Двигатель внутреннего сгорания — что это такое, как работает и какие у него перспективы

Все тепловые машины внутреннего сгорания (ДВС) преобразуют какую-нибудь (в нашем случае — тепловую) энергию в работу. Двигатели бывают разные – электрические, гидравлические, тепловые и т.д., в зависимости от того, какой вид энергии они преобразуют в работу. ДВС — двигатель внутреннего сгорания, это тепловой двигатель, в котором в полезную работу преобразуется теплота сгорающего в рабочей камере топлива, внутри двигателя. Также существуют двигателя с внешним сгоранием — это реактивные двигатели самолётов, ракет и т.д. в этих двигателях сгорание внешнее, поэтому они называются двигателями с внешним сгоранием.

Но простой обыватель чаще сталкивается с двигателем автомобиля и понимают под двигателем именно поршневой двигатель внутреннего сгорания. В поршневом ДВС, сила давления газов, возникающая при сгорании топлива в рабочей камере, воздействует на поршень, который совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре двигателя и передаёт усилие на кривошипно-шатунный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Но это очень упрощенный взгляд на ДВС. На самом деле, в ДВС сосредоточены сложнейшие физические явления, пониманию которых посвятили себя многие выдающиеся ученые. Чтобы ДВС работал, в его цилиндрах, сменяя друг друга, происходят такие процессы, как подача воздуха, впрыск и распыление топлива, его смешивание с воздухом, воспламенение образовавшейся смеси, распространение пламени, удаление отработавших газов. На каждый процесс отводится несколько тысячных долей секунды. Добавьте к этому процессы, которые протекают в системах ДВС: теплообмен, течение газов и жидкостей, трение и износ, химические процессы нейтрализации отработавших газов, механические и тепловые нагрузки. Это далеко не полный перечень. И каждый из процессов должен быть организован наилучшим образом. Ведь из качества протекающих в ДВС процессов складывается качество двигателя в целом — его мощность, экономичность, шумность, токсичность, надежность, стоимость, вес и размеры.

Двигателя внутреннего сгорания бывают разные: 2-х танктные, 4-х тактные, дизельные, бензиновые, со смешенным питанием, карбюраторные, инжекторные и т. д. и это далеко не полный список! Как видите, вариантов двигателей внутреннего сгорания очень много, но если стоит затронуть классификацию ДВС, то для подробного рассмотрения всего объёма материала понадобится минимум 20-30 страниц — большой объём, не так ли? И это только классификация…

Принципиальный ДВС автомобиля НИВА

Ни одна область деятельности несравнима с поршневыми ДВС по масштабам, количеству людей занятых в разработке, производстве и эксплуатации. В развитых странах деятельность четверти самодеятельного населения прямо или косвенно связана с поршневым двигателестроением. Двигателестроение, как исключительно наукоемкая область, определяет и стимулирует развитие науки и образования. Общая мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания составляет 80 — 85% мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, строительстве, средствах малой механизации, ряде других областей, поршневой ДВС как источник энергии пока не имеет должной альтернативы. Мировое производство только автомобильных двигателей непрерывно увеличивается, превысив 60 миллионов единиц в год. Количество производимых в мире малоразмерных двигателей также превышает десятки миллионов в год. Даже в авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности, количеству моделей и модификаций и количеству установленных на самолеты двигателей. В мире эксплуатируется несколько сотен тысяч самолетов с поршневыми ДВС (бизнес-класса, спортивных, беспилотных и т. д.). В США на долю поршневых двигателей приходится около 70% мощности всех двигателей, установленных на гражданских летательных аппаратах.

Ознакомьтесь с работами по тепловому и динамическому расчету ДВС

Но со временем всё меняется и скоро мы увидим и будем эксплуатировать принципиально другие типы двигателей, которые будет иметь высокие эксплуатационные показатели, высокий КПД, простота конструкции и главное — экологичность. Да, всё верно, главным минусом двигателя внутреннего сгорания является его экологическая характеристика. Как бы не оттачивали работу ДВС, какие бы системы не внедряли, он всё равно оказывается существенное влияние на наше здоровье. Да, теперь можно с уверенностью сказать, что существующая технология моторостроения чувствует «потолок» — это такое состояние, когда та, или иная технология полностью исчерпала свои возможность, полностью выжато, всё что можно было сделать — уже сделано и с точки зрения экологии принципиально НИЧЕГО уже не изменить в существующих типах ДВС. Стоит вопрос: нужно полностью менять принцип работы двигателя, его энергоноситель (нефтяные продукты) на что-то новое, принципиально иное (водород, электричество, энергия атома, гравитацию, инерцию и т.д.). Но, к сожалению, это дело не одного дня или даже года, нужны десятилетия…

