ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

 

 

Для того, чтобы понять принцип работы ГРМ, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:

 

 

 

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.


Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.

Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания


Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

Первый такт - такт впуска

 

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт - такт сжатия

 

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт - рабочий ход

 

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт - такт выпуска

 

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.
 

Газораспределительный механизм

 

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.

Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).

С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.


Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.


Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.

Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.
 

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.

Устройство КШМ


Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Шатун

Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Коленчатый вал

Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в восприятии усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.

Маховик

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок и головка цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Общее устройство и работа двигателя внутреннего сгорания

       Бензиновые и дизельные двигатели (дипломный проект).

         Двигатели внутреннего сгорания в зависимости от их конструктивных особенностей могут работать на бензине (инжекторные и карбюраторные двигатели), на соляре (дизели) и на газе. Бензиновые двигатели являются самыми распространенными в мировом легковом автомобилестроении.

       Они работают на жидком топливе (бензине) с принудительным зажиганием от свечей. Перед подачей в цилиндры двигателя бензин смешивается с воздухом в определенной пропорции с помощью специального устройства: карбюратора или инжектора, закрепляемых на двигателе снаружи. Поэтому бензиновые двигатели называют также двигателями с внешним смесеобразованием.
        Иногда вместо бензина в таких двигателях используют газ (пропан-бутан). Для перевода бензинового двигателя на газ используется специальное оборудование.

         Схема рабочего цикла с внешним смесеобразованием.

      На рис. 2.1 показана схема рабочего цикла с внешним смесеобразованием.
    Дизели - двигатели, работающие на соляре (дизельном топливе). В отличие от бензиновых двигателей в них применяется воспламенение от сжатия (в дизелях отсутствуют свечи зажигания). Смесеобразование (смешивание соляра с воздухом) в дизельных двигателях происходит непосредственно внутри цилиндров. Это двигатели с внутренним смесеобразованием. На рис. 2.2 показана схема рабочего цикла с внутренним смесеобразованием.
     Силовой (энергетической) установкой автомобилей является двигатель внутреннего сгорания. Задача двигателя - «выдать на-гора» механическую энергию в виде вращения выходящего из него вала. По аналогии электродвигатель преобразует электроэнергию во вращение вала.
    Топливо, находящееся в баке, потенциально несет тепловую энергию, которую двигатель превратит в механическую. Итак, двигатель - это преобразователь тепловой энергии топлива в механическую.

      Механизмы и системы двигателя.

    Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также следующих пяти систем:
- системы питания;
- системы зажигания;
- системы охлаждения;
- системы смазки;
- системы выпуска отработавших газов.

     Общее устройство и рабочий цикл одноцилиндрового бензинового двигателя.

     Рассмотрим принцип работы простейшего одноцилиндрового бензинового двигателя (рис. 2.3). Такой двигатель состоит из цилиндра, к которому прикручена съемная головка.

       Рис. 2.4. Поршень: 1 - маслосъемное кольцо; 2 - ком¬прессионные кольца; 3 - поршневой палец; 4 - стопорное кольцо; 5 - юбка поршня; 6 - втулка; 7 - болт; 8 - вкладыши; 9 - шатун; 10 - крышка шатуна 

      В цилиндре находится поршень. Он имеет форму цилиндрического стакана, состоящего из головки и юбки (рис. 2.4). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Их задача - обеспечить герметичность пространства над поршнем, не дав возможности газам, образующимся при работе двигателя, прорваться под поршень, а также не допустить попадание масла, смазывающего внутреннюю поверхность цилиндра, в пространство над поршнем. Эти кольца играют роль уплотнителей, причем те из них, которые не пропускают газы, назвали компрессионными, а оберегающие от масла-маслосъемными.
     Цилиндр необходимо заправить топливной смесью бензина с воздухом, приготовленной карбюратором или инжектором, сжать ее поршнем и поджечь, а она, сгорая и расширяясь, заставит поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия топлива превратится в механическую. Теперь необходимо преобразовать перемещение поршня во вращение вала. Для этого использовали следующее механическое приспособление: поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединили с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 2.3 и 2.4). В результате перемещение поршня в цилиндре сверху вниз и обратно легко преобразуется во вращение вала. Верхней мертвой точкой, сокращенно ВМТ, называют самое верхнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вверх и начинает движение вниз) (рис. 2.5). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (т.е. то место, где поршень перестает двигаться вниз и начинает движение вверх) называют нижней мертвой точкой, сокращенно НМТ (см. рис. 2.5).

      Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня (см. рис. 2.5). При перемещении поршня сверху вниз (от ВМТ до НМТ) объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ называется камерой сгорания (см. рис. 2.5).
Объем, освобождаемый в цилиндре поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ, называют рабочим объемом цилиндра - Vp (см. рис. 2.5).
      Рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах, называется литражом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабоче¬го объема и объема камеры сгорания. Этот объем заключен над поршнем при его положении в НМТ. Важной характеристикой двигателя является его степень сжатия. Она определяется как отношение полного объе¬ма цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь при перемещении поршня снизу вверх (от НМТ к ВМТ). У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6-14, у дизельных - 16-30. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, существенно влияет на токсичность отработавших газов. Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (1 л . с . примерно равна 0,735 кВт). Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре смеси топлива и воздуха. Как уже говорилось, в бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (см. рис. 2.3), в дизелях -от сжатия.
     Совокупность последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя и обеспечивающих его непрерывную работу, называется рабочим циклом.
       Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых происходит за один ход поршня или за пол-оборота коленчатого вала. Полный рабочий цикл осуществляется за два оборота коленчатого вала.
      При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно, он резко ускоряется в момент сгорания горючей смеси, а все остальное время замедляется. Для повышения равномерности вращения на валу коленчатого вала, выходящего наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск (маховик) - рис. 2.6. Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.Теперь поговорим немного подробнее о работе такого двигателя.
      Итак, первая задача - поместить внутрь цилиндра (в пространство над поршнем) топливовоздушную смесь, которую, как вы помните, приготовил карбюратор или инжектор. Это действие называют тактом впуска (первый такт).

        Принцип работы инжекторного двигателя.

    На рис. 2.7-2.10 показан принцип работы инжекторного двигателя. Заполнение цилиндра двигателя топливовоздушной смесью очень похоже на заполнение шприца лекарством (см. рис. 2.7): поршень из верхнего положения движется в нижнее. Но в шприце лекарство набирается, а затем выпускается через один и тот же канал (иглу). В двигателе же горючая смесь впускается через один канал, а продукты ее сгорания - через другой, т.е. к цилиндру двигателя подведены сразу два канала: впускной и выпускной. Непосредственно перед входом в цилиндр в этих каналах установлены клапаны. Их принцип действия очень прост: представьте себе гвоздь с большой круглой шляпкой, перевернутый «вверх ногами» (шляпкой вниз). Эта круглая шляпка закрывает вход из канала в цилиндр.
       При этом она прижимается к кромке канала мощной пружиной и как пробкой закупоривает его (см. рис. 2.15). Если нажать на клапан (тот самый «гвоздь»), преодолев сопротивление пружины, то вход в цилиндр из канала будет открыт (см. рис. 2.16). Теперь, познакомившись с принципом работы клапанов, вернемся к первому такту работы двигателя.

        Первый такт - такт ВПУСКА.
       Первый такт - впуск или, как иногда говорят, всасывание горючей смеси (см. рис. 2.7). Во время этого такта поршень перемещается из верхней мертвой точки в нижнюю. Впускной клапан при этом открыт, а выпускной надежно закрыт. Через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью. Все это продолжается до того момента, пока поршень не окажется в нижней мертвой точке, т.е. его дальнейшее движение вниз окажется невозможным. Мы уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. За первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) он повернется на пол-оборота.
       Второй такт - такт СЖАТИЯ.
      До сих пор топливовоздушную смесь, приготовленную инжектором или карбюратором, мы называли горючей. А вот теперь (после того как она попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан) будем называть ее рабочей. Итак, наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и пути ее отхода оказались отрезанными, поскольку впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. Теперь поршень, начав движение снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней), попытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра (см. рис. 2.8). Однако «стереть в порошок» эту смесь ему не удастся. Вы же помните, что преступить черту верхней мертвой точки поршень не в силах. А внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, «застывшим» в верхней мертвой точке, всегда оставалось пусть и не очень большое, но свободное пространство. Напомним, что это пространство называют камерой сгорания.
        К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8-1,2 МПа, а температура достигает 450-500 °С. Для того чтобы получить максимальную отдачу, хотелось бы сжать рабочую смесь как можно сильнее. Представьте себе, что вы пальцем закрыли выходное отверстие обыкновенного велосипедного насоса и сжимаете воздух. Чем сильнее сожмете, тем с большей силой «выстрелит» вверх рукоятка насоса, связанная с поршнем. Однако степень сжатия рабочей смеси во время такта сжатия ограничивается свойствами применяемого бензина, в первую очередь его антидетонационной стойкостью, характеризуемой октановым числом (у бензинов оно изменяется от 66 до 98). Чем выше октановое число, тем больше антидетонационная стойкость топлива. При чрезмерно высокой степени сжатия или низкой антидетонационной стойкости бензина может происходить детонационное (от сжатия) воспламенение смеси и нарушаться нормальная работа двигателя.

       Третий такт - РАБОЧИЙ ХОД.
       Вот теперь мы подошли к самому главному моменту превращению тепловой энергии в механическую. В начале третьего такта, даже с некоторым опережением (на самом деле в конце такта сжатия), горючая смесь воспламеняется с помощью электрической искры свечи зажигания (см. рис. 2.9).
       Давление от расширяющихся газов передается на поршень, и он начинает движение вниз (от ВМТ к НМТ). При этом оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Смесь сгорает с выделением большого количества тепла. Из-за этого давление в цилиндре резко возрастает и поршень с большой силой перемещается вниз, приводя во вращение через шатун коленчатый вал. В момент сгорания температура в цилиндре повышается до 1800-2000 °С, а давление - до 2,5-3,0 МПа. Обратите внимание, что только из-за третьего такта и создавался двигатель, хотя без остальных тактов он бы не состоялся. Поэтому все такты, кроме такта рабочего хода, иногда называют вспомогательными. А нам еще предстоит познакомиться с последним из вспомогательных тактов.
        Четвертый такт - такт ВЫПУСКА.
       В течение этого такта впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (трубопровод) и далее через систему выпуска отработавших газов, наиболее известным представителем которой является глушитель, в атмосферу (см. рис. 2.10). Все четыре такта периодически повторяются в рассмотренной последовательности в цилиндре двигателя, обеспечивают его непрерывную работу и называются рабочим циклом.
      Рабочий цикл дизельного двигателя имеет некоторые отличия (см. рис. 2.2). При такте впуска по впускному трубопроводу в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух. Во время такта сжатия он сжимается и нагревается. В конце этого такта, когда поршень, двигаясь вверх, подходит к ВМТ, в цилиндр через специальное устройство - форсунку, ввернутую в верхнюю часть головки цилиндра, под большим давлением впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Соприкасаясь с раскаленным воздухом, частицы топлива быстро сгорают. При этом выделяется большое количество тепла, в результате чего температура в цилиндре повышается до 1700-2000 °С, а давление - до 7-8 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается вниз - происходит рабочий ход. Такт выпуска у дизельного двигателя аналогичен одноименному такту бензинового двигателя. Как мы уже сказали, лишь во время третьего такта (рабочий ход) совершается полезная механическая работа. Остальные три такта - вспомогательные. Они совершаются за счет кинетической энергии тщательно сбалансированного массивного чугунного диска, закрепленного на валу двигателя. Этот диск называют маховиком (см. рис. 2.6 и 2.11). Кроме обеспечения равномерного вращения коленчатого вала, маховик также способствует преодолению сопротивления сжатия в цилиндрах двигателя при его пуске, а также позволяет ему преодолевать кратковременные перегрузки, например, при трогании автомобиля с места. На ободе маховика закреплен зубчатый венец для пуска двигателя стартером. Во время третьего такта (рабочего хода) поршень через шатун, кривошип и коленчатый вал двигателя передает запас инерции маховику.
      Накопленная таким образом инерция помогает маховику осуществлять вспомогательные такты рабочего цикла двигателя. В результате при тактах впуска, сжатия и выпуска поршень перемещается в цилиндре именно за счет энергии, отдаваемой маховиком. В многоцилиндровом двигателе порядок работы цилиндров устанавливается так, что рабочий ход, совершаемый в данный момент хотя бы в одном цилиндре, помогает проведению вспомогательных тактов плюс оказывает помощь энергетическое донорство маховика.

Как устроен и как работает двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС – это наиболее распространённый тип двигателя, который можно встретить на автомобилях. Невзирая на тот факт, что двигатель внутреннего сгорания в современных автомобилях состоит из множества частей, его принцип работы предельно прост. Давайте подробнее рассмотрим, что же такое ДВС, и как он функционирует в автомобиле.

ДВС что это?

Двигатель внутреннего сгорания – это вид теплового двигателя, в котором преобразовывается часть химической энергии, получаемой при сгорании топлива, в механическую, приводящую механизмы в движение.

ДВС разделяются на категории по рабочим циклам: двух- и четырёхтактные. Также их различают по способу приготовления топливно-воздушной смеси: с внешним (инжекторы и карбюраторы) и внутренним (дизельные агрегаты) смесеобразованием. В зависимости от того, как в двигателях преобразовывается энергия, их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные и комбинированные.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания состоит из огромного количества элементов. Но есть основные, которые характеризуют его производительность. Давайте рассмотрим строение ДВС и основных его механизмов.

1. Цилиндр – это самая важная часть силового агрегата. Автомобильные двигатели, как правило, имеют четыре и более цилиндров, вплоть до шестнадцати на серийных суперкарах. Расположение цилиндров в таких двигателях может находиться в одном из трёх порядков: линейно, V-образно и оппозитно.

2. Свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Благодаря этому и происходит процесс сгорания. Чтобы двигатель работал «как часы», искра должна подаваться точно в положенное время.

3. Клапаны впуска и выпуска также функционируют только в определённые моменты. Один открывается, когда нужно впустить очередную порцию топлива, другой, когда нужно выпустить отработанные газы. Оба клапана крепко закрыты, когда в двигателе происходят такты сжатия и сгорания. Это обеспечивает необходимую полную герметичность.

4. Поршень представляет собой металлическую деталь, которая имеет форму цилиндра. Движение поршня осуществляется вверх-вниз внутри цилиндра.

5. Поршневые кольца служат уплотнителями скольжения внешней кромки поршня и внутренней поверхности цилиндра. Их использование обусловлено двумя целями:

• Они не дают попадать горючей смеси в картер ДВС из камеры сгорания в моменты сжатия и рабочего такта.

• Они не дают попасть маслу из картера в камеру сгорания, ведь там оно может воспламениться. Многие автомобили, которые сжигают масло, оборудованы старыми двигателями, и их поршневые кольца уже не обеспечивают должного уплотнения.

6. Шатун служит соединительным элементом между поршнем и коленчатым валом.

7. Коленчатый вал преобразует поступательные движения поршней во вращательные.

8. Картер располагается вокруг коленчатого вала. В его нижней части (поддоне) собирается определённое количество масла.

Это интересно! Самые мощные в мире ДВС выпускает фирма Wartsila. Они предназначены для кораблей. Их мощность достигает 110 000 л.с., что равно 80 мВт.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В предыдущих разделах мы рассмотрели назначение и устройство ДВС. Как вы уже поняли, каждый такой двигатель имеет поршни и цилиндры, внутри которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Это, в свою очередь, заставляет автомобиль двигаться. Данный процесс повторяется с поразительной частотой – по несколько раз в секунду. Благодаря этому, коленчатый вал, который выходит из двигателя, непрерывно вращается.

