Надо Знать

добавить знаний



Двигатель внутреннего сгорания


Рис. 1. Компрессия в 4-тактном ДВС

План:


Введение

Рис. 1. Компрессия в 4-тактном ДВС

Двигатель внутреннего сгорания - тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Наряду с электрическим двигателем двигатель внутреннего сгорания является одним из наиболее распространенных типов двигателей. Чаще всего он используется в транспортных средствах : автомобилях, мотоциклах, поездах, морском транспорте и т.д.. Двигатели внутреннего сгорания применяются в автономных электрических генераторах для производства электроэнергии.


1. Название

Название двигателя внутреннего сгорания связано с тем, что в отличие от паровой машины горение происходит в закрытой камере, в которую специально сконструированными системами подается жидкое или газообразное топливо и воздуха, кислород в составе которого выполняет роль окислителя. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, создают значительный давление, которое заставляет двигаться поршень, таким образом превращая тепло в механическую работу.


2. История

Принцип внутреннего сгорания неоднократно предлагался для конструкции двигателей, но практические двигатели внутреннего сгорания начали производить только во второй половине XIX века. К разработке различных инженерных решений, необходимых для работы двигателя, постарались много разных инженеров. Изобретателем двигателя внутреннего сгорания часто называют Николауса Отто, который в 1862 году начал производство и продажу двухтактных двигателей. В 1876 ​​Отто сконструировал четырехтактный двигатель, однако ему не удалось за патентовать свое изобретение, поэтому принцип работы четырехтактного двигателя стал общей основой для многих разработок. Патент на четырехтактный двигатель получил еще в 1862 Альфонс Бо де Роша. Первый бензиновый двигатель сконструировал Карл Бенц. Рудольф Дизель построил первый дизельный двигатель с высоким коэффициентом полезного действия в 1897 году.

Немецкие инженеры Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах были среди пионеров конструирования автомобилей и мотоцкилив, процесса, который развивался параллельно с совершенствованием двигателей.


3. Конструкция и принцип действия

Механическая система двигателя внутреннего сгорания сконструирована таким образом, что его работа разбивается на последовательность периодических циклов, каждый из которых состоит из нескольких тактов. Один из тактов рабочего, во время этого такта расширения горячих сжатых газов приводит к движению поршня, другие выполняют вспомогательные функции, среди которых всасывания топлива и воздуха, освобождения рабочей камеры от отработанных продуктов сгорания и т.д.. Наиболее распространенные конструкции двигателей внутреннего сгорания - двухтактные и четырехтактные.

Среди разнообразных конструкций двигателей внутреннего сгорания часто встречаются дизельные и карбюраторные. В дизельных двигателях топливо впрыскивается непосредственно в сжатый воздух и загорается при впрыске. В карбюраторных двигателях используется специальное устройство, карбюратор, в котором создается смесь топлива и воздуха. Зажигание смеси в карбюраторных двигателях требует электрической искры.

К двигателям, использующих принцип внутреннего сгорания относятся также газовые турбины, воздушно-реактивные двигатели и большинство других ракетных двигателей.

Рис. 2. Схема работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания можно рассмотреть на примере четырехтактного карбюраторного двигателя. Основным элементом такого двигателя является цилиндр, внутри которого происходит сгорание топлива. Как правило, их несколько. Поэтому говорят об одном, двух-, четырех-, восьми-, двенадцати-, шестнадцати и даже вiсiмнадцятицилиндрови двигатели. В каждом цилиндре установлен подвижный поршень.

Цилиндр имеет два отверстия с клапанами - впускным и выпускным. Работа двигателя внутреннего сгорания основывается на четырех последовательных процессах - тактах, которые все время повторяются. Первый такт - это впуск горючей смеси осуществляется через впускной клапан, когда поршень движется вниз. После того, как поршень достигнет нижней точки, всасывания топлива прекращается и оба клапана закрываются. Во время второго такта, когда поршень движется вверх, происходит сжатие смеси, вследствие чего ее температура повышается. В верхней точке поршня смесь воспламеняется электрической искрой от свечи. Смесь мгновенно вспыхивает из-за значительного нагрева расширяется и давит на поршень. Сила давления толкает поршень вниз, проходит третий такт - рабочий ход, во время которого выполняется работа. С помощью шатунного механизма движение поршня передается коленчатом валу, который соединен с колесами автомобиля. Выполняя работу, смесь расширяется и одновременно охлаждается. После прохождения поршнем нижней точки открывается выпускной клапан и во время движения поршня вверх происходит четвертый такт - выпуск отработавших газов. Таким образом, рабочий цикл четырехтактного двигателя заканчивается, и впоследствии все начинается с первого такта.