Пока ещё не одно поколение ученых и конструкторов будут исследовать и совершенствовать старую технологию постепенно подходя всё ближе и ближе к стенке, через которую уже будет невозможно перескочить. Еще очень долго ДВС будет давать работу тем, кто его производит, эксплуатирует, обслуживает и продает. Почему? Всё очень просто, но в то же время эту простую истину далеко не все понимают и принимают. Главная причина замедления внедрения принципиально иных технологий — капитализм. Да, как бы это странно не звучало, но именно капитализм, та система, которая как кажется должна быть заинтересована в новых технологиях, тормозит развитие человечества. Всё очень просто — нужно зарабатывать больше, а вкладывать меньше. Как же быть с теми нефтяными вышками, нефтезаводами и доходами? Никак. К сожалению, все измерятеся деньгами.

ДВС «хоронили» неоднократно. В разное время на смену ему приходили электродвигатели на аккумуляторах, топливные элементы на водороде и многое другое. ДВС неизменно побеждал в конкурентной борьбе. И даже проблема исчерпания запасов нефти и газа – это не проблема ДВС. Существует неограниченный источник топлива для ДВС. По последним данным, нефть может восстанавливаться, а что это значит для нас ?

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Статьи по теме:
1. Краткий обзор основных видов конструкций и тенденций развития бензиновых двигателей;
2. Альтернативное топливо — топливо будущено и настоящего.

Двигатели и передача механической энергии (к параграфу 14)

Преобразование энергии | Определение, примеры, формула, принцип и факты

Должность

Просмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Элиу Томсон
Уильям Джордж Армстронг, барон Армстронг
Кристофер Хинтон, барон Хинтон
Оскар фон Миллер
Джон Э. У. Кили

Похожие темы:

ядерного реактора
турбина
электрический двигатель
батарея
термоядерный реактор

См. весь связанный контент →

Последние новости

2 марта 2023 г., 17:22 по восточному времени (AP)

Калифорнийские реакторы получают освобождение в борьбе за продолжение работы

Государственные регулирующие органы предоставляют крупнейшей энергетической компании Калифорнии необычное исключение, которое может позволить последней в штате атомной электростанции продолжать работу после истечения срока действия ее федеральных лицензий на эксплуатацию0003

Министр транспорта Германии заявляет, что его страна не поддержит запланированный запрет Европейского Союза на продажу новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания с 2035

28 февраля 2023 г. , 3:29 утра по восточному времени (AP)

Солнце, ветер , Испания претендует на лидерство в ЕС по производству зеленого водорода

Испания опирается на свою репутацию в области возобновляемых источников энергии, чтобы позиционировать себя в качестве будущего лидера Европы в области зеленого водорода босс предупреждает: не ослабляйте бдительность при подаче газа

Запасы природного газа в Германии богаты, а цены снижаются

13 февраля 2023 г., 20:02 по восточноевропейскому времени (AP)

Индонезия обещает перейти на чистую энергию, но бросает вызов

Индонезия, одна из крупнейших в мире страны-производители угля согласились резко сократить свою зависимость от ископаемого топлива в ближайшие десятилетия

преобразование энергии , преобразование энергии из форм, предоставляемых природой, в формы, которые могут быть использованы человеком.

На протяжении веков для этой цели был разработан широкий спектр устройств и систем. Некоторые из этих преобразователей энергии довольно просты. Ранние ветряные мельницы, например, преобразовывали кинетическую энергию ветра в механическую энергию для перекачивания воды и измельчения зерна. Другие системы преобразования энергии явно более сложны, особенно те, которые используют сырую энергию из ископаемого топлива и ядерного топлива для производства электроэнергии. Системы такого рода требуют множества стадий или процессов, в которых энергия претерпевает целый ряд преобразований через различные промежуточные формы.

Многие преобразователи энергии, широко используемые сегодня, связаны с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Однако эффективность таких систем имеет фундаментальные ограничения, продиктованные законами термодинамики и другими научными принципами. В последние годы значительное внимание уделялось некоторым устройствам прямого преобразования энергии, в частности солнечным элементам и топливным элементам, которые минуют промежуточный этап преобразования энергии в тепловую при производстве электроэнергии.

В этой статье прослеживается развитие технологии преобразования энергии, выделяя не только традиционные системы, но и альтернативные и экспериментальные преобразователи со значительным потенциалом. Описаны их отличительные особенности, основные принципы работы, основные типы и основные области применения. Для обсуждения законов термодинамики и их влияния на конструкцию и производительность системы см. термодинамика.

Британская викторина

Энергия и ископаемое топливо

Общие соображения

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность для выполнения работы. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; ergon , «работа». Энергия может быть либо связана с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, либо она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, проходящее через вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Размерность энергии — это работа, которая в классической механике формально определяется как произведение массы ( м ) и квадрат отношения длины ( l ) ко времени ( t ): Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое она перемещается, или чем меньше время, необходимое для перемещения массы, тем больше будет совершенная работа или тем больше будет затрачена энергия.

Развитие концепции энергии

Термин «энергия» не применялся в качестве меры способности выполнять работу до довольно позднего периода развития механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к понятию энергии. Однако идея энергии восходит, по крайней мере, к Галилею в 17 веке. Он признал, что, когда вес поднимается с помощью системы шкивов, приложенная сила, умноженная на расстояние, на которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянным, даже если любой из факторов может меняться. Понятие vis viva, или жизненной силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы на квадрат скорости, было введено в 17 веке. В 19В X веке термин энергия применялся к понятию vis viva.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что в этом случае будет представлять интерес интегрированный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла от действия силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы по времени ее действия на массу, или временной интеграл.

Вычисление пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь принимается за изменение кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет ровно половину vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения импульса массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция приводит к надлежащей мере силы: немецкий философ и ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц выступал за пространственный интеграл как единственно верную меру, тогда как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную меру. интеграл. В конце концов, в 18 веке физик Жан д’Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению эффекта силы, действующей на массу, и что противоречие касалось только номенклатуры.

Подытожим: сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия, или энергия, возникающая в результате движения, есть результат пространственного интегрирования силы, действующей на массу; импульс есть результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия является мерой способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии во времени (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Закон сохранения энергии (см. ниже) был независимо признан многими учеными в первой половине 19 века. Сохранение энергии в виде кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Далее, при ближайшем рассмотрении, трение, служащее ограничением классической механики, обнаруживается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях бруска, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. В это же время Джоуль экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией. Поскольку стало необходимо более подробное описание различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и сопутствующий ему энергетический баланс в систему. интереса, при условии общей необходимости сохранения энергии. Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, высвобождаемых при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для запуска машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

МОТОР И ДВИГАТЕЛЬ

МОТОР И ДВИГАТЕЛЬ

Автономные устройства, преобразующие электрические, химические,
или ядерную энергию в механическую энергию называют двигателями и
двигатели. Во многих регионах мира они заменили человека и
сила животных, обеспечивая энергию для транспортировки и вождения
все виды машин. Химическая энергия топлива может быть преобразована
при сгорании в тепловую или тепловую энергию в тепловом двигателе.
Двигатель, в свою очередь, преобразует тепловую энергию в механическую.
энергии, как в двигателях, приводящих в движение валы. Когда происходит возгорание
в той же единице, которая производит механическую энергию,
устройство называется двигателем внутреннего сгорания. Автомобильный бензин
или дизельные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания. Паровой двигатель,
с другой стороны, это двигатель внешнего сгорания котел
находится отдельно от двигателя. Электродвигатели преобразуют электрические
энергию в механическую энергию.

Тепловые двигатели

Термин «тепловой двигатель» включает в себя все двигатели, производящие
работу или передачу энергии, работая между высокими
и низких температурах и часто между высоким и низким давлением
также. Наиболее распространены тепловые двигатели внутреннего сгорания.
двигателей, особенно бензиновых.

Бензиновые двигатели работают на
смесь воздуха и паров бензина, которая обычно втягивается в
цилиндро-поршневой компоновки и сжат поршнем. Как
объем камеры уменьшается, давление и температура
внутри него увеличиваются. Вблизи точки максимального сжатия
пары топлива воспламеняются от искры. Горячие газы расширяются и заставляют
поршень вниз в так называемом рабочем такте, доставляя
работа через шток поршня к коленчатому валу. Остаточные газы
затем удаляются, и процесс повторяется.

В обычном четырехтактном двигателе компрессия
а процесс расширения происходит за один оборот коленчатого вала.
Первый такт называется тактом впуска, второй — тактом сжатия.
гладить. Во время второго оборота следует рабочий ход
тактом выпуска, когда отработавшие газы выбрасываются. Затем
всасывается свежая смесь паров воздуха и бензина. В двухтактных двигателях
выхлоп происходит в конце рабочего такта, а
свежая бензино-воздушная смесь подается в начале
такта сжатия. Большинство двухтактных двигателей ограничены
для небольших двигателей, таких как те, которые используются в газонокосилках и некоторых небольших
мотоциклы. Двигатели инжекторного типа впрыскивают бензин мелко
распылять непосредственно перед сжиганием. Другой тип бензинового двигателя
представляет собой вращающийся двигатель Ванкеля. Он состоит из треугольного ротора.
в почти эллиптическом корпусе. Образуются воздушные камеры серповидной формы.
между ротором и корпусом служат камерами сгорания.

Дизельные двигатели изначально
сжимать воздух до гораздо более высокого давления и температуры, чем
бензиновые двигатели. Затем топливо впрыскивается и воспламеняется без
Искра. Требуемое более высокое давление делает дизельные двигатели тяжелее.
и дороже бензиновых двигателей; однако они, как правило,
более эффективным. Они используются в основном в автобусах, грузовиках, локомотивах,
и на некоторых электростанциях.

Газотурбинные двигатели использовать
роторный компрессор для сжатия непрерывного потока поступающего
воздуха, тем самым повышая температуру воздуха. Затем воздух проходит
через камеру сгорания, где топливо впрыскивается и сгорает.
Газ, находящийся под высоким давлением и температурой, расширяется.
через турбину, обеспечивающую мощность для привода компрессора.
На выходе из турбины газы все еще находятся при температуре и давлении
выше, чем у наружного воздуха. В авиационном реактивном двигателе остальные
газ расширяется через сопло, образуя высокоскоростную струю, которая
создает тягу для движения самолета. Альтернативно,
газ, выходящий из первой турбины, может быть расширен через вторую
турбина, которая затем может приводить в действие электрогенератор или, в
корпус пропеллера, авиационного винта. Газотурбинные двигатели
менее эффективны, чем дизели, но могут производить больше энергии для
заданный размер. Таким образом, они часто используются для резервного питания от электросети.
коммунальные услуги.

Ракетные двигатели используют два
химические вещества, которые при соединении выделяют химическую энергию, увеличивающую
температура и давление в камере ракеты. Горячие газы
затем им позволяют расширяться через сопло для создания тяги.
Топливо может быть жидким или твердым. Потому что ракетные двигатели могут работать
за пределами земной атмосферы это двигательные установки
используется в космических аппаратах.

Паровые машины внешнего сгорания
двигатели, которые сжигают топливо в отдельном котле для производства пара при
высокое давление и температура. Затем пар расширяется, совершая возвратно-поступательное движение.
двигатель или турбина. Пар низкого давления обычно конденсируется
в воду перед закачкой обратно в котел. В паре
локомотив, однако, расширенный пар сдувается.

Паровые двигатели медленны, тяжелы и неэффективны.
сегодня используются редко. Вместо этого сегодняшние крупные паровые электростанции
использовать паровые турбины, которые могут работать при гораздо более высоких температурах
и давления и может обрабатывать больше пара. Паровые турбины могут поставлять
больше мощности, чем у больших дизелей, при меньших затратах.

Ионные двигатели были
предлагается для космических полетов. Их источником топлива будет легко
ионизируемое вещество, такое как металлический цезий, для подачи ионов или
заряженные частицы. Генератор или солнечные батареи будут производить
электрическое поле, которое достаточно сильно отталкивало бы ионы
выбрасывать их из двигателя, тем самым создавая тягу. Такой
двигатели будут производить очень небольшую тягу, но они должны быть в состоянии
работать в течение длительного времени в межзвездном полете.

Электродвигатели

Электродвигатели состоят из двух механических частей a
статор, или неподвижная часть, и ротор, или вращающаяся часть, и
два комплекта электрических обмоток возбуждения и якоря. электромагнитный
поля, создаваемые в воздушном зазоре между статором и ротором
взаимодействуют друг с другом и создают крутящий момент или вращающую силу,
который вращает двигатель. Выходная мощность является произведением
крутящий момент и скорость вращения. Двигатель классифицируется как двигатель постоянного тока (прямой
ток) или AC (переменный ток), в зависимости от источника питания.

Асинхронные двигатели являются
Наиболее распространенные двигатели переменного тока. Обмотка возбуждения обычно намотана
в пазы, расположенные вокруг стального статора, чтобы сформировать магнитные полюса.
В обмотках статора создается вращающееся электрическое поле.
индуцирует токи в обмотках ротора. Взаимодействие между
эти два поля создают крутящий момент для вращения двигателя. Мотор
скорость меняется в зависимости от нагрузки.

Синхронные двигатели работать
с фиксированной скоростью независимо от нагрузки. Однофазный гистерезис
двигатели используются в небольших устройствах с постоянной скоростью, таких как электрические
часы и фонографы. Обмотки статора соответствуют
Индукционный двигатель. Источник поля обеспечивается либо прямым
током или постоянным магнитным материалом.

Двигатели постоянного тока обеспечивают крутящий момент
и управление скоростью по более низкой цене, чем блоки переменного тока, и механически
более сложный.