Рассмотрим подробнее принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Смесь топлива и воздуха попадает в камеру сгорания через впускной клапан. Далее она компрессируется и воспламеняется искрой от свечи зажигания. Когда топливо сгорает, в камере образуется очень высокая температура, которая приводит к появлению избыточного давления в цилиндре. Это заставляет двигаться поршень к «мёртвой точке». Он таким образом совершает один рабочий ход. Когда поршень двигается вниз, он посредством шатуна вращает коленчатый вал. Затем, двигаясь от нижней мёртвой точки к верхней, выталкивает отработанный материал в виде газов через клапан выпуска далее в выхлопную систему машины.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Совокупность таких тактов, которые повторяются в строгой последовательности и за определённый период – это рабочий цикл ДВС.

Впуск

Впускной такт является первым. Он начинается с верхней мёртвой точки поршня. Он движется вниз, всасывая в цилиндр смесь из топлива и воздуха. Этот такт происходит, когда клапан впуска открыт. Кстати, существуют двигатели, у которых присутствует несколько впускных клапанов. Их технические характеристики существенно влияют на мощность ДВС. В некоторых двигателях можно регулировать время нахождения впускных клапанов открытыми. Это регулируется нажатием на педаль газа. Благодаря такой системе количество всасываемого топлива увеличивается, а после его возгорания существенно возрастает и мощность силового агрегата. Автомобиль в таком случае может существенно ускориться.

Сжатие

Вторым рабочим тактом двигателя внутреннего сгорания является сжатие. По достижении поршнем нижней мертвой точки, он поднимается вверх. За счёт этого попавшая в цилиндр смесь во время первого такта сжимается. Топливно-воздушная смесь сжимается до размеров камеры сгорания. Это то самое свободное место между верхними частями цилиндра и поршня, который находится в своей верхней мертвой точке. Клапаны в момент этого такта плотно закрыты. Чем герметичнее образованное пространство, тем более качественное сжатие получается. Очень важно, какое состояние у поршня, его колец и цилиндра. Если где-то присутствуют зазоры, то о хорошем сжатии речи быть не может, а, следовательно, и мощность силового агрегата будет существенно ниже. По величине сжатия определяется то, насколько изношен силовой агрегат.

Рабочий ход

Этот третий по счёту такт начинается с верхней мёртвой точки. И такое название он получил не случайно. Именно во время этого такта в двигателе происходят те процессы, которые двигают автомобиль. В этом такте подключается система зажигания. Она отвечает за поджог воздушно-топливной смеси, сжатой в камере сгорания. Принцип работы ДВС в этом такте весьма прост – свеча системы дает искру. После возгорания топлива происходит микровзрыв. После этого оно резко увеличивается в объёме, заставляя поршень резко двигаться вниз. Клапаны в этом такте находятся в закрытом состоянии, как и в предыдущем.

Выпуск

Заключительный такт работы двигателя внутреннего сгорания – выпуск. После рабочего такта поршнем достигается нижняя мёртвая точка, а затем открывается выпускной клапан. После этого поршень движется вверх, и через этот клапан выбрасывает отработанные газы из цилиндра. Это процесс вентиляции. От того, насколько чётко работают клапан, зависит степень сжатия в камере сгорания, полное удаление отработанных материалов и нужное количество воздушно-топливной смеси.

После этого такта всё начинается заново. А за счёт чего вращается коленвал? Дело в том, что не вся энергия уходит на движение автомобиля. Часть энергии раскручивает маховик, который под действием инерционных сил раскручивает коленчатый вал ДВС, перемещая поршень в нерабочие такты.

А знаете ли вы? Дизельный двигатель тяжелее, чем бензиновый, из-за более высокого механического напряжения. Поэтому конструкторы используют более массивные элементы. Зато ресурс таких двигателей выше бензиновых аналогов. Кроме того, дизельные автомобили возгораются значительно реже бензиновых, так как дизель нелетучий.

Достоинства и недостатки

Мы с вами узнали, что представляет из себя двигатель внутреннего сгорания, а также каково его устройство и принцип работы. В заключение разберём его основные преимущества и недостатки.

Преимущества ДВС:

1. Возможность длительного передвижения на полном баке.

2. Небольшой вес и объём бака.

3. Автономность.

4. Универсальность.

5. Умеренная стоимость.

6. Компактные размеры.

7. Быстрый старт.

8. Возможность использования нескольких видов топлива.

Недостатки ДВС:

1. Слабый эксплуатационный КПД.

2. Сильная загрязняемость окружающей среды.

3. Обязательное наличие коробки переключения передач.

4. Отсутствие режима рекуперации энергии.

5. Большую часть времени работает с недогрузом.

6. Очень шумный.

7. Высокая скорость вращения коленчатого вала.

8. Небольшой ресурс.

Интересный факт! Самый маленький двигатель спроектирован в Кембридже. Его габариты составляют 5*15*3 мм, а его мощность 11,2 Вт. Частота вращения коленвала составляет 50 000 об/мин.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей - Физика - 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно - самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Газопоршневая электростанция принцип работы — IEC Energy

Газопоршневая установка (ГПУ) — это вид энергетического оборудования, предназначенного для нецентрализованного производства электрической энергии. В зависимости от комплектации ГПУ дополнительными устройствами агрегат также может служить источником дополнительных энергоресурсов:

  • тепловой энергии в виде горячей воды и/или пара;
  • охлаждённой воды как хладагента.

Основу газопоршневой установки составляет приводной двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на природном газе. На одной раме с ним установлен синхронный электрический генератор.

Двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива газ, называют газопоршневыми двигателями (ГПД).

Принцип работы двигателя газопоршневой установки

Газопоршневой двигатель, используемый в ГПУ, является конструктивной разновидностью двигателя внутреннего сгорания. По этой причине плюсы и минусы ГПУ имеют общие черты с другими установками, использующими ДВС. Источником энергии, вырабатываемой ГПД, служит теплота сгорания газообразного топлива.

Двигатели газопоршневых установок оборудованы внешней системой образования рабочей газо-воздушной смеси. В функции системы входит подготовка смеси воздуха с горючим газом в требуемой пропорции. Эта работа осуществляется газовым смесителем с трубками Вентури.

В газопоршневых установках производства компании MTU применяются двигатели, оборудованные системой турбонаддува. Вращение турбины происходит за счёт использования энергии выхлопных газов двигателя. Турбина служит приводом компрессора, создающего избыточное давление для нагнетания топливной смеси в цилиндры. Такая схема топливоподачи в сочетании с использованием обеднённой топливной смеси обеспечивает уменьшение удельного расхода топлива в расчёте на 1 кВт вырабатываемой мощности. Для воспламенения топлива применяется искровое высоковольтное зажигание.

Газопоршневые установки MTU оснащены двигателями с V-образным расположением цилиндров, количество которых в зависимости от мощности агрегата может быть от 8 до 20.

Генератор газопоршневой установки

Газопоршневая электростанция — это совместная работа ГПД и синхронного генератора переменного тока. Конструктивно синхронный генератор состоит из следующих элементов:

  • неподвижного статора, содержащего обмотку переменного тока;
  • вращающегося ротора, находящегося внутри статора.

На роторе расположена обмотка постоянного тока, которая питается от внешнего источника и называется обмоткой возбуждения.

Принцип работы газопоршневой электростанции с синхронным генератором заключается в следующем:

  • приводной двигатель вращает вал ротора генератора;
  • ток, протекающий в обмотке возбуждения, создаёт вращающееся электромагнитное поле;
  • поле обмотки ротора индуцирует переменное синусоидальное напряжение в обмотке статора, которое используется для питания нагрузки электростанции.

Особенностью синхронного генератора является совпадение частоты вращения ротора с частотой вращения электрического поля обмотки возбуждения. Неотъемлемая часть синхронного генератора — контактный щёточно-коллекторный механизм. Его наличие связано с необходимостью подачи питания на обмотку возбуждения, вращающуюся вместе с ротором.

Генератор крепится на рамном основании ГПУ в непосредственной близости от ГПД. Валы генератора и двигателя сопряжены соосно.

Основные системы ГПУ

Газопоршневая установка — это не только двигатель и генератор, собранные на одной раме, но и большое количество вспомогательного оборудования. Рассмотрим его подробнее на примере ГПУ GB2145N5/ 20V4000L33 производства MTU Onsite Energy (Германия).

Мотор без вспомогательных агрегатов

  • Картер мотора из серого чугуна с монтажными отверстиями, картер маховика SAE 00, маховик 21, масляная ванна из серого чугуна.
  • Кованый коленчатый вал.
  • Кованый шатун.
  • Отдельные четырех-клапанные цилиндрические головки, армированные клапаны с устройством вращения клапана Rotocap.
  • Цельный поршень (из легкого сплава) с упрочняющей вставкой для кольца; канал для охлаждения; охлаждение поршня через заправочные жиклеры.

Смесеобразование

  • Всасывание воздуха через установленные на моторе воздухоочистители с сухим фильтрующим элементом.
  • Газовый смеситель с трубками Вентури; подача газа через электрически регулируемый клапан-дозатор.

Наддув

  • Сжатие смеси турбокомпрессором, работающим на отработавших газах.
  • Двухступенчатый смесительный охладитель.
  • Дроссельные клапаны между смесительным охладителем и трубопроводами распределения смеси.

Система отработавшего газа

  • Неохлаждаемые, изолированные выпускные коллекторы в пространстве V-образного ДВС.

Система зажигания

  • Система зажигания высокого напряжения управляется микропроцессором, вкл. распределение низкого напряжения, без движущихся деталей, не изнашивается.
  • Автоматическая регулировка энергии зажигания.
  • Различные моменты зажигания.
  • Датчики на маховике и распределительном вале.
  • Катушки зажигания для каждого цилиндра.
  • Промышленные свечи зажигания.

Система смазки двигателя

Данная система предназначена для обеспечения двигателя смазочным маслом и включает:

  • насос смазочного масла с предохранительным клапаном для циркуляционной смазки под давлением и охлаждения поршней,
  • установленный на моторе водомасляный теплообменник,
  • бумажный масляный фильтр со сменным фильтрующим элементом,
  • система контроля уровня масла (установлена на моторе),
  • указатель уровня масла,
  • охлаждение кривошипной камеры через маслоотделитель в контуре смеси перед турбокомпрессором,
  • соединительные разъемы для заливки и слива масла.

Система пуска, зарядное устройство, аккумулятор

Система пуска двигателя — электро-стартерная. Она состоит из следующих основных компонентов:

  • Стартер — электрический стартер (24 В пост. тока).
  • Аккумуляторы стартера — комплект свинцово-кислотных аккумуляторов на напряжение 24В (согласно DIN 72311), укомплектованных крышками, клеммами и аккумуляторным пробником для контроля плотности.
  • Устройство контроля напряжения аккумулятора.
  • Оборудование для зарядки аккумулятора предназначено для зарядки стартерных батарей с I/U характеристикой и питания всех подключенных потребителей постоянного тока DC.

Генератор 6,3 кВ

Синхронный генератор с внутренними полюсами, саморегулируемый, встроенный бесщеточный возбудитель, регулировка напряжения и cos ϕ. Исполнение согласно VDE0530, степень помех радиоприему N, конструкция с малым количеством гармоник.

1.1 Газовая рампа 200 мбар

Газовая рампа низкого давления состоит из предварительно смонтированной на заводе-изготовителе газовой рампы со следующим установленным оборудованием:

  • механический фильтр,
  • регулятор давления газа,
  • блок отсечных клапанов,
  • устройство контроля герметичности,
  • реле давления,
  • гибкий шланг для соединения с двигателем.

1.2 Блок системы охлаждения двигателя (тепловой модуль IEC)

Система охлаждения двигателя предназначена для полезного использования тепловой энергии охлаждения воды рубашки двигателя, охлаждения масла и топливной смеси. Отбор тепловой энергии осуществляется в виде горячей воды с температурой 70/850С с помощью соответствующих теплообменников.

Блок системы охлаждения двигателя (тепловой модуль IEC) поставляется смонтированным на отдельной раме, которая устанавливается рядом с двигателем, и включает следующее оборудование:

  • пластинчатый теплообменник для подключения к тепловой сети (теплообменник пластинчатого типа, предназначен для подогрева сетевой воды горячей водой двигателя),
  • расширительный бак контура охлаждения двигателя,
  • расширительный бак контура охлаждения топливной смеси,
  • запорную и предохранительную арматуру, КИП,
  • 3-х ходовой клапан контура воды рубашки,
  • 3-х ходовой клапан контура охлаждения смеси,
  • 3-х ходовой клапан контура аварийного охлаждения,
  • насос контура охлаждения двигателя,
  • насос контура охлаждения 2-ой ступени топливной смеси,
  • двигателя,
  • насос сетевой воды,
  • необходимые компенсаторы и гибкие шланги,
  • трубная обвязка блока системы охлаждения двигателя,
  • несущая рама блока системы охлаждения двигателя.

1.3 Радиатор аварийного охлаждения

Система аварийного охлаждения

Данная система предназначена для сброса тепла системы охлаждения двигателя и обеспечения бесперебойной работы когенерационного модуля на режимах как с частичной тепловой нагрузкой, так и без нее через радиатор. Радиатор разработан для температуры окружающей среды 32°С.

Система состоит из радиатора (воздушный теплообменник).

1.4 Радиатор охлаждения 2-ой ступени топливной смеси

Система охлаждения 2-ой ступени топливной смеси

Данная система предназначена для сброса тепла из второй ступени промежуточного охладителя топливной смеси через радиатор. Радиатор разработан для температуры окружающей среды 32°C.

1.5 Блок системы утилизации тепла (тепловой модуль IEC)

Блок системы утилизации тепла (тепловой модуль IEC) поставляется смонтированным на отдельной раме, которая устанавливается рядом с двигателем, и включает следующее оборудование:

  • водогрейный котел-утилизатор дымовых газов (80/90),
  • байпас выхлопных газов,
  • глушитель выхлопных газов (65 дБА в 10 м),
  • 3-х ходовой регулирующий клапан контура сетевой воды,
  • запорная и предохранительная арматура, КИП,
  • трубная обвязка блока системы утилизации тепла,
  • несущая рама блока системы утилизации тепла.

Водогрейный котел-утилизатор дымовых газов кожухо-трубного типа устанавливается по ходу выхлопных газов после глушителя выхлопных газов. Предназначен для полезного использования тепла выхлопных газов и нагрева горячей воды до требуемой температуры. Комплектуется системой управления теплообменником, которая интегрируется с систему управления установкой или комплектуется в отдельной панели управления.

Байпас выхлопных газов состоит из двух механически связанных клапанов с одним электроприводом, подключаемых к системе управления двигателя. Основная функция — распределение расхода выхлопных газов между системой утилизации тепла выхлопных газов и байпасным газоходом, в зависимости от режима работы установки. Байпас выхлопных газов активизируется в случае, когда выхлопные газы используются частично или вовсе не используются. Объем поставки:

  • 2 клапана на выхлопе,
  • привод электродвигателя,
  • контроль клапана — ON/OFF.

Глушитель выхлопных газов предназначен для снижения шума выхлопа двигателя. Разработан для остаточного уровня звукового давления 65 дБ(А) в 10 м (как уровня зоны измерения по DIN 45635), измеряемом в выхлопной трубе.

Материал: углеродистая сталь

Состоит из: глушителя выхлопных газов, фланцев, уплотнений, креплений

Изоляция: тепловая изоляция для глушителя выхлопных газов не включена в объем поставки глушителя и должна обеспечиваться по месту.

3-х ходовой регулирующий клапан контура сетевой воды предназначен для исключения резкого снижения температуры сетевой/горячей воды на входе в теплообменник системы охлаждения двигателя, и, соответственно, в теплообменник выхлопные газы/вода, состоит из следующего оборудования:

  • 3-х ходовой регулирующий клапан — 1 шт.
  • датчик температуры — 1 шт.

Комплект запорной, предохранительной и защитной арматуры, КИП блока системы утилизации тепла, необходимый для его нормальной работы, включает:

  • запорный клапан — 2 шт.
  • предохранительный клапан — 1 шт.
  • термометр биметаллический стрелочный — 1 шт.
  • реле максимальной температуры — 1 шт.
  • реле минимальной температуры — 1 шт.
  • манометр стрелочный — 1 шт.
  • реле максимального давления — 1 шт.
  • реле минимального давления — 1 шт.
  • реле минимального потока — 1 шт.
  • преобразователь давления — 1 шт.

1.6 Система вентиляции машинного зала двигателя

Система вентиляции предназначена для работы при температурах наружного воздуха в диапазоне от –25°C до +30°C. Уровень шума на расстоянии 1 м от машинного зала с учетом работы системы вентиляции 65–75 dB(A).

Функции:

  • Обеспечение требуемым количеством воздуха для процесса горения.
  • Удаление теплоизбытков мотора и генератора (вспомогательного оборудования).

Система забора воздуха поставляется готовым смонтированным блоком и включает:

  • Металлические жалюзи.
  • Воздушный фильтр.
  • Шумоглушитель.
  • Электродвигатель.
  • Нагнетающий вентилятор.
  • Частотный преобразователь электродвигателя вентилятора.

Расчетные параметры системы забора воздуха:

  • Производительность (при нормальных условиях) не менее 66 000 нм3/ч.
  • Напор вентиляторов в рабочей точке не менее 100 кПа.

Система отвода воздуха включает:

  • Шумоглушитель.
  • Металлические жалюзи.

Расчетные параметры системы отвода воздуха:

  • Производительность (при нормальных условиях) — не менее 55 000 нм3/ч.

Шкаф питания и управления системой вентиляции — силовой низковольтный щит, обеспечивающий следующие функции:

  • Питание вентилятора(ов) системы забора воздуха (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Автоматический запуск/остановка системы вентиляции по сигналу от системы управления двигателя.
  • Автоматическое регулирование производительности вентиляторов в зависимости от температуры воздуха внутри машинного зала.

1.7 Система маслохозяйства

Данная система предназначена для хранения расходного объема чистого масла, автоматического пополнения картеров двигателей, проведения замены масла в картерах.

Включает следующее оборудование:

  • бак чистого масла емкостью 750 л,
  • электрический насос заполнения / слива / подачи масла,
  • резервный ручной насос заполнения / слива / подачи масла,
  • датчик уровня бака чистого масла,
  • комплект необходимой запорной арматуры,
  • несущая рама системы маслохозяйства,
  • трубная обвязка системы маслохозяйства,
  • шкаф управления системой маслохозяйства.

Возможны следующие функции:

  • Заполнение бака чистого масла из цистерны.
  • Заполнение маслобака из цистерны.
  • Опустошение картера двигателя в цистерну.

1.8 Система управления двигателем

Каждая установка MTU Onsite Energy комплектуется системой управления. Она обеспечивает подачу питания, управление и сбор информации от оборудования двигателя, генератора и всего вспомогательного оборудования, поставляемого не смонтированным, комплектно с установкой.

Основные функции системы управления:

  • управление и визуализация,
  • настройка вспомогательных электроприводов (BHKW / внешн.),
  • подключение генератора к сети / отключение генератора от сети,
  • управление защитой генератора:
    • перегрузка/короткое замыкание,
    • повышение напряжения,
    • понижение напряжения,
    • асимметричность напряжения,
    • превышение частоты,
    • понижение частоты,
  • регулировка скорости вращения,
  • регулировка смеси по универсальным характеристикам,
  • операции пуска и выключения мотора операции аварийной остановки,
  • контроль мотора (температура, давление, скорость и т. д.),
  • контроль отработавших газов по каждому цилиндру,
  • подготовка работы интерфейса CANOPEN,
  • долив масла,
  • контроль минимальной нагрузки,
  • электронное устройство зажигания,
  • настройка момента зажигания,
  • контроль скорости вращения,
  • акустическая система контроля стука,
  • настройка момента зажигания по цилиндрам.

Система управления серии 4000 состоит из шкафов управления MMC (MTU — модуль управления) и MIP (MTU — интерфейсная панель). Шкаф управления MMC поставляется отдельно и устанавливается обычно вне машинного зала. Панель MIP смонтирована на раме агрегатов, образуя функциональный узел.

MMC служит в основном для:

  • Управления и индикации.
  • Управления вспомогательными приводами.

MIP служит в основном для:

  • Связи с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU.
  • Синхронизации и включения генератора в сеть.
  • Управления вспомогательными приводами на блоке ТЭЦ.
  • Функций генератора и защиты сети.

MTU интерфейсная панель (MIP)

MIP включает в себя следующие основные компоненты:

  • Органы управления (аварийный выключатель, главный выключатель).
  • Центральный блок ПЛК (программируемый модуль управления компьютером с различными интерфейсами и модулями ввода / вывода).
  • EMM (энергоизмерительный модуль — устройство защиты генератора и сети, устройство синхронизации). Соответствует нормам BDEW (Союза энергетиков).
  • Связь с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU осуществляется через аппаратные сигналы и шину CAN.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты).
  • Управление вспомогательными приводами, установленными на агрегате.

Фактическая программа управления работает самостоятельно в центральном блоке ПЛК. Таким образом, в случае выхода из строя ППК (промышленного компьютера) можно и дальше эксплуатировать систему с ранее установленными параметрами.

MIP (MTU Interface Panel) — интерфейсная панель

Основной орган управления ГПУ, является связующим звеном между панелью управления MMC и двигателем.

MIP включает в себя следующие основные компоненты:

  • Органы управления (аварийный выключатель, главный выключатель).
  • Центральный блок ПЛК (программируемый модуль управления компьютером с различными интерфейсами и модулями ввода / вывода).
  • EMM (энергоизмерительный модуль — устройство защиты генератора и сети, устройство синхронизации). Соответствует нормам BDEW (Союза энергетиков).
  • Связь с регулятором двигателя ECU и устройством контроля работы двигателя EMU осуществляется через аппаратные сигналы и шину CAN.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты).
  • Управление вспомогательными приводами, установленными на агрегате.

Фактическая программа управления работает самостоятельно в центральном блоке ПЛК. Таким образом, в случае выхода из строя ППК (промышленного компьютера) можно и дальше эксплуатировать систему с ранее установленными параметрами.

AUX (Auxiliaries supply) — шкаф питания вспомогательного оборудования двигателя

Система обеспечивает подачу питания на основные панели управления и вспомогательное оборудование двигателя.

Силовой низковольтный щит, обеспечивающий подачу питания на следующее вспомогательное оборудования двигателя:

  • Циркуляционный насос контура охлаждения двигателя.
  • Циркуляционный насос контура охлаждения 2-ой ступени топливной смеси.
  • Циркуляционный сетевой насос.
  • Электродвигатели вентиляторов радиатора аварийного охлаждения (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Электродвигатели вентиляторов радиатора охлаждения 2-ой ступени топливной смеси (предусмотрено частотное регулирование с установкой частотного преобразователя).
  • Привода 3-х ходовых клапанов.

MMC (MTU Modul Control) — модуль управления

Модуль обеспечивает управление и сбор информации от оборудования двигателя, генератора и всего вспомогательного оборудования.

Щит MMC включает в себя следующие компоненты:

  • Промышленный ПК (IPC) с сенсорным экраном.
  • Устройства управления (замок-выключатель, кнопочный выключатель, кнопка аварийной остановки).
  • Дополнительные модули ПЛК-управления с цифровыми и аналоговыми входами и выходами.
  • Интерфейсы для присоединения к внешним системам (беспотенциальные контакты). Опционально возможна передача информации в систему верхнего уровня по интерфейсам Modbus. Profibus.
  • Контроль периферийных приводов через беспотенциальные контакты или силовые узлы.

Функции MMC:

  • Визуализация системы управления.
  • Управление вспомогательным оборудованием контуров аварийного охлаждения и охлаждения 2-ой ступени топливной смеси (электродвигатели радиаторов, электродвигатели насосов, трехходовые клапана, датчики температуры и давления).
  • Управление вспомогательным оборудованием теплообменника выхлопные газы/вода (опционально).

1.9 Панель с генераторным выключателем 

Распределительное устройство 

Для подключения генераторов и распределения электрической энергии переменного трёхфазного тока промышленной частоты 50 Гц напряжением. РУ выполнено по схеме простой системы сборных шин, с вакуумным/элегазовым выключателем. Комплектация генераторного выключателя в соответствии с требованием завода-изготовителя газовых двигателей MTU Onsite Energy.

Состав РУ:

  • ввод линии генератора — 1 шт.
  • выключатель ввода генератора — 1 шт.
  • ввод линии от сети — 1 шт.
  • трансформатора напряжения (ТН)  — 2 шт.

В объем поставки входят следующие микропроцессорные устройства защиты, устанавливаемые в релейных отсеках ячеек:

  • защиты генератора;
  • защиты трансформаторов напряжения шин РУ.

В релейных отсеках ячеек размещены все необходимые электроизмерительные приборы, на лицевой части выполнены активные мнемосхемы. В релейном отсеке ячейки ввода генераторов предусмотрено место для установки расчётных электронных счётчиков электрической энергии и клеммные колодки с возможностью опломбировки. Комплектация ячеек распределительного устройства в соответствии с электрической схемой.

Генераторный выключатель соответствует следующим основным требованиям:

  • Тип выключателя — вакуумный/элегазовый.
  • Генераторный выключатель пригоден для работы в режиме синхронизации с электрической сетью.
  • Максимальное время включения 70 мсек после подачи сигнала включения.
  • Максимальное время отключения 60 мсек после подачи сигнала выключения.
  • Оснащение катушками включения, выключения и катушкой минимального напряжения.
  • Не менее 6 пар блок-контактов типа (нормально открытый — НО) и (нормально закрытый — НЗ).
  • Механический ресурс не менее 10 000 операций (МЭК 56).
  • Коммутационный ресурс не менее 40 операций при 12,5-кА (МЭК 56) или не менее 10 000 операций при Iном.

Купить газопоршневую электростанцию c нужными характеристиками вы можете в компании IEC Energy. Все интересующие вас вопросы задавайте по телефону +7 495 799 74 64.


Двигатель внутреннего сгорания - устройство и принцип работы

 

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой силовой агрегат, который уже ни один десяток лет используется в разного рода транспортных средствах. В начале XX в. он заменил собой паровые двигатели. Но даже сегодня в XXI в. он остается очень актуальным. Рассмотрим, что такое устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Определение

Двигатель имеет приставку «внутреннего сгорания» по одной простой причине. Дело в том, что топливо воспламеняется внутри рабочей камеры, а не внешне. Сгорая, топливо выделяет энергию, которая преобразуется в механическую работу для ее передачи остальным «органам» автомобиля.

Существуют разные виды двигателей, но большей популярностью пользуется поршневой. Данная разновидность мотора позволяет хранить топливо компактно, при этом много не затрачивать его при больших пробегах.

Устройство

Устройство ДВС включает в себя разнообразные системы с механизмами. Главными элементами мотора являются кривошипно-шатунный механизм (КШМ), который также состоит из нескольких элементов, блок цилиндров и его головка с ГРМ.

В процессе вращения коленвала КШМ помогает преобразовывать работу поршней. Энергия, сгорающая в цилиндрах, «запускает» поршни. Без функционирования механизма газораспределения невозможна работа этой системы. ГРМ помогает впускным и выпускным клапанам вовремя открываться. Они запускают рабочую смесь и выпускают отработанный газ.

Распределительные валы, из которых в разных количествах состоит ГРМ, обладают кулачками. Они, в свою очередь, толкают клапаны с возвратными пружинами. Если вспомогательная система функционирует правильно, то и все устройство двигателя внутреннего сгорания будет работать также.

Вспомогательная система состоит из других систем, каждая из которых имеет свое назначение. Подробнее о них будет информация дальше.

Внутренние системы

Охлаждение, питание и смазка - этими словами можно объяснять принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Без данных составляющих невозможно правильно функционировать мотору.

Первое время внутренние системы являлись механическими. Сегодня каждая из них содержит в себе долю «электроники». Двигатель работает более эффективно, если над ним ведется электронное управление. Системы же становятся «гибкими», за ними не нужен пристальный уход и бесконечное обслуживание.

Охлаждение

Когда в двигателе возникает процесс воспламенения, температура повышается до +2500 градусов (в камере). Соответственно, из-за высокой температуры есть риск перегрева поршней, цилиндров и остальных важных элементов. Это приводит, в конечном счете, к утере мощности, выгоранию масла и неполадкам в «движке». Чтобы ликвидировать излишнее тепло, была создана система охлаждения. Ее принцип работы заключается в том, что она с помощью жидкости (воздуха) отводит тепло принудительно.

Воздушная система в автомобилях не применяется. Ее используют в газонокосилках, либо мопедах. Что касается жидкостной системы, то она построена сложным образом, но при этом максимально эффективно отводит излишки тепла. Теплоносителем выступает «незамерзайка», т.е. антифризная жидкость, имеющая низкую температуру замерзания.

Канал для прохождения «незамерзайки» называется рубашкой охлаждения. Она соединена с радиатором с помощью патрубков. Радиатор принимает на себя тепловую массу и перенаправляет ее. В системе за ним находится вентилятор, помогающий быстрее пройти воздушным массам.

В процессе работы «движка» хладагент перемещается от насоса. Он же приходит в действие от коленчатого вала, либо электродвигателя. Для того, чтобы охлаждающая система могла создавать нужный режим температуры, контур охлаждения оснащают термостатом, соединенным с блоком управления.

Подача топлива

Система подачи топлива также подразделяется на виды: инжекторный и карбюраторный. Первый тип является самым востребованным. Инжекторная система подразделяется еще на несколько систем: подача (очистка) топлива, воздуха, дожигание и выпуск отработанного газа. Также подсистемы функционируют на сжигание и улавливание бензиновых паров.

Топливо из бака помогает «влить» электробензонасос, который включается при запуске ДВС. Горючее поступает к рампе с форсунками, проходя через топливный фильтр. Воздух, который наполняет цилиндры, и его количество регулируется дроссельной заслонкой. Она, в свою очередь, функционирует от электропривода, либо троса.

Шаговый электродвигатель осуществляет регулировку оборотов. Чтобы система работала слаженно, в электронный блок поступает информация с датчиков расхода воздуха, частоты и положения коленчатого вала и др.

Кроме распределенного впрыска есть система впрыска непосредственного. Это дорогостоящие агрегаты со сложным устройством. Сотрудниками фирмы «Митцубиси» удалось создать систему, которая получилась более сбалансированной. С ее помощью повысилась мощность «движка», а также улучшилась топливная экономичность.

Смазка

Смазочная система автомобиля защищает элементы от трения, а также не дает образоваться на деталях коррозии, смывает грязь и охлаждает полностью конструкцию. ДВС обычно оснащены комбинированным типом системы, где масло поставляется под давлением и разбрызгиванием.

Через горловину в поддон картера заливается масло в систему. В процессе функционирования «движка» насос с помощью маслозаборника всасывает смазку, после чего оно перенаправляется в основную магистраль.

Магистраль - это ответвленные каналы. Масло по ним переходит к подшипникам коленчатого вала, поршневой группе и т.д. Смазка льется из зазоров у подшипников, а потом начинается разбрызгивание (каплевидное и туманное). Затем масло поступает в поддон, смазывая привод ГРМ.

