended calculation approach of exhaust thermocouple temperatures in one-dimensional gas exchange simulation for turbocharged gasoline direct-injection engines // International Journal of Engine Research. 2018. V. 19. N 4. pp. 449-460.

7. Huang L., Ma C., Li Y., Gao J., Qi M. Applying neural networks (NN) to the improvement of gasoline turbocharger heat transfer modeling // Applied Thermal Engineering. 2018. V. 141. pp. 1080-1091.

8. . Galindo J., Tiseira A., Navarro R.., Tarí D., Meano C.M. Effect of the inlet geometry on performance, surge margin and noise emission of an automotive turbocharger compressor // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 110. pp. 875-882.

9. Шестаков Д.С. Доводка рабочего процесса тепловозных дизелей 8ДМ21/21 с турбокомпрессорами типоразмера TCR // Двигателестроение. 2017. № 3. С. 9-13.

10. Wang T.J. Optimum design for intake and exhaust system of a heavy-duty diesel engine by // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018. V. 32. N 7. pp. 3465-3472.

11. Жилкин Б.П., Лашманов В.В., Плотников Л.В., Шестаков Д.С. Совершенствование процессов в газовоздушных трактах поршневых двигателей внутреннего сгорания: монография; под общ. ред. Ю. М. Бродова. Екатеринбург: ИздательствоУральского . университета, 2015. 228 с.

12. Plotnikov L.V. Specific aspects of the thermal and mechanic characteristics of pulsating gas flows in the intake system of a piston engine with a turbocharger system // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 160.

13. Д.С. Шестаков, Л.В. Плотников, Б.П. Жилкин, Н.И. Григорьев Снижение пульсации потока во впускной системе поршневого ДВС с наддувом // Двигателестроение. 2013. № 1. С. 24-27.

14. Жилкин Б.П. Некоторые особенности газодинамики процесса впуска при наддуве поршневых ДВС // Тяжелое машиностроение. 2012. № 2. С. 48-51.

15. Плотников Л.В., Жилкин Б.П., Крестовских А.В, Падаляк Д.Л. Об изменении газодинамики процесса выпуска в поршневых ДВС при установке глушителя // Вестник академии военных наук. 2011. № 2. С. 267-270.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)

В соответствии с правилами и спортивным кодексом для моделей используются двигатели внутреннего сгорания с рабочим объемом от 1,0 до 25,0 кубических сантиметров. Двигатели внутреннего сгорания по принципу работы подразделяются на два типа: четырехтактные и двухтактные. По способу воспламенения горючей смеси модельные двигатели подразделяются на калильные и компрессионные. В четырехтактном двигателе рабочий процесс в цилиндре совершается за четыре хода поршня и соответствует двум оборотам коленчатого вала. У двухтактных двигателей рабочий процесс совершается за два хода поршня — такта, что соответствует одному обороту коленчатого вала. Основным двигателем, применяемым в авиамодельном спорте, является двухтактный двигатель. Рабочий процесс двухтактного двигателя протекает следующим образом. При движении поршня вверх к верхней мёртвой точке (ВМТ) в кривошипной камере создается давление, благодаря которому рабочая смесь засасывается карбюратором в полость картера. При движении поршня вниз к нижней мёртвой точке (НМТ) смесь в картере сначала сжимается, а затем поступает по перепускным каналам в цилиндр. При следующем ходе поршня вверх, который происходит под действием сил инерции вращающихся масс, рабочая смесь в цилиндре сжимается, одновременно происходит всасывание в кривошипную камеру из картера новой порции рабочей смеси. При движении поршня вверх в положении, близком к (ВМТ), от сжатия рабочая смесь нагревается и воспламеняется от калильной свечи. Образовавшиеся при сгорании газы начинают давить на поршень. При движении последнего открывается выхлопное окно, и газы устремляются наружу. Перемещаясь далее вниз, поршень открывает впускное окно, и в результате разности давления в кривошипной камере и цилиндре горючая смесь поступает в цилиндр, происходит перепуск и продувка, затем сжатие, и цикл повторяется.

Схемы работы двух и четырёхтактного двигателей внутреннего сгорания.

Большое влияние на мощность двигателя, число его оборотов, экономичность и пусковые качества оказывает газораспределение: начало и конец процесса всасывания, перепуска и выхлопа. Всасыванием называется процесс заполнения картера рабочей смесью (воздуха и топлива). Протекает этот процесс так: поршень при своем движении вверх создает разрежение в кривошипной камере. Через трубку, называемую всасывающим патрубком, воздух устремляется в кривошипную камеру. Патрубок, по которому воздух из атмосферы поступает в кривошипную камеру, имеет переменное сечение, вследствие чего скорость, а следовательно, и давление по оси потока переменны. В самом малом сечении патрубка, где максимальная скорость потока и минимальное статическое давление, устанавливается жиклер. Под действием разности давления в жиклере и патрубке топливо вытекает во всасывающий патрубок. Протекающий воздух захватывает частицы топлива, распыляет их и уносит в полость кривошипной камеры. Величина отверстия жиклера, пропускающего горючее, регулируется иглой. А впуск рабочей смеси в картер осуществляется поршнем, валом или золотником.

