Введение

Двигатель внутреннего сгорания типа

Четырехтактный (также четырехциклический) двигатель – это двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором поршень совершает четыре отдельных хода при вращении коленчатого вала. Ход – это полный путь поршня вдоль цилиндра в любом направлении. Четыре отдельных хода называются:
Впуск: Также известен как индукция или всасывание. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (ВМТ) и заканчивается в нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан должен быть открыт, а поршень втягивает воздушно-топливную смесь в цилиндр, создавая частичный вакуум (отрицательное давление) в цилиндре посредством своего движения вниз. Сжатие: Этот ход начинается в НМТ, или непосредственно в конце всасывающего хода, и заканчивается в ВМТ. В этом ходе поршень сжимает воздушно-топливную смесь в подготовку к воспламенению во время рабочего хода (ниже). На этом этапе закрываются впускной и выпускной клапаны. Сгорание: Также известно как рабочий ход или зажигание. Это начало второго оборота четырехтактного цикла. На этом этапе коленчатый вал совершил полный оборот на 360 градусов. Когда поршень находится в ВМТ (конец компрессионного хода), сжатая воздушно-топливная смесь воспламеняется свечой зажигания (в бензиновом двигателе) или теплом, выделяемым при высоком сжатии (в дизельных двигателях), с силой возвращая поршень в НМТ. Этот ход производит механическую работу двигателя для вращения коленчатого вала. Выпуск: Также известен как выпускной ход. Во время выпускного хода поршень снова возвращается из НМТ в ВМТ, при этом выпускной клапан открыт. Это действие выталкивает отработанную воздушно-топливную смесь через выпускное отверстие. Четырехтактные двигатели являются наиболее распространенной конструкцией двигателей внутреннего сгорания для моторизованного наземного транспорта и используются в автомобилях, грузовиках, дизельных поездах, легких самолетах и мотоциклах. Основной альтернативной конструкцией является двухтактный цикл. Испытывая реплику двигателя Ленора в 1861 году, Отто узнал о влиянии сжатия на топливную смесь. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, чтобы улучшить низкую эффективность и надежность двигателя Ленора. Он попытался создать двигатель, который бы сжимал топливную смесь перед зажиганием, но потерпел неудачу, так как этот двигатель работал не более нескольких минут до своего разрушения. Многие другие инженеры пытались решить эту проблему, но безуспешно. В 1884 году компания Отто, тогда известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор. В 1890 году Daimler и Maybach основали компанию Daimler Motoren Gesellschaft. Сегодня эта компания – Daimler Benz.

Цикл Аткинсона

Цикл двигателя Аткинсона — это тип однотактного двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения высокой эффективности за счет снижения удельной мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических силовых установках. Оригинальный поршневой двигатель цикла Аткинсона позволял циклам впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска четырехтактного цикла совершаться за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы избежать нарушения определенных патентов, касающихся двигателей цикла Отто. Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала двигателя Аткинсона, его степень расширения может отличаться от степени сжатия, и, благодаря рабочему ходу, более длительному, чем ход сжатия, двигатель может достигать большей тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель. Хотя оригинальная конструкция Аткинсона представляет собой лишь исторический интерес, многие современные двигатели используют нестандартные фазы газораспределения для достижения эффекта более короткого хода сжатия и более длительного рабочего хода, тем самым реализуя повышение экономичности, которое может обеспечить цикл Аткинсона.

Дизельный цикл

Дизельный двигатель является техническим усовершенствованием двигателя цикла Отто 1876 года. В 1861 году Отто пришел к выводу, что эффективность двигателя можно повысить, предварительно сжав топливную смесь перед её воспламенением, а Рудольф Дизель стремился разработать более эффективный тип двигателя, способный работать на гораздо более тяжелом топливе. Двигатели Lenoir, Otto Atmospheric и Otto Compression (как 1861, так и 1876 годов) были разработаны для работы на осветительном газе (угольном газе). Дизеля, как и Отто, мотивировало желание создать двигатель, который предоставил бы небольшим промышленным предприятиям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, подобно Отто, избежать зависимости от централизованного топливного снабжения. Как и Отто, на создание двигателя с высокой степенью сжатия, способного к самовоспламенению впрыскиваемого в цилиндр топлива, ушли более чем десятилетие. В своем первом двигателе Дизель использовал распыление воздуха в сочетании с топливом. В ходе первоначальной разработки один из двигателей взорвался, едва не убив Дизеля. Он не сдался и, наконец, создал успешный двигатель в 1893 году. Двигатель с высокой степенью сжатия, который воспламеняет топливо за счет тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, независимо от того, является ли он четырехтактным или двухтактным. Четырехтактный дизельный двигатель на протяжении многих десятилетий используется в большинстве областей, требующих высокой мощности. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньшей степени очистки при производстве. Самые эффективные двигатели цикла Отто достигают тепловой эффективности около 30%.

Термодинамический анализ

Термодинамический анализ реальных четырех- и двухтактных циклов – непростая задача. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать допущения об воздушном стандарте. Получающийся цикл, который близко соответствует реальным условиям работы, называется циклом Отто. Во время нормальной работы двигателя, при сжатии воздушно-топливной смеси, создается электрическая искра для воспламенения смеси. При низких оборотах это происходит близко к ВМТ (Верхней Мертвой Точке). С ростом оборотов двигателя скорость распространения пламени не изменяется, поэтому момент зажигания опережается, то есть происходит раньше в цикле, чтобы обеспечить больше времени для сгорания заряда до начала рабочего хода. Это преимущество отражается в различных конструкциях двигателей Отто: атмосферный (некомпрессионный) двигатель работает с эффективностью 12%, в то время как двигатель с предварительным сжатием заряда имеет рабочую эффективность около 30%.

Расчет топлива

Проблема двигателей с предварительным сжатием заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать предвоспламенение. Если это происходит не вовремя и с достаточной энергией, это может повредить двигатель. Различные фракции нефти имеют сильно различающиеся температуры вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламениться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива. Склонность сжатой топливной смеси к раннему воспламенению ограничена химическим составом топлива. Существуют различные марки топлива для соответствия разным уровням производительности двигателей. Состав топлива изменяется для изменения температуры самовоспламенения. Существует несколько способов это сделать. Поскольку двигатели проектируются с более высоким коэффициентом сжатия, предвоспламенение становится гораздо более вероятным, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед намеренным зажиганием. Более высокая температура более эффективно испаряет топливо, такое как бензин, что повышает эффективность компрессионного двигателя. Более высокий коэффициент сжатия также означает, что расстояние, на которое может двигаться поршень для выработки мощности, больше (это называется коэффициентом расширения). Октановое число топлива является мерой его сопротивления самовоспламенению. Топливо с более высоким октановым числом позволяет использовать более высокий коэффициент сжатия, что извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, одновременно предотвращая повреждение двигателя из-за предвоспламенения. Высокооктановое топливо также дороже. Многие современные четырехтактные двигатели используют непосредственный впрыск бензина или GDI. В двигателе с непосредственным впрыском бензина форсунка впрыскивателя выступает в камеру сгорания. Форсунка непосредственного впрыска топлива впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время хода сжатия, когда поршень находится ближе к верхней мертвой точке. Дизельные двигатели по своей природе не подвержены предвоспламенению. Их беспокоит возможность запуска сгорания. Показатель воспламеняемости дизельного топлива называется цетановым числом. Поскольку дизельное топливо имеет низкую летучесть, его бывает очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенным из которых является использование свечи накаливания.

Ограничения выходной мощности

Максимальная мощность, развиваемая двигателем, определяется максимальным объемом поступающего воздуха. Мощность, вырабатываемая поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндров), типа двигателя – двухтактного или четырехтактного, объемной эффективности, потерь, соотношения воздух/топливо, теплотворной способности топлива, содержания кислорода в воздухе и скорости вращения (RPM). Скорость вращения в конечном счете ограничивается прочностью материалов и эффективностью смазки. Клапаны, поршни и шатуны испытывают значительные силы ускорения. На высоких оборотах возможны механические разрушения и вибрация поршневых колец, приводящие к потере мощности или даже к разрушению двигателя. Вибрация поршневых колец возникает, когда кольца начинают колебаться в вертикальной плоскости в своих канавках. Эта вибрация ухудшает герметичность между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает снижение давления в цилиндре и потерю мощности. Если двигатель вращается слишком быстро, пружины клапанов не успевают закрывать клапаны. Это явление обычно называют "сбросом клапанов", и оно может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка в зоне контакта поршня и цилиндра может разрушаться. Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей примерно до 10 м/с.

Поток в впускно-выпускном шлюзе

Выходная мощность двигателя зависит от способности всасываемой (воздушно-топливной смеси) и отработанных газов быстро проходить через клапанные каналы, обычно расположенные в головке блока цилиндров. Для увеличения выходной мощности двигателя можно устранить неровности во впускных и выпускных трактах, такие как дефекты литья, а также с помощью стенда для проверки газодинамики изменить радиусы поворотов клапанных каналов и конфигурацию седел клапанов для снижения сопротивления. Этот процесс называется доводкой каналов, и его можно выполнять вручную или на станке с ЧПУ.

Восстановление отработанного тепла двигателя внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовывать лишь 40-45% подводимой энергии в механическую работу. Значительная часть отводимой энергии рассеивается в виде тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, ребра охлаждения и т.п. Если каким-либо образом удастся улавливать и преобразовывать это отводимое тепло в механическую энергию, можно будет повысить производительность двигателя и/или топливную экономичность за счет увеличения общей эффективности цикла. Установлено, что даже возврат всего 6% полностью потерянного тепла может существенно повысить эффективность двигателя. Разработано множество методов извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя и его дальнейшего использования для получения полезной работы, одновременно снижая выбросы вредных веществ. В качестве системы рекуперации отработанного тепла могут быть полезны цикл Ранкина, турбонаддув и термоэлектрическая генерация.

Сверхзаряжающий

Один из способов увеличения мощности двигателя – это подача большего количества воздуха в цилиндр, чтобы каждый рабочий ход приносил больше энергии. Этого можно достичь с помощью устройства для сжатия воздуха, известного как нагнетатель, который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя. Нагнетание увеличивает предел мощности двигателя внутреннего сгорания по отношению к его рабочему объему. Чаще всего нагнетатель работает постоянно, но существуют конструкции, позволяющие отключать его или изменять скорость вращения (относительно скорости вращения двигателя). Механический привод нагнетателя имеет недостаток в том, что часть выходной мощности расходуется на его работу, а также теряется мощность в высоконапорном выхлопе, поскольку воздух сжимается дважды, а затем увеличивает свой потенциальный объем при сгорании, но расширяется лишь на одной стадии.

Турбонаддув

Турбокомпрессор – это нагнетатель, приводимый в действие отработавшими газами двигателя посредством турбины. Турбокомпрессор интегрирован в выхлопную систему автомобиля для использования энергии отработанных газов. Он состоит из двухкомпонентного высокоскоростного турбинного агрегата, одна сторона которого сжимает поступающий воздух, а другая приводится в движение потоком выхлопных газов. На холостом ходу и при низких и умеренных оборотах турбина вырабатывает мало мощности из-за небольшого объема выхлопных газов, поэтому турбокомпрессор оказывает незначительное влияние, и двигатель работает практически как атмосферный. Когда требуется значительно большая мощность, обороты двигателя и открытие дроссельной заслонки увеличиваются до тех пор, пока выхлопных газов не станет достаточно для раскрутки турбины турбокомпрессора и начала сжатия большего, чем обычно, количества воздуха во впускной коллектор. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) достигается благодаря работе этой турбины. Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку использует энергию давления выхлопных газов, которая в противном случае была бы (в основном) потеряна, однако существует конструктивное ограничение, известное как турбояма. Увеличение мощности двигателя не происходит мгновенно из-за необходимости резкого повышения оборотов двигателя, создания давления и раскрутки турбины, прежде чем она начнет эффективно сжимать воздух. Увеличение объема поступающего воздуха приводит к увеличению выхлопных газов, что раскручивает турбину быстрее и быстрее, пока не будет достигнута устойчивая работа на высоких оборотах. Еще одна сложность заключается в том, что повышенное давление выхлопных газов приводит к передаче большего количества тепла от выхлопных газов к механическим частям двигателя.

Соотношение штанги и поршня к ходу

Отношение длины шатуна к ходу поршня – это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный шатун снижает боковое давление поршня на стенку цилиндра и нагрузки, увеличивая срок службы двигателя. Однако это также увеличивает стоимость, высоту и вес двигателя. "Квадратный двигатель" – это двигатель, у которого диаметр цилиндра равен ходу поршня. Двигатель, у которого диаметр цилиндра больше хода поршня, называется "надквадратным" двигателем, а двигатель, у которого диаметр цилиндра меньше хода поршня, – "подквадратным" двигателем.

Строка клапанов

Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом, вращающимся с половинной скоростью коленчатого вала. На его длине расположены кулачки, каждый из которых предназначен для открытия клапана в соответствующей фазе впускного или выпускного такта. Толкатель между клапаном и кулачком является контактной поверхностью, по которой кулачок скользит, открывая клапан. Многие двигатели используют один или несколько распределительных валов "над" рядом (или каждым рядом) цилиндров, как показано на иллюстрации, где каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателя распределительный вал расположен в картере коленчатого вала, в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с штангой толкателя, которая контактирует с коромыслом, открывающим клапан, или, в случае двигателя с нижним расположением клапанов, штанга толкателя не требуется. Конструкция с верхним расположением распределительного вала обычно позволяет достигать более высоких оборотов двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Разрыв клапана

Кляренс клапана – это небольшой зазор между толкателем клапана и стержнем клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. В двигателях с механической регулировкой клапанов избыточный кляренс вызывает шум в приводе клапанов. Слишком маленький кляренс может привести к неполному закрытию клапанов. Это приводит к снижению мощности и возможному перегреву выпускных клапанов. Обычно кляренс необходимо регулировать каждые 20000 миль (32187 км) с помощью щупа. Большинство современных серийных двигателей используют гидравлические толкатели для автоматической компенсации износа деталей привода клапанов. Загрязненное моторное масло может привести к выходу толкателей из строя.

Энергетический баланс

Двигатели Отто имеют эффективность около 30%; другими словами, 30% энергии, вырабатываемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а остальная часть теряется из-за отработанного тепла, трения и навесного оборудования двигателя. Существует ряд способов рекуперации части энергии, теряемой с отработанным теплом. Использование турбокомпрессора в дизельных двигателях очень эффективно, поскольку оно повышает давление поступающего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, как и увеличение рабочего объема двигателя. Компания Mack Truck, несколько десятилетий назад, разработала турбинную систему, которая преобразовывала отработанное тепло в кинетическую энергию и возвращала ее в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке турбопарового двигателя – двухступенчатой системы рекуперации тепла, аналогичной системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии выхлопных газов и повышает эффективность двигателя Отто на 15%. В отличие от этого, шеститактный двигатель может снизить расход топлива до 40%. Современные двигатели часто намеренно конструируются с немного меньшей эффективностью, чем это возможно. Это необходимо для систем контроля выбросов, таких как рециркуляция отработавших газов и каталитические нейтрализаторы, которые снижают смог и другие атмосферные загрязнители. Снижение эффективности может быть компенсировано блоком управления двигателем с использованием обедненной смеси. В Соединенных Штатах требования к корпоративной средней топливной экономичности предписывают, чтобы транспортные средства достигали среднего значения по сравнению с текущим стандартом. Поскольку автопроизводители стремятся соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы конструирования традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения топливной эффективности и соответствия новым требованиям включают зажигание после того, как поршень находится в самой дальней точке от коленчатого вала, известной как верхняя мертвая точка, и применение цикла Миллера. Вместе эти изменения в конструкции могут значительно снизить расход топлива и выбросы. Начальное положение, впуск и сжатие. Зажигание топлива, рабочий ход и выпуск.

Общие источники

scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html