Принцип работы двигателя внутр сгорания: Принцип работы двигателя

Как работает двигатель внутреннего сгорания? Основы.

Думаете, что знаете, что такое двигатель внутреннего сгорания? Эта статья заставит вас усомниться в этом!

Расскажем об устройстве ДВС то, что не знает почти никто.

1. Как именно ДВС использует энергию?

Он сжигает топливо. Сгорание происходит в в цилиндре. Его объём меняется благодаря движущемуся внутри него поршню. В резуль­тате образуется много газа, которому становится тесно в цилиндре — и уже его давление заставляет поршень с силой двигаться из положения минимального объема к максимальному объёму.

2. Как ДВС вращает колеса?

Поршни давят на секции коленчатого вала, смещённые относительно его оси. Представьте, что вы едете на велосипеде — вы давите на педали, заставляя вращаться шестерёнку, которая приводит в движение цепь, соединённую с колесом.

Чтобы вращение коленвала было равномерным, к нему прикручен массивный диск (маховик).

3. Как топливо попадает в цилиндр?

У цилиндра есть клапаны — впускной и выпускной. Первый открывается на такте впуска — и тогда поршень движется вниз и помогает забирать топливо внутрь цилиндра. Выпускной клапан открывается на последнем такте, когда поршень после рабочего хода начинает подниматься к верхней мёртвой точке и выталкивает через открывшееся отверстие отработанные газы, освобождая место для новой порции топлива.

За синхронизацию работы клапанов с поршнями отвечает распределительный вал.

4. Какое топливо использует ДВС?

Обычно это бензин или солярка. Еще ДВС необходим воздух — без него бензин или солярка гореть в цилиндрах не будут.

5. Чем отличаются бензиновый и дизельный двигатели?

Свечи зажигания в бензиновых моторах воспламеняют топливную смесь с помощью электрической искры. У дизельного двигателя горение дизельного топлива в камере сгорания происходит от силы сжатия. То есть, происходит самовоспламенение топливной смеси.

6. Что происходит с продуктами горения?

Поршень выталкивает из цилиндра газы, образовав­шиеся при сгорании топлива и уже совершив­шие свою работу. Отработанные газы теряют энергию — замедляются, остывают и почти бесшумно выходят наружу через выхлопную трубу. В некоторых системах газы пропускают ещё и через каталити­ческий нейтрализатор, чтобы превратить продукты горения в менее вредные.

7. Что нужно мотору для нормальной работы?

Масло. Оно требуется для смазки движущихся частей — это снижает трение, а значит и износ. Ещё электричество. Бензиновому — чтобы поджигать смесь в цилиндрах. Для запуска любого ДВС требуется хотя бы один оборот коленвала — его совершает небольшой электро­мотор.

 

Двигатель внутреннего сгорания: рабочий цикл,как работает,система питания двс,фото,видео.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

---

---

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

---

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

---

---

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

---

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала.

Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Примечание.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одному проходу поршня.

Двигатели внутреннего сгорания бывают четырехтактными и двухтактными. Принципиальная разница между ними заключается в следующем: в четырехтактном двигателе один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, а в двухтактном — за два хода. Двухтактные двигатели используются в основном на мотоциклах, моторных лодках, скутерах и т. п. Поэтому здесь будем вести речь о четырехтактном двигателе внутреннего сгорания — именно такими моторами оснащаются легковые автомобили.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты.

1. Первый такт — впуск горючей смеси в цилиндр двигателя. Нужно сказать, что в цилиндре происходит сгорание топлива не в чистом виде, а смеси его паров с воздухом (горючая смесь).

В советских автомобилях за приготовление такой смеси отвечал специальный прибор — карбюратор. Однако в современных автомобилях карбюраторы давно не применяются — данный процесс контролируется электроникой (прибором, который называется инжектор).

Примечание.

Для бензинового двигателя внутреннего сгорания оптимальной является горючая смесь, состоящая из 1 части бензина и 15 частей воздуха (то есть 1:15).

Горючая смесь попадает в цилиндр при открывшемся впускном клапане (напомню, что в нужный момент на него давит кулачок распределительного вала). В момент открытия впускного клапана поршень всегда расположен в ВМТ и начинает перемещаться вниз к НМТ. При этом над поршнем возникает разрежение, под воздействием которого в цилиндр поступает горючая смесь. Иными словами, при движении вниз к НМТ поршень засасывает горючую смесь в цилиндр через открывшийся впускной клапан. Как только поршень достигнет НМТ, клапан под воздействием мощной пружины возвращается на прежнее место и плотно закрывает впускное отверстие.

