Содержание
Как работает бензиновый двигатель? Фазы и ключевые компоненты
Каждый день мы ездим на машине на работу, по делам или просто наслаждаемся вождением, но мы можем не знать как работает бензиновый двигатель и что производит его движение, независимо от вашего типа.
Четырехтактный бензиновый двигатель, как следует из его названия, четыре фазы работы. Это: впуск, сжатие, мощность и выпуск. Каждый из них соответствует ходу поршня или, что то же, половине оборота коленчатого вала и осуществляется внутри Блок двигателя.
Индекс
- 1 Этапы работы
- 1.1 Фаза впуска: воздух и топливо поступают
- 1.2 Фаза сжатия: воздух и топливо сжимаются
- 1. 3 Фаза взрыва: начинаем работать…
- 1.4 Фаза выхлопа: газы покидают камеру сгорания
- 2 Дополнительные вопросы, чтобы узнать, как работает бензиновый двигатель
- 2.1 коленчатый вал
- 2.2 Распределение двигателя
Этапы работы
Фаза впуска: воздух и топливо поступают
В начале фазы допуск, поршень находится в верхней части цилиндра, называемой ВМТ (верхняя мертвая точка). В это время впускные клапаны открыты и поршень опускается в нижнюю часть цилиндра, НМТ (нижняя мертвая точка). При опускании поршня внутри цилиндра создается разрежение, которое всасывает топливовоздушную смесь. То есть он «всасывает воздух», как если бы это был шприц.
При PMI впускные клапаны закрываются, и топливовоздушная смесь остается внутри цилиндра. Между прочим, это смесь этих двух компонентов, потому что топливо не сгорело бы, если бы в воздухе не было кислорода. По-научному это называется топливо к бензину и окисляющий к кислороду, который входит с ним.
Фаза сжатия: воздух и топливо сжимаются
Подпишитесь на наш Youtube-канал
Второй этап, сжатие, поршень вновь поднимается в ВМТ, сжимаем всю смесь внутри цилиндра, что также вызывает его нагрев. Давление внутри цилиндра может достигать около 15 бар при температуре близкой к 450º C, что позволяет добиться более однородной смеси. На этом этапе коленчатый вал повернулся еще на пол-оборота.
Интересен тот факт, что чем больше смесь удастся сжать, тем больше будет использован взрыв, который произойдет сразу. это называется степень сжатия двигателя, который обычно измеряется в пропорциях как 10 в 1, 11 в 1, 12 в 1, 14 в 1…. Что означает не что иное, как объем, который микс занимает до сжатия, и объем, который он занимает в конце фазы сжатия. Мы рекомендуем статью степень сжатия двигателя, чтобы лучше понять этот фактор.
Однако нужно быть осторожным с не вызывать неконтролируемого самовозгорания, потому что это может повредить двигатель. Что происходит при слишком сильном сжатии смеси, при слишком высокой температуре в камеры сгорания или сочетание обоих обстоятельств. Если вы хотите понять последнее, взгляните на пост о Самовоспламенение, детонация и стук шатуна.
Фаза взрыва: начинаем работать…
В этой фазе поршень находится в ВМТ, а вся смесь сжата. Именно здесь выскакивает искра из свечи зажигания (бензиновые двигатели), воспламеняющая смесь воздуха и топлива. В результате происходит взрыв. быстро расширяет сгоревшие газы и толкает поршень до ПМИ. Это рабочая фаза двигателя, так как поршень при взрыве получает большой импульс, чтобы передать его коленчатому валу. Во время этой фазы коленчатый вал поворачивается еще на пол-оборота.
Следует отметить очень важную проблему в двигателях внутреннего сгорания. Это описание фаз упрощено чтобы понять, как работает бензиновый двигатель, но в фазе взрыва мы на мгновение пропустим это упрощение. Как мы уже говорили вам, взрыв быстро расширяется, толкая поршень.
Однако эта скорость не столько для той скорости, с которой иногда движется двигатель. Отсюда и опережение зажигания, то есть начать взрыв, пока смесь еще сжимается. Таким образом, он сгорает раньше, а самая выгодная часть взрыва совпадает с опусканием поршня. То есть фаза взрыва и фаза сжатия «на мгновение сосуществуют» в пользу использования топлива. Если вы хотите более подробное объяснение этого процесса, мы рекомендуем статью Что такое опережение зажигания?
Фаза выхлопа: газы покидают камеру сгорания
Наконец, мы подходим к этапу бежать. В этом случае поршень находится в положении PMI, а выпускные клапаны открыты, где выхлопные газы быстро удаляются. Это происходит потому, что поршень возвращается в ВМТ, выталкивая их из внутренней части цилиндра. Когда поршень находится в ВМТ, клапаны закрываются. Во время фазы выпуска коленчатый вал поворачивается еще на пол-оборота, завершая 4 фазы работы бензинового двигателя.
Как видите, поршень снова находится в ВМТ, готовы снова начать приемную фазу. Таким образом, что двигатель будет повторять весь этот процесс до тех пор, пока мы держим его включенным.
Дополнительные вопросы, чтобы узнать, как работает бензиновый двигатель
коленчатый вал
Он уже несколько раз упоминался в фазах четырехтактного двигателя, и вы могли увидеть его в действии на видео в начале. Его функция состоит в том, преобразовать линейное движение поршней в кругу который мы собираемся использовать для перемещения автомобиля. Лучшей аналогией является велосипедист, который крутит педали, чтобы передвигаться на велосипеде. Если внимательно присмотреться к движению двигателя, то вот что делает каждый из поршней при повороте коленчатого вала: «педаль».
Если вы хотите углубиться в эту часть движка, рекомендуем статьи работа коленчатого вала y Поршень: что это такое, из каких частей состоит, цена. .. Вы увидите, что работа двигателя проще, чем кажется.
Теме статьи:
Преимущества и недостатки двухтактного двигателя
Распределение двигателя
Как вы уже могли заметить, в двигателе есть элементы, требующие идеальной координации. Например: чтобы клапаны открывались, чтобы впустить смесь, когда поршень опускается (фаза впуска), или чтобы они закрывались, когда поршень поднимается (фаза сжатия). За эту координацию отвечает распределительная система двигателя, представляющая собой ряд элементов, соединяющих каждый компонент через колеса, ремни, распределительные валы и другие.
В частности, основной частью системы распределения в наиболее распространенных сегодня двигателях является ремень ГРМ или цепь. Она отвечает за передачу очереди коленчатый вал к Распределительные валы которые открывают и закрывают клапаны. Так они делают это в нужное время, а не в другое. Дефект, который был бы фатальным для двигателя.
Если вы не знаете эти компоненты, то можете посмотреть, как они выглядят и как работают в статьях: распределительный вал y ремень ГРМ. Кроме того, если вы хотите немного больше углубиться в тему, мы также рекомендуем статью о типы распределения в современных двигателях. Это поможет вам лучше понять, как работает бензиновый двигатель. Не все двигатели одинаковы, даже если они управляются одними и теми же основными принципами работы.
Изображения – Марко Бернардини, Мэтт
устройство, принцип действия, достоинства и недостатки
Бензиновый двигатель – разновидность двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется бензин. Воспламенение топливно-воздушной смеси осуществляется при помощи электрической искры. Области применения бензиновых двигателей: транспортные средства, строительная, коммунальная и садовая техника, генераторы электрического тока.
Общее устройство и принцип действия бензинового двигателя
В устройство бензомотора входят:
- Блок цилиндров. Это самая массивная часть бензомотора. Выполняется из чугуна или более легкого сплава на основе алюминия. Снизу блок цилиндров закрыт блоком коренных крышек, а в его верхней части установлена головка блока цилиндров. По количеству цилиндров блоки могут быть одно- или многоцилиндровыми.
- Поршни. В цилиндрах движутся поршни, получающие энергию, которая выделяется при сгорании топливно-воздушной смеси в специальной камере. Поршни движутся по цилиндрам с большой скоростью, поэтому при изготовлении этих деталей требуется высокая точность и их взаимная подгонка по размерам.
- Коленвал. Поршень присоединен к шатуну, который крепится к коленвалу. Оба соединения являются скользящими, что позволяет этим деталям двигаться друг относительно друга. Поршни посредством шатунов приводят в движение коленвал.
- Маховик. Жестко закреплен на валу. С его помощью осуществляется первичный запуск двигателя, при котором зубья стартера и зубья маховика взаимозацепляются, благодаря чему начинается вращение вала.
- Дроссельная заслонка. Регулирует количество топливно-воздушной смеси, которая подается в камеру сгорания.
По способу осуществления рабочего цикла различают двухтактные и четырехтактные моторы:
- Двухтактные. Их используют в случаях, когда на первом месте стоит не высокая мощность и эффективность, а небольшой размер двигателя. Двухтактные бензомоторы устанавливают на мотоциклах, небольших автомобилях, малогабаритной садовой и строительной технике.
- Четырехтактные. Это наиболее распространенный тип бензодвигателей, используемый для установки в большинстве транспортных средств.
Карбюраторные и инжекторные бензиновые двигатели – основные характеристики
Традиционный вариант – приготовление топливно-воздушной смеси в карбюраторе, в котором бензин смешивается с воздушным потоком за счет искусственной конвекции. В инжекторных агрегатах топливо впрыскивают через форсунки в поток воздуха.
Инжекторный способ, осуществляемый в комплексе с бортовым компьютером, обеспечивает высокую точность дозирования бензина. Применение новой технологии позволило создать легкий и компактный двухтактный двигатель, аналогичный по экономичности четырехтактному карбюраторному мотору. Инжекторные бензиновые моторы соответствуют новым требованиям экологических стандартов к чистоте выхлопных газов.
Преимущества и недостатки универсальных бензиновых двигателей
Основные плюсы бензомотора, по сравнению с дизелем:
- удобство эксплуатации, отсутствие необходимости в использовании сезонного топлива;
- более низкий уровень шума;
- более высокий экологический стандарт;
- возможность достичь большей мощности при меньшем объеме двигателя.
Бензиновые моторы проигрывают дизельным агрегатам по нескольким характеристикам, среди которых:
- меньший крутящий момент;
- более высокое потребление топлива;
- более высокая пожароопасность из-за легкого возгорания бензина.
Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 1
См.
также: Прикладная физика бензиновых двигателей, часть 2 лаборатории». [1] В отличие от биологов, мы собираем наши трупы вместе, потому что мы препарируем моторы газонокосилок (рис. 1)! Этот опыт неизменно доставлял массу удовольствия. В дополнение к новым открытиям в физике, большинство студентов сообщают, что, выйдя из нее, они стали больше ценить свои автомобили и глубоко восхищаться проницательными умами, которые предвидели, как все эти системы, сделанные из неодушевленной материи, могут быть организованы, чтобы дать машине жизнь. своего собственного.
За редкими исключениями, большинство учащихся приступают к этому упражнению, не имея ни малейшего представления о том, что происходит внутри автомобильного двигателя. (Те, у кого есть опыт работы с механикой, получают роли помощников преподавателя.) Большинство взаимодействий учащихся с автомобилем состоит в том, чтобы заправить бак бензином и направить машину на дорогу. Эта небрежность предполагает, что в нашем обществе мы воспринимаем наши машины как должное, довольствуясь тем, что не понимаем, как они работают, даже несмотря на то, что мы все больше зависим от них. Я уверен, что такое отсутствие любопытства совершенно чуждо студентам-физикам.
В этой статье мы исследуем внутреннюю работу бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие большинство автомобилей, легких грузовиков, мотоциклов, легких самолетов и газонокосилок. Базовый дизайн датируется примерно 1890 годом; его долговечность указывает на его надежность. С тех пор четырехтактные бензиновые двигатели стали намного более эффективными и мощными, становясь все более сложными по мере того, как мы предъявляем к ним все более высокие, часто противоречивые требования. Но основная конструкция двигателя Ferrari V12 имеет много общего с двухцилиндровым двигателем 189.9 Фиат. Основные идеи, лежащие в основе двигателя, можно понять, изучив простейший из двигателей, одноцилиндровый двигатель газонокосилки с воздушным охлаждением и клапанами в блоке, который имеет зажигание от магнето, пусковой механизм и систему смазки разбрызгиванием. Вариации этого двигателя десятилетиями производились такими марками, как Briggs & Stratton, Jacobsen и Tecumseh. В силу своей простоты эти машины без излишеств предлагают всем двигателям уровень понимания, аналогичный по глубине тому, который предлагает атом водорода для всех атомов.[2]
На примере мотора косилки в этой первой части серии, состоящей из двух частей, мы описываем базовую структуру четырехтактного бензинового двигателя, а также его смазку и охлаждение. Мы также определяем термодинамический верхний предел эффективности четырехтактного бензинового двигателя. Попутно отмечаем отличия одноцилиндрового двигателя косилки от более сложных четырехтактных двигателей.
Часть 2, которая будет опубликована в следующем номере журнала, посвящена воздушной и топливной системам двигателя, а также системе зажигания с ее магнето, цепью RLC и свечей зажигания. За этими техническими примечаниями последуют наблюдения о наших отношениях с нашими автомобилями. Они включают в себя признание и уважение к этим чудесным машинам и одновременное осознание высокой цены, которую платит общество и окружающая среда, чтобы поддерживать их огромное количество. Мы закончим кратким обзором отношений между известными физиками и их моторизованными товарищами.
Устройство двигателя и четырехтактный цикл
Двигатель получает энергию путем теплопередачи от источника при одной или нескольких высоких температурах, преобразует часть подводимого тепла в работу и отдает оставшуюся энергию в виде тепла в окружающую среду при низких температура.[3] В бензиновом двигателе подвод тепла происходит за счет периодического взрывного горения порции испарившегося бензина. Энергия каждого взрыва толкает поршень в цилиндр (названия деталей и процессов при первом упоминании выделены курсивом). Вместо того, чтобы вылететь из цилиндра через гараж, линейное движение поршня преобразуется в угловой момент коленчатым валом. Чтобы увидеть коленчатый вал в действии, представьте, что вы едете на велосипеде; линейное движение ваших коленей вверх-вниз преобразуется во вращение педалями, которые смещены относительно оси вращения звездочки.
Основной корпус двигателя представляет собой экзоскелет, называемый блоком, удивительно сложное литье, поддерживающее вращающиеся или скользящие детали на критических поверхностях, обработанных с точностью до тысячной доли дюйма (рис. 2). Доминантой в блоке являются одно или несколько крупных отверстий, упомянутых выше цилиндров. Мотор косилки, который мы здесь разбираем, имеет один цилиндр. Поршень соединен с коленчатым валом шатуном (рис. 3; в аналогии с велосипедом шатуном служит голень). Верхний конец штока крепится внутри поршня поршневым штифтом, от которого шток качается туда-сюда, как маятник. Нижний конец шатуна имеет съемный колпачок, который плотно прилегает к шатунной шейке, смещенной части коленчатого вала. Поскольку массы поршня, шатуна и шатунной шейки лежат вне оси вращения коленчатого вала, в коленчатый вал врезаны противовесы, чтобы сбалансировать весь узел относительно этой оси. Коленчатый вал удерживается на месте коренными подшипниками в блоке под цилиндром.
В последующем обсуждении мы представляем себе цилиндр, ориентированный вертикально, и коленчатый вал, расположенный под цилиндром горизонтально. На многих косилках двигатель устанавливается с горизонтальным цилиндром и вертикальным коленчатым валом, чтобы лезвие вращалось горизонтально. Большинство автомобилей имеют четыре или более цилиндров с коленчатым валом, расположенным горизонтально. Цилиндры могут располагаться вертикально по прямой линии (например, Pontiac «прямой-8» 1954 года выпуска), они могут быть наклонены в два ряда, образуя букву V (например, Corvette «V8»), или они могут располагаться горизонтально или « плоский», чтобы понизить центр тяжести (например, Porsche 911 «Квартира-6»).
Движение поршня от его нижней точки в цилиндре (нижней мертвой точки, или НМТ) до его высшей точки (верхней мертвой точки, или ВМТ) или в обратном направлении от ВМТ к НМТ, составляет один такт работы двигателя . Во время каждого такта коленчатый вал поворачивается на пол-оборота. Термин «ход» также относится к расстоянию между ВМТ и НМТ. Диаметр цилиндра называется отверстием. Объем, определяемый ходом и диаметром цилиндра, объем, вытесняемый верхней поверхностью поршня за один ход, является рабочим объемом этого цилиндра. Рабочий объем всех цилиндров двигателя является одним из показателей его производительности. Если у вас «Корвет 427», рабочий объем его восьми цилиндров равен 427 кубическим дюймам. Разработчики двигателей, использующие метрические единицы измерения, описывают рабочий объем в литрах или кубических сантиметрах.
Энергетическая плотность бензина составляет около 45 мегаджоулей на килограмм.[4] Чем больше бензина поступает в двигатель за цикл его работы, тем большую мощность он может выдать. Среди двигателей одинаковой конструкции выходная мощность зависит от рабочего объема. Автомобили с бензиновым двигателем первого поколения, построенные в 1890-х годах, производили примерно столько же энергии, сколько двигатель нашей косилки, а машины, на которых они работали, работали примерно так же, как одна из сегодняшних небольших газонокосилок. Участники первой в мире автогонки 189 г.5, из Парижа в Бордо и обратно, включал 15 автомобилей с бензиновым двигателем (специализированных гоночных автомобилей еще не существовало), один электромобиль и шесть пароходов. Гонку выиграл Эмиль Левассор на своем Panhard-Levassor с двигателем Daimler объемом 1200 куб. См (73 куб. Дюйма) мощностью 3,5 лошадиных силы (1 л.с. = 745,7 Вт). Левассор проехал 723 мили практически без остановок со средней скоростью 14,9 миль в час. Мотор газонокосилки, предназначенный для мотокос, выдает около 3,75 л.с. при рабочем объеме около 12 куб. дюйм[6] Его столетняя конструкция все еще производится сегодня, потому что для его предполагаемого использования доминирующим достоинством является простота.
Для увеличения мощности объем двигателя первого поколения был быстро увеличен. Первый Гран-при для специализированных гоночных автомобилей состоялся в Ле-Мане, Франция, в 1906 году. Двигатель победившего Renault имел рабочий объем 12,8 л (781 куб. Дюйм), развивал 105 л.с. и разгонял автомобиль до средней скорости 62,88. миль в час, что означает, что он ехал около 100 миль в час на прямых. Но революция в эффективности была не за горами, когда мощность на рабочий объем стала бы столь же важной, как и сам рабочий объем. Peugeot, выигравший 1912 Гран-при Франции с двигателем всего 7,6 литра, конкурируя с огромными 14-литровыми Fiat и 15-литровыми Lorraine-Dietrichs. Некоторые из конструктивных изменений, которые привели к более высокому соотношению мощности к рабочему объему, будут описаны ниже, поскольку мы исследуем простую конструкцию двигателя косилки, которая перекликается с автомобильными двигателями первого поколения.
В верхней части цилиндра находится головка (рис. 4), с прокладкой головки, расположенной между блоком и головкой для обеспечения герметичности при затягивании болтов головки (примерно до 12 футо-фунтов). Пространство между поршнем в ВМТ и выемкой головки над цилиндром образует камеру сгорания. Подача искры на летучую смесь бензина и воздуха в камере сгорания толкает поршень вниз по цилиндру, чтобы раскрутить коленчатый вал благодаря шатуну. Как топливно-воздушная смесь попадает в цилиндр, как из него удаляются продукты сгорания и как подается искра в ответственный момент?
Двигатель нашей косилки имеет два клапана, обеспечивающих проход в цилиндр, впускной клапан и выпускной клапан. Рассмотрим двигатель, работающий на скорости (частота вращения двигателя измеряется в об/мин, угловая скорость коленчатого вала — в оборотах в минуту). Начнем с момента, когда оба клапана закрыты и поршень мгновенно находится в ВМТ. Это состояние знаменует собой начало четырехтактного цикла работы двигателя: такты впуска, сжатия, рабочего хода и такта выпуска.
(1) Такт впуска: при вращении коленчатого вала поршень движется вниз и открывается впускной клапан. Разница давлений между внутренней частью цилиндра и наружным воздухом выталкивает воздушно-топливную смесь в цилиндр, когда поршень опускается. Когда поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается.
(2) Такт сжатия: поршень движется обратно вверх при закрытых обоих клапанах, сжимая топливно-воздушную смесь. Пусть V2 — объем газа внутри цилиндра, когда поршень находится в НМТ, а V1 — объем, при котором поршень находится в ВМТ. Степень сжатия V2/V1 предлагает еще один показатель производительности двигателя. Двигатели, предназначенные для работы в течение длительного времени, такие как двигатели косилок, должны работать с низкой нагрузкой и обычно иметь степень сжатия около 4 или 5; двигатели для соревнований могут иметь степень сжатия 10 или выше. Так как такт сжатия происходит быстро, во время такта во внешний мир отводится незначительное количество тепла («адиабатический» процесс), а температура топливовоздушной смеси повышается.
(3) Рабочий такт: когда поршень достигает ВМТ в конце такта сжатия, зажигается свеча зажигания, воспламеняющая топливовоздушную смесь. Пламя со взрывом проносится через камеру сгорания, повышая температуру и совершая работу, так как решительно толкает поршень вниз в рабочем такте. Хотя воспламенение топлива высвобождает огромную внутреннюю энергию в цилиндр, незначительная энергия уходит в виде теплопроводности во время быстрого рабочего такта, поэтому этот такт также является адиабатическим.
(4) Такт выпуска: когда поршень движется вверх от НМТ, открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает выхлопные газы из цилиндра. Они вытекают через глушитель (с перегородками для гашения шума) в атмосферу. Двигатель обменивается теплом с окружающей средой во время тактов выпуска и впуска, выбрасывая горячие выхлопные газы и втягивая относительно холодные впускные газы. В конце такта выпуска поршень возвращается в ВМТ, оба клапана закрыты, и цилиндр готов к повторению четырехтактного цикла.
Что открывает и закрывает клапаны и обеспечивает искру в нужный момент? Параллельно коленчатому валу движется распределительный вал, который имеет выступы или кулачки (рис. 5). Через пару зацепленных зубчатых колес, по одному на конце каждого вала, вращающийся коленчатый вал вращает распределительный вал. В нашем двигателе косилки шестерня коленчатого вала имеет 20 зубьев, а шестерня распределительного вала имеет 40 зубьев, вращая распределительный вал со скоростью, равной половине угловой скорости коленчатого вала. Перпендикулярно распределительному валу и на кулачках расположены толкатели клапанов, а сами клапаны стоят над толкателями. Когда распределительный вал вращается, кулачок поднимает толкатель и клапан, открывая проход в камеру сгорания. Когда кулачок выкатывается из-под толкателя, пружины клапана снова закрывают клапан (рис. 6). На распредвале нашего одноцилиндрового мотора с двумя клапанами кулачки ориентированы 90 градусов друг от друга, потому что впускной и выпускной клапаны открываются на соседних ходах. Один ход равен половине оборота коленчатого вала и, следовательно, четверти оборота распределительного вала. На обеих зубчатых шестернях есть метки, которые необходимо совместить, чтобы клапаны открывались в нужное время в течение цикла (рис. 7).
В четырехтактном цикле одноцилиндровый двигатель обеспечивает один рабочий такт на каждые два оборота коленчатого вала.[8] С двумя цилиндрами рабочий ход происходит каждый оборот. Четыре цилиндра производят рабочий ход каждые пол-оборота. Восемь цилиндров обеспечивают один рабочий такт за четверть оборота и так далее. Увеличение числа цилиндров делает машину более сложной, но выигрыш в том, что мощность прикладывается более равномерно. Большинство автомобилей имеют четыре, шесть или восемь цилиндров; у некоторых их 10 (например, Dodge Viper), у некоторых 12 (например, у большинства Ferrari и Lamborghini, а также у Lincoln и Auburns 19-го поколения).30), а у некоторых 16 (например, Cadillac 1932 года, Marmon 1933 года и современный Bugatti Veyron).
Прикрепленный к внешнему концу коленчатого вала на конце, противоположном зубчатому колесу, находим маховик (рис. 8). Наиболее важной задачей маховика в любом двигателе является создание большого момента инерции для максимально плавного вращения коленчатого вала с его шатунно-поршневым узлом между рабочими тактами. В двигателях косилок маховик также играет роль в системах охлаждения и зажигания, как будет описано ниже.
Объемный КПД, отношение объема паров воздуха и топлива, поступающих в двигатель во время такта впуска, к рабочему объему цилиндра, предлагает еще один дескриптор характеристик двигателя. Говоря простым языком, это показатель того, насколько хорошо двигатель «дышит». Движущийся воздух обладает инерцией, и при турбулентности сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости воздуха. Размер и расположение клапанов, а также гладкость внутренних поверхностей, через которые проходят газы, существенно влияют на работу двигателя. Двигатель нашего газонокосилки представляет собой конструкцию с «плоской» или «г-образной» головкой, названную так потому, что клапаны проходят через блок параллельно цилиндру, и, таким образом, камера сгорания должна располагаться не только над поршнем, но и над областью в головке к одной стороне цилиндра, где выскакивают клапаны (рис. 8). Через 19В 40-х годах большинство автомобильных двигателей имели конструкцию с плоской головкой. Примерно в 1950 году производители начали производить конструкции с верхним расположением клапанов (OHV). Перемещение клапанов над поршнем увеличивает эффективность потока и объемную эффективность, поскольку топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания непосредственно над поршнем, а не сбоку. Теперь, когда клапаны нужно нажимать сверху вниз, а коленчатый вал и зубчатые колеса все еще соединены своими зубчатыми колесами, длинные толкатели помещаются над толкателями клапанов и коромыслами, которые качаются вперед и назад на горизонтальном валу, как качели. , теперь сядьте на макушку. Кулачок поднимает толкатель, который поднимает одну сторону коромысла, а другая сторона коромысла давит на клапан, открывая его. Пружины под коромыслами закрывают клапан, когда кулачок выходит из-под толкателя и толкателя.
Если бы толкатели и коромысла можно было убрать, а распределительный вал расположить на верхней стороне головки, механическая энергия, потребляемая двигателем, приводящим в движение его внутренние части, была бы значительно снижена. Это достигается в двигателях с верхним распределительным валом (OHC). (Логотип «DOHC», который можно увидеть на значках некоторых автомобилей, обозначает двойные верхние кулачки, один для группы впускных клапанов, а другой для выпускных клапанов.) Когда коленчатый и распределительный валы находятся слишком далеко друг от друга, чтобы быть соединенными синхронизирующими шестернями, коленчатый вал вращает распределительного вала ремнем ГРМ или цепью ГРМ. Ремни ГРМ изготовлены из синтетического каучука, армированного проволокой, и их необходимо менять через регулярные промежутки времени, обычно около 9 часов.0000 миль. При обрыве ремня ГРМ открытие клапанов больше не будет зависеть от положения поршня. Столкновение клапана с поршнем приводит к дорогому шуму!
Для дальнейшего увеличения объемного КПД некоторые двигатели имеют четыре клапана на цилиндр, два впускных и два выпускных клапана. Добавление нагнетателя (или «нагнетателя») значительно увеличивает объемную эффективность. Нагнетатель представляет собой компрессор, приводимый в действие ремнем от шкива коленчатого вала, который нагнетает в двигатель за цикл больше воздуха, чем это было бы возможно только за счет атмосферного всасывания. Нагнетатели использовались на гоночных автомобилях Гран-при к началу 19 века.20 с. Турбокомпрессор использует поток выхлопных газов для привода небольшого компрессора с той же целью.
Смазка и охлаждение
Внутри нашего скромного двигателя косилки, работающего со скромными 800 об/мин, царит оживленная атмосфера. Поршень перемещается между ВМТ и НМТ 1600 раз в минуту; коленчатый и распределительный валы вращаются в своих подшипниках со скоростью 800 и 400 об / мин соответственно, вступая в зацепление друг с другом через жужжащие зацепленные шестерни; кулачки кулачка открывают клапаны, которые захлопываются пружинами; а пары бензина взрываются 200 раз в минуту. Некоторые спортивные мотоциклы разгоняются до 14 000 об/мин и более! Чтобы выдержать более нескольких секунд, это шоу должно иметь достаточную смазку, которая не дает металлическим поверхностям сплавляться вместе, когда они вращаются или скользят друг относительно друга. Избыточное тепло необходимо отводить для поддержания постоянной температуры.
В двигателе нашей косилки масло (1 кварта 30 Вт) разбрызгивается на движущиеся части внутри картера с помощью маслоотражателя (рис. 7), шестерни, находящейся в зацеплении с распределительным валом и оснащенной небольшими лопастными колесами по периметру. Несмотря на то, что она примитивна, она обеспечивает достаточную смазку даже в гонках на картах, в которых двигатели испытывают гораздо большую нагрузку, чем при стрижке газонов. В более крупных двигателях масляный насос, приводимый в действие распределительным валом, подает масло непосредственно к подшипникам через каналы в блоке и головке. Масло не только обеспечивает смазку, предотвращающую слипание движущихся частей металла, но и помогает отводить тепло. Масло блокируется от протекания мимо поршня в камеру сгорания (где оно может засорить свечу и образовать сизый дым), а воздушно-топливная смесь не может продавливаться мимо поршня, чтобы разбавить масло в картере с помощью набора поршней. кольца, круги из пружинистого сплава (с небольшим зазором для установки и теплового расширения), которые ездят в канавках у верха поршня (рис. 2).
Двигатель газонокосилки имеет воздушное охлаждение (рис. 2, 4). Головка и блок, выполненные из алюминия, эффективно проводящего тепло, имеют залитые ребра охлаждения, которые обеспечивают большую площадь поверхности для теплообмена с окружающим воздухом. Маховик на двигателе косилки выполняет функцию охлаждающего вентилятора. Окруженный кожухом из листового металла (рис. 1) с проволочной сеткой, позволяющей втягивать воздух внутрь, маховик имеет залитые в него лопасти, которые при вращении обеспечивают циркуляцию воздуха над ребрами охлаждения на блоке (рис. 9).). Пластмассовая лопасть, называемая регулятором (рис. 9), соединенная пружиной с дроссельной заслонкой, находится между периметром маховика и кожухом, где она поворачивается в ответ на изменения давления воздуха, возникающие при изменении частоты вращения двигателя из-за переменной нагрузки на двигатель. Простой регулятор помогает поддерживать постоянную скорость двигателя при заданной настройке дроссельной заслонки и предотвращает случайное увеличение оборотов двигателя оператором.
Большинство автомобильных двигателей имеют водяное охлаждение; в блоке и головке залиты каналы, называемые водяными рубашками, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. От двигателя охлаждающая жидкость поступает в радиатор, где проходит по длинным трубкам, окруженным охлаждающими ребрами, прежде чем вернуться в двигатель. В дополнение к движению автомобиля вперед, вентилятор, приводимый в действие либо ремнем вентилятора, либо поликлиновым ремнем, либо электродвигателем, помогает проталкивать воздух через радиатор. Охлаждающая жидкость проходит между двигателем и радиатором через верхний и нижний шланги радиатора и проталкивается водяным насосом, который обычно приводится в действие ремнем вентилятора или зубчатым ремнем. Охлаждающая жидкость обычно состоит на 50 % из дистиллированной воды и на 50 % из этиленгликоля; более низкая температура замерзания этой смеси по сравнению с чистой водой предотвращает растрескивание блоков в холодную погоду (поскольку вода при замерзании расширяется), а также смесь обеспечивает коррозионную стойкость.
Термодинамика Эффективность
В контексте двигателей «эффективность» означает отношение выполненной работы (что вы хотите) к подводимой тепловой энергии (сколько это стоит). Второй закон термодинамики говорит, что эффективность никогда не может достичь единицы, что поднимает вопрос о том, насколько большой она может быть, ограничиваясь только вторым законом. Паровые двигатели получают свою энергию от перегретого пара, впрыскиваемого при температуре TH в цилиндр. Они совершают работу и выбрасывают отработавший пар в окружающий воздух при температуре ТС. Цикл Карно был изобретен Сади Карно (179 г.6-1832) в 1824 году для создания идеализированной версии паровой машины. При этом достигается максимальная эффективность, в принципе достижимая двухтемпературным двигателем. В каждом цикле двигатель Карно изотермически получает энергию в виде тепла от горячего резервуара при абсолютной температуре TH, совершает работу и изотермически отдает тепло в холодный резервуар при температуре TC. Два изотермических теплообмена связаны адиабатическими процессами. Обычное упражнение по общей физике требует показать, что эффективность двигателя Карно равна 1 – TC/TH.
Концептуальный цикл, называемый циклом Отто (ок. 1880 г.), выполняет те же теоретические функции для четырехтактного бензинового двигателя. Этот идеализированный цикл назван в честь Николауса Отто (1832-1891), который построил первые коммерчески успешные четырехтактные двигатели. Как и цикл Карно, цикл Отто термодинамически обратим (т. е. отклонения от равновесия пренебрежимо малы), а рабочим телом служит идеальный газ. Но шаги в цикле отличаются от шагов Карно. Давайте продумаем их и отобразим изменения их состояния на диаграмме давление-объем (рис. 10), начиная с рабочего хода, который мы разобьем на две части. Начнем с события, срабатывания свечи зажигания в точке а на PV-диаграмме, которое происходит при объеме V1 с поршнем в ВМТ. Это событие повышает температуру и давление с точки а до точки b на PV-диаграмме, в то время как объем остается равным V1. Остальная часть рабочего хода моделируется адиабатическим давлением поршня вниз до НМТ (от b до c) по мере увеличения объема газов от V1 до V2. Затем такт выпуска выбрасывает горячие выхлопные газы, когда поршень движется от НМТ к ВМТ, а такт впуска вводит более холодную топливно-воздушную смесь, когда поршень возвращается в НМТ. В пространстве PV чистый эффект тактов выпуска и впуска заключается в падении температуры и давления при постоянном объеме V2, переходя от цикла с к d. Такт сжатия адиабатически уменьшает объем от V2 до V1, повышая температуру и давление и возвращая представление цикла на диаграмме PV из d обратно в точку a.
Эффективность этого цикла, как вы могли показать на вводном курсе термодинамики, равна 1 – (V2/V1)1−γ. V2/V1 — степень сжатия, а γ — отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме. Для воздуха γ ≈ 1,4. Двигатели косилок имеют степень сжатия около 5, что соответствует теоретическому верхнему пределу эффективности 0,47. Напротив, двигатель для соревнований со степенью сжатия 15 имеет верхний предел эффективности 0,66. Реальный двигатель менее эффективен, чем его идеальный верхний предел, поскольку в нем присутствуют не только диссипативные воздействия, такие как трение, но и теплообмены, выходящие за рамки требований второго закона, потери работы при перемещении его внутренних масс и т. д., не говоря уже о качении. и сопротивление воздуха, работающее против движения машины. Как правило, автомобиль работает хорошо, если четверть выходной мощности, измеренной на маховике, преобразуется в кинетическую энергию всего центра масс автомобиля.[9]]
Теперь, когда мы вступаем в сезон кошения, проявите уважение к двигателю газонокосилки, побаловав его заменой масла и промытым или новым воздушным фильтром, очистив охлаждающие ребра от грязи и взаимодействуя с вашей машиной с увлечением!
Во второй части мы обсудим, как топливо смешивается с воздухом перед сгоранием и как в эту смесь подается искра в решающий момент между тактом сжатия и рабочим тактом. Эта статья также будет включать несколько заметок об обслуживании, и мы увидим некоторых известных исторических физиков, взаимодействующих со своими автомобилями и мотоциклами. //
Благодарность
Большое спасибо Девину Пауэллу за внимательное редактирование этой статьи.
Ссылки и примечания
[1] Лаборатория трупов двигателей с фотографиями студентов, работающих над двигателями, описана в «Техническое обслуживание мотоциклов и оценка физики», Radiations (осень 2007 г.), стр. 5-11. Веб-сайт с интерактивным моделированием всех видов двигателей можно найти по адресу http://www.animatedengines.com/index.html.
[2] Тот факт, что мы вообще можем понять атомы благодаря существованию простейшего из них, водорода, элегантно изложен Джоном Ригденом в книге «Водород, основной элемент» (издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 2002).
[3] Выработка работы, обязательно меньшая подводимой теплоты, является утверждением второго начала термодинамики. См. «Второй закон термодинамики и несохранение энтропии», Информационный бюллетень SPS (июнь 1998 г.), стр. 9–13.
[4] Гленн Элерт, изд., Справочник по физике, http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml.
[5] Брэд Кинг, All Color Book of Racing Cars (Crescent Books, New York, NY, 1972), стр. 5-7.
[6] Объем одноцилиндровых двигателей Brigg & Stratton варьируется от 5 до 32 кубических дюймов; эта и другие спецификации двигателя косилки из книги Пола Демпси, «Как отремонтировать двигатели Briggs & Stratton» (Tab Books, Blue Summit, PA, 19).78), с. 9.
[7] Чтобы двигаться быстрее, рабочий объем ранних гоночных автомобилей становился все больше. Fiat S79 1910 года имел, возможно, самый большой 4-цилиндровый двигатель из когда-либо существовавших: 28,3 литра от дирижабля и развил скорость 132,37 миль в час в 1913 году. Кинг, исх. 5, стр. 5-7, 22.
[8] В двухтактных двигателях поршень используется в качестве клапана с отверстиями или портами, выточенными в боковых сторонах цилиндра, впуск и выпуск на противоположных сторонах. Для смазки поршня-клапана масло необходимо предварительно смешать с бензином. Эти двигатели дымные и шумные, но развивают большую мощность для своего размера, с одним рабочим тактом на оборот. Дизельные двигатели работают в четырехтактном режиме без свечи зажигания. Степень сжатия достаточно высока, чтобы температура достигала температуры вспышки менее летучего дизельного топлива в конце такта сжатия.
[9] Колин Кэмпбелл, Двигатель спортивного автомобиля: его настройка и модификация (Robert Bentley Inc., Кембридж, Массачусетс, 1965, старенький, но хороший, наполненный прикладной физикой и написанный с юмором), стр. 4-7.
Что такое бензиновый двигатель?
Содержание
Двигатели стали важной частью всех транспортных средств. В настоящее время ни одно транспортное средство не может двигаться без двигателя. На рынке представлены различные типы двигателей, и бензиновый двигатель является одним из них. Бензиновый двигатель также известен как двигатель SI (двигатель с искровым зажиганием). В этой статье объясняется работа бензинового двигателя, типы, детали и области применения.
Что такое бензиновый двигатель?
Бензиновый двигатель, также известный как бензиновый двигатель, представляет собой двигатель внутреннего сгорания (ВС), в котором воздушно-топливная смесь воспламеняется благодаря искре, создаваемой свечой зажигания. Поэтому он также известен как двигатель SI. В качестве топлива он использует бензин.
В 1876 , Николаус Август Отто разработал первый бензиновый двигатель . Бензиновый двигатель работает по основному принципу цикла Отто.
Свеча зажигания двигателя получает электрический ток от аккумуляторной батареи автомобиля для создания искры. Эта свеча зажигания обычно расположена в верхней части камеры сгорания для быстрого воспламенения воздушно-топливной смеси.
В процессе воспламенения топлива выделяется тепло, которое преобразуется в механическую работу рабочего хода поршня.
В старых версиях двигателей SI воздух и топливо (бензин или бензин) смешиваются перед отправкой в камеру сгорания для сжатия и воспламенения. В то время как в последних двигателях SI используется топливная форсунка, которая впрыскивает топливо непосредственно в камеру сгорания, там происходит процесс смешивания. Этот процесс смешивания регулируется электронным способом топливной форсункой.
Бензиновые двигатели имеют высокие температуры самовоспламенения. Следовательно, бензиновый двигатель имеет более низкую степень сжатия, чем дизельный двигатель.
Степень сжатия бензинового двигателя обычно составляет 6:10 . Бензиновые двигатели также могут работать на топливе, отличном от бензина, таком как природный газ (CNG), метанол, автомобильный газ (LPG), сжатый водород, этанол, нитрометан (в дрэг-рейсинге) и биоэтанол.
Бензиновые двигатели чаще всего используются в различных транспортных средствах, включая автомобили, мотоциклы, лодки и самолеты. Однако они имеют низкую эффективность использования топлива и более высокие выбросы, чем дизельные двигатели и электродвигатели.
Принцип работы бензинового двигателя
Принцип работы двигателя с искровым зажиганием (SI) аналогичен двигателю с воспламенением от сжатия (CI), но между ними мало отличий. В дизеле или двигателе CI процесс воспламенения происходит за счет высокого сжатия топливовоздушной смеси, в то время как в бензиновом двигателе воспламенение происходит за счет искры.
Бензиновый двигатель работает по циклу O tto . Бензиновый двигатель работает следующим образом:
- Стадия всасывания
- Стадия сжатия
- Стадия мощности
- При этом ходе всасывающий клапан открывается, а выпускной клапан остается закрытым.
. . По мере его движения вниз внутри камеры сгорания создается вакуум; за счет этого топливовоздушная смесь начинает поступать извне в камеру сгорания.
2) Такт сжатия
- Когда процесс всасывания топливно-воздушной смеси завершится в соответствии с требованиями, поршень перемещается вверх для сжатия топливно-воздушной смеси.
- Когда поршень движется вверх, он нагнетает смесь в камеру сгорания. Во время этого такта впускной клапан и выпускной клапан закрыты.
- Из-за процесса сжатия температура и давление топливовоздушной смеси становятся очень высокими.
- В конце процесса сжатия свеча зажигания дает искру и воспламеняет топливовоздушную смесь.
- За счет предусмотренной искры процесс сгорания топливовоздушной смеси происходит внутри камеры сгорания. За счет этого сгорания поршень еще больше движется вверх, что еще больше повышает температуру и давление смеси. В ходе этого процесса выделяется тепло.
3) Рабочий ход
- Рабочий ход также известен как рабочий ход.
- На этом этапе тепло, генерируемое в предыдущем такте (процесс сжатия), заставляет поршень двигаться вниз (от ВМТ к BCD) и вращает коленчатый вал.
- За счет движения поршня вниз топливно-воздушная смесь расширяется внутри камеры, и давление смеси уменьшается.
4) Такт выпуска
- В этом такте поршень движется вверх, открывает выпускной клапан и выпускает бесполезные газы из камеры сгорания.
- После завершения такта выпуска поршень снова движется вниз, и все четыре такта повторяются.
Read More: Working of Diesel Engine
Parts of the Petrol Engine
The main parts of the petrol engine are given below:
- Spark plug
- Cylinder or Combustion chamber
- Carburetor
- Поршень
- Впускной или всасывающий клапан
- Соединительный стержень
- Выпускной клапан
1) Впускной клапан
Впускной клапан является одной из наиболее важных частей двигателя с искровым зажиганием. Топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан.
2) Выпускной клапан
Этот клапан используется для выпуска отработавших газов. Это односторонний клапан. Он также останавливает обратный поток выхлопных газов.
3) Свеча зажигания
Свеча зажигания используется для воспламенения топливно-воздушной смеси. Он расположен в верхней части цилиндра двигателя.
Свеча зажигания является одной из самых важных частей, потому что в бензиновом двигателе процесс зажигания не может начаться без искры.
Подробнее: Неисправная свеча зажигания Симптомы и причины
4) Камера сгорания
Это пустой цилиндр с вращающимся поршнем. Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри камеры сгорания. Сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри камеры сгорания.
Читайте также: Работа и конструкция камеры сгорания
5) Поршень
Поршень — это движущаяся часть бензинового двигателя, совершающая возвратно-поступательное движение для всасывания топливно-воздушной смеси и вырабатывающая мощность во время рабочего такта. После выработки мощности он передает эту мощность на коленчатый вал.
Подробнее: Конструкция поршня и детали
6) Шатун
Это один из наиболее важных компонентов бензинового двигателя. Шатун соединяет поршень и коленчатый вал двигателя. Он обеспечивает движение поршня к коленчатому валу.
Читайте также: Работа шатуна
7) Коленчатый вал
Соединяется с поршнем через шатун. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное/круговое движение.
Читайте также: Работа коленчатого вала
Скорость и эффективность бензинового двигателя
Бензиновый двигатель работает быстрее, чем дизельный. Это связано с тем, что эти двигатели имеют легкий коленчатый вал, шатун и поршень (поскольку более низкая степень сжатия повышает эффективность конструкции), а бензин сгорает быстрее, чем дизель.
В целом тепловой КПД большинства бензиновых двигателей составляет (в среднем) около 20%, что примерно вдвое меньше, чем у дизельного двигателя. Однако некоторые новейшие бензиновые двигатели более эффективны (тепловой КПД примерно 38%), чем старые двигатели с искровым зажиганием.
Типы бензиновых двигателей
Бензиновые двигатели бывают двух основных типов:
- Двухтактный бензиновый двигатель
- Четырехтактный бензиновый двигатель
1) Бензиновый двигатель 9-тактный0006 Этот двигатель использует только 2 хода поршня для завершения одного рабочего цикла. Он быстрее четырехтактного двигателя.
Подробнее: 2-тактный двигатель Работа и типы
2) 4-тактный бензиновый двигатель
4-тактный двигатель внутреннего сгорания — это тип бензинового двигателя внутреннего сгорания. работает по 4-тактному циклу, который включает четыре фазы: впуск, сжатие, сгорание и выпуск.
Они обычно используются в мотоциклах, автомобилях и многих других типах транспортных средств из-за их относительно высокой эффективности и выходной мощности.
Подробнее: Работа 4-тактного двигателя и применение
Преимущества бензиновых двигателей
- Он имеет более высокую температуру самовоспламенения по сравнению с двигателем CI или дизельным двигателем.
- Бензиновый двигатель легче, чем дизельный двигатель.
- Двигатель SI производит низкий уровень шума по сравнению с двигателем CI.
- Требуется меньше обслуживания.
- Дешевле дизельного двигателя.
- Легче запустить двигатель CI.
- Бензин дешевле дизельного топлива.
Недостатки бензиновых двигателей
- Для запуска этих двигателей требуется искра; в противном случае они не могут начаться.
- Бензиновый двигатель потребляет больше топлива, чем дизельный двигатель.
- В нем больше движущихся частей, чем в дизельном двигателе.
- Имеет низкий КПД по сравнению с КИ или дизельным двигателем.
- У двигателей SI проблемы с детонацией.
- Низкая скорость.
Применение бензиновых двигателей
- Автомобили: Бензиновые двигатели обычно используются в грузовиках, автомобилях, тракторах и других типах транспортных средств. Эти двигатели доступны в различных размерах и конфигурациях, начиная от небольших 3-цилиндровых двигателей и заканчивая большими двигателями V8.
- Малая техника: Бензиновые двигатели приводят в действие небольшую технику, такую как генераторы, бензопилы и газонокосилки.
- Мотоциклы: Являются основным источником питания для различных мотоциклов, от небольших скутеров до мощных спортивных мотоциклов.
- Гонки: Бензиновые двигатели обычно используются в гонках, особенно в высокопроизводительных автомобилях и мотоциклах. Их можно настроить так, чтобы они производили больше мощности и работали на более высоких оборотах, чем обычные дорожные двигатели.
- Лодки: Обычно используются на лодках, особенно небольших, которым не требуется мощность дизельного двигателя.
- Самолет: В некоторых небольших самолетах используются бензиновые двигатели, которые легче и дешевле, чем дизельные или газотурбинные двигатели.
. топливо.
FAQ Раздел
Кто изобрел бензиновый двигатель?
В 1876 , Николаус Август Отто разработал первый бензиновый двигатель .
Бензиновый двигатель по какому циклу работает?
Бензиновый двигатель работает по циклу Отто .
Что произойдет, если залить бензин в дизельный двигатель
Если залить бензин в дизельный двигатель, это снизит смазывающую способность двигателя. По этой причине будет происходить сильный стук, который может повредить топливный насос.