Двигатель внутреннего сгорания: устройство, принцип работы и классификация

Основные конструктивные отличия ДВС

Если говорить о главных отличиях в конструкции поршневых двигателей, различные силовые агрегаты делятся на рядные горизонтальные и вертикальны по расположению цилиндров. Также двигатели бывают V-образными, оппозитными и т.д.

Еще агрегаты бывают однопоршневыми двигателями, когда в одном цилиндре имеется один поршень и рабочая полость. При этом также встречаются ДВС, в которых поршни движутся противоположно в одном цилиндре, а рабочая полость находится между двумя поршнями. Также бывают моторы двойного действия, в которых по обеим сторонам от поршня имеются рабочие полости.

Отдельно стоит упомянуть и роторно-поршневые двигатели (двигатель Ванкеля), которые также имеют разную конструкцию. Наиболее распространенным вариантом является такой, где ротор, который и является поршнем, движется (планетарное движение) в корпусе. Во время такого движения между ротором и стенками корпуса двигателя образуются камеры сгорания с переменным рабочим объемом.

При этом существуют варианты роторного двигателя, где поршень-ротор не движется, а планетарное движение совершает корпус ДВС. Еще одной разновидностью можно считать агрегаты, в которых движется как корпус, так и сам ротор.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Классификация двигателей

Классификация двигателей будет понятна, если мы её рассмотрим на основе их признаков: по их назначению, конструктивным особенностям, физическим процессам и другим характерным особенностям.

По типу смесеобразования

внешнее смесеобразование (карбюраторные или газовые двигатели)

Нужно обратить внимание на то, что карбюраторные двигатели потребляют легкое жидкое топлив (бензин) и в камеру сгорания поступает уже готовая смесь паров топлива с воздухом;
внутреннее смесеобразование (бензиновые и дизельные с непосредственным впрыском топлива) дизели работают на жидком тяжелом топливе (дизельное). Оно поступает через форсунки в камеру сгорания в тот момент, когда воздух максимально сжат поршнем, находится в верхней мертвой точке (ВМТ), и соответственно перегрет до высокой температуры, достаточной для поджига смеси;

По способу воспламенения смеси.

с непосредственным поджиганием смеси в цилиндре в нужный момент, будь то карбюраторные или двигатели с впрыском бензина.;
с воспламенением от сжатия в цилиндре (дизель).

По конструкции расположения и числа цилиндров.

однорядные, двухрядные (V-образные, оппозитные);
n — цилиндровые. Количество цилиндров в двигателе автомобилей может быть любым, но самые распространенные в автомобилестроении — четырехцилиндровые двигатели.

По системам охлаждения двигателя

воздушное (с естественным атмосферным обдувом и принудительным);
жидкостное (специальная система двигателя, имеющая по всему двигателю каналы, по которым принудительно перекачивается охлаждающая жидкость, охлаждая её с помощью радиатора). На блоге подробно описана работа охлаждающей системы.

Это и есть краткое пояснение по теме классификация ДВС. По каждому пункту на блоге имеется подробная статья.

Читайте, совершенствуйтесь, делитесь полученными знаниями в сетях.

Классификация по мощности

Также электрические машины классифицируют еще и по мощности. И по мощности их делят на:

Микромашины – их мощность может варьироваться от нескольких долей ватта до 500 Вт. Они могут производится для двух родов тока — постоянного и переменного. Могут быть рассчитаны как на работу при нормальной (промышленной) частоте 50 Гц, так и при повышенной ( от 400 до 2000 Гц).
Электродвигатели малой мощности – от 0,5 до 10 кВт. Также могут изготавливаться для двух родов тока – постоянного и переменного нормальной и повышенной частоты.
Электродвигатели средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен ватт.
Электродвигатели большой мощности – мощность данных машин больше нескольких сотен киловатт. Такие электродвигатели предназначены для работы на постоянном и переменном напряжении нормальной частоты. Исключение могут составлять электродвигатели специального назначения (авиация, флот) и другие.

Устройство и особенности работы

Проблема бензиновых двигателей заключается в
том, что топливо горит долго и занимает пространство КС несколько ранее, чем
поршень принимает нижнее положение. Принцип работы водородного двигателя таков:
быстрая реакция H2 сдвигает время впрыска ближе ко времени возвращения поршня к
крайнему нижнему положению. При этом давление в структуре подачи топлива
повышается незначительно.

Водородный мотор может образовать внутреннюю
систему питания, когда смесь образуется без участия воздуха. Проще говоря,
после очередного такта сжатия в КС образуется пар, затем он следует через
радиатор, где, конденсируясь, опять становится водой. Но устройство может быть
реализовано только на автомобиле с электролизером, который выделяет водород из
воды, чтобы тот снова смог взаимодействовать с кислородом. Сейчас добиться
этого почти невозможно, ведь для стабилизации работы моторов применяется
техническое масло, а, испаряясь, оно становится составной частью выхлопа. Поэтому
бесперебойный запуск мотора невозможен без воздуха.

Устройство автомобиля с водородным двигателем

Области применения электрических машин

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — , колебательное, линейное и т.д.
Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10-17 — 109 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества .

Процесс зажигания дизельного двигателя

Системы зажигания от сжатия, такие как дизельный двигатели и двигатели HCCI (с воспламенением от сжатия однородного заряда), полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия для воспламенения. Происходящая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем у бензинового двигателя. Дизельные двигатели будут всасывать только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива распыляется в цилиндр через топливный инжектор, который позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI будут потреблять как воздух, так и топливо, но будут продолжать полагаться на процесс автоматического сгорания без посторонней помощи из-за более высоких давлений и тепла. Именно поэтому дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду. Большинство дизелей также имеют аккумуляторы и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями как роскошь для простоты запуска, включения и выключения топлива, что также может быть выполнено с помощью переключателя или механического устройства, а также для запуска вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. , Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания, чтобы повысить эффективность и уменьшить выбросы.

Какие типы и виды двигателей существуют

Абсолютно любой моторный агрегат действует по одному и тому же принципу. В него подаётся топливо. Оно сжигается. В процессе сжигания выделяется энергия, а далее эта энергия преобразуется в механическую. Вся эта процедура повторяется неоднократно. Этот повторяющийся процесс называется тактом. В зависимости от того, сколько ходов совершает поршень, все двигательные установки можно разделить на двухтактные и четырёхтактные. Все силовые агрегаты, которыми оснащаются автомобили, основаны на четырёхтактном цикле. За время цикла подаётся топливная смесь, происходит рабочий ход поршня (вверх и вниз) и выводятся газы.

Двухтактные двигатели работают немного иначе. За время такта совершается рабочий ход и сжимается топливная смесь. Поршень наполняется и очищается за отведённое ему время. Эти двигатели имеют существенный минус — они выбрасывают много отработанных газов. А ещё они слишком много потребляют горючего. Именно поэтому они не используются в автотранспорте.

Инжекторный двигатель

Работа этого агрегата устроена несколько иначе: горючее маленькой порцией впрыскивается в воздушную среду. Давление распыляет топливо через форсунку, тем самым значительно сокращается его количество, так как оно дозируется специальным прибором. Это делает такие моторы более экономичными, а дозированная порция топливной смеси уменьшает количество вредных веществ в выхлопных газах и повышает коэффициент полезного действия двигателя.

Этот тип двигателя включается в себя механический и электронный виды. Механический дозирует горючее посредством рычагов, а электронный использует особую систему, управляющую количеством топливной смеси. Подобные системы позволяют горючему более полно сгорать, благодаря чему уменьшается количество вредного вещества, попадающего в атмосферу.

Карбюраторный двигатель

Проходя топливную систему, бензин поступает в карбюратор, иными словами, впускной коллектор. Туда же нагнетается воздух, который смешавшись с горючим, образует рабочую смесь. Она поступает в цилиндры, искра от свечи поджигает её.

Дизельный двигатель

Двигатели дизельного типа требуют особого внимания. Топливная смесь в них при сжимании воспламеняется. Воздух всасывается под большим давлением и за счёт этого происходит процесс самовоспламенения. Рабочий ход начинается сразу после воспламенения, далее выхлопные газы вытесняются.

У этого типа небольшой расход горючего и он выделяет мало вредных веществ. Достаточно высокий КПД. Этот вид силового устройства непрерывно модернизируется, даже морозы ему не страшны.

Разнообразные моторы, которые работают на дизтопливе, различны своими параметрами. Эти характеристики отличаются в зависимости от времени года. Им не нужна система зажигания, так как горючее воспламеняется за счёт давления.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Реверсивные машины

Электрические машины в основном реверсивны.

Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.

Плюсы и минусы водородных двигателей

К преимуществам можно отнести следующее:

Экологическая чистота. Если водородные «движки» будут
использоваться повсеместно, экология сможет вздохнуть свободнее. Парниковый
эффект точно будет заметно уменьшен. Сотрудники компании Тойота доказали,
что выхлопы автомобилей с водородными моторами безопасны для здоровья.
Доступность.
Фактор дефицита точно будет отсутствовать, так как водород можно получить
даже из сточной воды.
Возможность применения в разных типах моторов. Водородное
топливо может использоваться как в ДВС, так и в моторах, вырабатывающих
электрический ток.

Баллон со сжатым водородом

К достоинствам водородных силовых агрегатов
также относят:

Небольшой
уровень шума.
Увеличенную
мощность.
Значительный
запас хода.
Небольшой
расход топлива.
Простоту обслуживания.

А теперь о недостатках водородных двигателей:

Сложность получения водорода в чистом виде. Для
его извлечения необходимо затратить много энергии. Сейчас такое
производство нерентабельно.
Дефицит
АЗС. Если сравнивать с АЗС, в которых продается обычное топливо, оснащение
станций для заправки машин водородным топливом будет стоить очень дорого.
Из-за этого на строительство водородных АЗС никто не решается.
Необходимость модернизации ДВС. Чтобы применять Н2 как
основное топливо, придется внести некоторые изменения в конструкцию ДВС.
Без изменений мощность мотора может упасть на 25%. Кроме того, механизм не
будет служить долго.

Машины с водородными «движками» будут пожароопасными и тяжёлыми (из-за веса АКБ).

Автомобили на водороде сегодня называют «машинами
будущего», которые не станут наносить вред окружающей среде. И пусть пока такие
авто дороговаты и встречаются редко, со временем их цена обязательно упадет, а
популярность вырастет.

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание)

В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.