Преобразования возвратно-поступательного движения поршней в вращательное движение коленчатого вала в четырех цилиндровом двигателе

Поскольку из четырех тактов двигателя внутреннего сгорания только один - рабочий, двигатель имеет инерционный механизм - маховик. Он запасает энергию, за счет которой коленчатый вал вращается во время выполнения остальных тактов. Маховик может быть выполнен в виде корзины сцепления или шестерни, на которую передается крутящий момент от пускового двигателя (стартера), также маховиком являются щеки коленчатого вала многоцилиндрового двигателя.

Основными составными частями двигателя внутреннего сгорания являются:

  • блок цилиндров,
  • головка газораспределительного механизма,
  • картер двигателя,
  • впускной и выпускной коллекторы,
  • карбюратор,
  • электрооборудования,
  • система охлаждения.

В основном четырехтактные двигатели применяются на автомобилях, тракторах и другой технике.


4. Топливо

В качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания используются продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ. Двигатели внутреннего сгорания могут работать также на сжиженном природном газе и спиртах : этаноле и метаноле. Синтетическое топливо для использования в двигателях внутреннего сгорания получают из природного газа, угля или биомассы благодаря процесса Фишера-Тропша.

В будущем в качестве топлива может использоваться водород, который имеет то преимущество, что продуктом его сгорания является вода, однако для использования водорода необходимо преодолеть технические проблемы, связанные с большими объемами необходимых топливных баков.


5. Разновидности по способу зажигания топливной смеси

5.1. Двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от искры

В двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от искры используются топлива, легко образуют горючие смеси с воздухом и характеризуются достаточно высокой устойчивостью к преждевременному самовозгоранию. В таких двигателях топливная смесь или готовится предварительно в карбюраторе, или образуется при впрыске топлива в систему топливоподачи или цилиндры. Карбюраторные двигатели являются наиболее распространенным типом двигателей, использующих бензин. В последние годы они вытесняются двигателями с непосредственным впрыском бензина, но в ряде стран, включая Украину, еще долго будут занимать ведущее место. КПД карбюраторного двигателя может достигать 33-36%, однако при эпизодических и частичных нагрузках он существенно меньше и составляет 15-20%. Это объясняется уменьшением термического КПД при неполной загрузке, когда дросселирования подачи топлива приводит к снижению давления в камере сгорания. С учетом того, что в городских условиях автомобильные двигатели работают в сменном режиме, средний КПД их невелик.

Этого недостатка лишены двигатели с непосредственным впрыском топлива, в которых подача топлива регулируется электронной системой в зависимости от нагрузки двигателя. Такими двигателями оснащается большинство новых легковых автомобилей в США и европейских странах. Однако системы впрыска топлива работают в жестком тепловом режиме и предъявляют повышенные требования к качеству топлива.