Перепуском называется процесс перемещения горючей смеси из кривошипной камеры в цилиндр. Продувкой называется процесс заполнения цилиндра свежей порцией горючей смеси и вытеснения сгоревших газов к выхлопному окну.

Выхлопом называется процесс выхода газов из цилиндра.

Фазами газораспределения называют углы поворота коленчатого вала, соответствующие процессам: всасывания, продувки и выхлопа. Фазы газораспределения обычно изображают в виде круговой диаграммы. Круговая диаграмма дает представление скольким градусам угла поворота вала двигателя соответствуют процессы газораспределения.

Основными геометрическими характеристиками двигателя являются рабочий объем V, диаметр цилиндра D, ход поршня Н, их отношение и степень сжатия Е. В двухтактном двигателе рабочий объем используется не полностью и поэтому вводят понятие эффективного рабочего объёма и эффективного рабочего хода. Эффективным рабочим объемом называется объём цилиндра от верхней кромки выхлопного окна до нижней. А соответствующий эффективному рабочему объёму рабочий ход называется эффективным рабочим ходом. При одном и том же рабочем объеме можно варьировать диаметром цилиндра и ходом поршня в зависимости от того, какую внешнюю характеристику двигателя хотим получить. Скоростные авиамодельные двигатели обычно делают с коротким ходом поршня. Объясняется это тем, что скоростной двигатель для получения максимальной мощности и высокого к.п.д. винта эксплуатируется на высоких оборотах. Поэтому применение короткохода дает возможность снизить среднюю скорость поршня и следовательно, снизить потери мощности на трение в рабочей паре двигателя. Кроме того, уменьшается износ. Трение и износ уменьшаются еще и потому, что с изменением рабочего хода, уменьшается боковая составляющая силы давления сгоревших газов, прижимающая поршень к цилиндру. Но увлекаться уменьшением хода поршня нельзя, так как возрастают нагрузки на шатун и шейку коленчатого вала. Фактором, ограничивающим уменьшение хода поршня, является крутящий у момент двигателя, который в рабочем диапазоне оборотов должен быть равен потребному крутящему моменту винта, имеющего наибольший к.п.д.

Необходимо четко представлять себе, что рабочим объёмом цилиндра называется объем, заключенный между верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвыми точками поршня в цилиндре. Когда поршень находится в верхней мертвой точке, весь объём, находящийся над поршнем, называется объемом камеры сгорания. Суммарный объем, получаемый при сложении объема камеры сгорания с рабочим объемом, называется полным объемом цилиндра. Рабочий объем можно определить по геометрической формуле объема цилиндра, а вот объем камеры сгорания — только замером.

Двигатель с внешним подводом теплоты — Энергетика и промышленность России — № 2 (66) февраль 2006 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 2 (66) февраль 2006 года

В двигателе с внешним подводом теплоты такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах: компрессионном и расширительном. Цилиндры связаны между собой через компрессионную и расширительную магистрали. В компрессионной магистрали находится охладитель, а в расширительной – нагреватель. Компрессионная магистраль подключена к компрессионному цилиндру через выпускной клапан, а к расширительному цилиндру – через впускной клапан. Расширительная магистраль подключена к расширительному цилиндру – через выпускной клапан, а к компрессионному цилиндру через впускной клапан. Поршни цилиндров связаны с валом двигателя через механизм преобразования движения.

Конструктивно двигатель содержит четыре расширительных и четыре компрессионных цилиндра. Цилиндры расположены поочередно и параллельно, вокруг оси рабочего вала двигателя. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения выполнен в виде косой шайбы, как привод аксиально-поршневого насоса. Сгорание топлива происходит в теплообменной камере. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплообменные трубки. При сжатии рабочего тела осуществляется отвод теплоты через теплообменные трубки и охлаждение рабочего тела в охладителе (радиаторе). Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. Рабочее тело находится под большим давлением, порядка 40‑200 атм.

Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель.

К особенностям нового двигателя следует отнести:

1. Высокий КПД. Возможность получения высокого КПД, а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, а также трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.

2. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких‑либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива, от твердых до газообразных, могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.

В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.

3. Двигатель может работать не только на разнообразных топливах, но и дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве – как на подводных лодках, так и на спутниках.

4. Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания, и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.

Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как используется топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ – продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.

Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами.

Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.

Даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.

5. Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из‑за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т.п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.

Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20‑30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

6. Низкий расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой – к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.

В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.

Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются несмазываемые поршневые кольца. Смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.

7. Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко запускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.

8. Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как рассматриваемое устройство – двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из‑за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.

9. Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.

В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50‑80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.

10. Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом он должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.

Ход всасывания — обзор

Основы дизельного двигателя

Дизельный двигатель — это тепловой двигатель, который использует свойства газа для преобразования тепловой энергии в механическую. Когда масса воздуха содержится в ограниченном объеме, таком как цилиндр двигателя, а затем к нему добавляется тепло, давление газа увеличивается. Это увеличение давления можно использовать для создания механической силы, мощности. Поперечное сечение цилиндра дизельного двигателя показано на рис.5.1.

Рисунок 5.1. Поперечное сечение цилиндра дизельного двигателя.

Источник: Министерство энергетики США.

Большинство дизельных двигателей имеют четырехтактный двигатель, как и двигатель с искровым зажиганием. Для идеализированного двигателя эти четыре хода являются тактом впуска, когда воздух втягивается в цилиндр через клапан, когда поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ — см. Главу 4) к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он достигает НМТ, клапан закрывается ¹, и поршень возвращается в ВМТ, при этом сжимая воздух внутри цилиндра.Когда он снова достигает ВМТ, дизельное топливо впрыскивается в сжатый газ, который теперь очень горячий в результате сжатия, и топливо сгорает, повышая температуру и, следовательно, давление внутри цилиндра. Это дополнительное давление на головку поршня заставляет поршень вернуться в положение НМТ, обеспечивая рабочий ход двигателя, который можно использовать для обеспечения механического привода. Наконец, при НМТ поршень снова возвращается, на этот раз со вторым выпускным клапаном, открытым, когда воздух и продукты сгорания выбрасываются из цилиндра.

Стадии цикла можно представить в виде диаграммы давление-объем, которая представляет газы внутри цилиндра двигателя. В идеализированном виде это показано на рис. 5.2. На этой диаграмме не учитывается первый ход цикла, в котором воздух втягивается в цилиндр, и последний ход, при котором удаляются газы сгорания, потому что эти два хода, в идеале, не предполагают обмена энергией. (На практике для завершения им требуется энергия, но ее количество невелико по сравнению с энергообменом, связанным с двумя другими ударами.) В позиции 1 на схеме предполагается, что цилиндр заполнен воздухом, и этот воздух сжимается поршнем, когда он перемещается в положение 2. Этот ход сжатия уменьшает объем, увеличивает давление и повышает температуру воздуха. Топливо впрыскивается в положение 2 и воспламеняется, что приводит к дальнейшему резкому увеличению температуры и давления, поскольку поршень начинает двигаться от ВМТ и объем цилиндра увеличивается. Затем следует рабочий ход 3–4, когда объем внутри цилиндра увеличивается, а давление падает.Наконец, в конце рабочего хода 4 выпускной клапан открывается, и избыточное давление сбрасывается, опять же мгновенно в этой идеальной версии. Затем следуют такт выпуска и такт впуска, оба из которых имеют место в позиции 1.

Рисунок 5.2. Идеализированная термодинамическая диаграмма давление – объем для дизельного двигателя.

Источник: Викимедиа.

Если сравнить рис. 5.2 с рис. 4.2, на котором показан цикл двигателя с искровым зажиганием, единственная разница заключается в изменении, которое происходит при сгорании.В двигателе с искровым зажиганием предполагается, что это происходит мгновенно внутри цилиндра при постоянном объеме, поскольку поршень не успевает двигаться во время взрывного сгорания. В дизельном цикле сгорание длится дольше и предполагается, что оно происходит при постоянном давлении, когда поршень движется от ВМТ.

Такт сжатия 1-2 требует использования энергии для сжатия газа в цилиндре. С другой стороны, рабочий ход от 2 до 4 генерирует мощность. Чистое количество энергии, доступное для полезной работы, и есть разница между ними.Математически это представлено областью цикла на диаграмме.

Механическая работа двигателя — ход впуска

В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты двигатель внутреннего сгорания повернуть пропеллеры чтобы генерировать толкать. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов все еще с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель. На этой странице мы обсудим основы двигатель внутреннего сгорания с использованием Двигатель братьев Райт 1903 года, показанный на рисунке в качестве примера.

Дизайн братьев очень прост по сегодняшним меркам, так что это хороший двигатель для студентов, чтобы изучить основы работа двигателя. Этот тип двигатель внутреннего сгорания называется четырехтактный двигатель, потому что есть четыре движения (штрихи) поршня перед повторением всей последовательности запуска двигателя. На рисунке мы раскрасили система впуска топлива / воздуха красный, электрическая система зеленый, а вытяжная система синий. Мы также представляем топливно-воздушную смесь и выхлопные газы небольшими цветные шарики, чтобы показать, как эти газы проходят через двигатель.Поскольку мы будем иметь в виду движение различных частей двигателя, вот рисунок, показывающий названия частей:

Механическое управление

В цикл двигателя начинается в Этап 1 с ходом впуска в качестве поршня тянул в сторону коленчатого вала (на рисунке слева). Впускной клапан открыт, топливо и воздух проходят через клапан. и в камеру сгорания и цилиндр от впускного коллектора, расположенного в верхней части камеры сгорания.Выпускной клапан закрыт, а электрический контактный выключатель разомкнут. Топливно-воздушная смесь находится на относительно низком уровне. давление (около атмосферного) и окрашен в синий цвет на этом рисунке. В конце такта впуска, 2 этап , поршень расположен в крайнем левом углу и начинает двигаться назад к верно. Цилиндр и камера сгорания заполнены топливно-воздушной смесью низкого давления. и, когда поршень начинает двигаться вправо, впускной клапан закрывается. чтобы начать ход сжатия.

Термодинамика

Такт впуска происходит при почти постоянном атмосферном давлении. потому что впускной клапан открыт для впускного коллектора на всем протяжении инсульт. Нет (теоретически) нет Работа выполняется на топливовоздушной смеси во время этого процесса. Беспорядочное движение газового наполнения увеличивающийся объем по мере того, как поршень перемещается влево. На такте впуска оба отношения давления и температуры равны 1,0.

Действия:

Экскурсии

Навигация..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Управление зарядом на впуске двигателя

Ханну Яэскеляйнен, Магди К. Хаир

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Управление подачей воздуха и других компонентов впускного заряда цилиндра в камеру сгорания является важным процессом для обеспечения стабильной и надежной работы современных двигателей.Управление всасываемым зарядом охватывает все аспекты, которые влияют на количество, состав, температуру, давление, объемное движение и чистоту содержимого цилиндра в начале периода тепловыделения. Подробная информация о системе впуска, конструкции головки блока цилиндров и клапанного механизма, технологии повышения давления и требований к разбавлению заряда — все это важные аспекты управления всасываемым воздухом.

Введение

Управление подачей всасываемого заряда до начала сгорания является критическим аспектом современных двигателей и может повлиять на выбросы, производительность и экономию топлива.Управление всасываемым зарядом — это процесс, который используется для обеспечения того, чтобы всасываемый заряд, подаваемый в камеру сгорания во всех рабочих условиях, соответствовал ряду требований, включая:

имеется достаточное количество кислорода для обеспечения полного сгорания,
присутствует достаточное количество разбавителя (например, EGR) для регулирования температуры сгорания,
контролируется температура и давление (плотность) наддувочного воздуха,
соответствующему объемному движению и кинетической энергии сообщается наддувному воздуху в цилиндре для поддержки смешивания воздуха, топлива и промежуточных продуктов сгорания, а
размер и концентрация примесей, таких как пыль и грязь, являются приемлемыми.

Обычно элементы этого процесса обозначаются как , управление воздухом, . Однако термин «управление воздухом» четко не определен и также может вводить в заблуждение, поскольку подразумевает, что необходимо управлять только потоком воздуха. Для современных двигателей содержимое цилиндра в начале сгорания может также включать разбавители, такие как рециркулируемый выхлопной газ, а в двигателях SI — также топливо. Таким образом, необходим термин, который более точно включает эти элементы. В этой статье используется для управления расходами на входе .

В старых конструкциях дизельных двигателей, которые не должны были соответствовать строгим требованиям по выбросам выхлопных газов, системы управления впускным зарядом фактически были системами управления воздухом и были относительно простыми. В некоторых случаях было достаточно просто убедиться, что воздух был чистым, а пропускная способность впускной системы была достаточной для обеспечения максимального крутящего момента и мощности. Эти дизельные двигатели также обычно создавались так, чтобы создавать завихрение воздуху, когда он входил в камеру сгорания, чтобы поддерживать систему впрыска топлива в задаче смешивания воздуха и топлива.Как правило, не требовалось никакого активного управления каким-либо оборудованием на стороне впуска. Даже когда многие двигатели начали использовать турбокомпрессоры и другие формы сжатия всасываемого воздуха, этого было достаточно, чтобы просто обеспечить надлежащее соответствие между двигателем и компрессором. Бензиновые двигатели SI без наддува имели дроссельную заслонку для управления нагрузкой и дополнительно усложняли предварительное смешивание воздуха и топлива во впускной системе. Система впуска должна быть спроектирована таким образом, чтобы распределение воздуха и топливной смеси, создаваемой карбюратором, соответствовало проектным требованиям двигателя и чтобы были приняты меры для минимизации накопления пленки жидкого топлива во впускной системе.

Давление для снижения выбросов при сохранении или улучшении других рабочих параметров двигателя требовало лучшего управления и согласования свойств всасываемого воздуха в соответствии с условиями работы двигателя. Это потребовало внедрения дополнительных аппаратных средств для управления этими свойствами всасываемого воздуха. В дизельных двигателях, например, было введено управление перепускным клапаном на турбонагнетателе, чтобы обеспечить улучшенное усиление всасываемого воздуха на более низких оборотах двигателя и ограничить частоту вращения турбины на высоких оборотах двигателя, были введены клапаны для смешивания некоторого количества выхлопных газов (EGR) с всасываемым воздухом на некоторых оборотах. В условиях работы двигателя органы управления турбонагнетателем становятся более сложными, чтобы обеспечить выполнение требований к наддува и рециркуляции отработавших газов, а все более и более высокие давления всасываемого воздуха требуют ограничения более высоких температур всасываемого воздуха в результате сжатия.Вся эта дополнительная сложность потребовала включения более сложных систем управления с датчиками и сложными алгоритмами управления, чтобы все работало должным образом.

Существует ряд важных аспектов управления расходами на поступление, в том числе:

Управление давлением наддува. Управление давлением всасываемого заряда имеет решающее значение для удельной мощности. В дизельных двигателях турбокомпрессоры были обычным явлением, потому что низкая удельная мощность из-за общей бедной природы процесса сгорания была бы неприемлема для многих приложений.В бензиновых двигателях регулирование нагрузки обычно достигается за счет изменения плотности топливно-воздушной смеси во впускном коллекторе.
Управление температурой заряда. Управление температурой содержимого цилиндра во время впрыска топлива в дизельных двигателях имеет решающее значение для обеспечения правильной работы двигателя. Действия по ограничению этой температуры можно предпринять как во впускной системе, так и в цилиндре. Есть два аспекта управления температурой всасываемого заряда:
- ограничение максимальной температуры и
- регулирует низкие температуры заряда для облегчения запуска двигателя, прогрева и контроля выбросов.
Если температура заряда слишком высока, плотность всасываемого заряда будет ниже, а температура сгорания может стать слишком высокой. Это может ограничить мощность двигателя и привести к увеличению выбросов выхлопных газов. Если температура слишком низкая, запуск двигателя при низких температурах может быть проблематичным, и / или выбросы во время прогрева двигателя могут стать чрезмерными. Для достижения надлежащей температуры заряда обычно используются различные элементы оборудования двигателя. В двигателях с наддувом используются охладители наддувочного воздуха, чтобы температура наддувочного воздуха не становилась слишком высокой, они могут передавать тепло от наддувочного воздуха охлаждающей жидкости двигателя, окружающему воздуху или отдельной жидкости с более низкой температурой.Обеспечение достаточной температуры наддувочного воздуха для холодного пуска и ее поддержания во время прогрева может быть достигнуто с помощью свечей накаливания, электрических нагревателей или вспомогательных средств пламени.
Управление составом заряда (рециркуляция выхлопных газов). Рециркуляция выхлопных газов (EGR), процесс рециркуляции части выхлопных газов обратно во впускную систему, является важной технологией, которая позволила современным дизельным двигателям достичь очень низкого уровня выбросов NOx. Как можно представить, введение выхлопных газов с относительно высокой температурой во всасываемый воздух может иметь значительное влияние на температуру и состав воздуха для горения, подаваемого в камеру сгорания.Чтобы обеспечить надлежащее функционирование двигателя с системой рециркуляции отработавших газов, необходимо ввести различные аппаратные компоненты, такие как клапаны и охладители, для управления потоком, температурой и распределением подачи рециркуляции отработавших газов и полученной смеси с всасываемым воздухом. Кроме того, это может повлиять на выбор размера турбокомпрессора и выбор технологии, и необходимо принять меры для обеспечения достаточного количества кислорода для сгорания и наличия достаточного потока рециркуляции отработавших газов во всех условиях работы двигателя.
Контроль потока в камеру сгорания и из нее. Из впускного коллектора поток должен передаваться на цилиндр. В четырехтактных двигателях это достигается с помощью порта, расположенного в головке блока цилиндров, с тарельчатым клапаном для открытия и закрытия порта. Другой набор клапанов контролирует синхронизацию потока выхлопных газов из цилиндра в выхлопное отверстие. Выбор фаз газораспределения в четырехтактных двигателях может быть фиксированным или регулируемым.
В двухтактных двигателях отверстия в гильзе цилиндра, расположенные рядом с местом НМТ поршня, которые попеременно закрываются и не закрываются поршнем, обычно используются для регулирования потока на впуске.После завершения сгорания сгоревшие газы от двухтактного двигателя выводятся из цилиндра либо через выпускные клапаны, либо через другой набор выпускных отверстий, расположенных рядом с положением НМТ поршня. Часть цикла, доступная для удаления выхлопных газов и впуска газов во впуск в двухтактном режиме, относительно коротка. Как правило, впускные газы должны находиться под давлением, чтобы позволить поступающему воздуху быстро заполнить цилиндр и очистить его от выхлопных газов.
Вентиляция картера. Двигатели с закрытой системой вентиляции картера отводят газы из картера в систему впуска воздуха для рециркуляции в двигатель. Этот рециркуляционный продувочный газ необходимо надлежащим образом контролировать. Кроме того, хотя рециркулируемые газы фильтруются, небольшое количество масла и твердых частиц все еще может попадать во впускную систему и накапливаться на критических компонентах, таких как компрессор. Со временем, если произойдет достаточное накопление этого материала, это может оказать значительное влияние на работу двигателя.

###

Основы двигателя внутреннего сгорания

| Министерство энергетики

Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, от них в Соединенных Штатах полагается более 250 миллионов транспортных средств по шоссе. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для увеличения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал.В конечном итоге это движение приводит в движение колеса транспортного средства через систему шестерен трансмиссии.

В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, а это означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня. Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.

Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

Улучшение двигателей внутреннего сгорания

За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС определенных загрязняющих веществ, таких как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. .Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.

Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.

Система забора воздуха: принцип работы

Каждый двигатель внутреннего сгорания, от крошечных двигателей для скутеров до колоссальных корабельных двигателей, требует для работы двух основных вещей — кислорода и топлива — но просто выбросить кислород и топливо в контейнер еще не значит создать двигатель.Трубки и клапаны направляют кислород и топливо в цилиндр, где поршень сжимает смесь для воспламенения. Взрывная сила толкает поршень вниз, заставляя коленчатый вал вращаться, давая пользователю механическое усилие для перемещения транспортного средства, запуска генераторов и перекачки воды, и это лишь некоторые из функций автомобильного двигателя.

Система впуска воздуха имеет решающее значение для работы двигателя, поскольку она собирает воздух и направляет его в отдельные цилиндры, но это еще не все. Следуя за типичной молекулой кислорода через систему впуска воздуха, мы можем узнать, что делает каждая часть, чтобы ваш двигатель работал эффективно.(В зависимости от автомобиля эти детали могут быть в разном порядке.)

Трубка забора холодного воздуха обычно расположена там, где она может забирать воздух из-за пределов моторного отсека, например, на крыле, решетке или ковше капота. Трубка забора холодного воздуха отмечает начало прохождения воздуха через систему забора воздуха, единственное отверстие, через которое воздух может поступать. Воздух из-за пределов моторного отсека обычно имеет более низкую температуру и более плотный, следовательно, более богатый кислородом, который лучше для сгорания, выходной мощности и эффективности двигателя.

Воздушный фильтр двигателя

Затем воздух проходит через воздушный фильтр двигателя, обычно расположенный в «воздушной коробке». Чистый «воздух» представляет собой смесь газов: 78% азота, 21% кислорода и следовых количеств других газов. В зависимости от местоположения и сезона воздух также может содержать многочисленные загрязнители, такие как сажа, пыльца, пыль, грязь, листья и насекомые. Некоторые из этих загрязнителей могут быть абразивными, вызывая чрезмерный износ деталей двигателя, в то время как другие могут засорить систему.

Экран обычно задерживает наиболее крупные частицы, такие как насекомые и листья, а воздушный фильтр задерживает более мелкие частицы, такие как пыль, грязь и пыльца.Типичный воздушный фильтр улавливает от 80% до 90% частиц размером до 5 мкм (5 мкм — это размер эритроцита). Воздушные фильтры премиум-класса улавливают от 90% до 95% частиц размером до 1 мкм (размер некоторых бактерий может составлять около 1 мкм).

Измеритель массового расхода воздуха

Чтобы правильно измерить, сколько топлива нужно впрыснуть в любой момент, модуль управления двигателем (ECM) должен знать, сколько воздуха поступает в систему впуска воздуха. В большинстве автомобилей для этой цели используется массовый расходомер воздуха (MAF), в то время как в других используется датчик абсолютного давления в коллекторе (MAP), обычно расположенный на впускном коллекторе.Некоторые двигатели, например двигатели с турбонаддувом, могут использовать оба.

На автомобилях, оборудованных MAF, воздух проходит через экран и лопатки, чтобы «выпрямить» его. Небольшая часть этого воздуха проходит через сенсорную часть MAF, которая содержит термоэлектрическую проволоку или устройство для измерения горячей пленки. Электричество нагревает провод или пленку, что приводит к уменьшению тока, в то время как поток воздуха охлаждает провод или пленку, что приводит к увеличению тока. Контроллер ЭСУД коррелирует результирующий текущий расход с воздушной массой, что является критическим расчетом в системах впрыска топлива.Большинство систем впуска воздуха включают датчик температуры воздуха на впуске (IAT) где-то рядом с MAF, иногда как часть того же блока.

Воздухозаборная трубка

После измерения воздух продолжает поступать через воздухозаборную трубку к корпусу дроссельной заслонки. Попутно могут быть резонаторные камеры, «пустые» баллоны, предназначенные для поглощения и гашения вибраций в воздушном потоке, сглаживая поток воздуха на его пути к корпусу дроссельной заслонки. Также стоит отметить, что, особенно после MAF, в системе впуска воздуха не может быть утечек.Попадание неизмеренного воздуха в систему приведет к искажению соотношения воздух-топливо. Как минимум, это может привести к тому, что контроллер ЭСУД обнаружит неисправность, установит диагностические коды неисправностей (DTC) и контрольную лампу двигателя (CEL). В худшем случае двигатель может не запуститься или будет плохо работать.

Турбокомпрессор и интеркулер

На автомобилях, оснащенных турбонагнетателем, воздух затем проходит через впускное отверстие турбонагнетателя. Выхлопные газы раскручивают турбину в корпусе турбины, вращая колесо компрессора в корпусе компрессора.Поступающий воздух сжимается, увеличивая его плотность и содержание кислорода — большее количество кислорода может сжигать больше топлива для большей мощности от меньших двигателей.

Поскольку сжатие увеличивает температуру всасываемого воздуха, сжатый воздух проходит через промежуточный охладитель, чтобы снизить температуру, чтобы уменьшить вероятность звона двигателя, детонации и преждевременного зажигания.

Корпус дроссельной заслонки

Корпус дроссельной заслонки соединен электронно или кабелем с педалью акселератора и системой круиз-контроля, если таковая имеется.Когда вы нажимаете педаль акселератора, дроссельная заслонка или «дроссельная заслонка» открывается, позволяя большему количеству воздуха поступать в двигатель, что приводит к увеличению мощности и скорости двигателя. При включенном круиз-контроле отдельный кабель или электрический сигнал используется для управления дроссельной заслонкой, поддерживая желаемую водителем скорость автомобиля.

Контроль холостого хода

На холостом ходу, например, сидя у стоп-сигнала или при движении накатом, небольшое количество воздуха все еще должно поступать к двигателю, чтобы он продолжал работать.В некоторых новых автомобилях с электронным управлением дроссельной заслонкой (ETC) частота вращения двигателя на холостом ходу регулируется с помощью минутных регулировок дроссельной заслонки. На большинстве других автомобилей отдельный клапан регулировки холостого хода (IAC) управляет небольшим количеством воздуха для поддержания холостого хода двигателя. IAC может быть частью корпуса дроссельной заслонки или соединен с впуском через впускной шланг меньшего размера, от основного впускного шланга.

Впускной Коллектор

После того, как всасываемый воздух проходит через корпус дроссельной заслонки, он попадает во впускной коллектор, серию трубок, по которым воздух поступает к впускным клапанам каждого цилиндра.Простые впускные коллекторы перемещают всасываемый воздух по кратчайшему маршруту, в то время как более сложные версии могут направлять воздух по более окольному маршруту или даже по нескольким маршрутам, в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки. Такой способ управления воздушным потоком может повысить мощность или эффективность, в зависимости от потребности.

Впускные клапаны

Наконец, непосредственно перед тем, как попасть в цилиндр, всасываемый воздух регулируется впускными клапанами. На такте впуска, обычно от 10 ° до 20 ° до ВМТ (перед верхней мертвой точкой), впускной клапан открывается, позволяя цилиндру втягивать воздух при опускании поршня.На несколько градусов ABDC (после нижней мертвой точки) впускной клапан закрывается, позволяя поршню сжимать воздух, когда он возвращается в ВМТ.

Как видите, система забора воздуха немного сложнее простой трубки, идущей к корпусу дроссельной заслонки. Из-за пределов автомобиля к впускным клапанам всасываемый воздух движется извилистым путем, чтобы подавать чистый и измеренный воздух в цилиндры. Знание функции каждой части системы впуска воздуха также может облегчить диагностику и ремонт.

Процессы впуска и выпуска в двигателях внутреннего сгорания, разработка Siflex

Документ конференции

1 Цитаты
344 Загрузки

Часть Конспект лекций по инженерии книжная серия (LNENG, том 18)

Реферат

Поток газа через впускные и выпускные отверстия поршневых двигателей внутреннего сгорания оказывает сильное влияние на КПД двигателя, максимальную выходную мощность и выбросы выхлопных газов.Компьютерная модель, которая может прогнозировать поток через впускные и выпускные отверстия, станет мощным инструментом проектирования и обеспечит лучшее понимание явлений потока.

Таким образом, SIFLEX (Моделирование потока через выпускные отверстия) создается в IW-TNO (Делфт, Нидерланды) в сотрудничестве с Делфтским технологическим университетом. SIFLEX будет «удобным для пользователя» спутником PHOENICS BFC, подтвержденным измерениями. SIFLEX будет доступен для промышленности.

Настройку SIFLEX можно разделить на две основные части:

I
настройка правильной физической модели
II
правильное решение этой модели

Однако перед проверкой физической модели измерениями эта модель должна быть надежно решена.В этой области генерация сетки является основной проблемой. Испытания проводились как в декартовой, так и в полярной системе координат. Результаты будут обсуждены. Для проверки физической модели (задача I) были проведены испытания на стационарной проточной установке ГБЦ.

Ключевые слова

Максимальная выходная мощность Головка блока цилиндров, декартова сетка, впускной канал, КПД двигателя

Эти ключевые слова были добавлены машиной, а не авторами. Это экспериментальный процесс, и ключевые слова могут обновляться по мере улучшения алгоритма обучения.

Это предварительный просмотр содержимого подписки,

войдите в

, чтобы проверить доступ.

Предварительный просмотр

Невозможно отобразить предварительный просмотр. Скачать превью PDF.

Информация об авторских правах

Авторы и филиалы

Как впускной коллектор влияет на ваш двигатель?

Утечки во впускном коллекторе не очень распространены, но они случаются. Вы можете подумать, что в результате утечки во впускном коллекторе будет выходить воздух и меньше воздуха попадет в цилиндры вашего автомобиля.На самом деле происходит прямо противоположное. Поскольку давление воздуха внутри коллектора ниже, чем в атмосферном воздухе, окружающем двигатель, коллектор фактически будет всасывать дополнительный воздух через утечку. Это приведет к попаданию слишком большого количества воздуха в цилиндры и уменьшит количество бензина, которое может быть втянут вместе с ним, что приведет к менее эффективному сгоранию. Помните, что каждый раз, когда один из этих небольших взрывов происходит внутри одного из цилиндров вашего автомобиля, он поворачивает коленчатый вал.Поэтому, если для процесса сгорания слишком много воздуха и недостаточно бензина, взрывы станут слабее, и вашему двигателю придется больше работать, чтобы повернуть коленчатый вал. Так что, если вы заметили, что ваш автомобиль реагирует все более вяло каждый раз, когда вы нажимаете на педаль акселератора, причиной может быть утечка во впускном коллекторе.

Но есть и множество других возможных причин медленного разгона автомобиля. Так как же узнать, вызвано ли нежелание вашего автомобиля ускоряться, когда вы ему говорите, негерметичный впускной коллектор? Один из способов — просто слушать свой двигатель.Возможно, ваша машина пытается сказать вам, что у нее есть проблема, поэтому сделайте паузу и постарайтесь понять, о чем она вам говорит. Фактически, вам буквально нужно сделать паузу, потому что обычно вы можете услышать проблему только тогда, когда двигатель работает на холостом ходу. То, что вы услышите, можно описать по-разному, как шипение, свист, сосание, глотание или даже хлюпанье. Автомобиль также может казаться грубым на холостом ходу, а двигатель может даже полностью заглохнуть на малых оборотах. Или, когда вы выключаете зажигание автомобиля, он может продолжать работать некоторое время дольше, чем следовало бы.Все это может быть признаком утечки во впускном коллекторе. Некоторые специалисты даже предлагают распылить небольшое количество стартерной жидкости на уплотнения впускного коллектора при работе двигателя на холостом ходу. Если двигатель каким-либо образом отреагирует на это — например, кратковременно увеличив скорость, — жидкость будет просачиваться через утечки. Все эти признаки указывают на то, что вам следует посетить местного автомеханика для окончательной проверки на утечки.

Есть второй способ протечки во впускных коллекторах.