Смазочная система с сухим картером применима в отношении спортивных машин или тракторов. Масляная жидкость перекачивается в бак, оттуда подается в систему смазки. Подобная конструкция предотвращает перемещение жидкости во время резких движений.

Помимо всего перечисленного, смазочная система играет роль вентилирования от газов картера. Газы поступают через поршневые кольца, а затем комбинируются с парами воды и тем самым преобразуются в токсичные кислоты. Они провоцируют развитие коррозии. Именно поэтому их легче всего вывести в атмосферу.

ГРМ

ГРМ представляет собой газораспределительный механизм, главной функцией которого является своевременная подача смеси в цилиндры и выпуск из них продуктов горения. Чтобы ГРМ могла слаженно работать, для этого нужно на каждый цилиндр по одному впускному и выпускному клапану. У впускного клапана больше диаметр тарелки. Именно эта особенность улучшает наполняемость цилиндра.

В системе также есть распределительный вал, который запускается цепью или ремнем от коленчатого вала. Также он работает на закрытие и открытие клапанов.

Привод клапанов подразделяется на следующие разновидности:

 1. ОНV - распределительный вал находится в блоке цилиндров, но клапаны управляются с помощью штанги и доп.толкателей.

 2. ОНС - распределительный вал находится в головке, клапаны приводятся в действие рычажными толкателями.

 3. DОНС - два распределительных вала находятся в головке. Первый применяется для впускных, а второй, соответственно, для выпускных клапанов.

Открытие и закрытие клапанов происходит в определенные моменты, которые называются фазами. Отличное наполнение и очистка цилиндров обеспечиваются за счет грамотно подобранных цилиндров.

Выхлопная система

На мощность двигателя внутреннего сгорания сильно влияет выхлопная система. Помимо этого, она оказывает небольшое влияние на расход горючего и объема вредных выбросов. Каталитический нейтрализатор - это то, что помогает снизить содержание токсических веществ в газах. Нейтрализатор имеет окислительный и восстановительный катализаторы, способные углеводороды преобразовывать в водяной пар. Прибор ставят рядом с выпускным коллектором.

Нейтрализатор будет функционировать лучше в случае, когда ДВС начнет работу на воздушно-топливной смеси, соединенной в пропорции 14,7 к 1. Специальный датчик будет следить за уровнем воздуха в газах.

Классификация

Выяснив принцип работы двс, водитель может приступать к изучению классификации устройства. Каждый производитель старается его по-своему усовершенствовать. Кто-то пытается увеличить мощность, другие - уменьшить выход токсичных веществ в атмосферу, третьи - оптимизировать стоимость. Рассмотрим, какие на сегодняшний день существуют ДВС и по каким критериям их подразделяют.

Тип конструкции

Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на виды по типу конструкции: роторные, поршневые и газовые турбины.

Как работает двигатель внутреннего сгорания роторного типа? На ротор действует давление газов, при этом мотор не имеет ГРМ. Его роль выполняют выпускные (впускные) окна в стенках корпуса по бокам.

Поршневой тип функционирует от поршня, который приводится в действие от сгорающих газов. Поршень толкает коленчатый вал. Что касается газовых турбин, то в ДВС газы на большой скорости влетают на лопатки турбины. Компрессор, установленный в моторе, в свою очередь, предназначается для нагнетания воздуха.

Тип топлива

ДВС функционирует за счет сжигания смеси воздуха с дизелем, газом либо бензином. Если водитель предпочитает газовое топливо, то в его качестве используется сочетание пропана и бутана, сжиженного газа, метана или водорода.

Рабочий цикл

Двигатель внутреннего сгорания имеет рабочий цикл. Он представляет собой последовательность процессов в цилиндрах, которые превращают топливную энергию в механическую.

Существует 2-х тактный и 4-х тактный цикл, каждый из которых работает по своему принципу. В первом случае впуск и сжатие происходят одновременно, а во втором - по четырем тактам (сжатие, впуск, выпуск, рабочий ход).

Нельзя выделить из этих двух ДВС лучший, поскольку 2-х тактный по рабочему циклу является более компактным, а 4-х тактный считается лучше по экономичности.

Работа ГРМ

ГРМ устанавливается по одной из четырех схем, описанных выше по тексту. Каждая компоновка влияет на работу «движка». Помимо этого, приводы клапанов подразделяются по способу регулировки зазоров. Их настройка проводится ручным методом. Для этого меняют в коромыслах винты, либо устанавливают гидрокомпенсаторы для авторегулировки.

Количество цилиндров

Существует одноцилиндровые моторы, которые функционируют не столь равномерно, но это не сильно сказывается на их работе в мопедах и мотоциклах. «Движок» для авто устроен по-другому, здесь требуется более высокая мощность и большой объем цилиндров. В легковые машины по большей части ставят моторы с 4-мя цилиндрами, а в грузовики: 6-ти или 8-ми цилиндровые двигатели. В элитные автомобили марки Ауди могут быть установлены 12-ти цилиндровые «движки».

Расположение цилиндров

Поршневые двигатели подразделяются по схемам блока цилиндров. Они могут быть представлены в виде разного рода конструкций. Их около 5 разновидностей. В зависимости от компоновки под капот мотор ставят под разными углами.

Создание рабочей смеси

Способ смесеобразования - еще один критерий, по которому классифицируются ДВС. Существует внешнее и внутреннее смесеобразование. Первый тип присутствует в карбюраторных моторах, а также в агрегатах с впрыском во впускной коллектор. Второй тип находится в дизельных «движках», а также в бензиновых, имеющих впрыск в камеру сгорания.

Принцип работы ДВС

Поняв, как работает двс, водителям стоит рассмотреть подробнее его принцип работы. Разберем работу двухтактного и четырехтактного двигателя.

Двигатель 2-х тактный

Газораспределительный механизм вместе с КШМ для двухтактного двигателя довольно сильно отличается от четырехтактного. В некоторых участках на цилиндрах вместо клапанов находятся небольшие отверстия, которые именуются как продувочные окна. В цилиндровой головке присутствуют свечи зажигания.

При наступлении первого такта поршень направляется от НМТ в ВМТ. Заполняя собой цилиндр, смесь поступает через впускное окошко. Выпускное окно, в свою очередь, остается открытым для выпуска остатков газов. Двигаясь, поршень создает окнам перекрытие, при этом смесь в этот момент сжимается. Около ВМТ возникает искра зажигания, запуская собой второй такт.

Под влиянием газового давления поршень смещается вниз. Начинается открытие впускного и выпускного окна. Через выпускное уходят отработанные газы, а через впускное поступает смесь.

Таким образом становится ясно, что 2-х тактный «движок» обладает высоким КПД. Рабочий цикл поршня совершает всего 2 хода, при этом коленвал делает единственный полный оборот. К недостаткам системы можно причислить тот момент, что часть ТПС растворяется с газами, что создает низкую топливную экономичность. При этом поршневые кольца довольно быстро подвергаются износу.

Двигатель 4-х тактный

Что касается четырехтактного устройства двс, то здесь работа строится немного по другому принципу. Поршень перемещается внутри цилиндра. Через шатун он соединен в коленвалом. Поднимаясь вверх, поршень остается в таком положении, которое называется верхней «мертвой точкой». Соответственно, после перемещения вниз он становится в положение нижней «мертвой точки» НМТ. Данный ход зовется «тактом». Таким образом, весь рабочий цикл состоит из 4-х тактов, последовательных друг за другом. Изучим каждый такт по отдельности.

 1. Впуск. При включении первого такта открывается впускной клапан. После этого поршень переход от ВМТ, а в цилиндр поступает смесь.

 2. Пройдя НМТ, поршень идет вверх, параллельно сжимая остаточные газы со смесью. Клапаны остаются закрытыми, при этом давление и температура газов возрастает. Свеча зажигания создает искру, помогающую воспламенить смесь.

 3. Смесь возгорается и в процессе горения толкает поршень вниз прямо от ВМТ, при этом клапаны по-прежнему остаются закрытыми.

 4. Выпускной клапан открывается только на выпуске, поршень движется наверх, одновременно толкая газы из цилиндра.

Что касается многоцилиндровых блоков, то в них одинаковые такты осуществляются в разном порядке. Если двигатель имеет 4-цилиндровый блок, то очередность его функционирования бывает в порядке 1-3-2-4. Иными словами, это означает, что впуск произойдет в первую очередь в 1, затем в 3, а потом 2 и 4 цилиндрах.

Плюсы и минусы

ДВС, как и любой тип двигателя, имеет свои преимущества и недостатки.

К плюсам относятся следующие особенности:

 1. Небольшой вес. Обычно такие устройства занимают мало места и имеют низкий вес.

 2. Высокая мощность. На сегодняшний день почти все ДВС обладают высоким значением лошадиных сил. Чем «сильнее» «движок», тем дороже он стоит и больше потребляет топлива.

 3. Есть возможность преодолеть большие расстояния. Эта проблема особо актуальна для тех, кто ездит в другие города ежедневно.

 4. Быстрая заправка. Сегодня заправки расположены повсеместно, поэтому автолюбителям не придется бояться за пустой бак. Заправка длится не более 10 минут.

 5. Простота эксплуатации. Большинство моторов, независимо от их типа, имеют схожую систему. Поэтому разобраться в работе двигателя сможет каждый водитель.

 6. Доступность. Сегодня автомобилем с ДВС никого не удивишь, они эксплуатируются повсеместно. На вторичном рынке их стоимость еще дешевле, так что каждый человек может позволить себе купить такое авто.

 7. Большой ресурс работы. Моторы, выпускаемые сегодня, способны функционировать ни один год подряд, а десятки лет. Возможно, кто-то скажет, что их надежность все же снижается, но это не исключает тот факт, что качество по-прежнему остается «на уровне».

Перечислив все преимущества ДВС, перейдем к недостаткам, которые, к сожалению, также встречаются у данного типа двигателя.

Минусы у ДВС следующие:

 1. Высокая степень выбросов в атмосферу во время езды автомобиля. Дело в том, что топливо не до конца сгорает, и в этом заключается главная проблема. Чтобы авто двигалось, требуется всего лишь 15% горючего, а все остальное уходит в воздух. Отработанный газ содержит множество вредных и токсичных веществ, а также тяжелых металлов.

 2. Требуется коробка переключения передач. Устройство обязательно, так как нужно, чтобы менялось передаточное число. Оно регулирует обороты двигателя, который перенаправляет энергию на колеса, а они вращаются либо быстро, либо медленно.

 3. Регулярная замена масла. Менять масло нужно каждые 10 000 км. Это нужно обязательно делать, так как жидкость загрязняется, а мелкие частицы грязи попадают в «движок».

 4. Высокая цена на топливо. Бензин и солярка с каждым годом возрастают в цене, соответственно, совсем скоро передвижение на авто с ДВС станет роскошью. Чтобы сэкономить на топливе, можно установить газовое оборудование, так как цена газа вдвое ниже остального горючего.

 5. Низкий КПД. Этот параметр наглядно показывает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии. Показатель выражается в процентах. К примеру, электродвигатели имеют КПД около 95%, но в ДВС такие значения невозможны.

 6. Ограниченный ресурс дешевых моторов. Изготовители, выпускающие двигатели по низкой стоимости, используют некачественные детали. Они быстро изнашиваются и «выходят из строя». Но если водитель будет использовать смазку, а также вовремя менять расходные материалы, то «движок» прослужит дольше.

Таким образом, мы выяснили, что ДВС имеет как много преимуществ, так и много недостатков. Несмотря на это, он является одним из самых эффективных устройств на сегодняшний день.

Заключение

Двигатели, производимые сегодня, являются самыми лучшими, поскольку выгодно отличаются от своих предшественников. Сейчас у них нет конкурентов, и в ближайшее время не намечается. Возможно, в течение будущих 10 лет, будет придумано что-то более новое. Многим хотелось бы, чтобы ДВС эксплуатировались вечно, но их существование завершиться, как только в мире закончится нефть и придет эпоха электрических двигателей. Сейчас тенденция к этому уже давно идет вперед.

Особенности двигателя MPI в автомобилях Volkswagen

Двигатель MPI в автомобилях Volkswagen: принцип работы, особенности, преимущества и недостатки. Двигатель MPI является инжекторной конструкцией, где применяется многоточечное устройство топливного впрыскивания. Поэтому этот мотор получил соответствующее наименование «Multi-Point-Injection». Иными словами, для каждого двигательного цилиндра разработан собственный инжектор-форсунка. Именно такая схема была воплощена автоконцерном «Volkswagen».

Этот тип двигателя устанавливается на самую популярную модель Volkswagen Новый Polo седан, некоторые комплектации Golf и Jetta (частично Golf и Jetta комплектуются также и TSI-двигателями). На Passat В8, Passat СС, Tiguan устанавливают сейчас (2016 года) только двигатели TSI. На Touareg устанавливают FSI.

Двигательное устройство MPI является наиболее устаревшим из всего моторного ряда «Volkswagen». Но, тем не менее, отличается превосходной практичностью и безотказностью. Некоторые специалисты отмечают, что теперь такой вид двигателя не отвечает нынешним требованиям в плане экономичности и экологичности. Более того еще недавно можно было утверждать, что такой вид мотора был снят с изготовления. А последней автомобильной моделью автоконцерна, где он применялся, была Skoda Oktavia 2-ой серии.

Но внезапно двигатель MPI возродился и снова стал востребованным. Осенью 2015 года «Volkswagen» запустил производственную линию моторов на своем калужском заводе, где стали выпускать двигательную конструкцию MPI 1,6 серии EA211.

Особенности двигателя MPI

О главном отличии таких двигателей уже было написано — это многоточечная подачи бензина. Но те, кто хорошо с двигателями автомобилей могут отметить, что и TSI-моторы также обладают многоточечным впрыскиванием.

Потому переходим к другой отличительной черте — в MPI отсутствует наддув. Т.е. нет турбокомпрессоров, чтобы нагнетать смесь топлива в цилиндры. Обыкновенный бензонасос, подающий топливо под давлением три атмосферы в особенный коллектор впуска, где оно далее перемешивается с воздушной массой и затягивается через клапан впуска непосредственно в цилиндр. Как видно, это достаточно схоже с деятельностью карбюраторного двигателя. Никакого прямого топливного впрыскивания в цилиндр, как в FSI, GDi или TSI-устройствах нет.

Еще одна особенность — присутствие водяной системы, благодаря которой смесь топлива охлаждается. Это происходит в связи с тем, что в области цилиндровой головки устанавливается повышенный температурный режим, а поступление бензина осуществляется под довольно низким давлением. Потому все это может закипеть и сформировать газовые воздушные пробки.

Преимущества

Двигатель MPI отличается собственной неприхотливостью к топливному качеству и может осуществлять работу на 92-ом бензине.

По своей конструкции этот мотор очень прочен, и его наименьший пробег без какого-нибудь ремонтных работ, как информирует изготовитель, составляет 300 тыс. км, естественно, если вовремя будут заменены масла, а также фильтры.

Благодаря не очень сложной конструкции двигатель MPI в случае поломки можно легко и недорого отремонтировать и вообще это заметно отражается на его цене. Обычная конструкция выгодно отличает его по сравнению с TSI, где присутствует насос повышенного давления и турбокомпрессорное устройство. Двигатель MPI также меньше склонен перегреваться.

Еще одним преимуществом мотора считается присутствие опор из резины, расположенных непосредственно под двигателем. Это значительно дозволяет уменьшить шум и дрожание во время передвижения.

Недостатки

Можно отметить, что двигатель MPI не очень динамичен. Из-за того, что процесс топливного перемешивания осуществляется в выпускных особых каналах (до того как топливо попадет в цилиндры), такие моторы считаются ограниченными. Восьмиклапанная система с набором ГРМ говорит о недостатках в мощности. Таким образом, они рассчитаны на не очень быстрые поездки.

Из недостатков можно выделить то, что MPI менее экономичен. Многоточечное впрыскивание по своей эффективности уступает наддуву вместе с прямым топливным впрыскиванием в цилиндр, как это сделано в двигательном устройстве TSI.

И все же, если складывать преимущества и недостатки, то выходит, что эти двигатели вполне сравнимы в плане конкурентоспособности, в особенности для российских дорог. Неслучайно для «Шкода Йети» немецкие производители отказались от 1.2-литрового двигателя TSI, отдав предпочтение проверенному и непритязательную 1.6-литровую движку MPI.

Конструкция двигателя внутреннего сгорания (Патент)

Накамура, Н., Эндо, Х., Ошио, С., Эбисудани, Т., Ито, М., Мизуками, Т., и Кисимото, М. Конструкция двигателя внутреннего сгорания . США: Н. П., 1988. Интернет.

Накамура, Н., Эндо, Х, Ошио, С., Эбисудани, Т, Ито, М., Мизуками, Т., и Кишимото, М. Устройство двигателя внутреннего сгорания . Соединенные Штаты.

Накамура, Н., Эндо, Х., Ошио, С., Эбисудани, Т, Ито, М., Мизуками, Т., и Кисимото, М. Вт. «Устройство двигателя внутреннего сгорания». Соединенные Штаты.

@article {osti_6888784,
title = {Устройство двигателя внутреннего сгорания},
author = {Накамура, Н. и Эндо, Х. и Ошио, С. и Эбисудани, Т. и Ито, М. и Мизуками, Т. и Кисимото, М.},
abstractNote = {В этом патенте описана конструкция двигателя внутреннего сгорания, содержащая элемент цилиндра, образованный цилиндром, который ограничивает камеру сгорания во взаимодействии с поршнем, соединенным с коленчатым валом, картер, расположенный последовательно с нижним концом элемента цилиндра для вмещать коленчатый вал, механизм привода клапана, приводящий в действие клапаны, предусмотренные в камере сгорания в ответ на вращение коленчатого вала, по меньшей мере, часть механизма привода клапана, размещенная в коромысле, предусмотренном на верхнем конце элемента цилиндра, масло возвратный канал, представляющий собой средство, открывающееся одним концом в картер коромысла, а другой конец открыт в картер с одной стороны, которая разделена плоскостью, содержащей ось цилиндра элемента цилиндра и ось коленчатого вала, и занята кривошипом. штифт коленчатого вала, когда поршень поднимается, образуя канал для подачи масла в картере коромысла в кривошип кожух, и средства ограничения, предусмотренные по отношению к каналу возврата масла, составляющие средства, так что воздушный поток вокруг оси коленчатого вала внутри картера из-за вращения коленчатого вала не может попасть в канал через отверстие другого конец.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/6888784}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1988},
месяц = ​​{9}
}

Устройство комбинированной камеры двигателей внутреннего сгорания (Патент)

Гото, К., Нива, Т. Устройство комбинированной камеры двигателей внутреннего сгорания . США: Н. П., 1975. Интернет.

Гото, К., & Нива, Т. Структура комбинированной камеры двигателей внутреннего сгорания . Соединенные Штаты.

Гото, К., Нива, Т.Вт. «Устройство комбинированной камеры двигателей внутреннего сгорания». Соединенные Штаты.

@article {osti_7355437,
title = {Устройство комбинированной камеры двигателей внутреннего сгорания},
author = {Goto, K and Niwa, T},
abstractNote = {Описано устройство камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.Часть внутренней стенки головки цилиндров образует периферийную часть впускного канала, которая расширяется, образуя часть заслонки, приспособленную для взаимодействия с периферийной кромочной частью обычного впускного тарельчатого клапана. Когда клапан открыт, образуется дугообразный канал, имеющий постепенно увеличивающуюся площадь поперечного сечения от одного конца к другому. Часть всасываемой топливно-воздушной смеси вводится в канал, отклоняется, чтобы течь по каналу, и выбрасывается на другом конце. Результирующий струйный поток создает большой вихревой поток в камере сгорания, чтобы обеспечить хорошее перемешивание смеси и увеличить скорость сгорания смеси.},
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/7355437}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1975},
месяц = ​​{12}
}

Устройство и принцип действия двигателей -Английский-

Устройство и принцип действия двигателей



Мы широко используем тепловые двигатели с момента их изобретения в 17 веке.Есть много видов двигателей, и они используются в нашей жизни. На этом занятии представлены конструкция, принцип и характеристики тепловых двигателей и источника энергии.

Поршневой паровой двигатель

Поршневой паровой двигатель - первый двигатель, получивший практическое применение. Этот двигатель получает механическую мощность за счет статического давления пара. После промышленной революции он долгое время использовался в качестве источника энергии для промышленности и транспорта.Но его заменяют двигатели внутреннего сгорания, и в настоящее время он не используется.
Обычно паровой двигатель состоит из котла, нагревателя, поршня, цилиндра, конденсатора и водяного насоса, как показано на правом рисунке. Впускной и выпускной клапаны расположены в верхней части цилиндра.


Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга состоит из двух поршней, как показано на правом рисунке. Это двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом, который многократно использует рабочий газ без какого-либо клапана.Запоминающейся характеристикой этого двигателя является то, что для получения высокого КПД используется регенератор. В те дни был изобретен двигатель, который назывался «Двигатель горячего воздуха» вместе с двигателем Эрикссон, описанным ниже. После многих разработок двигатели Стирлинга в настоящее время получают высокую мощность и высокий КПД за счет использования гелия или водорода под высоким давлением в качестве рабочего газа. Но этот двигатель еще не получил практического применения, потому что у него есть несколько проблем, таких как большой вес и высокая стоимость производства.


Эрикссон Двигатель

Дж. Эрикссон разработал несколько двигателей, модернизировав двигатель Стирлинга (в наши дни называемый двигателем горячего воздуха). Один из них сегодня называется движком Ericsson. Это двигатель внешнего сгорания с открытым циклом с двумя клапанами на подающем цилиндре и силовом цилиндре, как показано на правом рисунке. Также в большинстве двигателей, изобретенных Дж. Эриксоном, использовался регенератор.


Бензиновый двигатель

В настоящее время бензиновый двигатель (двигатель с искровым зажиганием) широко используется в качестве источника энергии для автомобилей.По принципу этого двигателя смесь топлива и воздуха сначала сжимается в цилиндре. А газ взрывается от свечи зажигания и генерирует выходную мощность. В качестве хороших характеристик двигателя может быть реализован двигатель меньшего размера и легкого веса, при этом возможны высокие обороты двигателя и большая мощность. Также обслуживание двигателя очень простое.


Паровая турбина

Паровая турбина имеет вращающиеся лопатки вместо поршня и цилиндра поршневого парового двигателя.Этот двигатель используется в качестве источника энергии на тепловых и атомных электростанциях. Паровая турбина использует динамическое давление пара и преобразует тепловую энергию в механическую, хотя поршневой паровой двигатель использует статическое давление пара. Оба двигателя используют энергию, полученную при расширении пара.


Дизельный двигатель


Дизельный двигатель (двигатель с воспламенением от сжатия) является двигателем внутреннего сгорания, а также бензиновым двигателем и широко используется в качестве источника энергии для кораблей и автомобилей.По принципу этого двигателя воздух поступает в цилиндр и сначала адиабатически сжимается до высокой температуры. Когда туман топлива впрыскивается в высокотемпературный цилиндр, он автоматически сгорает, и двигатель получает выходную мощность. Он может получить более высокий КПД, чем у бензинового двигателя, при высокой степени сжатия. Кроме того, этот двигатель имеет экономическое преимущество, потому что он может использовать в качестве топлива недорогие легкие и тяжелые нефти. Однако могут возникнуть такие проблемы, как сильные вибрации и шумы, а также увеличение веса двигателя из-за высокого давления в цилиндре.


Газовая турбина

По принципу газовой турбины рабочий газ (воздух) сжимается компрессором и сначала нагревается за счет энергии сгорания топлива. Рабочий газ становится высокой температуры и высокого давления. Двигатель преобразует энергию рабочего газа во вращающуюся энергию лопастей, используя взаимодействие между газом и лопастями.
Как показано на рисунке ниже, существует два типа газовой турбины.Один - это тип открытого цикла (внутренний тип), а другой - тип замкнутого цикла (внешний тип). Основными компонентами обоих типов являются воздушный компрессор, камера сгорания и турбина.
Газовая турбина может обрабатывать больший поток газа, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, поскольку в ней используется непрерывное сгорание. Тогда газовая турбина подходит как двигатель большой мощности. Газовая турбина для самолетов (называемая реактивным двигателем) использует это преимущество.



Ракетный двигатель

Ракетный двигатель получает газообразные продукты сгорания высокой температуры и высокого давления из топлива и окислителя в конбусторе.Газообразные продукты сгорания приобретают высокую скорость с адиабатическим расширением через сопло и выбрасываются в заднюю часть двигателя. Движущая сила получается за счет реакции высокоскоростного газа.
Реактивный двигатель и ракетный двигатель получают движущую силу одинаковым образом за счет реакции рабочего газа. Однако отличие от реактивного двигателя в том, что в ракетном двигателе содержится весь газ, включая сам окислитель. Тогда он может получить движущую силу, даже если нет воздуха, поэтому он используется как движущий источник энергии в космосе.


Топливный элемент

Вышеупомянутые тепловые двигатели меняют энергию топлива на механическую за счет тепловой энергии. С другой стороны, топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию топлива в электрическую.
Топливный элемент состоит из анода и катода, разделенных слоем электролита. Когда топливо подается на анод, а окислитель подается на катод, он генерирует электрическую энергию.

Двигатель внутреннего сгорания - обзор

Первые разработки

Развитие транспортного биотоплива идет рука об руку с изобретением двигателя внутреннего сгорания. Считается, что его прототип был впервые концептуализирован американским изобретателем Сэмюэлем Мори (1762–1843) в начале 19 века (Коварик, 1998). Однако только в начале 1860-х годов немецкий изобретатель Николаус Август Отто (1832–1891) в сотрудничестве с механиком Майклом Джозефом Зонс разработал первую четырехтактную версию двигателя внутреннего сгорания, широко известную сегодня как искровое зажигание ( или бензиновый) двигатель, или просто двигатель Отто (Коварик, 1998).Другая версия двигателя внутреннего сгорания, двигатель с воспламенением от сжатия, была разработана несколькими десятилетиями позже немецким изобретателем Рудольфом Дизелем (1858–1913). Этот дизельный двигатель до сих пор носит имя своего изобретателя (Коварик, 1998).

Хотя сегодня в двигателях внутреннего сгорания для питания транспортных средств используются продукты на нефтяной основе, изначально они были разработаны для использования биотоплива, такого как этанол. Отто разработал свой двигатель в сотрудничестве с Ойгеном Лангеном (1833–1895 гг.), Немецким изобретателем и предпринимателем, который также владел сахарным заводом.Это заставляет многих полагать, что Отто использовал этанол в качестве основного топлива. Точно так же Дизель тестировал в своем двигателе различные виды топлива, включая этанол и биодизель. Фактически, на одной из первых демонстраций Дизеля на Всемирной выставке в Париже в 1897 году дизельный двигатель работал на арахисовом масле (Biofuels, 2018). Хотя из-за высокого содержания воды и более низкого энергосодержания потребовалось несколько регулировок для работы двигателей внутреннего сгорания на этаноле в течение длительного периода времени, все испытания, проведенные Diesel, продемонстрировали возможность его использования с выходом энергии, идентичным топливо на основе нефти (Коварик, 1998).Это соответствовало большинству других исследований этанола в качестве моторного моторного топлива, которые продемонстрировали либо удовлетворительные, либо даже превосходные характеристики этанола по сравнению с топливом на нефтяной основе (Kovarik, 1998).

Первоначальная конструкция двигателя внутреннего сгорания для биотоплива была обусловлена ​​тем, что это был самый популярный вид топлива, и в то время никто не мог подумать о маркировке биотоплива как о «новом» или «альтернативном». Например, этанол в качестве топлива для освещения уже тогда широко использовался во всем мире, в то время как нефть, впервые обнаруженная в Пенсильвании (США) в 1859 году, только появлялась в качестве источника энергии (Коварик, 1998).Коммерческое использование этанола в качестве «обычного» моторного топлива стало жертвой недальновидных политических и экономических решений в Соединенных Штатах. Чтобы собрать деньги на войну, во время Гражданской войны в США (1861–1865 гг.) На этанол был введен налог в размере 2,08 доллара за галлон. Этанол стал слишком дорогим, и его производство резко сократилось, что способствовало развитию нефтяной промышленности США, поскольку последняя извлекала выгоду из того, что не облагалась этим налогом.

Когда в 1906 году налог на этанол был отменен, в Соединенных Штатах были предприняты отдельные попытки коммерциализировать этанол и топливные смеси на основе нефти.Наиболее ярким примером этих усилий стало движение сельскохозяйственных химиков 1930-х годов, целью которого было содействие производству промышленных продуктов из сельскохозяйственного сырья (Hale, 1934). Движение поддержали некоторые промышленники. Например, оригинальный автомобиль Генри Форда (1863–1947) (так называемая Модель Т), построенный в то время, был разработан для работы на этаноле (New York Times, 1925). Однако эти усилия были встречены противодействием нефтяной промышленности, которая лоббировала возрождение этанола и его использования в топливных смесях с нефтью.Из-за сильного лоббирования отрасли законодательные предложения по продвижению этанола в качестве моторного топлива не увенчались успехом. Негативную роль сыграло и начало сухого закона в 1919 году. Хотя этанол все еще можно было использовать в течение этого периода в транспортных средствах в смеси с нефтью (Управление энергетической информации, 2017), производство этанола в качестве моторного топлива было остановлено из-за отсутствия спроса. После отмены сухого закона в 1933 году производство этанола в США возродилось, но только для того, чтобы в значительной степени удовлетворить быстро растущий рыночный спрос на давно запрещенные алкогольные напитки.В результате выросла национальная и глобальная зависимость от транспортного топлива на нефтяной основе.

Еще одним важным фактором, способствовавшим снижению популярности этанола в качестве транспортного топлива в Соединенных Штатах, было открытие положительного влияния свинца на характеристики двигателя внутреннего сгорания в 1920-х годах. Чтобы уменьшить детонацию двигателя, этанол можно смешивать с топливом на нефтяной основе; однако два промышленных исследователя, Томас Мидгли (1889–1944) и Чарльз Кеттеринг (1876–1958), обнаружили, как тетраэтилсвинец может быть использован для тех же целей (Коварик, 1998).Исследования воздействия на здоровье этилированного транспортного топлива не обсуждались или прекращались в то время, что в сочетании с производственными ограничениями, введенными запретом, привело к полной замене этанола тетраэтилсвинцом в моторном топливе. Только в 1980–90-х годах негативные последствия использования этилированного транспортного топлива для здоровья были клинически доказаны и поэтому получили политическое признание, а тетраэтилсвинец был запрещен в качестве топливной добавки в развитых странах (Loefgren and Hammar, 2000).

В отличие от Соединенных Штатов, (известные в то время) запасы нефти в Европе были ограниченными, что вызвало политическую озабоченность по поводу надежности ее поставок в качестве топлива. В результате такие страны, как Франция, Германия и Великобритания, начали продвигать использование этанола на транспорте. Двигатели были разработаны для работы на смеси этанола и топлива на основе нефти, а некоторые двигатели даже были разработаны для работы на чистом этаноле. В Европе этанол получали из картофеля и винограда в качестве основного сырья, в то время как в других странах мира сахарный тростник и патока представляли собой еще одно важное сырье в то время (Коварик, 1998).Использование этанола в качестве транспортного топлива поощрялось политически и с помощью налоговых льгот. В Германии, например, на нефть были введены специальные импортные пошлины, и специализированная организация, Centrale für Spiritus-Verwerthung, отвечала за регулирование национального рынка этанола, в том числе для производства транспортного топлива (Kovarik, 1998). Некоторые ученые полагают, что политическая поддержка использования этанола на транспорте в Германии могла продлить Первую мировую войну, поскольку (сэкономленные) запасы нефти использовались в военных целях (Kovarik, 1998).Несмотря на более высокую популярность, чем в США, этанол не стал «обычным» транспортным топливом в Европе в межвоенный период. Частично это было связано с быстрым снижением затрат на производство топлива на основе нефти, но также и потому, что подготовка ко Второй мировой войне перенаправила традиционное этанольное сырье на производство военных материалов (Коварик, 1998).

Во время Второй мировой войны спрос на биотопливо снова увеличился, поскольку ископаемое топливо стало менее распространенным (Biofuels, 2018).Однако этот спрос длился недолго, и послевоенное восстановление мировой экономики явилось основным фактором, уменьшившим роль биотоплива на транспорте. Поскольку нефть была доступна в изобилии и дешево, промышленные и академические исследования технологии биотоплива в то время в значительной степени бездействовали. Именно топливный кризис 1970–80-х годов и более жесткие стандарты выбросов и экономии топлива, введенные в 1990-х годах, вернули общественный интерес к биотопливу (Biofuels, 2018; Lee and Mo, 2011). С тех пор соответствующая программа исследований неуклонно развивалась: регулярно публикуются исследования по различным аспектам использования технологии биотоплива на транспорте, включая экономику производства, усовершенствования конструкции двигателей и отношение потребителей (Xu and Boeing, 2013).Сегодня биотопливо представляет собой важную тему в международном политическом и исследовательском дискурсе, учитывая значительную роль, которую они, как ожидается, будут играть в удовлетворении будущего глобального спроса на энергию и в сокращении углеродного следа при производстве энергии.

Исследование экспериментального метода получения независимого шума сгорания двигателя внутреннего сгорания

Источники шума двигателя внутреннего сгорания сложны и изменчивы. Шум горения обычно заглушается механическим шумом и аэродинамическим шумом.Традиционные методы идентификации источника шума позволяют только качественно определить шум сгорания. Чтобы количественно получить независимый чистый шум сгорания двигателя внутреннего сгорания, необходимо спроектировать и построить отдельный испытательный стенд для моделирования источника шума. В данной статье разработан и реализован стенд для испытаний на разделение шума горения на основе метода передаточной функции. При испытании в камере сгорания устанавливают импульсное устройство давления. Когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), создается импульсное давление, которое возбуждает двигатель внутреннего сгорания и излучает шум.Сигнал давления и шумовой сигнал используются для получения передаточной функции давления сгорания и шума. Затем, исходя из давления в цилиндре и передаточной функции, можно непосредственно рассчитать шум сгорания. Испытания проводились на дизельном двигателе 4120СГ. Экспериментальные результаты показывают, что, когда двигатель внутреннего сгорания работает ниже 1500 об / мин в режиме холостого хода и 800 об / мин в режиме холостого хода, частотные составляющие независимого чистого шума сгорания в основном сосредоточены на частотах 1100 Гц, 1400 Гц и 3000 Гц.Кроме того, как метод испытания на вибрацию двигателя внутреннего сгорания, так и метод расчета эмпирической формулы шума сгорания выполняются для демонстрации точности и эффективности полученного независимого шума сгорания посредством испытания разделения шума сгорания на основе метода передаточной функции.

1. Введение

Технология разделения и идентификации источников шума является важной областью исследований двигателей внутреннего сгорания. Основными источниками шума двигателей внутреннего сгорания являются шум сгорания, механический шум и аэродинамический шум [1, 2].Когда двигатель внутреннего сгорания работает, двигатель внутреннего сгорания неизбежно будет издавать очень громкий шум, и громкий шум может причинить вред людям, например, он вызывает у людей раздражительность и беспокойство и даже вызывает у людей болезни [3, 4]. В настоящее время люди все больше обращают внимание на влияние шума на окружающую среду. Более того, во многих странах приняты законы и постановления о контроле шума [5, 6]. Поэтому снижение шума двигателя внутреннего сгорания является актуальной проблемой, требующей решения.

Прежде чем сформулировать план снижения шума для двигателя внутреннего сгорания, первым делом необходимо проанализировать информацию об акустических характеристиках независимых источников шума. Метод идентификации источника шума двигателя внутреннего сгорания можно разделить на традиционный метод идентификации источника шума, метод идентификации источника шума, основанный на технологии акустической матрицы, и метод идентификации источника шума, основанный на современной технологии обработки сигналов. Традиционные методы идентификации источника шума включают метод субъективной идентификации, метод покрытия свинца, метод спектрального анализа, метод тестирования ближнего поля и метод частичной работы.Традиционный метод идентификации источника шума прост и удобен в эксплуатации, но точность определения источника шума невысока. Методами идентификации источников шума, основанными на технологии акустических массивов, в основном являются метод интенсивности звука, метод акустической голографии и метод формирования луча [7]. Метод идентификации источника шума, основанный на технологии акустических массивов, в основном используется для определения распределения радиационного шума на поверхности двигателя внутреннего сгорания, и невозможно получить независимые источники шума, такие как шум сгорания и механический шум.Методы идентификации источника шума, основанные на современной технологии обработки сигналов, в основном включают метод многоканального разделения и метод одноканального разделения. Для метода многоканального разделения он в основном включает метод анализа независимых компонентов [8, 9], метод фильтрации [10, 11], метод вейвлет-преобразования и метод частичного анализа когерентности [12], метод множественного регрессионного анализа [13–16], метод когерентности [ 17, 18], метод локализации бинаурального звука [19] и др. Многоканальный метод требует наличия нескольких каналов датчиков.Для метода одноканального разделения он в основном включает метод на основе EMD [20, 21], метод на основе VMD [22] и так далее. Для одноканального метода требуется только один канал датчика. По сравнению с традиционным методом идентификации источника шума и методом идентификации источника шума, основанным на технологии акустической матрицы, метод идентификации источника шума, основанный на современной технологии обработки сигналов, может точно разделить источники шума двигателя внутреннего сгорания. Однако источник шума двигателя внутреннего сгорания сложен, и источники шума серьезно смешаны друг с другом, поэтому невозможно получить полностью чистый независимый сигнал источника шума.

В настоящее время методы разделения источников шума в основном используют метод многоканального разделения и метод одноканального разделения. Многоканальный метод требует разделения сигналов источника шума от сигналов двух или более каналов. Очевидно, что в этом случае необходимы два или более датчиков. Однако в инженерных и практических приложениях исследователи часто хотят достичь того же эффекта разделения и идентификации источников шума с наименьшим количеством датчиков. Таким образом, многие исследователи изучали использование одноканального метода разделения источников шума.

Когда источники шума разделяются многоканальным методом или одноканальным методом, полученные источники шума могут содержать другие компоненты помех. Чтобы получить более чистый независимый источник шума, необходимо улучшить характеристики многоканального метода и одноканального метода. Учитывая эту ситуацию, в первую очередь необходимо получить каждый независимый чистый источник шума двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, необходимо разработать отдельную экспериментальную платформу для обнаружения источника шума, чтобы получить независимый чистый сигнал источника шума.Среди источников шума двигателя внутреннего сгорания шум сгорания является основным источником шума двигателя внутреннего сгорания, поэтому в данной статье основное внимание уделяется разработке и внедрению независимого испытательного стенда на уровень шума сгорания для двигателя внутреннего сгорания.

Насколько известно авторам, Shu et al. [23] использовали испытательный стенд одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания для разделения шума сгорания в 2005 году. С 2005 года существует очень мало исследований, посвященных независимому испытательному стенду чистого источника шума для двигателя внутреннего сгорания.Это связано с тем, что это обычно ограничивается экспериментальными условиями, и очень трудно получить независимые чисто независимые источники шума. В области исследования шума двигателей внутреннего сгорания важно разработать независимый испытательный стенд для источников шума для двигателя внутреннего сгорания. С одной стороны, получая независимый чистый шум сгорания и анализируя информацию о его акустических характеристиках, он может служить теоретической справкой для диагностики неисправностей двигателя внутреннего сгорания [24–26].С другой стороны, если независимые источники чистого шума двигателя внутреннего сгорания могут быть получены и объединены в единую базу данных, такую ​​как база данных TIMIT и база данных шума [27], это может обеспечить удобство анализа акустических характеристик источников шума внутреннего сгорания. двигатель внутреннего сгорания.

В данной статье объектом испытаний является многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. По сравнению с предыдущей исследовательской работой [23], конструкция и реализация тестовой платформы исследуются более подробно.В процессе испытания, учитывая, что двигатель внутреннего сгорания работает в режиме воспламенения от сжатия без устройства зажигания, и устройство зажигания необходимо установить на месте первоначальной топливной форсунки, устройство системы зажигания собственной разработки имеет форму инжектор. Он имеет простые и практичные функции, и он может служить справочным материалом для дальнейших исследований. Перед испытанием двигатель внутреннего сгорания прорабатывается достаточно времени, чтобы убедиться, что состояние параметров двигателя внутреннего сгорания максимально приближено к нормальным условиям работы.Затем в камеру сгорания устанавливают импульсное устройство давления. Когда поршень находится в верхней мертвой точке, создается импульсное давление, которое возбуждает двигатель внутреннего сгорания и излучает шум. Сигнал импульсного давления в цилиндре и его излучаемый шумовой сигнал измеряются одновременно, и они используются для расчета передаточной функции шума сгорания. Наконец, когда двигатель внутреннего сгорания работает в нормальных условиях, измеренные сигналы давления в цилиндре и вычисленная функция передачи шума сгорания напрямую используются для расчета независимого чистого шума сгорания.Кроме того, метод испытания на вибрацию двигателя внутреннего сгорания и метод расчета эмпирической формулы шума сгорания дополнительно выполняются, чтобы показать точность и эффективность полученного независимого чистого шума сгорания.

Работа организована следующим образом. В разделе 2 описан механизм генерации шума горения. В разделе 3 анализируется и знакомится с испытательным стендом двигателя внутреннего сгорания. В разделе 4 объясняются результаты и обсуждение. Наконец, в разделе 5 представлены выводы.

2. Механизм образования шума сгорания

Шум сгорания двигателя внутреннего сгорания вызван резким повышением давления в цилиндре в камере сгорания. Из-за высокой степени сжатия и высокой скорости увеличения давления двигателя внутреннего сгорания шум сгорания, создаваемый двигателем внутреннего сгорания на той же скорости, намного больше, чем у бензинового двигателя.

Механизм генерации шума сгорания можно описать в следующих двух аспектах [28].С одной стороны, когда горючая смесь сжимается и сжигается в камере сгорания, давление газа будет сильно изменяться и вызовет ударную динамическую нагрузку на все контактирующие компоненты. Эти соприкасающиеся компоненты будут вызывать сложную структурную вибрацию связи при интенсивном переходном возбуждении. Затем вибрация может передаваться на структуру внешней поверхности двигателя внутреннего сгорания через крышку цилиндра, гильзу цилиндра, кривошипно-шатунный механизм и так далее.Наконец, вибрация конструкции внешней поверхности двигателя внутреннего сгорания создает радиационный шум для окружающей среды. С другой стороны, впрыск топлива имеет определенный порядок, а температура стенок цилиндра разная, поэтому камера сгорания обычно зажигается в нескольких местах. Тогда местное давление на нескольких очагах возгорания резко возрастет и распространится на окрестности. Эти генерируемые ударные волны давления будут отражаться от стенки камеры сгорания, и могут возникать колебания газа средней и высокой частоты.Наконец, он будет дополнительно стимулировать вибрацию корпуса двигателя внутреннего сгорания, и можно будет излучать средне-высокочастотный шум. Путь генерации и передачи шума сгорания показан на рисунке 1.


Поскольку затухание средне-высокочастотной вибрации меньше, чем низкочастотная часть, частота шума сгорания в основном сосредоточена в средне-высокочастотном диапазоне. . Процесс сгорания в двигателе внутреннего сгорания можно разделить на четыре этапа: период задержки возгорания, период быстрого горения, период медленного горения и период после горения.Только в период быстрого горения и периода медленного горения газодинамическая нагрузка будет иметь достаточно энергии, чтобы заставить корпус двигателя внутреннего сгорания вибрировать и излучать шум сгорания. Газодинамическая нагрузка тесно связана со скоростью роста давления в цилиндре.

3. Платформа для испытаний двигателей внутреннего сгорания
3.1. Принцип расчета шума сгорания на основе метода передаточной функции

Когда горючая смесь горит в цилиндре, давление сгорания действует на внутреннюю поверхность конструкции двигателя внутреннего сгорания и заставляет внешнюю поверхность двигателя внутреннего сгорания вибрировать и излучать шум.Это определяется как шум сгорания. Таким образом, шум сгорания можно рассматривать как функцию отклика, основанную на давлении сгорания в цилиндре и конструкции корпуса двигателя внутреннего сгорания. Шум сгорания можно рассчитать с помощью давления в цилиндре и передаточной функции шума сгорания. Конкретный принцип расчета шума сгорания показан на рисунке 2.


Из рисунка 2 принцип расчета шума сгорания на основе метода передаточной функции можно разделить на два этапа: (1) Первый шаг заключается в следующем.Во-первых, импульсное давление в цилиндре и его импульсное звуковое давление излучения измеряются независимым испытательным стендом для моделирования шума сгорания. Затем можно вычислить передаточную функцию шума сгорания конструкции корпуса двигателя внутреннего сгорания. Он определяется следующим образом:

На первом этапе можно точно получить передаточную функцию шума сгорания. (2) Второй этап заключается в следующем. Когда двигатель внутреннего сгорания работает в нормальных условиях, измеряется давление в цилиндре.Затем измеренное давление в цилиндре и передаточная функция шума сгорания используются для расчета шума сгорания. Формула расчета шума сгорания определяется следующим образом:

На втором этапе можно рассчитать независимый чистый шум сгорания.

3.2. Испытательный стенд

Испытательный стенд в основном включает дизельный двигатель 4120SG, систему зажигания, акселерометр, микрофон, датчик давления в цилиндре, компьютер и т. Д. Основные технические параметры дизельного двигателя 4120SG приведены в таблице 1.


Характеристики Параметры

Количество цилиндров 4
Последовательность зажигания 12-4
9 1-3
Номинальная мощность 48,5 кВт
Номинальная скорость 1500 об / мин
Число хода 4
Диаметр цилиндра 120 мм
Ход поршня 1402 мм передаточное отношение 17: 1
Рабочий объем одного цилиндра 1.58 L
Давление разрыва цилиндра 75 бар
Минимальное расстояние между верхней частью поршня и днищем головки цилиндра 1,0 ~ 1,3 мм

При испытании система является ключевой частью. Традиционная аккумуляторная система зажигания содержит источник питания, переключатель зажигания, катушку зажигания, распределитель и свечу зажигания. В этом испытании, поскольку двигатель внутреннего сгорания находится в выключенном состоянии, системе зажигания не требуется обеспечивать автоматическое зажигание и непрерывное зажигание.В основном это требует источника питания, катушки зажигания и свечи зажигания в форме инжектора. Устройство системы зажигания собственной разработки показано на рисунке 3.

Как показано на рисунке 3, аккумулятор 12 В обеспечивает питание системы зажигания. Когда ручной переключатель замкнут, ток генерируется в первичной обмотке катушки зажигания. По мере увеличения тока катушка зажигания накапливает энергию магнитного поля. Затем, когда ручной переключатель отключен, накопленная энергия магнитного поля в первичной обмотке катушки зажигания может быстро исчезнуть, и вторичная обмотка будет создавать высокое индуцированное напряжение.Создаваемое высокое напряжение подается на свечу зажигания. Он может ударить по зазору между электродами свечи зажигания и вызвать искру. Наконец, горючая смесь в цилиндре может воспламениться.

В процессе испытания, учитывая, что двигатель внутреннего сгорания работает в режиме воспламенения от сжатия без устройства зажигания, и устройство зажигания необходимо установить на месте первоначальной топливной форсунки, устройство системы зажигания собственной конструкции аналогично устройству системы зажигания. форма инжектора.Свеча зажигания в форме инжектора в основном состоит из центрального электрода, бокового электрода, герметичного изоляционного слоя, металлической оболочки и медной шайбы. Свеча зажигания в форме инжектора может подавать высокое напряжение во вторичной обмотке катушки зажигания в цилиндр. Затем между центральным электродом и боковым электродом может возникнуть искра для воспламенения горючей смеси. Свеча зажигания в форме инжектора показана на рисунке 4.

Испытательное оборудование в основном состоит из пьезоэлектрического датчика давления 7013C / CA, усилителя заряда 5018A1000, емкостного микрофона B&K 4189, шасси PXIE-1078, сверхширокополосной карты сбора данных PXIe-4492, Labview интегрированная система сбора данных и компьютер.Диапазон действия пьезоэлектрического датчика давления 7013C / CA составляет 25 МПа. Из-за высокого сопротивления пьезоэлектрического датчика давления 7013C / CA выходной сигнал очень слабый. Поэтому усилитель заряда 5018A1000 добавлен в конец пьезоэлектрического датчика давления 7013C / CA. Чувствительность усилителя заряда 5018A1000 составляет 50 мВ / бар. Диаметр емкостного микрофона B&K 4189 составляет 1/2 дюйма, диапазон частот 6,3 Гц – 20 кГц, чувствительность 50 мВ / Па. Шасси PXIe-1078 имеет пять гибридных слотов и три слота PXI Express.Сверхширокополосная карта сбора данных PXIe-4492 имеет разрешение аналого-цифрового преобразователя 24 бита, а максимальный диапазон напряжения составляет ± 10 В. В тесте частота дискретизации сигнала составляет 204800 Гц. Шасси PXIe-1078 имеет встроенный вентилятор для усиления эффекта рассеивания тепла. Уровень звукового давления (SPL) вентилятора составляет до 49,96 дБ (A). Чтобы снизить влияние шума вентилятора на результаты испытаний, система сбора данных размещена в диспетчерской ДВС.Комната управления двигателем внутреннего сгорания и лаборатория испытательного стенда двигателей внутреннего сгорания изолированы звуконепроницаемой дверью. Испытательное оборудование показано на рисунке 5.

В соответствии с национальным стандартом GB / T1859-2000 «Поршневой двигатель внутреннего сгорания - Измерение излучаемого воздушного шума - Инженерный метод и метод обследования», три емкостных микрофона B&K 4189 расположены на расстоянии 1 метра. удаленность от двигателя внутреннего сгорания. Находятся они на продольной стороне нет.4 цилиндра. Это можно увидеть на рис. 6.

От свободного конца до конца маховика двигателя внутреннего сгорания левый микрофон соответствует основной стороне двигателя внутреннего сгорания, называемой основным щелчком микрофона, и измеренному импульсу излучения. шум называется основным звуковым давлением со стороны удара. Верхний микрофон соответствует верхней части головки блока цилиндров и называется верхним микрофоном головки блока цилиндров, а измеренный импульсный шум излучения называется звуковым давлением в верхней части головки блока цилиндров.Правый микрофон соответствует стороне тисков двигателя внутреннего сгорания, называемой микрофоном стороны тисков, а измеренный импульсный шум излучения называется звуковым давлением стороны тисков.

3.3. Горючая смесь

Горючее, окислитель и источник воспламенения - три основных элемента горения. В тесте испарившихся нет. Бензин 97 используется в качестве горючего. Кислород с высокой концентрацией используется в качестве окислителя. Система зажигания используется для воспламенения горючей смеси.

Требуется определить количество кислорода и бензина в горючей смеси. По параметрам дизельного двигателя 4120SG рабочий объем одноцилиндрового двигателя составляет 1,58 л. Таким образом, при условии, что объем кислорода в цилиндре составляет 1,58 л, температура равна 100 ° C, а начальное давление - стандартное атмосферное. Количество кислорода можно рассчитать по уравнению состояния идеального газа. Уравнение состояния идеального газа показано в следующем уравнении: где - давление газа, а единица измерения - Па.- объем газа, а единица - м 3 . - количество вещества идеального газа, единица - моль. - газовая постоянная, и в общем случае R = 8,31441 ± 0,00026 Дж / (моль · К). - температура системы, единица измерения - К.

По расчетам количество кислорода в баллоне составляет 0,052 моль.

Основными компонентами бензина являются C 4 –C 12 алифатические углеводороды и циклические углеводороды. В этом тесте C 8 H 18 выбран в качестве молекулярной формулы бензина.В идеальном состоянии испарившийся бензин полностью сгорает, а химическое уравнение выглядит следующим образом:

Расчетное количество бензина составляет.

3.4. Подготовка к испытанию

В ходе испытания двигатель внутреннего сгорания находится в статическом состоянии. Для получения точной функции передачи шума сгорания параметры системы двигателя внутреннего сгорания в статическом состоянии должны быть максимально приближены к нормальным рабочим условиям. В этом испытании система охлаждающей воды, система смазки смазочным маслом и топливная система должны работать нормально, чтобы уменьшить влияние структурной эластичности и изменений демпфирования на результаты испытания двигателя внутреннего сгорания.Следовательно, перед испытанием двигатель внутреннего сгорания должен проработать достаточно времени, чтобы убедиться, что температура охлаждающей воды, температура масла и температура других частей находятся в равновесии. Затем остановите работающий двигатель внутреннего сгорания.

Кроме того, перед тестом необходимо предварительно нагреть усилитель заряда в течение 2 часов. Измерительное оборудование необходимо откалибровать. После выключения ДВС форсунка не работает. 4 цилиндр необходимо снять. На данный момент общего объема нет.4 цилиндр напрямую связан с внешней атмосферой. По состоянию движения коромысла и фазовой диаграмме газораспределения (Рисунок 7) можно судить о положении поршня. Более того, чтобы избежать влияния многократных отражений звуковых волн в крышке ГБЦ, в крышке ГБЦ нет. 4 цилиндр необходимо снять.


Во-первых, двигатель внутреннего сгорания необходимо повернуть на цикл, чтобы удалить выхлопные газы из камеры сгорания.Тогда нет. Поршень 4 цилиндра перемещен в положение нижней мертвой точки (ВМТ). Клапанный зазор регулируется таким образом, чтобы впускной и выпускной клапаны были закрыты. В это время общий объем цилиндра составляет 1,58 л.

Через отверстие топливной форсунки в цилиндр можно впрыснуть чистый кислород. На данный момент можно считать, что внутри баллона стандартное атмосферное давление чистого кислорода. Нет. Бензин 97 впрыскивается в камеру сгорания через форсунку с микроинжектором.Затем установите свечу зажигания в форме инжектора. После полного испарения жидкого бензина в герметичном цилиндре система зажигания используется для воспламенения горючей смеси в цилиндре. Система сбора данных позволяет одновременно измерять импульсный сигнал давления в цилиндре и его импульсный звуковой сигнал давления.

При работе ДВС в нормальных рабочих условиях давление в цилиндре отсутствует. 4 цилиндра можно измерить.

4. Результаты и обсуждение
4.1. Функция передачи шума сгорания

В ходе испытания двигателя внутреннего сгорания измеренный сигнал импульсного давления в цилиндре и сигнал звукового давления импульса излучения каждой стороны показаны на рисунках 8 и 9.

Из рисунка 8 (а) в сигнале временной области, скорость нарастания импульсного давления до dp / dt = 5 МПа / с. Это вызвано быстрым сгоранием горючей смеси. На Рисунке 8 (b) полоса низких частот (ниже 600 Гц) соответствует высокому уровню звукового давления (SPL), а этот сегмент относительно плоский, что связано с самым высоким импульсным давлением.Уровень звукового давления в диапазоне средних частот (600–2000 Гц) снижается быстрее, чем в диапазоне низких частот. Этот сегмент тесно связан с максимальной скоростью роста пульсового давления. Уровень звукового давления в высокочастотном диапазоне (выше 2000 Гц) быстро снижается. Этот сегмент тесно связан с высокочастотными импульсными колебаниями давления.

Из рисунка 9 (а), спектральная плотность мощности (PSD) звукового давления со стороны основного удара в основном сосредоточена на частотах 3238 Гц, 4513 Гц, 5150 Гц и 6519 Гц.На Рисунке 9 (b) спектральная плотность мощности звукового давления в верхней части головки блока цилиндров в основном сосредоточена на частотах 1538 Гц, 2463 Гц, 3306 Гц, 4144 Гц и 5969 Гц. На Рисунке 9 (c) спектральная плотность мощности звукового давления со стороны тисков в основном сосредоточена на частотах 1519 Гц, 3000 Гц и 4163 Гц. Из рисунка 9 видно, что спектральная плотность мощности звукового давления в верхней части головки блока цилиндров разнообразна и сложна. Это связано с тем, что верхний микрофон головки блока цилиндров не только принимает импульсное давление от верхней части головки блока цилиндров, но также принимает часть импульсного давления излучения со стороны основного удара и стороны тисков.

Чтобы оценить степень достоверности между давлением импульса и звуковым давлением импульса излучения каждой стороны, вычисляется коэффициент корреляции. Чем выше коэффициент корреляции, тем надежнее измеренный сигнал. Более высокий коэффициент корреляции означает, что результат расчета передаточной функции шума сгорания более точен.

Предполагая, что входная функция равна, а функция отклика равна, коэффициент корреляции определяется следующим образом: где и - спектральная плотность собственной мощности входной функции и выходной функции, соответственно, а - кросс-спектральная плотность мощности входной и функции вывода.

Рассчитывается коэффициент корреляции между импульсным давлением и звуковым давлением импульса излучения каждой стороны. Это показано на Рисунке 10.

Из Рисунка 10 ясно видно, что коэффициент корреляции стороны тисков пощечины больше 0,5, и он, очевидно, больше, чем две другие стороны. Что касается основной стороны шлепка, то она близка к стене, и есть определенная степень отражения и реверберации. Таким образом, при использовании основного микрофона на боковой стороне для измерения звукового давления импульса излучения возникает много помех, что приводит к низкому коэффициенту корреляции.Что касается верхней части головки блока цилиндров, поскольку верхний микрофон головки блока цилиндров может воспринимать шум со стороны основного удара и со стороны обратного удара, коэффициент корреляции низкий. Следовательно, звуковое давление со стороны тисков и импульсное давление используются для расчета передаточной функции шума сгорания. Результаты расчетов показаны на рисунке 11.


Из рисунка 11 рассчитанная функция передачи шума сгорания отражает характеристики передачи шума сгорания от сигнала давления в цилиндре к сигналу шума сгорания через конструкцию корпуса двигателя внутреннего сгорания.Величина отклика передаточной функции шума горения относительно высока в частотном диапазоне от 2000 Гц до 5000 Гц и от 7000 Гц до 10000 Гц. Ниже 2000 Гц и 5000–7000 Гц значение отклика передаточной функции шума сгорания относительно низкое.

4.2. 1500 об / мин и режим холостого хода (нормальный случай)

Когда двигатель внутреннего сгорания работает при 1500 об / мин и в состоянии холостого хода, измеренное давление в цилиндре показано на рисунке 12.

На рисунке 12 показан диапазон низких частот (ниже 600 Гц) соответствует высокому уровню звукового давления (SPL).Уровень звукового давления 600 Гц достигает 186,5 дБ. Изменение диапазона низких частот относительно ровное. Полоса низких частот занимает большую часть всей энергии давления в цилиндре, но затухание низких частот через конструкцию корпуса двигателя внутреннего сгорания велико, поэтому шум излучения невелик. Уровень звукового давления в средней полосе частот (600–2000 Гц) относительно низкий. Полоса высоких частот (выше 2000 Гц) явно колеблется по сравнению с полосой низких и средних частот.

На основе измеренного сигнала давления в цилиндре и рассчитанной передаточной функции шума сгорания вычисляется независимый чистый шум сгорания.Это показано на рисунке 13.

На рисунке 13 частотные составляющие независимого чистого шума горения в основном сосредоточены в районе 1100 Гц и 1400 Гц (средняя полоса частот) и 3000 Гц (полоса высоких частот). Амплитуда 1400 Гц примерно в четыре раза больше амплитуды 1100 Гц и 3000 Гц. Кроме того, независимый чистый шум сгорания почти не имеет других частотных составляющих.

4.3. 800 об / мин и состояние холостого хода

Когда двигатель внутреннего сгорания работает со скоростью 800 об / мин на холостом ходу, можно измерить давление в цилиндре.Комбинируя вычисленную передаточную функцию шума сгорания, вычисляется независимый чистый шум сгорания. Это показано на Рисунке 14.

Из Рисунка 14, частотные составляющие независимого чистого шума сгорания все еще в основном сосредоточены в районе 1100 Гц и 1400 Гц (средняя полоса частот) и 3000 Гц (полоса высоких частот). Амплитуда на 1400 Гц самая большая. По сравнению с рис. 13 в целом амплитуда частоты на рис. 14 меньше, чем на рис. 13.Показано, что независимый чистый шум сгорания двигателя внутреннего сгорания на малых оборотах ниже, чем на высоких.

4.4. Механический шум

Основными источниками шума двигателя внутреннего сгорания являются шум сгорания, механический шум и аэродинамический шум. Шум сгорания и механический шум составляют большую долю от общего шума двигателя внутреннего сгорания. Аэродинамический шум относительно невелик. Когда рассчитывается шум сгорания, механический шум может быть получен путем вычитания шума сгорания из общего шума двигателя внутреннего сгорания.Когда двигатель внутреннего сгорания работает на 1500 об / мин в режиме холостого хода и 800 об / мин в режиме холостого хода, расчетный механический шум показан на рисунке 15.

Из рисунка 15 видно, что механический шум имеет много частотных составляющих. . Когда дизельный двигатель работает при 1500 об / мин и в состоянии холостого хода, частотные компоненты механического шума в основном сосредоточены на 711 Гц, 1244 Гц, 1600 Гц, 2222 Гц и 2933 Гц. Когда дизельный двигатель работает на 800 об / мин и в состоянии холостого хода, частотные компоненты механического шума в основном сосредоточены на 355 Гц, 1156 Гц, 1956 Гц, 3022 Гц и 3644 Гц.К механическому шуму относятся шум от ударов поршня, стук воздушного клапана, шум зацепления шестерен, шум топливного насоса и т. Д. Шум от ударов поршня в основном вызван ударами между поршнем и гильзой цилиндра. Детонационный шум воздушного клапана в основном вызван воздействием открывания и закрывания клапана. Шум зацепления шестерен возникает из-за столкновения и трения между зубьями и зубьями во время процесса зацепления шестерен. Шум топливного насоса высокого давления связан с давлением впрыска масла и временем горения двигателя внутреннего сгорания.Когда дизель находится в разных условиях, частотная составляющая механического шума будет иметь определенную разницу. Это требует дальнейшего изучения.