В 1954 г. Ф. Ванкель сконструировал роторно-поршневой двигатель, который имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными поршневыми. В частности, двигатель Ванкеля менее чувствителен к октанового числа топлива, имеет меньшие массу и габариты, легче форсируется. Недостатки двигателей Ванкеля - повышенное содержание углеводородов в отработавших газах и более высокая, по сравнению с четырехтактным двигателем, удельный расход топлива (на 7-10%), что является препятствием к широкому применению. Однако, японская фирма MAZDA в начале 1990-х годов выпускала около 150 тыс. автомобилей в год, оборудованных роторно-поршневыми двигателями, производство мотоциклов и автомобилей с этими двигателями освоено и в некоторых других странах. При работе двигателя на низкооктановых бензинах и в неблагоприятных условиях наблюдается детонация, т.е. взрывное горение смеси в камере сгорания с образованием ударных волн. Это приводит к повышенному износу деталей двигателя и опасности его повреждения, а также к неполному сгоранию топлива, повышенной дымности и токсичности отработавших газов. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение нескольких микросекунд, изучать достаточно трудно, и поэтому природа детонации до конца не выяснена. Известно, что основной причиной детонации является самовозгорание отдельных участков горючей смеси в камере сгорания, что происходит раньше того момента, как до них дойдет фронт пламени от свечи зажигания. Перед самовоспламенением компоненты топлива предварительно окисляются, чему способствует высокая температура, которая развивается при сжатии. Первичные продукты окисления углеводородов (пероксиды) разлагаются со взрывом, генерируя ударную волну.

Для предотвращения детонации бензины должны обладать достаточной устойчивостью к само-воспламенения, что выражается октановым числом (ОЧ) топлива. Требования к октанового числа зависят от степени сжатия и конструкции камеры сгорания. Для каждого двигателя, использующего бензин, существует оптимальное значение ОЧ, связано со степенью сжатия (ε) и диаметром (D) эмпирической зависимостью:

ОЧ = 125,4 - 413 ε + 0,189 D.


5.2. Двигатели внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия

Двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные). Двигатель с воспламенением от сжатия был предложен Р.Дизелем в 1897 г. Он оказался менее требовательным к топливу, чем карбюраторный двигатель, и мог работать практически на всех видах топлива, до мазутов. В России в 1898 г. на заводе "Русский дизель" был разработан двигатель, работающий на сырой нефти. На протяжении ХХ ст. двигатель Дизеля получил огромное распространение. Его термический КПД выше, чем у двигателей, работающих по циклу Отто, и для вихрокамерних двигателей достигает 36%, а для двигателей с непосредственным впрыском - 42%. Если учесть, что на разных режимах он практически одинаков, то средний КПД может почти вдвое превышать КПД карбюраторного двигателя. Для всех типов двигателей при частичных нагрузках несколько снижается механический КПД, через потери мощности на трение. Это объясняется высокими степенями сжатия, которые могут быть достигнуты на дизельном двигателе. Дизельные двигатели подразделяют на высоко-, средне-и малообертови, для каждого типа предназначено свое топливо. Швидкообертови двигатели устанавливают в основном на автомобилях. Для них предназначено топливо, которое называют дизельным. Основные транспортные средства, используемые швидкообертови дизели, - грузовики, но в некоторых странах поощряется оборудования такими двигателями легковых автомобилей. В Европе, например, за 15 лет (1975 - 1990 г.) производство легковых автомобилей с дизельными двигателями выросло в 10 раз.

Зажигание топлива, впрыснуть в камеру сгорания, происходит не сразу, а после периода задержки, в течение которого топливо, поступившее в камеру сгорания, успевает прогреться, прореагировать с кислородом воздуха и создать первичные продукты окисления. Чем длиннее период задержки зажигания, тем больше времени на подготовку горючей смеси, и тем активнее она сгорает. Если период задержки зажигания слишком большой, то давление в камере сгорания нарастает очень быстро, растут ударные нагрузки на поршень - наблюдается жесткая работа двигателя. Оптимальный период задержки зажигания зависит от конструкции камеры сгорания и от способности топлива к самовозгоранию, что выражается цетановым числом (ЦЧ) топлива.


Литература

  • Пылев В.А., Шеховцов А.Ф. Двигатели внутреннего сгорания Серия учебников. Т. 4. Основы САПР ДВС.
  • Марченко А.П., Рязанцев Н.К., Шеховцов А.Ф. Двигатели внутреннего сгорания Серия учебников в 6 томах. Т.1. Разработка конструкций форсированных двигателей транспортных машин.
  • В.И.Саранчук, М.О.Ильяшов, В.В. Ошовский, В.С.Билецький. Химия и физика горючих ископаемых. - Донецк: Восточный издательский дом, 2008. - С. 600. ISBN 978-966-317-024-4

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам