Где сгорает топливо в поршневых двигателях: Энергетическое образование

Энергетическое образование

3. Бензиновые двигатели

Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой.

Четырёхтактный бензиновый двигатель.

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов. 1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо?льшим октановым числом, которое дороже. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы основная масса бензовоздушной смеси успела воспламениться к моменту, когда поршень будет находиться в ВМТ (процесс воспламенения является медленным процессом относительно скорости работы поршневых систем современных двигателей). При этом использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику. В этом случае используется датчик положения коленчатого вала, работающий обычно по емкостному принципу. 4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала. Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндров от отработанных газов.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя:

  1. Впуск. Длится от 0 до 180° поворота распредвала. Открыты впускные клапаны. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается порция топливно-воздушной смеси. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.

  2. Сжатие. 180 — 360° поворота распредвала. Все клапаны закрыты. Поршень движется вверх к так называемой «верхней мертвой точке» (ВМТ), при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается большая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении, за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет добиться повышения КПД двигателя.

  3. Рабочий ход. 360 — 540° распредвала. Свеча поджигает сжатую топливно-воздушную смесь, в результате происходит маленький взрыв, толкающий поршень вниз цилиндра. Происходит движение поршня в сторону нижней мёртвой точки (НМТ) под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу.

  4. Выпуск. 540 — 720° поворота распредвала. Открываются выпускные клапаны, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы. Происходит очистка цилиндра от отработавшей смеси.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя.

Ремень ГРМ. Это резиновый ремень, соединяющий коленвал и распредвалы двигателя. Распредвалов обычно два — впускной и выпускной. Впускной управляет открытием клапанов на впуск, выпускной соответственно — выхлоп. Коленвал вращается за счет поршней через связующие ремни. Это происходит по тому же принципу, что и вращение шестерни велосипеда. Распредвал открывает клапаны с помощью кулачкового механизма в верхней точке движения поршня (ВМТ), поэтому необходимо синхронизировать вращения распределительного и коленчатого валов. Этой цели служит ремень ГРМ. Посредствам зубцов он приводит в движение шкивы (распределительные шестерни) обоих валов и регламентирует их вращение. Ремень ГРМ меняется по регламенту производителя при пробеге, в зависимости от рекомендаций каждые 50000 км пробега. Обрыв ремня приводит к рассинхронизации работы клапанов и цилиндров, что приводит чаще всего к загибанию клапанов и выходу двигателя из строя. На некоторых моделях ремень заменяет цепь ГРМ. Замена цепи требуется обычно реже, чем замена ремня, поскольку цепь больше ресурсоемка, однако она имеет свойство растягиваться, что также приводит к рассинхронизации работы двигателя. Своевременная замена цепи или ремня ГРМ — важная и необходимая процедура обслуживания двигателя.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) и блок цилиндров. Верхняя часть двигателя соединяется с блоком цилиндров по определенным точкам. Так как в места соединения очень сильно нагружены во время работы двигателя, то соединяются они через специальную прокладку, называемую прокладкой ГБЦ, во избежание повреждения корпуса двигателя. Со временем прокладка имеет теряет свои герметичные свойства и требуется ее замена. Для этого двигатель разбирается, старая прокладка удаляется, корпус чистится и устанавливается новая прокладка. Данная деталь одноразовая, ставится один раз и не подлежит ремонту, только замена. Протечка прокладки может привести к перегреву, попаданию лишнего воздуха в камеру сгорания, прогоранию клапанов и выходу двигателя из строя. Также может произойти смещение ГБЦ и блока цилиндров, что приводит к заклиниванию поршней. Восстановление двигателя после такой поломки — очень дорогостоящая операция.

Коленчатый вал. Основной вал двигателя, преобразующий толкающее движение поршней во вращение маховика, которое передается на колеса через трансмиссию. Находится чуть ниже блока цилиндров в картере, устанавливлен на так называемых вкладышах, которые предохраняют картер от механических повреждений. Наиболее распространенная поломка — прикипание вкладышей к коленвалу и последующее их проворачивание, что приводит к зазорам на валу и последующему разрушению картера. Наиболее частая причина — утечка масла.

Число оборотов в минуту (RPM). Если Ваш двигатель работает с частотой 3000 об/мин (по показаниям тахометра), это означает 50 полных оборотов коленчатого вала в секунду! Эксплуатация двигателя на повышенных оборотах приводит к перегреву и выходу его из строя.

Упрощенная схема работы четырехцилиндрового двигателя.

Топливные инжекторы (на старых автомобилях — карбюраторы) управляют впрыском топлива в цилиндры в определенный момент. Подача топлива в цилиндры управляется электронным блоком управления и различными датчиками, такими как датчик положения дроссельной заслонки, датчик коленвала, датчик температуры и другими. Основная задача — обеспечить впрыск определенного количества топлива в определенный цилиндр в момент, определенный зажиганием. Выход из строя одного из компонентов системы может привести к некорректной подаче топлива в цилиндры, что приводит в лучшем случае к остановке работы одного или нескольких цилиндров, а то и вовсе прекращению его работы.

Октановое число — показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии) для ДВС. Если из выхлопной трубы валит черный дым, а двигатель издает резкие звуки, это означает, что бензин в цилиндрах вместо сгорания начинает взрываться. Стук в двигателе создаётся волнами давления, возникающими при быстром сгорании смеси и отражающимися от стенок цилиндра и поршня. При этом снижается мощность двигателя и ускоряется его износ, а при возникновении детонационных волн двигатель может быть повреждён или разрушен. Использование не рекомендуемого производителем автомобиля бензина может привести к печальным последствиям и выходу двигателя из строя. Бензин с высоким октановым числом обычно требуется для форсированных двигателей, с более высокой компрессией, для предотвращения самовозгорания топлива.

Топливная система.

Соотношение топлива к кислороду должно быть 1:14. Воздушный фильтр очищает входящий поток воздуха от грязи и пыли. Недостаток, как и переизбыток подачи воздуха в цилиндры приводит к ухудшению качества воздушно-топливной смеси, что может привести к неправильной работе двигателя и последующему выходу его из строя. Поэтому важна своевременная замена фильтра и недопущение засора впускного коллектора для нормальной работы двигателя. Турбинные двигатели отличаются тем, что нагнетание воздуха в цилиндры происходит принудительно.

Воздушная система.

Моторное масло смазывает движущиеся части, очищает, предотвращает коррозию и охлаждает детали двигателя, предотвращая перегрев и увеличивая износостойкость деталей. Маслонасос обеспечивает ток масла по масляным магистралям, поддерживая необходимое давление внутри магистралей. Масляный фильтр очищает масло от инородных элементов, предотвращая их попадание внутрь двигателя. Основная масса масла содержится в картере, или масляном поддоне. Именно там Вы проверяете уровень масла в Вашем двигателе. Поршневые кольца предотвращают попадание масла внутрь камеры сгорания, обеспечивая при этом смазку цилиндры тонким слоем масла. Появление черного дыма из выхлопной трубы и запаха горелого масла означает попадание масла в цилиндры, обычно это означает износ маслосъемных колпачков и поршневых колец. Выход из строя одного или нескольких компонентов масляной системы двигателя приводит к перегреву двигателя, снижению ресурса трущихся деталей и выходу двигателя из строя, что приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Масляная система.

Во время работы двигатель сильно нагревается. Система охлаждения рассеивает выделяемое тепло, отводя его от двигателя. Теплоотводы представляют собой полости в ГБЦ и самом блоке цилиндров. Помпа (насос) системы охлаждения заставляет циркулировать охлаждающую жидкость по системе охлаждения. Радиатор состоит из металлических труб, окруженных плаcтинами. Горячая охлаждающая жидкость из двигателя попадает в трубы радиатора, где охлаждается воздухом от вентилятора радиатора. Из радиатора охлажденная жидкость подается обратно в двигатель, обеспечивая непрерывную циркуляцию и охлаждение. В качестве охлаждающей жидкости обычно используется антифриз, разбавленный с водой. (В магазинах обычно продается уже готовый раствор). Реже используется тосол. Температура кипения антифриза около 1973 градусов по Цельсию. Температура замерзания — минус 12.7 градусов по Цельсию. Антифриз позволяет предотвратить закипание и замерзание охлаждающей жидкости в двигателе. Остановка вентилятора, пробитый радиатор и, как следствие — утечка антифриза и прекращение циркуляции охлаждающей жидкости в двигателе ведет к быстрому перегреву и выходу двигателя из строя, что в свою очередь приводит к дорогостоящему капитальному ремонту.

Система охлаждения.

Распределитель зажигания управляет подачей заряда на свечи в определенный период времени в определенном порядке, обеспечивая последовательную работу цилиндров. В каждый момент времени срабатывает зажигание только в одном цилиндре. Свечи накаливания передают электрическую искру в цилиндры, поджигая воздушно-топливную смесь. Свеча состоит из внешнего и внутреннего электродов, разделенных керамическим изолятором. Искра возникает в нижней части свечи между двумя электродами. Стартер запускает двигатель, проворачивая маховик, что приводит в движение цилиндры. В это же время подается зажигание и начинается работа двигателя. Генератор конвертирует механическую энергию в электричество, заряжая аккумулятор и поддерживает электрические системы автомобиля в рабочем состоянии во время работы двигателя. Аккумулятор питает электрические системы автомобиля и служит для запуска двигателя. Выход из строя одного или нескольких компонентов системы электрообеспечения приводит к прекращению подачи электричества двигателю, что приводит к его остановке.

Система зажигания.

Выхлопной коллектор отводит отработанные газы от двигателя. Катализатор снижает выброс вредных веществ в отработанных газах. Глушитель гасит шум, производимы двигателем.

Выхлопная система.

Наружный ремень двигателя используется для управления и питания периферийного оборудования двигателя, такого как водяная помпа, генератор, система охлаждения и многого другого. Обрыв ремня чаще всего приводит к прекращению работы генератора, что приводит к обесточиванию автомобиля, поскольку аккумулятор перестает заряжаться во время работы двигателя.

Общая модель.

Рабочий цикл двухтактного двигателя.

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра. Более подробно цикл двигателя устроен следующим образом: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработанные газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх часть свежей смеси вытолкнутой из выпускного коллектора засасывается назад в кривошипную камеру. Можно заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако, полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза. Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с двигателями внешнего сгорания, двигатели внутреннего сгорания

  • не имеют дополнительных теплопередающих компонентов — рабочим телом является само топливо;
  • более компактный, так как не имеет ряда дополнительных заполнителей;
  • светлее;
  • более экономичным;
  • потребляет топливо с очень специфическими параметрами (летучесть, температура вспышки, плотность, теплотворная способность, октановое или цетановое число), поскольку от этих свойств зависит эффективность работы двигателя внутреннего сгорания.

Фильм: Как работает двигатель внутреннего сгорания Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в 3D. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Из истории научных открытий Рудольф Дизель и дизельный двигатель. Конструкция автомобильного двигателя. Двигатель внутреннего сгорания в 3D. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания в 3D.

Схема: двухтактный двигатель внутреннего сгорания с резонаторной трубой

Четырехтактный рядный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

Содержание

  1. История создания
  2. Виды двигателей внутреннего сгорания
  3. Октановое число топлива
  4. Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня
  5. Бензиновые
  6. Бензиновые карбюраторные
  7. Бензиновые инжекторные
  8. Дизельные, с воспламенением от сжатия
  9. Газовые двигатели
  10. Газодизельные
  11. Роторно-поршневой
  12. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания
  13. Турбонагнетание
  14. Циклы работы поршневых ДВС
  15. Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС
  16. Технологические особенности изготовления

История создания

В 1807 году французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз создал первый поршневой двигатель, который часто называют двигателем де Риваза. Двигатель работал на газообразном водороде и имел элементы конструкции, которые впоследствии нашли свое применение в последующих прототипах двигателей внутреннего сгорания: поршневую группу и искровое зажигание. Двигатель еще не имел кривошипно-шатунного механизма.

Газовый двигатель Ленуара, 1860 год.

Первый практически пригодный к эксплуатации двухтактный газовый двигатель был разработан французским механиком Этьеном Ленуаром в 1860 году. Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л.с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работающую на смеси воздуха и легкого газа с электроискровым зажиганием от внешнего источника. В конструкцию двигателя был введен кривошипно-шатунный механизм.

КПД двигателя не превышал 4,65%. Несмотря на свои недостатки, двигатель Lenoir завоевал определенную популярность. Он использовался в качестве лодочного мотора.

Узнав о двигателе Ленуара, осенью 1860 года выдающийся немецкий конструктор Николаус Август Отто и его брат построили копию газового двигателя Ленуара, а в январе 1861 года подали в прусское министерство торговли заявку на патент двигателя на жидком топливе на основе газового двигателя Ленуара, но заявка была отклонена. В 1863 году он разработал двухтактный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель имел вертикальное расположение цилиндров, зажигание открытым пламенем и КПД до 15%. Он заменил двигатель Ленуара.

Четырехтактный двигатель Отто 1876 года.

В 1876 году Николаус Август Отто разработал более совершенный четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович построил первый в России двигатель с бензиновым карбюратором.

Мотоцикл Daimler с двигателем внутреннего сгорания в 1885 году.

В 1885 году немецкие инженеры Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали легкий бензиновый двигатель с карбюратором. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885 году и первого автомобиля в 1886 году.

Немецкий инженер Рудольф Дизель хотел повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания и в 1897 году предложил двигатель с воспламенением от сжатия. На заводе Эммануила Нобеля в Санкт-Петербурге в 1898-1899 годах Густав Васильевич Тринклер усовершенствовал этот двигатель, используя в качестве топлива нефть. В результате двигатель внутреннего сгорания с его высокой степенью сжатия и самовоспламенением стал самым экономичным стационарным двигателем внутреннего сгорания. В 1899 году на заводе Людвига Нобеля был построен первый в России дизельный двигатель и началось его серийное производство. Этот первый дизельный двигатель имел мощность 20 л.с., один цилиндр диаметром 260 мм, ход поршня 410 мм и частоту вращения 180 об/мин. В Европе дизельный двигатель, усовершенствованный Густавом Тринклером, называли «русским дизелем» или «двигателем Тринклера». На Всемирной выставке в Париже в 1900 году двигатель Тринклера получил главный приз. В 1902 году Коломенский завод купил лицензию на производство дизельных двигателей у Эммануила Людвиговича Нобеля и вскоре начал их серийное производство.

В 1908 году главный инженер Коломенского завода Р. А. Корейво построил и запатентовал во Франции двухтактный дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и двумя коленчатыми валами. Дизели «Корейво» широко использовались на теплоходах Коломенского завода. Они также производились на заводе Нобеля.

В 1896 году Чарльз В. Харт и Чарльз Парр разработали двухцилиндровый бензиновый двигатель. В 1903 году их компания построила 15 тракторов. Их шеститонный трактор #3 является самым старым трактором с двигателем внутреннего сгорания в США и хранится в Национальном музее американской истории Смитсоновского института в Вашингтоне. Бензиновый двухцилиндровый двигатель имел совершенно ненадежную систему зажигания и мощность 30 л.с. на холостом ходу и 18 л.с. под нагрузкой[1].

Дэн Элбон с прототипом сельскохозяйственного трактора Ivel

Первым практичным трактором с двигателем внутреннего сгорания был американский трехколесный трактор Дэна Элборна 1902 года. Было построено около 500 этих легких и мощных машин.

Двигатель, использованный братьями Райт в 1910 году.

В 1903 году первый самолет подняли в воздух братья Орвилл и Уилбур Райт. Двигатель самолета был изготовлен механиком Чарли Тейлором. Основные части двигателя были изготовлены из алюминия. Двигатель Райта-Тейлора представлял собой примитивную версию двигателя с бензиновым впрыском.

Первое в мире моторное судно, нефтяная баржа «Вандал», построенная в 1903 году в России на Сормовской верфи для компании братьев Нобель, была оснащена тремя четырехтактными дизельными двигателями мощностью 120 л.с. каждый. В 1904 году был построен теплоход «Сармат».

В 1924 году на Балтийском судостроительном заводе в Ленинграде по проекту Якова Модестовича Гаккеля был построен тепловоз УЭ2 (ШЭЛ1).

Почти одновременно в Германии, в 1924 году на немецком заводе Эсслинген (бывший Кесслер) под Штутгартом по заказу СССР и проекту профессора Я.В.Ломоносова по личной рекомендации В.И.Ленина был построен тепловоз ЭЭЛ2 (первоначально УЭ001).

Виды двигателей внутреннего сгорания

Рециркуляционный двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания с газовой турбиной

  • Рециркуляционные двигатели — камера сгорания представляет собой цилиндр; возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма.
  • Газовая турбина — преобразование энергии происходит через ротор с клиновидными лопатками.
  • Роторно-поршневые двигатели — в этих двигателях энергия преобразуется за счет вращения рабочими газами ротора со специальным профилем (двигатель Ванкеля).

МКО классифицируются

  • в соответствии с их назначением — транспортные, стационарные и специальные.
  • По типу используемого топлива — легкое жидкое (бензин, газ), тяжелое жидкое (дизельное топливо, судовое дизельное топливо)
  • по способу образования горючей смеси: внешнему (карбюратор) и внутреннему (в цилиндре двигателя внутреннего сгорания)
  • по объему рабочей полости и размерам — легкие, средние, тяжелые и специальные.

В дополнение к приведенным выше критериям классификации, общим для всех двигателей внутреннего сгорания, существуют критерии, по которым классифицируются определенные типы двигателей. Например, поршневые двигатели можно классифицировать по количеству и расположению цилиндров, коленчатых и распределительных валов, типу охлаждения, наличию или отсутствию крейцкопфа, наддуву (и по типу наддува), способу смесеобразования и типу зажигания, количеству карбюраторов, фазам газораспределения, направлению вращения и частоте вращения коленчатого вала, отношению диаметра цилиндра к ходу поршня, скорости спуска (средней скорости поршня).

Октановое число топлива

Энергия передается коленчатому валу двигателя от расширяющихся газов во время рабочего хода. Сжатие топливно-воздушной смеси в объеме камеры сгорания повышает эффективность и экономичность двигателя, но чем выше степень сжатия, тем больше нагрев смеси, вызванный сжатием, согласно закону Шарля.

Если топливо горючее, вспышка происходит до того, как поршень достигнет точки TDC. Это, в свою очередь, заставляет поршень вращаться на коленчатом валу в противоположном направлении — явление, известное как флэшбэк.

Октановое число — это показатель процентного содержания изо-октана в гептан-октановой смеси, отражающий способность топлива противостоять самовоспламенению при воздействии температуры. Топливо с более высоким октановым числом позволяет дизельному двигателю работать без склонности к самовоспламенению и детонации, и, следовательно, имеет более высокую степень сжатия и более высокий КПД.

Дизельные двигатели работают по принципу самовоспламенения от сжатия чистого воздуха в цилиндре или бедной газовоздушной смеси, неспособной к самовоспламенению (газодизель), и отсутствия топлива в заряде до последнего момента.

Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня

Одним из основных конструктивных параметров двигателя внутреннего сгорания является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это соотношение близко к 1, а для дизельных двигателей ход поршня обычно тем больше, чем больше диаметр цилиндра, тем больше двигатель. Соотношение 1 : 1 является оптимальным для газодинамики и охлаждения поршня. Чем длиннее ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель и тем меньше диапазон его рабочих оборотов. И наоборот, чем больше отверстие, тем выше рабочая скорость и ниже крутящий момент на выходе. Как правило, короткооборотные двигатели внутреннего сгорания (особенно гоночные) имеют больший крутящий момент на единицу рабочего объема, но на относительно высоких оборотах (выше 5 000 об/мин). При больших диаметрах цилиндра/поршня сложнее обеспечить надлежащий отвод тепла от днища поршня из-за его больших линейных размеров, но при высоких рабочих скоростях скорость поршня в цилиндре не больше, чем у поршня с большим ходом при его рабочей скорости.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

В карбюраторе готовится смесь топлива и воздуха, эта смесь поступает в цилиндр, сжимается и затем воспламеняется от искры между электродами свечи зажигания. Основной характеристикой топливно-воздушной смеси в этом случае является однородность.

Бензиновые инжекторные

Существует также режим образования смеси путем впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр с помощью распыляющих форсунок (инжекторов). Существует ряд систем с одним впрыском (моновпрыском), а также различные механические и электронные системы впрыска. В системах механического впрыска топливо дозируется поршневым и рычажным механизмом с возможностью электронной регулировки состава смеси. В электронных системах смесь дозируется электронным блоком управления (ЭБУ), который управляет электрическими бензиновыми форсунками.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением от сжатия без свечи зажигания. Часть топлива впрыскивается в нагретый воздух в цилиндре во время адиабатического сжатия (до температуры выше температуры воспламенения) через форсунку впрыска. В процессе впрыска топливная смесь распыляется, и горение происходит вокруг отдельных капель топливной смеси, по мере впрыска топливная смесь вспыхивает.

Поскольку дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с искровым зажиганием, возможны более высокие степени сжатия (до 26), что в сочетании с длительным временем сгорания при постоянном рабочем давлении благоприятно сказывается на КПД этого типа двигателя, который может превышать 50% для больших судовых двигателей.

Дизельные двигатели имеют более низкую частоту вращения и более высокий крутящий момент на валу. Кроме того, некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых видах топлива, таких как мазут. Большие дизельные двигатели обычно запускаются либо с помощью пневматического контура с подачей сжатого воздуха, либо, в случае дизель-генераторных установок, с помощью подключенного электрогенератора, который выполняет функцию стартера во время запуска.

Вопреки распространенному мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по дизельному циклу, а по циклу Тринклера-Сабато со смешанным вводом тепла.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены спецификой рабочего цикла — большими механическими нагрузками, что требует большей прочности конструкции и, соответственно, увеличения размеров, веса и стоимости из-за более сложной конструкции и использования более дорогих материалов. Кроме того, дизельные двигатели из-за гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые двигатели

Двигатель, в котором в качестве топлива обычно сжигаются углеводороды в газообразном состоянии:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне при давлении насыщенных паров (до 16 атм). Жидкая или паровая фаза смеси, испарившаяся в испарителе, постепенно понижается до давления, близкого к атмосферному, в газовом регуляторе и всасывается во впускной коллектор двигателя через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор с помощью электрических форсунок. Зажигание происходит за счет искры между электродами свечи зажигания.
  • Сжатый природный газ — хранится в баллоне под давлением 150-200 атм. Конструкция систем подачи аналогична конструкции систем подачи сжиженного нефтяного газа; разница заключается в отсутствии испарителя.
  • Генераторный газ — газ, получаемый при преобразовании твердого топлива в газообразное. Используются следующие виды твердого топлива:
    • уголь
    • торф
    • дерево

Газодизельные

Основная часть топлива готовится, как в газовом двигателе, но воспламеняется с помощью запальника, а не электрической свечи зажигания, и впрыскивается в цилиндр, как в дизельном двигателе.

Роторно-поршневой

Диаграмма цикла двигателя Ванкеля: впуск, сжатие, зажигание, выпуск; А — треугольный ротор (поршень), Б — вал.

Он был изобретен изобретателем Ванкелем в начале 20-го века. В основе двигателя лежит треугольный ротор (поршень), который вращается в специальной 8-образной камере, выполняя функции поршня, коленчатого вала и газораспределителя. Эта конструкция позволяет использовать любой 4-тактный дизель, цикл Стирлинга или Отто без специального механизма синхронизации. За один оборот двигатель совершает три полных цикла, что эквивалентно шестицилиндровому поршневому двигателю. Серийно выпускался компанией NSU в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526) и Mazda в Японии (Mazda RX-7, Mazda RX-8). Несмотря на свою простоту, в принципе он имеет ряд существенных конструктивных трудностей, что делает его повсеместное внедрение довольно сложным. Основные трудности связаны с созданием постоянных эффективных уплотнений между ротором и камерой и конструкцией системы смазки.

В Германии в конце 1970-х годов ходила шутка: «Я дам вам два колеса, фару и 18 запасных двигателей в хорошем состоянии».

  • RCV — это двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализуется за счет движения поршня, совершающего возвратно-поступательные движения попеременно через впуск и выпуск.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

  •  — Двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию поршневых и лопастных машин (турбина, компрессор), в котором обе машины участвуют в процессе сгорания сопоставимым образом. Примером комбинированного двигателя внутреннего сгорания является поршневой двигатель с газовой турбиной с наддувом (турбокомпрессором). Советский инженер, профессор А. Н. Шелест, внес большой вклад в теорию двигателей комбинированного цикла.

Турбонагнетание

Наиболее распространенным типом двигателя с комбинированным циклом является поршневой двигатель с турбонаддувом.
Турбокомпрессор или турбонагнетатель (TC, TH) — это турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами. Свое название он получил от слова «турбина» (фр. turbine от латинского turbo — вихрь, поворот). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, установленного на противоположных концах общего вала.

Поток рабочей жидкости (в данном случае выхлопного газа) воздействует на лопатки, закрепленные по периферии ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовлен за одно целое с ротором турбины из сплава, подобного легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплена крыльчатка компрессора, изготовленная из алюминиевого сплава, которая позволяет нагнетать воздух в цилиндры двигателя внутреннего сгорания при вращении вала. Таким образом, в результате воздействия выхлопного газа на лопатки турбины, ротор турбины, вал и ротор компрессора вращаются одновременно. Использование турбокомпрессора вместе с интеркулером позволяет подавать в цилиндры двигателя более плотный воздух (в современных двигателях с турбонаддувом используется именно такая схема). Часто, когда турбокомпрессор используется в двигателе, его называют турбиной, не упоминая компрессор. Турбокомпрессор — это одно. Невозможно использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, используя только турбину. Именно часть турбокомпрессора, называемая компрессором, обеспечивает наддув.

На холостом ходу, на низких оборотах, турбокомпрессор генерирует небольшое количество мощности и приводится в движение небольшим количеством выхлопных газов. В этом случае турбокомпрессор неэффективен, и двигатель работает примерно так же, как и двигатель без наддува. Когда от двигателя требуется значительно большая мощность, обороты двигателя увеличиваются, а также увеличивается зазор дроссельной заслонки. Пока выхлопных газов достаточно для вращения турбины, через впускной трубопровод подается гораздо больше воздуха.

Турбонаддув позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку турбина использует энергию выхлопных газов, которая в противном случае (в основном) теряется.

Однако существует технологическое ограничение, известное как «запаздывание турбонаддува» («turbo lag») (за исключением случаев двигателей с двойным турбонаддувом — малым и большим — где малый турбонаддув работает на низких оборотах, а большой — на высоких, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры, или если используется турбонаддув с изменяемой геометрией, в автоспорте также используется принудительный турборазгон с системой рекуперации энергии[2]). Мощность двигателя не увеличивается мгновенно, как потому, что двигателю, обладающему определенной инерцией, требуется время для изменения скорости, так и потому, что чем больше масса турбины, тем больше времени требуется для ее раскрутки и создания давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное давление выхлопных газов приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается японскими и корейскими производителями двигателей путем установки дополнительной системы охлаждения антифриза на турбокомпрессор).

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл

Четырехцилиндровый двигатель, цикл Отто
1. прием
2. сжатие
3. инсульт
4. выхлоп

Рециркуляционные двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырехтактные.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания длится два полных оборота кривошипа, или 720 градусов поворота коленчатого вала (PCV), и состоит из четырех отдельных тактов:

  1. принимать,
  2. сжатие заряда,
  3. инсульт и
  4. впускные и выпускные штрихи.

Рабочие циклы обеспечиваются специальным механизмом газораспределения, обычно состоящим из одного или двух распределительных валов, системы толкателей и клапанов, которые непосредственно обеспечивают изменение фаз. В некоторых двигателях внутреннего сгорания для этой цели использовались золотниковые вставки (Ricardo) с впускными и/или выпускными отверстиями. Связь полости цилиндра с коллекторами в данном случае обеспечивалась радиальными и вращательными движениями гильзы золотника, при этом окна открывали необходимый канал. Из-за особых свойств газодинамики — инерции газа, времени заводки газа и времени впуска и выпуска в реальном четырехтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения клапанов. Чем выше обороты двигателя, тем больше перекрытие, а чем больше перекрытие, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. В связи с этим современные двигатели внутреннего сгорания все чаще оснащаются устройствами, позволяющими изменять фазы газораспределения во время работы. Двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda) особенно подходят для этой цели. Также доступны двигатели с переменной степенью сжатия (SAAB AB) с большей гибкостью.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип работы любого двухтактного двигателя заключается в том, что поршень действует как газораспределительный элемент. Строго говоря, рабочий цикл состоит из трех тактов: такта, длящегося от верхней мертвой точки (ВМТ) до 20-30 градусов до нижней мертвой точки (НМТ), предварительного наддува, который фактически объединяет впуск и выпуск, и сжатия, длящегося от 20-30 градусов после ВМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, является слабым звеном двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно добиться полного отделения свежего заряда от выхлопа, поэтому либо происходит потеря свежей смеси, буквально выливающейся в выхлоп (если двигатель внутреннего сгорания дизельный, то речь идет о потере воздуха), с другой стороны, ход длится менее полуоборота, что само по себе снижает КПД. В то же время продолжительность чрезвычайно важного процесса газообмена, который в четырехтактном двигателе занимает половину времени цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газообмена. Однако, если речь не идет об упрощенных, недорогих двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже из-за обязательного использования нагнетателя или системы наддува, более высокая теплоотдача через головку цилиндра требует более дорогих материалов для поршней, колец и гильз цилиндров. Функция поршня как элемента газораспределения требует, чтобы его высота была не меньше хода поршня + высота окон решетки, что для мопеда не критично, но создает значительную нагрузку на поршень при относительно небольшой мощности. Когда мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение веса поршня становится очень серьезным фактором. Введение распределительных втулок с вертикальным ходом на двигателях Ricardo было попыткой уменьшить размер и вес поршня. Система оказалась сложной и дорогой в реализации, и, кроме авиации, такие двигатели больше нигде не использовались. Выпускные клапаны (с прямой продувкой клапанов) имеют вдвое большую тепловую нагрузку по сравнению с выпускными клапанами четырехтактных двигателей и худший теплоотвод, поскольку их седла дольше находятся в непосредственном контакте с выхлопными газами.

Самой простой в плане эксплуатации и самой сложной по конструкции является система «Корейво», представленная в СССР и России в основном дизелем серии Д100 и танковым дизелем серии КЗТМ. Этот двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых соединен с собственным коленчатым валом. Поэтому этот двигатель имеет два механически синхронизированных коленчатых вала, причем коленчатый вал, связанный с выпускными поршнями, опережает впускной коленчатый вал на 20-30 градусов. Благодаря этому улучшается качество вытяжки, которая в данном случае является прямой, улучшается наполнение цилиндра, так как в конце вытяжки выпускные окна уже закрыты. В 1930-40-х годах были предложены схемы с попарно расходящимися поршнями — ромбовидные, треугольные; существовали аэродизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, два из которых были впускными, а один выпускным. В 1920-х годах Юнкерс предложил одновальную схему с длинными шатунами, соединенными с верхними поршневыми пальцами специальными рычагами; верхний поршень передавал усилия на коленчатый вал через пару длинных шатунов, и на каждый цилиндр приходилось по три шатуна. Также были квадратные поршни с продуваемой полостью на коромыслах. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любого расположения имеют в основном два недостатка: во-первых, они достаточно сложны и негабаритны, а во-вторых, выпускные поршни и вкладыши в области выпускного окна испытывают значительные тепловые напряжения и склонны к перегреву. Выхлопные поршневые кольца также подвергаются термической нагрузке, склонны к коксованию и теряют гибкость. Эти особенности делают проектирование таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямым наддувом оснащены распределительным валом и выпускными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и конструкции головки блока цилиндров. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, которые открываются поршнем. Именно так устроено большинство современных двухтактных дизельных двигателей. Во многих случаях область окна и вкладыш в нижней части охлаждаются наддувным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является то, что он должен быть дешевле, применяются различные типы стекол картера — навесные, возвратные (дефлекторные) в различных модификациях. Для улучшения характеристик двигателя используются различные методы проектирования — можно варьировать длину впускных и выпускных отверстий, изменять количество и расположение перепускных отверстий, использовать золотники, поворотные газовые запорные клапаны, вставки и жалюзи для изменения высоты окон (и начальных точек впуска и выпуска соответственно). Большинство этих двигателей имеют воздушное и пассивное охлаждение. Их недостатками являются относительно низкое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при нескольких цилиндрах секции кривошипа приходится разделять и уплотнять, конструкция коленчатого вала становится более сложной и дорогой.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они достигают своей пиковой производительности только в узком диапазоне скоростей. Поэтому трансмиссия является неотъемлемой принадлежностью двигателя внутреннего сгорания. Сложные передачи необходимы лишь иногда (например, для самолетов). Идея гибридного автомобиля, в котором двигатель всегда работает в оптимальном режиме, постепенно набирает популярность.

Кроме того, двигатель внутреннего сгорания нуждается в системе питания (для подачи топлива и воздуха — для приготовления топливно-воздушной смеси), системе выпуска (для отвода отработавших газов), также в системе смазки (для снижения сил трения в механизмах двигателя, для защиты деталей двигателя от коррозии, и с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системе охлаждения (для поддержания оптимального теплового режима двигателя), системе запуска (используемые способы запуска: электростартер, выхлопные трубы и т. д.).

Технологические особенности изготовления

Высокие требования предъявляются к обработке отверстий в различных деталях, включая детали двигателя (отверстия в головке блока цилиндров, гильзах цилиндров, отверстия в шатуне и головке поршня, отверстия в шестернях) и так далее. Используются высокоточные процессы шлифования и хонингования.

Поршневые двигатели

Поршень

Двигатели

Содержание

Связанный

Ссылки

Узнайте, как работают поршневые двигатели

Знание некоторых общих принципов работы двигателя

эксплуатация помогает пилотам эффективно управлять двигателями,

продлевает срок службы силовой установки и

помогает избежать отказов двигателя.

Основные принципы работы поршневых двигателей

Наиболее распространены поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением.

силовые установки на самолетах авиации общего назначения. Эти

двигатели практически идентичны автомобильным двигателям,

за тремя важными исключениями:

  1. Большинство авиационных двигателей имеют воздушное охлаждение. Этот

    подход экономит вес радиатора и охлаждающей жидкости

    и добавляет меру безопасности. Потеря охлаждающей жидкости или

    выход из строя системы охлаждения двигателя с жидкостным охлаждением

    двигатель быстро приводит к полному отказу двигателя.

  2. Авиационные двигатели имеют двойную систему зажигания, с

    энергия для создания искры, генерируемой магнето.

    Магнето, вращаемое коленчатым валом, не зависит

    на авиабатарейке. Каждый цилиндр также имеет два

    Свечи зажигания. Если один штекер или магнето выходит из строя, другой

    обеспечивает искру для сжигания топлива.

  3. Поскольку авиационный двигатель работает в течение

    широкий диапазон высот, регуляторы мощности включают

    ручное управление смесью, которое пилот использует для

    поддерживать правильное соотношение воздух/топливо, так как самолет

    поднимается и опускается.

Четырехтактный цикл

Типичный поршневой двигатель работает по

четырехтактный цикл.

Впуск: Поршень движется вниз в

цилиндр, всасывающий воздух и топливо через открытый

впускной клапан.

Компрессия: Клапаны впускные и выпускные в

цилиндр закрывается и поршень движется вверх в

цилиндр, сжимающий топливно-воздушную смесь.

Мощность: Когда поршень приближается к верхней части

цилиндра на такте сжатия, разрыв

электричество от системы зажигания генерирует искру

в свечах зажигания. Искры воспламеняют воздух/топливо

смесь, которая быстро расширяется при горении. Сила

этого расширения толкает поршень обратно вниз в

цилиндр. При движении поршня вниз он поворачивает

коленчатый вал, который вращает гребной винт.

Выхлоп: Когда поршень достигает дна

цилиндра открывается выпускной клапан. поршень

затем возвращается в цилиндр, выталкивая сгоревший

топливно-воздушной смеси из цилиндра.

Каждый цилиндр выполняет эти четыре такта за

оборот, следя за тем, чтобы хотя бы один поршень всегда

производящая мощность.

Карбюраторы и топливные форсунки

Большинство поршневых двигателей, используемых в самолетах, имеют

карбюратор или система впрыска топлива для подачи топлива и

воздуха в цилиндры. Карбюратор смешивает топливо и воздух

до того, как он попадет в цилиндры. Карбюраторы распространены

на меньших двигателях, потому что они относительно

недорогой. Большие двигатели обычно имеют впрыск топлива.

системы, которые впрыскивают топливо прямо в цилиндры,

где он смешивается с воздухом во время всасывания

Инсульт.

Системы зажигания

Система зажигания обеспечивает искру для воспламенения

воздушно-топливной смеси в цилиндрах поршневого двигателя.

Большинство современных авиационных двигателей используют магнето для генерации

Искра. Хотя и не такой изощренный, как

электронные системы зажигания, применяемые в новейших автомобилях,

Магнето полезны в самолетах, потому что:

  • Они производят более горячую искру при высоких оборотах двигателя.

    чем аккумуляторная система, используемая в автомобилях.

  • Они не зависят от внешнего источника

    энергии, такой как батарея, генератор или

    генератор.

Начало работы

Магнето вырабатывают электричество при вращении. Итак, чтобы

запустить двигатель, пилот должен включить

аккумуляторный стартер, который вращает коленчатый вал.

После того, как магнето начинают вращаться, они подают

искра на каждый цилиндр для воспламенения воздушно-топливной смеси

и система запуска отключена. Батарея нет

больше не принимает участия в работе двигателя. Если

выключатель батареи (или главный) выключен,

двигатель продолжает работать.

Двойное зажигание

Большинство авиационных двигателей оснащены двойным зажиганием.

система — два магнето, питающих электричеством

тока на две свечи зажигания на каждый цилиндр. Один

система магнето подает ток на один набор

заглушки; вторая система подает ток на

другой комплект заглушек. Вот почему зажигание включено

Cessna Skyhawk SP Model 172 (отмечен как

MAGNETO на некоторых самолетах) имеет пять позиций:

ВЫКЛ , л ( слева ), р

( справа ), ОБА , и СТАРТ . С

переключатель в положении L или R , только один

магнето подает ток и только один комплект искры

пробки загораются. С выключателем ОБА

положение, оба магнето подают ток и оба набора

свечи горят.

Преимущества двойного зажигания

Самолеты имеют двойную систему зажигания для безопасности и

эффективность.

  • При выходе из строя одной магнето двигатель может

    работайте в другой системе, пока не сможете сделать безопасный

    посадка.

  • Две свечи зажигания улучшают горение и сгорание

    смесь, обеспечивающая улучшенные характеристики.

Управление системой зажигания

Вы должны повернуть ключ зажигания в положение ОБА

после запуска двигателя и оставить на ОБА

во время полета. Выключите его OFF после выключения

двигатель. Если оставить зажигание включенным

ОБА (или L или R ), двигатель может

возгорание, если винт перемещается снаружи

самолете, даже если главный выключатель

выключенный.

Проверка перед взлетом

Чтобы убедиться, что обе системы зажигания работают

должным образом, проверьте каждую систему во время запуска двигателя

перед взлетом. Обычная процедура заключается в установке

мощность около 1700 об/мин. Поверните ключ зажигания из

ОБА до R , затем обратно к ОБА , затем

до L , а потом обратно до ОБЕ . Вам следует

наблюдайте небольшое падение оборотов каждый раз, когда вы переключаетесь с

ОБА по R или L . Если оба

магнето работают нормально, капля должна быть

не более 75 об/мин.

Выключение двигателя

Вы не должны останавливать поршневой двигатель, поворачивая

замок зажигания на ВЫКЛ . Вместо этого переместите

регулятор смеси в положение отсечки холостого хода для выключения

подача топлива в цилиндры. После двигателя

останавливается, поверните ключ зажигания в положение OFF . Этот

процедура гарантирует, что топливо не останется в цилиндрах

и что двигатель не запустится случайно, если кто-то

поворачивает винт или если нагар откладывается внутри

цилиндры создают горячие точки, которые воспламеняют остаточные

топливо.

Органы управления поршневым двигателем

Большинство современных поршневых двигателей имеют два или три основных

контролирует.

  • A дроссельная заслонка , управление, которое имеет больше всего

    прямое влияние на мощность.

  • Управление воздушным винтом (если самолет

    оснащен винтом постоянной скорости) для регулировки

    скорость вращения винта, измеренная в

    оборотов в минуту (об/мин).

  • Регулятор смеси для регулировки соотношения воздух/топливо

    смеси при наборе высоты и снижении самолета.

Карбюраторные двигатели также имеют подогрев карбюратора для

предотвращения образования или таяния льда в карбюраторе.

Двигатели мощностью около 200 лошадиных сил и более обычно имеют

закрылки капота, чтобы позволить пилоту регулировать количество

охлаждающий воздух, обтекающий двигатель. Открытие

заслонки капота особенно важно во время большой мощности

операций, таких как взлет и продолжительное

поднимается.

Воздушные винты

Поршневые двигатели обычно подключаются к

винт фиксированного шага или винт постоянной скорости.

Гребные винты фиксированного шага крепятся болтами непосредственно к

коленчатый вал двигателя и поэтому всегда поворачивайте

с той же скоростью, что и двигатель. Винт с фиксированным шагом

что-то вроде коробки передач только с одной передачей. Этот

конфигурация компенсирует свою неэффективность за счет

будучи очень простым в эксплуатации. Единственный датчик, который вы

нужно следить за тахометром.

Винт постоянной скорости имеет регулятор

который регулирует угол лопастей, чтобы поддерживать

выбранных вами оборотов. Этот тип пропеллера делает гораздо больше

эффективное использование мощности двигателя. На малой скорости, когда

требуется максимальная мощность (как при взлете), вы

выберите максимальные обороты или «полное увеличение» с помощью

управление винтом, а лопасти винта соответствуют

воздуха под небольшим углом. Во время круиза вы регулируете обороты

на более низкую настройку, и лезвия кусают больше

воздуха при уменьшении скорости.

Управление мощностью

С винтом фиксированного шага управление мощностью

просто. Нажмите на дроссельную заслонку, и обороты (и мощность)

увеличивается. Вытяните дроссельную заслонку, и обороты уменьшатся. Быть

известно, однако, что с увеличением воздушной скорости число оборотов в минуту стремится

тоже подползти. Внимательно следите за тахометром

при спусках на высокой скорости убедиться, что обороты

остается в пределах.

Винт с постоянной скоростью вращения делает управление питанием

немного сложнее. Вы должны следить за коллектором

манометр, управляемый дроссельной заслонкой, и

тахометр, показывающий обороты винта. Вы корректируете

об/мин с управлением пропеллером.

При установке мощности с винтом с постоянной скоростью вращения,

запомнить эти основные правила, чтобы не перенапрягать

двигатель:

Для увеличения мощности

  1. Увеличение оборотов путем опережения гребного винта

    контроль.

  2. Увеличьте давление в коллекторе с помощью

    дроссель.

Для уменьшения мощности

  1. Уменьшите давление в коллекторе с помощью

    дроссель.

  2. Уменьшить обороты с помощью гребного винта

    контроль.

Двигатели с карбюраторами

Многие авиационные поршневые двигатели используют карбюраторы для

смешивание воздуха и топлива для создания горючей смеси

что горит в цилиндрах.

Как работает карбюратор

Наружный воздух проходит через воздушный фильтр, затем в

карбюратор. Воздух проходит через трубку Вентури,

узкое горло в карбюраторе. Воздух ускоряется в

трубку Вентури и давление в ней падает в соответствии с

Принцип Бернулли. Частичный вакуум нагнетает топливо

втекать через струю в воздушный поток, где он смешивается

с набегающим воздухом. Затем воздушно-топливная смесь течет

во впускной коллектор, который направляет его к каждому

цилиндр.

Правильное соотношение

Карбюратор смешивает воздух и топливо по весу. Поршень

двигатели обычно развивают максимальную мощность, когда

смесь воздух/топливо составляет около 15:1.Карбюраторы

откалиброван при давлении на уровне моря для измерения правильного

количество топлива при контроле смеси в полном объеме

богатое положение. С увеличением высоты плотность воздуха

уменьшается. Чтобы компенсировать эту разницу, пилот

использует регулятор смеси для регулировки воздушно-топливной смеси

попадание в камеру сгорания.

Для контроля количества топлива, которое смешивается с

воздуха, в большинстве карбюраторов используется поплавок в топливной камере. А

игла, прикрепленная к поплавку, открывает и закрывает

отверстие в топливопроводе, дозирование правильного количества

топлива в карбюратор. Положение поплавка,

контролируется уровнем топлива в поплавковой камере,

определяет, когда клапан открывается и закрывается.

Running Rich

Слишком богатая топливно-воздушная смесь, т.е.

он содержит слишком много топлива — вызывает чрезмерное количество топлива

расход, неровная работа двигателя и потеря мощности.

Работа двигателя на слишком богатой смеси также приводит к охлаждению двигателя.

что приводит к снижению температуры горения ниже нормы.

камеры, что приводит к загрязнению свечей зажигания, среди

другие проблемы.

Работа на обедненной смеси

Работа со слишком бедной смесью — слишком мало

топлива на нынешний вес воздуха — получается

неровная работа двигателя, детонация, перегрев и

потеря мощности.

Карбюратор Ice

Испарение топлива и расширение воздуха в

карбюратор вызывает резкое охлаждение воздуха/топлива

смесь. Температура может упасть до 60 F (15

в) за долю секунды. Это охлаждение вызывает

водяной пар в воздухе конденсируется, и если

температура в карбюраторе достигает 32 градусов по Фаренгейту (0

в) вода замерзает в каналах карбюратора.

Даже незначительное накопление этого депозита может ограничить

поступление воздуха в карбюратор, снижение мощности.

Обледенение карбюратора также может привести к полной поломке двигателя.

неисправности, особенно когда дроссельная заслонка частично или

полностью закрыт.

Условия обледенения

В сухие дни или когда температура значительно ниже

мороза, влага в воздухе обычно не

привести к обледенению карбюратора. Но если температура между

20 F (-7 C) и 70 F (21 C), с видимой влажностью или

высокая влажность, пилот должен постоянно находиться на

оповещение об обледенении карбюратора.

Признаки обледенения карбюратора

Для самолетов с винтами фиксированного шага первый

Признаком обледенения карбюратора является падение оборотов на

тахометр. Для самолетов с регулируемым шагом

(постоянной скорости) пропеллеры, первое указание

обычно падение давления в коллекторе. В обоих случаях

двигатель может начать работать неровно. В самолетах с

гребные винты с постоянной скоростью вращения, число оборотов в минуту остается постоянным.

Оттаивание

Для предотвращения образования льда в карбюраторе и

устранить образующийся лед, карбюраторы оснащены

обогреватели. Подогреватель карбюратора предварительно нагревает воздух перед

доходит до карбюратора. Этот предварительный нагрев растапливает лед или

снег, попадая в водозабор, растапливает лед, образующийся в

проходы карбюратора (при условии, что скопление не

слишком большой) и удерживает воздушно-топливную смесь выше

замораживание для предотвращения образования льда в карбюраторе.

Использование обогрева карбюратора

При полете в условиях, благоприятных для карбюратора

обледенения, следите за приборами двигателя, чтобы следить за

признаки образования льда. Если вы подозреваете, что

обледенение карбюратора, включить полный обогрев карбюратора

немедленно. Оставьте его включенным до тех пор, пока не убедитесь, что

весь лед снят. Применение частичного нагрева или

оставлять тепло на слишком короткое время может усугубить

ситуация.

При первом включении подогрева карбюратора ожидайте падения

в об/мин на самолетах с фиксированным шагом

пропеллеры; в самолетах с постоянной скоростью

гребные винты, ожидайте падения давления в коллекторе. Если нет

наличие льда в карбюраторе, обороты или давление во впускном коллекторе

останется ниже нормы, пока карбюратор не нагреется.

выключен. Если на карбюраторе присутствует лед, ожидайте

повышение оборотов или давления в коллекторе после первоначального падения

(часто сопровождается периодическими неровностями двигателя).

Когда вы отключаете обогрев карбюратора, обороты или коллектор

давление поднимается выше значения до подачи тепла.

Двигатель также должен работать более плавно после гололеда.

растаял.

В крайних случаях обледенения карбюратора, после обледенения

был удален, вам может потребоваться применить достаточно

обогрев карбюратора для предотвращения дальнейшего образования льда.

Нагрев карбюратора как мера предосторожности

Всякий раз, когда дроссель закрыт во время полета,

особенно когда готовишься к посадке двигатель остывает

быстро и испарение топлива менее полное

чем если двигатель прогрет. Если вы подозреваете карбюратор

обледенения, включите полный обогрев карбюратора перед

закрыть дроссельную заслонку и оставить обогрев включенным.

Повышенная мощность

Использование тепла карбюратора снижает мощность

двигатель и увеличить работу двигателя

температура. Поэтому не используйте обогрев карбюратора, когда

нужна полная мощность (как при взлете) или во время

нормальную работу двигателя, за исключением проверки

наличие или удаление льда из карбюратора.

Двигатели с впрыском топлива

Поршневые двигатели мощностью более 200 л.с.

часто используют систему впрыска топлива, а не

карбюратор.

Система впрыска топлива впрыскивает топливо непосредственно в

цилиндров или непосредственно перед впускным клапаном.

затем топливо смешивается с воздухом в цилиндрах. Потому что это

тип системы требует насосов высокого давления,

блок управления воздухом/топливом, распределитель топлива и

нагнетательные форсунки для каждого цилиндра, это вообще

дороже карбюратора.

Как и в случае двигателя с карбюратором,

пилот контролирует подачу топлива, регулируя

контроль смеси.

Преимущества впрыска топлива

Впрыск топлива имеет ряд преимуществ перед

карбюраторная топливная система, которые компенсируют его

большая стоимость и сложность.

  • Отсутствие возможности обледенения карбюратора (хотя воздействие

    лед может блокировать воздухозаборники).

  • Улучшенный поток топлива.
  • Более быстрая реакция дроссельной заслонки.
  • Точный контроль смеси.
  • Лучшее распределение топлива.
  • Легкий запуск в холодную погоду.

Недостатки впрыска топлива

Впрыск топлива имеет некоторые недостатки,

самое важное из них:

  • Проблемы с запуском горячего двигателя.
  • Паровые пробки при наземных работах на горячих

    дней.

  • Затрудненный перезапуск двигателя, который останавливается при

    результат топливного голодания.

— Топ —

Основы работы с поршневыми двигателями – Учебная академия FSAC

Необходимые знания:
Нет
​
​Поршневые двигатели используются в самых разных самолетах, от однодвигательных самолетов авиации общего назначения до четырехдвигательных коммерческих самолетов. Они бывают разных аранжировок, но все они имеют одни и те же основные принципы. В этой статье мы рассмотрим, как работают поршневые двигатели, и какие формы они могут принимать.

Цилиндр
Сердцем всех поршневых двигателей являются цилиндры. В цилиндрах генерируется вся мощность двигателя, и они содержат несколько ключевых компонентов. Внутри цилиндра воспламеняются топливо и воздух, и сила сгорания используется для приведения в действие пропеллера. Важно отметить, что когда топливо и воздух сгорают внутри цилиндра, это не  взрыв, а постепенное и прогрессирующее сгорание топлива. Явление взрыва топлива/воздуха, а не контролируемого сгорания, известно как детонация, и оно обсуждается ниже.

  • Блок цилиндров:  Весь блок, содержащий весь цилиндр и все его узлы
  • Впуск:  Место, где топливно-воздушная смесь входит в цилиндр сгорания. Клапан, который контролирует, когда воздушно-топливная смесь может попасть в камеру сгорания, – это впускной клапан  .
  • Выхлоп:  Там, где сгоревшие выхлопные газы выходят из камеры сгорания. выпускной клапан  регулирует, когда газы могут выходить из камеры сгорания.
  • Распределительный вал : Вал, используемый для измерения времени открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Распределительный вал соединен с коленчатым валом, но имеет редуктор, так что он вращается ровно на половине скорости коленчатого вала. Кулачок представляет собой небольшую выпуклость на распределительном валу, которая мгновенно перемещает соответствующий клапан в открытое положение при вращении распределительного вала. Пружина клапана — это то, что удерживает клапаны в закрытом положении, пока кулачок не повернется и не откроет их.
  • Коленчатый вал: Вал, приводимый в движение поршнем, обычно соединенный с гребным винтом и другими вспомогательными системами.
  • Поршень:  Часть узла, которая перемещается вверх и вниз. Сила сгорания — это то, что приводит цилиндр вниз, который затем вращает коленчатый вал. Поршень соединен с коленчатым валом через Шатун, кривошип, шатун и поршневой палец .
  • Поршневые кольца:  Кольца, расширяющиеся для герметизации зазора между поршнем и стенкой цилиндра, чтобы удерживать продукты сгорания, содержащиеся в камере сгорания.
  • Картер:  Нижняя часть всего узла, в которой находятся коленчатый вал, кривошип и шатун.
  • Свечи зажигания: Создают искру, которая используется для воспламенения топливно-воздушной смеси в определенное время.

При работающем двигателе в цилиндре одновременно происходит множество процессов. Ниже приводится хронологическое объяснение того, что именно происходит внутри цилиндра:

Современные авиационные двигатели классифицируются как четырехтактные  двигатели , что означает, что каждый «цикл» в цилиндре состоит из четырех основных ходов поршня (два, когда поршень движется вниз, и два, когда он движется вверх ). Эти четыре штриха следующие:

  1. Впуск:  Во время такта впуска поршень движется вниз. Впускной кулачок толкает впускной клапан в открытое положение, и топливно-воздушная смесь всасывается в камеру сгорания, в то время как поршень продолжает двигаться вниз.
  2. Сжатие : Во время такта сжатия впускной клапан закрывается. Поршень начинает подниматься и сжимает топливно-воздушную смесь в камере сгорания.
  3. Мощность:  Рабочий такт — это когда свеча зажигания генерирует искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь сразу после того, как поршень снова начинает двигаться вниз. Когда газы сгорают, они расширяются, толкая поршень вниз.
  4. Выхлоп:  Когда поршень снова начинает двигаться вверх, выпускной кулачок открывает выпускной клапан, позволяя отработавшим газам выйти из камеры сгорания. Когда поршень снова начинает двигаться вниз, выпускной клапан закрывается, и снова начинается четырехтактный цикл.

Поршневые двигатели также известны как «поршневые» из-за всего этого (движение поршней вверх и вниз).

Во время каждого четырехтактного цикла коленчатый вал совершает два оборота, а распределительный вал — один оборот. Это означает, что когда двигатель работает со скоростью двенадцать сотен оборотов в минуту (об/мин), коленчатый вал вращается двадцать раз в секунду. Распределительный вал будет вращаться со скоростью десять раз в секунду, и за эту секунду произойдет десять из четырех тактов (что соответствует сорока тактам за эту секунду).

Дело в том, что все происходит очень быстро, и время должно быть точным, чтобы все шло гладко. ​

В большинстве самолетов с поршневым двигателем коленчатый вал соединен непосредственно с воздушным винтом, что означает, что воздушный винт вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал.

Устройство двигателя
Одного цилиндра недостаточно для выработки мощности, достаточной для вращения гребного винта и питания любых вспомогательных устройств (например, генератора переменного тока для выработки электроэнергии). Большинство самолетов авиации общего назначения имеют двигатели с четырьмя цилиндрами. У DC-6 было четыре двигателя, по восемнадцать цилиндров в каждом. Производители могут расположить цилиндры в двигателе несколькими способами.

Горизонтально-оппозитные:  В горизонтально-оппозитной компоновке половина цилиндров размещается с одной стороны, а остальные цилиндры — с другой. Все цилиндры находятся в одной плоскости (все горизонтальны, следовательно, горизонтально, напротив). Справа изображение четырехцилиндрового двигателя Lycoming O-235, используемого для установки на Cessna 152. В O-235 используется горизонтально-оппозитный двигатель с двумя цилиндрами с одной стороны и двумя с другой.

Радиальный:  В радиальных двигателях все цилиндры установлены по кругу. Это позволяет установить больше цилиндров, чем при горизонтально расположенном расположении, а тот факт, что все цилиндры расположены спереди, означает, что все они лучше охлаждаются (двигатели с воздушным охлаждением, расположенные горизонтально-оппозитно, могут иметь проблемы с перегревом цилиндров сзади из-за они не получают большого потока воздуха). Однако радиальные двигатели имеют гораздо больший профиль и, следовательно, создают большее лобовое сопротивление, чем более тонкие горизонтально оппозитные двигатели.

Ненормальная работа поршневого двигателя
Детонация
Детонация происходит, когда топливно-воздушная смесь сгорает взрывообразно, а не постепенно в камерах сгорания. При нормальной работе горение топливно-воздушной смеси представляет собой контролируемое поступательное горение, начинающееся с верхней части камеры сгорания у свечи зажигания и двигающееся вниз. Детонация – это когда топливно-воздушная смесь воспламеняется одновременно, создавая чрезмерную силу, которая может повредить компоненты двигателя и в конечном итоге привести к его катастрофическому отказу.

Детонация может быть вызвана несколькими факторами, такими как перегрев двигателя или неправильное топливо. Топливо обычно классифицируется по октановому числу . Топливо с более высоким октановым числом может выдерживать более высокое давление в камере сгорания и, следовательно, с меньшей вероятностью детонирует.

Предварительное зажигание
Преждевременное зажигание происходит, когда топливно-воздушная смесь воспламеняется преждевременно, когда поршень еще находится в такте сжатия. Во время такта сжатия поршень движется вверх, поэтому наличие топливно-воздушной смеси в этой точке приведет к удару поршня вниз, пока он все еще пытается двигаться вверх. Это также может привести к резкому отказу двигателя.

Преждевременное зажигание может быть вызвано перегревом двигателя, некачественным топливом или минеральными отложениями в двигателе. Со временем углерод, свинец и другие минералы могут накапливаться внутри цилиндров, которые сильно нагреваются во время работы двигателя. Эти горячие точки могут воспламенить топливо до того, как загорится свеча зажигания, вызывая преждевременное зажигание. Эти минеральные наросты обсуждаются более подробно в следующей статье.