4.5. Проверочный анализ

Для проверки результатов расчета независимого чистого шума сгорания дополнительно используются метод вибрационных испытаний двигателя внутреннего сгорания и метод расчета эмпирической формулы шума сгорания.

4.5.1. Метод испытания на вибрацию двигателя внутреннего сгорания

В процессе сгорания давление в цилиндре стимулирует вибрацию гильзы цилиндра, и эта вибрация передается на сторону тисков корпуса двигателя внутреннего сгорания.Тогда вибрация внешней поверхности со стороны тисков может вызвать шум горения со стороны тисков в окружающую среду. Следовательно, вибрация со стороны тисков связана с шумом сгорания со стороны тисков. Спектральная плотность мощности вибрации стороны тисков может использоваться для оценки точности вычисленного независимого чистого шума сгорания.

Датчик ускорения копья LC0158T используется для измерения сигнала вибрации со стороны тисков. Чувствительность датчика ускорения копья LC0158T составляет 30 мВ / г, максимальный диапазон - 166 г, разрешение - 0.0007 г, а диапазон частотной характеристики 0–10000 Гц. Точка испытания вибрации со стороны тисков показана на рисунке 16.


В ходе испытания, чтобы сохранить полезные компоненты и устранить высокочастотные компоненты, фильтр нижних частот используется для удаления высокочастотных компонентов выше 10. кГц в вибросигналах.

Сигналы вибрации со стороны тисков измеряются соответственно при 1500 об / мин и без нагрузки и при 800 об / мин и без нагрузки, соответственно.Поскольку единицей измерения вибрационного сигнала является g, а единицей измерения шума сгорания является Па, необходимо провести нормализацию. Спектр измеренного вибрационного сигнала и независимого чистого шума сгорания показан на рисунке 17.

Из рисунка 17, когда двигатель внутреннего сгорания работает, соответственно, при 1500 об / мин в режиме холостого хода и при 800 об / мин и без нагрузки. При условии, что частота независимого чистого шума сгорания в основном соответствует частоте измеренного сигнала вибрации.Особенно заметны частотная амплитуда независимого чистого шума сгорания и измеренный сигнал вибрации, особенно вблизи 1400 Гц и 3000 Гц. Однако на рисунке 17 (а) сигнал вибрации в районе 2000–2600 Гц, 6000 Гц, 7000 Гц и 9000 Гц имеет частотные составляющие. На рисунке 17 (b) сигнал вибрации в районе 2000–2600 Гц, 4000 Гц и 8500–9500 Гц имеет частотные составляющие. Эти частотные составляющие в основном вызваны механическим возбуждением от других частей.Независимый чистый шум сгорания не имеет этих частотных составляющих. Таким образом, с помощью метода испытания на вибрацию двигателя внутреннего сгорания измеренный сигнал вибрации стороны тисков показал точность и эффективность вычисленного независимого чистого шума сгорания.

4.5.2. Метод расчета эмпирической формулы шума сгорания

Метод расчета эмпирической формулы шума сгорания в основном относится к принципу измерения шума сгорания измерителем шума сгорания.Формула расчета выглядит следующим образом: где представляет собой сигнал шума горения, а единица измерения - дБ. представляет собой среднеквадратичное значение отфильтрованного давления в баллоне, единица измерения - бар. представляет собой эталонное звуковое давление, единица измерения - бар, и. представляет собой параметры частотной характеристики взвешенной сети. представляет собой эмпирические параметры затухания конструкции корпуса двигателя.

Параметры частотных характеристик взвешенной сети приведены в таблице 2.

−19,1

Центральная частота (Гц) взвешенное значение (дБ) Центральная частота (Гц) взвешенное значение (дБ)

100
100 1000 0
125 −16,1 1250 0,6
160 −13,4 1600 1,0
−200 9 2000 1,2
250 −8,6 2500 1,3
315 −6,6 3150 1,2
400 1,0
500 −3,2 5000 0,5
630 −1,9 6300 −0,1
800 −0.8 8000 −1,1

Эмпирические параметры затухания конструкции корпуса двигателя показаны в таблице 3.

Гц ) 2007 36

0


Значение передаточной функции (дБ) Центральная частота (Гц) Значение передаточной функции (дБ)

100 −143.0 1000 −96,5
125 −137,5 1250 −93,3
160 −132,4 1600 −90,8
2000 −89,7
250 −122,3 2500 −89,5
315 −117,2 3150 −90,6
40069
400693 4000 −94,2
500 −108,2 5000 −99,2
630 −103,8 6300 −105,6
−105,6
8000 −116,0

Сигнал давления в баллоне измеряется тестом. Затем метод расчета эмпирической формулы шума сгорания используется для расчета экспериментального значения шума сгорания.Результаты расчетов показаны на рисунке 18.

Из рисунка 18 видно, что результаты расчета шума сгорания с помощью метода расчета эмпирической формулы и метода моделирования на стенде хорошо согласуются на частотах ниже 2000 Гц. В сочетании с рисунками 13 и 14 частота шума сгорания, рассчитанная на испытательном стенде с моделированием, в основном сконцентрирована на 1100 Гц, 1400 Гц и 3000 Гц. 1100 Гц и 1400 Гц ниже 2000 Гц. Таким образом, результаты расчета шума сгорания на частотах 1100 Гц и 1400 Гц очень хороши.Однако из рисунка 18 видно, что есть некоторые различия в результатах расчета шума сгорания выше 2000 Гц. Шум горения на частоте 3000 Гц имеет определенную погрешность. Причина ошибки заключается в том, что параметры затухания конструкции корпуса двигателя в методе расчета по эмпирической формуле имеют определенную степень отличия от параметров затухания конструкции корпуса двигателя дизельного двигателя 4120SG в высокочастотной части (выше 2000 Гц). Параметры затухания конструкции корпуса двигателя в методе расчета по эмпирической формуле являются значениями эмпирических параметров и имеют некоторые отличия от конкретного типа дизельного двигателя 4120SG.Результаты расчета шума сгорания имеют некоторую разницу в частотной составляющей 3000 Гц. Но общая тенденция результатов расчетов не вызывает сомнений. Следовательно, полученный независимый чистый шум сгорания является точным.

5. Выводы

Для воспламенения горючей смеси (чистый кислород и бензин № 97), учитывая, что двигатель внутреннего сгорания работает в режиме воспламенения от сжатия без устройства зажигания, и устройство зажигания должно быть установлено в положение оригинальная топливная форсунка, устройство зажигания которой по форме похоже на форсунку, разработано и реализовано в деталях самостоятельно.Он имеет простые и практичные функции, и он очень полезен и надежен в тестах.

Перед испытанием двигатель внутреннего сгорания должен проработать достаточно времени, чтобы параметры двигателя внутреннего сгорания в статическом состоянии были максимально близки к нормальным рабочим условиям. Затем при испытании одновременно измеряются импульсный сигнал давления в цилиндре и излучаемый им импульсный сигнал звукового давления. Они используются для расчета передаточной функции шума сгорания.Таким образом, можно точно рассчитать передаточную функцию шума сгорания.

Когда двигатель внутреннего сгорания работает при 1500 об / мин в режиме холостого хода и 800 об / мин в режиме холостого хода, независимый чистый шум сгорания рассчитывается на основе измеренного давления в цилиндре и расчетной передаточной функции. Экспериментальные результаты показывают, что частотные составляющие независимого чистого шума горения сосредоточены на 1100 Гц, 1400 Гц и 3000 Гц. Кроме того, дополнительно выполняются два метода проверки, чтобы показать точность и эффективность полученного независимого чистого шума сгорания.

Независимая экспериментальная платформа для регистрации чистого шума сгорания может служить справочным материалом для регистрации других независимых источников шума. Кроме того, полученный независимый чистый шум сгорания может служить теоретической справкой для диагностики неисправностей и плана снижения шума двигателей внутреннего сгорания.

Доступность данных

Данные MAT-файла, используемые для подтверждения результатов этого исследования, доступны у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51079118 и 51279148) и Китайским стипендиальным фондом (201806950033).

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку "Назад" и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Двигатель внутреннего сгорания и четырехтактный двигатель | Беданг Сен | Startup

Рис. 1: Двигатели внутреннего сгорания в автомобилях

Сегодня у нас есть массивные самолеты, которые могут облететь нас по всему миру за считанные часы, генераторы, которые могут эффективно вырабатывать электроэнергию в самых отдаленных местах, тракторы и насосы, которые помогают нам выращивать урожаи быстрее, и, конечно же, наши собственные личные автомобили, чтобы путешествовать по шоссе.Но что сделало все это возможным? Ответ - двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания стал неотъемлемой частью каждого человека на Земле. Он предлагает относительно небольшой и легкий источник энергии, который он производит. Простая цель этих тепловых двигателей - преобразовать химическую энергию топлива в механическую, которая обычно передается на вращающийся вал.

Одним из наиболее важных применений двигателя внутреннего сгорания является автомобиль.Транспортные технологии навсегда изменились с массовым производством автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания - это двигатель, который использует взрыв топлива, называемый сгоранием, для толкания поршня внутри цилиндра. Когда поршень выталкивается из цилиндра, он вращает коленчатый вал, который вращает колеса автомобиля. Наиболее распространенным видом топлива, которое используется для этого сгорания, является бензин.

Технология, которую мы видим сегодня, является продуктом многовековой эволюции и развития, начиная с начала 16 века с Леонардо да Винчи и его раннего описания двигателя без сжатия.Однако первый экспериментальный двигатель внутреннего сгорания был создан более века спустя, в 1680 году, голландским астрономом Кристианом Гюйгенсом, применившим принцип вытягивания воды. Этот принцип был основан на том факте, что взрыв небольшого количества пороха в закрытой камере, снабженной выпускными клапанами, создавал вакуум, когда газы сгорания охлаждались. Используя цилиндр с поршнем, Гюйгенс мог перемещать его таким образом за счет внешнего атмосферного давления.

Рисунок 2: Двигатель внутреннего сгорания Ленуара

За ним последовал первый коммерчески практичный двигатель внутреннего сгорания, построенный французским инженером Этьеном Ленуаром примерно в 1859–1860 годах, на котором в качестве топлива использовался осветительный газ. Два года спустя, в 1862 году, Альфонс Бо де Роша запатентовал, но не построил четырехтактный двигатель. Всего четырнадцать лет спустя, в 1876 году, родился первый предок двигателя внутреннего сгорания, который используется сегодня. Этот подвиг был совершен Николаусом Августом Отто, которому удалось создать двигатель с гораздо более высоким КПД по сравнению с более ранними конструкциями за счет сжатия топлива перед сгоранием.Это стало известно как «цикл Отто».

Важнейшими частями цикла Отто является камера сгорания, состоящая из цилиндра. Цилиндр обычно неподвижен и закрыт с одного конца и в котором скользит плотно прилегающий поршень. Движение поршня изменяет объем камеры между закрытым концом цилиндра и внутренней поверхностью поршня. Чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение, используется шатун, чтобы прикрепить коленчатый вал к внешней поверхности поршня.На верхних поверхностях цилиндра, также называемых головкой цилиндра, вырезаны два отверстия, в которых находятся клапаны, которые работают с помощью консервного механизма. Это впускной коллектор и выпускной коллектор. В двигателе внутреннего сгорания используется топливная система, которая состоит из бака, топливного насоса и карбюратора для испарения жидкого топлива. Затем испаренное топливо проходит через впускной коллектор, а газы, образующиеся при сгорании, выводятся через выпускной коллектор.Клапаны обычно удерживаются закрытыми за счет давления пружин и открываются в нужное время во время рабочего цикла кулачками на вращающемся распределительном валу, который соединен с коленчатым валом.

Рисунок 3: Компоненты двигателя внутреннего сгорания

Смесь воздуха и паров бензина, подаваемая в цилиндр из карбюратора, воспламеняется, вызывая проскакивание искры в промежутке между электродами свечи зажигания, которая выступает через стенки цилиндра. Один электрод изолирован фарфором или слюдой; другой заземлен через металл вилки, и оба образуют часть вторичной цепи индукционной системы.

Четырехтактный цикл

Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем использует четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движение. Четыре такта:

1. Такт всасывания

2. Ход сжатия

3. Такт сгорания

4. Такт выпуска

Рис. Индукция, поршень перемещается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ) при открытом впускном клапане и закрытом выпускном клапане.Это создает вакуум из-за увеличения объема в камере сгорания. Разница давлений между атмосферным давлением снаружи и вакуумом внутри заставляет воздух выталкиваться в цилиндр. Затем используется карбюратор для добавления желаемого количества топлива в систему.

За этим следует такт сжатия, при котором впускной клапан закрывается, а поршень возвращается в ВМТ при закрытых всех клапанах. Это вызывает сжатие топливовоздушной смеси, повышая как давление, так и температуру в цилиндре.В конце такта сжатия сгорание инициируется зажиганием свечи зажигания. Сгорание топливовоздушной смеси происходит за очень короткий, но конечный промежуток времени, когда поршень находится в ВМТ. Сгорание изменяет состав газовой смеси на состав продуктов выхлопа и увеличивает температуру в цилиндре до очень высокого пикового значения, в результате чего давление в цилиндре повышается до очень высокого пикового значения.

Затем происходит расширение хода или мощности хода.Этот ход производит основную работу цикла. Когда все клапаны закрыты, высокое давление, создаваемое процессом сгорания, отталкивает поршень от ВМТ. Когда поршень перемещается из ВМТ в НМТ, объем цилиндра увеличивается, что приводит к падению давления и температуры. Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается, и газы, образующиеся при сгорании, выдуваются. Открытие выпускного клапана до НМТ снижает работу, выполняемую во время рабочего такта, но требуется из-за конечного времени, необходимого для продувки выхлопных газов.

И, наконец, последний ход - это ход выхлопа. Пока выпускной клапан остается открытым, поршень перемещается из НМТ в ВМТ, вытесняя оставшиеся выхлопные газы из цилиндра в выхлопную систему. Ближе к концу такта выпуска впускной клапан начинает открываться таким образом, что он полностью открывается к тому времени, когда поршень достигает ВМТ. Точно так же выпускной клапан начинает закрываться и полностью закрывается примерно в то время, когда поршень достигает ВМТ. Этот период, когда впускной и выпускной клапаны открыты, называется перекрытием клапанов.

Когда поршень возвращается в ВМТ, происходит следующий такт впуска, начиная цикл снова.

Engihub.com. (2019). Работа двигателя : как работает четырехтактный двигатель? . [онлайн] Доступно по адресу: https://www.engihub.com/engine-working/ [доступ 3 июня 2019 г.].

Гарден, Х., Худ, У. и Двигатели, Т. (2019). Как работают автомобильные двигатели . [онлайн] HowStuffWorks. Доступно по адресу: https://auto.howstuffworks.com/engine1.htm [доступ 3 июня 2019 г.].

Newworldencyclopedia.орг. (2018). Двигатель внутреннего сгорания - Энциклопедия Нового Света . [онлайн] Доступно по адресу: https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Internal_combustion_engine [доступ 3 июня 2019 г.].

Scienceclarified.com. (2009). Двигатель внутреннего сгорания - корпус, бывший в употреблении, процесс, срок службы, тип, форма, энергия, газ, воздух . [онлайн] Доступно по адресу: http://www.scienceclarified.com/He-In/Internal-Combution-Engine.html [доступ 3 июня 2019 г.].

ИнфоПожалуйста. (2019). Двигатель внутреннего сгорания: Эволюция двигателя внутреннего сгорания | Информационная справка .[онлайн] Доступно по адресу: https://www.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *