Двигатели используются во всем мире для различных целей. Двигатель внутреннего сгорания является наиболее часто используемым типом двигателя. Двигатель внутреннего сгорания — это механическая машина, сжигающая топливо внутри двигателя. Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания сильно отличаются от двигателя ЕС. В предыдущей статье мы рассмотрели двигатель внешнего сгорания (ДВС). В этой статье описывается принцип работы, компоненты и типы двигателя внутреннего сгорания.
Что такое двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель, в котором процесс сгорания топлива происходит внутри цилиндра двигателя, называется двигателем внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может использовать в качестве рабочей жидкости бензин, дизельное топливо, водород, метан и газообразное топливо пропан.
Двигатель внутреннего сгорания использует входную энергию в виде воздушно-топливной смеси для осуществления процесса сгорания внутри камеры сгорания.
При сгорании воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя создается сила высокого давления и температуры, которая действует на поршень двигателя, производя полезную работу. Когда сила действует на поршень, он движется вперед и назад, преобразуя химическую энергию топлива в механическую энергию (мощность) и двигая автомобиль.
Мощность распределяется на приводной вал через шатун и коленчатый вал двигателя. Впускные и выпускные клапаны регулируют поток рабочего топлива и отработавших газов в двигатель и из него.
Двигатель внутреннего сгорания способен обеспечить мощность 10 Вт при мощности 20×103 кВт. Электрическая мощность ДВС составляет 1000 Вт, а тепловая мощность — около 2500 Вт.
Большинство двигателей внутреннего сгорания предназначены для применения в автомобилях и требуют мощности около 102 кВт.
Двигатель IC имеет более высокий термический КПД, чем двигатель EC. Тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания составляет от 35% до 45%.
Бензиновый двигатель, дизельный двигатель, двухтактный двигатель, четырехтактный двигатель, двигатель CI и двигатель SI являются примерами двигателей внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в мотоциклах, автобусах, фургонах, грузовиках, тракторах, гибридных автомобилях и генераторах.
Работа двигателя внутреннего сгорания
В двигателе внутреннего сгорания процесс воспламенения топлива происходит внутри двигателя. В процессе сгорания топлива двигатель преобразует тепловую энергию топлива во вращательное движение. Двигатель внутреннего сгорания имеет коленчатый вал, распределительный вал, поршень, совершающий возвратно-поступательное движение, и неподвижный цилиндр. Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом:
- Всасывающий ход: Прежде всего, двигатель всасывает воздух из окружающей среды в цилиндр сжатия.
- Такт сжатия: После такта всасывания поршень, совершающий возвратно-поступательное движение внутри цилиндра сжатия, сжимает воздух под давлением и температурой. Поршень сжимает воздух до такой высокой температуры, что когда топливный насос впрыскивает топливо и смешивает его со сжатым воздухом, воздушно-топливная смесь воспламеняется и вырабатывает энергию.
- Такт расширения/мощности: Такт расширения начинается после процесса сгорания. В этом такте сгоревшая воздушно-топливная смесь проходит через расширительный клапан, который расширяет смесь. При расширении воздушно-топливной смеси поршень движется вверх и вниз. Движение поршня приводит в движение коленчатый вал, который далее приводит в движение колеса автомобиля.
- Выхлопной ход: В этом такте выхлопные газы выходят из цилиндра двигателя, впускается новый воздух, и весь цикл повторяется.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания содержит поршень, камеру сгорания, карбюратор, соединительный вал и коленчатый вал. Двигатель забирает воздух из окружающей среды и смешивает его с топливом. Поршень сжимает воздушно-топливную смесь, а свеча зажигания обеспечивает искру для начала сгорания сжатой воздушно-топливной смеси.
После сгорания воздушно-топливная смесь расширяется. Расширяющийся газ толкает поршень и вращает коленчатый вал. Наконец, это движение коленчатого вала приводит в движение колеса различных автомобилей через систему передач.
Типы двигателей внутреннего сгорания
- По количеству тактов
- Двухтактный двигатель
- Четырехтактный двигатель
- Пятитактный двигатель
- Шеститактный двигатель
- Бензиновый двигатель
- Дизельный двигатель
- Битопливный двигатель
- Цикл Отто
- Дизельный цикл
- Двойной цикл
- Двигатель с воздушным охлаждением
- Двигатель с водяным охлаждением
- Рециркуляционный двигатель
- Двигатель Ванкеля
- Авиационный двигатель
- Портативный двигатель
- Автомобильный двигатель
- Стационарный двигатель
- Двигатель с воспламенением от сжатия
- Двигатель с искровым зажиганием
- W-образный двигатель
- Горизонтальный двигатель
- Двигатель с оппозитным поршнем
- X Двигатель
- Рядный двигатель
- Вертикальный двигатель
- V-образный двигатель
- Радиальный двигатель
1) По способу зажигания
Двигатель внутреннего сгорания имеет следующие два типа в зависимости от процесса зажигания:
1) Двигатель с искровым зажиганием (SI)
Двигатель с искровым зажиганием является одним из наиболее распространенных типов двигателей внутреннего сгорания. Эти двигатели также известны как бензиновые двигатели. Работа двигателя SI сильно отличается от работы двигателя CI. Этот двигатель содержит карбюратор, свечу зажигания, топливный инжектор, впускные и выпускные клапаны, поршень, шатун и коленчатый вал.
В двигателе СИ сначала карбюратор смешивает воздух и топливо, затем направляет эту смесь в цилиндр сжатия. Поршень сжимает воздушно-топливную смесь и повышает ее температуру.
Когда поршень сжимает смесь до нужной температуры и давления, свеча зажигания генерирует искру и воспламеняет смесь. Во время такта мощности расширение сгоревшей смеси толкает поршень наружу и создает мощность для движения автомобиля.
2) Двигатель с воспламенением от сжатия
Двигатель, в котором сгорание топлива происходит за счет высокого сжатия воздуха, называется двигателем с воспламенением от сжатия (CI). Двигатель CI не требует свечи зажигания и карбюратора.
В этом двигателе внутреннего сгорания воздух всасывается в камеру сжатия, а затем поршень сжимает его до нужного уровня. После сжатия топливная форсунка впрыскивает топливо в камеру сгорания. Когда топливо соприкасается с сильно сжатым воздухом, оно воспламеняется под воздействием высокой температуры сжатого воздуха и вырабатывает энергию.
2) Типы в соответствии с рабочим циклом
1) Двигатель с циклом Отто
Двигатель, работающий по циклу Отто, известен как двигатель с циклом Отто. Цикл Отто чаще всего используется в бензиновых двигателях или двигателях SI. Этот цикл завершает цикл мощности за четыре хода поршня.
PV и TS диаграмма цикла Отто
В этом цикле объем воздушно-топливной смеси не изменяется во время тактов сжатия и выпуска, а энтальпия остается постоянной во время тактов впуска и выпуска. Эти двигатели менее мощные, чем двигатели дизельного цикла.
2) Двигатель дизельного цикла
Двигатель, работающий по циклу дизеля, известен как дизельный двигатель. Дизельные двигатели чаще всего используются в тяжелых транспортных средствах, таких как автобусы, фургоны, морские суда и тракторы.
В дизельном цикле рабочий ход происходит при постоянном давлении. Он имеет меньший КПД, чем цикл Отто при одинаковой степени сжатия. КПД дизельного цикла увеличивается за счет снижения отсечки. Однако степень сжатия у него больше, чем у цикла Отто.
3) Двигатель двойного цикла
Комбинация дизельного цикла и цикла Отто известна как двойной цикл. Этот двигатель требует больше времени для сгорания топлива. Для его установки требуется очень маленькая площадь, чем для двигателя дизельного цикла.
- Изэнтропическое сжатие (1 к 2): В этом процессе поршень двигателя сжимает газ при постоянной энтальпии. Во время этого процесса давление и температура газа увеличиваются, а объем уменьшается.
- Изохорное сжатие (фаза воспламенения): Линии 2 — 3 вышеприведенного графика представляют этот процесс. Во время этой фазы поршень продолжает сжимать газ при постоянном объеме. Когда сжатие газа достигает определенного уровня, он воспламеняется и вырабатывает энергию. Во время этого процесса давление, температура и энтальпия увеличиваются, в то время как объем остается постоянным.
- Изобарическое расширение (силовой удар): Линии 3 — 4 представляют эту фазу. В этой фазе при воспламенении газа вырабатывается энергия, которая используется для перемещения поршня. В этой фазе давление газа остается постоянным, а температура, объем и энтальпия увеличиваются.
- Изэнтропическое расширение (силовой ход): Линии 4 — 5 представляют эту фазу. В этой фазе сгоревший газ проходит через расширительный клапан, где он расширяется и действует на поршень. Эта сила газа помогает поршню двигаться вперед и назад. Движение поршня вращает коленчатый вал, который далее вращает колесо автомобиля. Во время этого процесса энтальпия остается постоянной.
- Выхлопной ход : Линия с 5 по 1 представляет этот процесс. В этой фазе отработанные газы выбрасываются из камеры сгорания в окружающую среду.
3) Типы в зависимости от расположения цилиндров
1) Горизонтально оппозитный двигатель
Цилиндры этого двигателя расположены двумя группами с каждой стороны одного коленчатого вала. Это означает, что оба цилиндра соединяются с одним коленчатым валом. Горизонтально оппозитный двигатель IC также известен как двигатель боксера или плоский двигатель.
2) Вертикальный цилиндровый двигатель
В вертикальном двигателе поршень движется вертикально внутри цилиндра сжатия. Поршень движется вверх и вниз в цилиндре, а коленчатый вал установлен под цилиндром.
3) V-образный двигатель
В V-образных двигателях цилиндры расположены по диагонали. Эти цилиндры устанавливаются таким образом, что образуют V-образную форму. Угол между цилиндрами расходится от 60 до 90 градусов.
В этой конструкции двигателя внутреннего сгорания обычно используется четное количество цилиндров. Эти типы двигателей внутреннего сгорания чаще всего используются на дорогих автомобилях и дорогих спортивных мотоциклах.
4) Радиальный двигатель
Радиальный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания. Этот двигатель имеет почти такую же конструкцию, как «колесо со спицами», где цилиндр находится вне центрального картера. Он также известен как «звездный двигатель» из-за своей звездной формы.
5) Рядный двигатель
Цилиндры этого двигателя устанавливаются по прямой линии. Поэтому он также известен как «прямой двигатель». Количество цилиндров рядного двигателя варьируется в зависимости от конструкции и требований. Этот двигатель может иметь от двух до восьми цилиндров. Это обычный двигатель. Поэтому он имеет простую конструкцию.
6) X-образный двигатель
Когда коленчатый вал соединяет два V-образных двигателя, образуется X-образный двигатель. Х-образный двигатель состоит из двух V-образных двигателей. Эти двигатели имеют историческое значение, поскольку они использовались в самолетах во время Второй мировой войны.
7) Противоположный поршневой двигатель
Этот тип двигателя имеет пары поршней. Эти поршни соосны и имеют один цилиндр сжатия. У него нет головки цилиндра. Этот цилиндр содержит поршни с обоих концов.
8) W-образный двигатель
Как и V-образный двигатель, W-образный двигатель имеет схожее название. Другими словами, если смотреть на двигатель спереди, он выглядит как буква W. В этом типе двигателя используется несколько групп цилиндров (обычно 3 или 4) на одном коленчатом валу.
4) По типу используемого топлива
1) Бензиновый двигатель
Двигатель, вырабатывающий энергию за счет сгорания бензина, называется бензиновым. В бензиновом двигателе используется смесь воздуха и топлива.
Этот двигатель всасывает воздух из атмосферы, смешивает его с топливом и сжимает. Когда сжатие завершается, свеча зажигания поджигает воздушно-топливную смесь и вырабатывает энергию. Эти двигатели имеют более низкую стоимость, чем дизельные двигатели. Однако они потребляют больше топлива, чем дизельные двигатели.
2) Дизельный двигатель
Основная статья: Дизельный двигатель
Двигатель, вырабатывающий энергию за счет сгорания дизельного топлива, называется дизельным двигателем. Для получения энергии этот двигатель сжимает только воздух. Ему не нужна свеча зажигания для воспламенения. В этом двигателе сгорание топлива происходит за счет высокого сжатия воздуха.
Эти двигатели потребляют меньше топлива, чем бензиновые. Однако они более дорогие.
3) Битопливный двигатель
Этот двигатель IC является последней версией двигателя Отто. Он способен использовать либо бензин, либо природный газ. Это означает, что данный двигатель имеет двухтопливную систему (бензиновая система и система природного газа).
5) Типы по количеству тактов
1) Двухтактный двигатель IC
Двухтактный двигатель завершает цикл мощности всего за два хода поршня. Этот двигатель использует только один оборот коленчатого вала для завершения цикла мощности. Он развивает мощность быстрее, чем четырехтактный двигатель.
2) Четырехтактный двигатель
Четырехтактный двигатель завершает цикл мощности после двух оборотов коленчатого вала или четырех ходов поршня. Эти двигатели имеют высокий КПД, но низкую мощность по сравнению с двухтактными двигателями. Четырехтактные двигатели чаще всего используются в грузовиках, автобусах, фургонах, тракторах и многих других тяжелых транспортных средствах.
3) Пятитактный двигатель
В 1879 году Николаус Отто разработал двигатель двойного расширения с двумя малыми цилиндрами, расположенными рядом с большим цилиндром низкого давления, в котором происходило второе расширение выхлопной трубы.
В 1906 году эта концепция была включена в транспортные средства EHV. В 21 веке компании Ilmor удалось разработать и испытать 5-тактный двигатель внутреннего сгорания двойного расширения с низким удельным расходом топлива (SFC) и высокой производительностью.
4) Шеститактный двигатель
Двигатель, который завершает цикл мощности после трех оборотов коленчатого вала, известен как шеститактный двигатель. Шеститактный двигатель был изобретен в 1883 году.
Все четыре типа 6-тактных двигателей имеют обычные цилиндры (Crower 6-stroke, Velozeta 6-stroke, Bajulaz 6-stroke и Griffin 6-stroke) с обычными поршнями и делают три оборота коленчатого вала за каждый такт.
6) По конструкции двигателя
1) Поршневой двигатель
Поршневой двигатель имеет поршень, который движется внутри цилиндра двигателя. Этот поршень совершает возвратно-поступательное движение.
При сгорании воздушно-топливной смеси в двигателе выделяется большое количество тепловой энергии. Выделяющаяся тепловая энергия заставляет поршень совершать возвратно-поступательное движение внутри цилиндра.
Когда поршень получает движение, он передает его коленчатому валу, который переводит возвратно-поступательное движение поршня во вращательное и приводит в движение колеса автомобиля.
2) Роторный двигатель
Основная статья: Роторный двигатель Ванкеля
В этом двигателе внутреннего сгорания вместо поршня используется ротор. При сгорании топлива вырабатывается энергия, которая воздействует на ротор, приводя в движение колеса. Двигатели Ванкеля не используются в автомобилях, потому что они потребляют больше топлива, чем поршневые двигатели. Кроме того, эти двигатели имеют высокий уровень выбросов.
7) По охлаждению
Двигатели внутреннего сгорания имеют следующие типы в зависимости от системы охлаждения:
1) Двигатель с воздушным охлаждением
Двигатель, в котором для охлаждения используется воздух, называется двигателем с воздушным охлаждением.
2) Двигатель с водяным охлаждением
Двигатель, в котором для охлаждения используется вода, называется двигателем с водяным охлаждением.
Части двигателя внутреннего сгорания
- Цилиндр
- Головка цилиндра
- Поршень
- Поршневые кольца
- Клапаны
- Шатун
- Коленчатый вал
- Картер
- Маховик
1) Цилиндр
- Цилиндр изготавливается из стальных или алюминиевых сплавов.
- Внутри цилиндра поршень движется вперед и назад для передачи энергии.
- Это приводит к повышению давления и температуры внутри цилиндра двигателя.
2) Головка цилиндра
- Она крепится в верхней части цилиндра двигателя.
- Изготавливается из стальных или алюминиевых сплавов.
- Изготавливается методом литья.
- Медная или асбестовая прокладка прикладывается к цилиндру, а затем к головке цилиндра для обеспечения герметичности.
3) Поршень
- Поршень двигателя IC чаще всего изготавливается из алюминиевых сплавов.
- Важной функцией поршня является передача мощности, обеспечиваемой сгоревшей воздушно-топливной смесью, на коленчатый вал.
4) Поршневые кольца
- Поршневое кольцо — это круглое кольцо, изготовленное из типичного стального сплава.
- Поршневое кольцо указывает на канавки по окружности поршня.
- Поставляются 2 комплекта уплотнительных колец, где верхнее уплотнительное кольцо может предотвратить утечку газа сгорания в нижнюю часть, а нижнее уплотнительное кольцо может предотвратить утечку масла в цилиндр двигателя.
- Оно может сохранять свою эластичность даже при высоких температурах.
- Сальник поршня оснащен герметичным уплотнением.
5) Клапаны
- Клапаны относятся к наиболее важным компонентам двигателя внутреннего сгорания.
- Двигатель имеет два клапана (впускной и выпускной).
- Эти клапаны устанавливаются в головке блока цилиндров.
- Впускные клапаны используются для впуска свежей смеси в цилиндр.
- Выпускной (EGR) клапан цилиндра используется для выпуска отработанных газов из цилиндра двигателя.
6) Шатун
- Шатун обеспечивает соединение между поршнем и коленчатым валом.
- Функция шатуна заключается в передаче мощности от поршня к коленчатому валу.
- Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное и передает это вращательное движение коленчатому валу.
7) Коленчатый вал
- Он изготавливается из специального стального сплава.
- Основная функция коленчатого вала — принимать движение от поршня и передавать его маховику. Далее маховик использует это вращательное движение для вращения колеса автомобиля.
8) Картер
- Картер изготовлен из чугуна.
- Он управляет движением впускных и выпускных клапанов. Он отвечает за правильное открытие и закрытие впускного клапана и правильную подачу свежей топливовоздушной смеси.
9) Маховик
- Основное назначение маховика — поддерживать постоянную скорость.
- Он накапливает дополнительную энергию во время хода энергии и отдает дополнительную энергию во время хода сжатия.
- Он принимает вращательное движение от коленчатого вала и вращает колесо автомобиля.
10) Карбюратор
- Он всасывает свежий воздух из окружающей среды и смешивает его с топливом.
- Карбюратор отвечает за правильную подачу воздушно-топливной смеси в цилиндр двигателя.
Математическое моделирование двигателя внутреннего сгорания
В этом разделе мы рассмотрим математическое моделирование различных параметров двигателя внутреннего сгорания при скорости вращения двигателя 3600 об/мин. Математическое моделирование приведено ниже.
- Эффективное давление тормозных средств
В приведенной ниже таблице представлены рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания при различных оборотах двигателя.
Применение двигателя внутреннего сгорания
- Двигатель внутреннего сгорания широко используется в дорожных и тяжелых транспортных средствах, таких как скутеры, фургоны, грузовики, самолеты, автомобили, автобусы и т.д.
- Эти двигатели используются в морских судах.
- Двигатели внутреннего сгорания также используются в малой технике, такой как газонокосилки, бензопилы и портативные генераторы.
- 5) Эти двигатели внутреннего сгорания имеют более высокую эффективность, чем ECE (двигатель внешнего сгорания).
- Эти типы двигателей используются в генераторах, которые в дальнейшем используются в гидроэлектростанциях. В гидроэлектростанциях эти двигатели используются для производства электроэнергии.
- Эти двигатели используются в автомобилях BMW.
- Используются в гибридных автомобилях.
В этой статье дается подробное объяснение работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), его типов и различных компонентов. Эти типы двигателей имеют компактную конструкцию. Эти двигатели очень безопасны в использовании.
Преимущества и недостатки двигателя внутреннего сгорания
Преимущества двигателей внутреннего сгорания
- Эти двигатели имеют меньший вес, чем двигатели ЕС.
- Они имеют небольшие размеры.
- Они запускаются очень быстро
- Они имеют низкую стоимость по сравнению с двигателями внешнего сгорания.
- Двигатели внутреннего сгорания просты и безопасны в использовании.
Недостатки двигателей внутреннего сгорания
- Топливо (например, бензин или дизельное топливо), используемое для двигателей внутреннего сгорания, имеет высокую стоимость.
- Они имеют более высокий уровень выбросов, чем двигатели ЕС.
- Они не идеальны для производства большой энергии.
- Этот тип двигателя требует большего технического обслуживания, чем электродвигатели.
- Они требуют соответствующих систем охлаждения и смазки.
Разница между двигателем внутреннего сгорания и паровым двигателем
Ниже приведены основные различия между двигателем внутреннего сгорания и паровым двигателем:
Раздел часто задаваемых вопросов
Что такое двигатель внутреннего сгорания?
Двигатель, в котором процесс сгорания топлива происходит в цилиндре двигателя, называется двигателем внутреннего сгорания.
Каково назначение двигателя внутреннего сгорания?
Основная цель двигателя внутреннего сгорания — преобразовать химическую энергию топлива в механическую энергию (т.е. вращательное движение) и привести в движение автомобиль.
Почему двигатель называется двигателем внутреннего сгорания?
В двигателе внутреннего сгорания рабочее топливо сгорает внутри двигателя. Поэтому он известен как двигатель внутреннего сгорания. Для воспламенения топлива не нужен внешний источник тепла.
Каковы примеры двигателей внутреннего сгорания?
Бензиновый двигатель, дизельный двигатель, двигатель Ванкеля, двухтактный двигатель, четырехтактный двигатель, двигатель с водяным охлаждением, двигатель с воздушным охлаждением, двигатели CI и SI являются наиболее распространенными примерами двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания?
Американец Джордж Брейтон разработал первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе в 1872 году. Николаус Отто, работая с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, разработал четырехтактный циклический двигатель со сжатым зарядом в 1876 году.
Каковы типы двигателей внутреннего сгорания?
- Бензиновый двигатель
- Дизельный двигатель
- Двигатель Ванкеля
- Рециркуляционный двигатель
- Двигатель SI
- Двигатель CI
- Двигатель цикла Отто
- Двигатель дизельного цикла
- Двигатель двойного цикла
- Двигатель с воздушным охлаждением
- Двигатель с водяным охлаждением
- Двухтактный двигатель
- Четырехтактный двигатель
- Пятитактный двигатель
- Шеститактный двигатель
- Вертикальный цилиндровый двигатель
- V-образный двигатель
- Радиальный двигатель
- Рядный двигатель
- X Двигатель
- W-образный двигатель
Если у вас остались вопросы по теме «Двигатель IC», вы можете обратиться ко мне, или просто оставить свой комментарий.
Читайте также
4 мысли о «Как работает двигатель внутреннего сгорания? | What is an IC Engine?»
Отличный сайт. Здесь много полезной информации. Я посылаю его нескольким друзьям, а также делюсь с ними. И, естественно, спасибо за ваши усилия!