Когда горючая смесь попадает в цилиндр, она перемешивается с остатками имеющихся в нем выхлопных газов. Такая смесь называется рабочей, и именно она будет сгорать в камере сгорания.

На протяжении первого такта работы мотора кривошип коленчатого вала (рис. 1.4) проворачивается на пол-оборота.

 

---

---

Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя.

---

2. Исходное положение для начала второго такта таково: поршень находится в НМТ, впускной клапан плотно закрыт, цилиндр заполнен рабочей смесью. Во время второго такта поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая в процессе этого находящуюся в цилиндре рабочую смесь.

Опытным водителям хорошо знакомо такое понятие, как степень сжатия. Данный показатель информирует о том, во сколько раз сокращается объем рабочей смеси при достижении поршнем ВМТ. Отмечу, что степень сжатия — одна из наиболее значимых технических характеристик любого автомобиля.

В процессе сжатия рабочей смеси ее температура существенно повышается. При достижении поршнем ВМТ она равняется примерно +300… 400 °С. Что касается давления внутри цилиндра, то оно при этом составляет порядка 9-10 кг/см.

Второй такт заканчивается при достижении поршнем ВМТ. В этот момент рабочая смесь максимально сжата. За второй такт кривошип коленчатого вала проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за два такта коленчатый вал делает один полный оборот.

3. Как отмечалось ранее, принцип работы двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Это происходит на третьем этапе работы двигателя, который называется рабочим ходом. Когда поршень находится в ВМТ, а рабочая смесь максимально сжата, между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, что вызывает воспламенение рабочей смеси (это происходит в камере сгорания). В результате на поршень, находящийся в ВМТ, оказывается мощное давление. Клапаны в этот момент плотно закрыты, продуктам горения деваться некуда, и именно они давят на поршень, который под воздействием этого давления вынужден двигаться вниз к НМТ. При этом он передает энергию своего движения через шатун на кривошип коленчатого вала, тем самым вынуждая его вращаться. Именно это вращение является движущей силой автомобиля.

Примечание.

Давление на поршень во время третьего такта рабочего цикла двигателя достигает 40 кг/см.

Во время третьего такта коленчатый вал двигателя проворачивается еще на пол-оборота.

4. Последний, четвертый такт рабочего цикла — выпуск отработанных газов. Он начинается, когда после третьего такта поршень находится в НМТ и начинает двигаться вверх. В этот момент под воздействием соответствующего кулачка распределительного вала открывается выпускной клапан и движущийся вверх поршень выдавливает выхлопные газы из цилиндра. Сразу после этого клапан плотно закрывает выпускное отверстие. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся наружу.

Четвертый такт завершается, когда поршень достиг ВМТ и плотно закрылся выпускной клапан.

В течение четвертого такта коленчатый вал проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за четыре такта работы (на протяжении одного рабочего цикла) коленчатый вал делает два полных оборота.

После четвертого такта опять начинается первый такт и т. д.

СИСТЕМА ПИТАНИЯ

Система питания является одной из ключевых систем двигателя внутреннего сгорания, поэтому от ее исправности и технического состояния, а также от качества используемого топлива напрямую зависит мощность и надежность двигателя, а также возможность его быстрого запуска.

Внимание!

Практически любая неисправность системы питания влечет за собой повышение расхода топлива и, как следствие, снижение экономичности автомобиля.

Среди наиболее характерных признаков, свидетельствующих о наличии неполадок в системе питания, можно отметить резкий запах топлива, а также наличие подтеканий из топливной системы. О неисправностях в топливной системе также может говорить трудный запуск двигателя, его нестабильная работа в разных режимах, а также слишком высокий расход топлива.

Состав выхлопных газов может рассказать о состоянии системы питания. Например, неполадки часто приводят к образованию слишком богатой либо наоборот — слишком бедной рабочей смеси, что в конечном счете отражается на содержимом выхлопных газов.

При диагностике системы питания следует учесть, что отклонения в показателях какого- либо параметра могут быть обусловлены сразу несколькими неполадками. В частности, повышенное потребление топлива случается из-за неисправностей в кривошипно¬шатунном либо газораспределительном механизме, из-за неполадок в системе зажигания, а также при наличии некоторых неисправностей подвески. Результаты диагностики в такой ситуации будут достоверными только тогда, когда точно известно техническое состояние каждого из названных узлов и агрегатов.

При диагностике системы питания работники автосервисов и СТО нередко «разводят на деньги» своих клиентов. Подобное мошенничество базируется на том, что кислородный датчик может оказывать существенное влияние на экономичность потребления топлива автомобилем. Исправность этого прибора водитель самостоятельно проверить не может, если только не является большим докой в устройстве современного автомобиля.

Когда клиент на СТО жалуется, что его автомобиль стал в последнее время слишком «прожорлив», ему сразу же предлагают пройти диагностику. Стоимость такой процедуры зависит от конкретной СТО, но в среднем она составляет порядка $15–20. Результат проверки почти всегда один и тот же: строгим тоном, не терпящим возражений, клиенту заявляют, что в его машине неисправен датчик кислорода. В наличии таких датчиков, само собой, сейчас нет, поэтому придется заказывать новый из-за границы. На робкий вопрос клиента относительно цены нового кислородного датчика механик авторитетно заявляет: «Вообще-то это дорого, но для вас сделаем всего за $350».

Расчет в данном случае простой: подавляющее большинство клиентов не пожелают выкладывать такую сумму за датчик кислорода и просто смирятся с возросшей «прожорливостью» своего автомобиля. Деньги, уплаченные за диагностику, разумеется, вам никто не вернет. На такой псевдо-диагностике в настоящее время делается очень неплохой «навар». Стоит ли говорить о том, что на самом деле неисправность, ставшая причиной высокого потребления топлива, может заключаться совершенно в другом, и устранить ее можно быстро и недорого. Вот только заниматься этим работники российских автосервисов не хотят: куда проще «содрать» с клиента $350, чем чинить его машину за меньшие деньги.

На вопрос клиента, что именно стало причиной выхода из строя кислородного датчика, может последовать много ответов: здесь и плохое качество российского топлива (об этом наши соотечественники знают чуть ли не с детского сада), и этилированный бензин, из-за которого датчик приходит в негодность практически сразу же, и морозные российские зимы и т. п. Практически все эти утверждения в большинстве случаев не имеют ничего общего с реальностью, иначе все автомобилисты в России ездили бы с неисправными датчиками либо меняли эти датчики едва ли не каждую неделю.

Конечно, никто не берется утверждать, что датчик кислорода не влияет на потребление топлива. Иногда он действительно является виновником его повышенного расхода, причем в исправном состоянии. Вот наиболее простой пример: в автомобиле поврежден воздухопровод и имеет место нештатный подсос воздуха. В таком случае кислородный датчик распознает лишний воздух как слишком бедную рабочую смесь и добавляет в нее топливо, чтобы довести до кондиции.

Как же определить, имеется ли в машине нештатный подсос воздуха?

Это несложно. Возьмите обыкновенный аэрозоль, содержащий горючую смесь (они обычно используются для промывки карбюратора), заведите мотор и направьте из баллончика струю в то место, в котором, как вы подозреваете, имеется нештатное проникновение воздуха. Если ваши подозрения подтвердятся, то у двигателя самопроизвольно повысятся обороты (поскольку через место, куда обычно попадает лишний воздух, сейчас проникает струя горючей смеси из аэрозоля).

Повышенный расход топлива на современных автомобилях, оборудованных электронной системой зажигания, может быть обусловлен неправильным выставлением датчика положения дроссельной заслонки. В таком случае компьютер будет воспринимать ошибочную информацию как верную, что может повлечь за собой неправильное приготовление рабочей смеси, а также смещение угла опережения зажигания. В конечном счете это приведет к нарушению работы двигателя на холостом ходу (мотор может работать нестабильно, либо холостые обороты могут быть повышенными и др.).

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневой ДВС Роторный ДВС Газотурбинный ДВС

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневой

Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

• RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

•  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

1. впуска,
2. сжатия заряда,
3. рабочего хода и
4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

См. также

Примечания

Ссылки

Двигатели внешнего сгорания

Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на основе двигателя внешнего сгорания с сжиганием газообразного топлива

Принцип работы

Предлагаемая инновационная технология основана на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового двигателя внешнего сгорания. Это — тепловой двигатель. Тепло может поставляться от внешнего источника тепла или производиться путем сжигания широкого спектра видов топлива внутри камеры сгорания.

Тепло поддерживается при постоянной температуре в одном отделении двигателя, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении двигателя с низкой температурой водород охлаждается при помощи аккумуляторов тепла и охладителей жидкости. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение при помощи наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электрический генератор. В процессе охлаждения водорода также производится тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.

Общее описание

Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель внешнего сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах топлива со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля двигателя, защищенный от атмосферных воздействий корпус со встроенной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высокого напряжения.

Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе или биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Кроме того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.

Установка FX-38 может быть оснащена различными опциями системы охлаждения для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для простого подключения к электрическим контактам, системам подачи топлива и внешним трубам системы охлаждения, если оборудованы таковыми.

Дополнительные детали и опции

• Модуль измерения мощности (обеспечивает установленный трансформатор тока для считывания на дисплее параметров переменного тока)
• Опция дистанционного мониторинга по интерфейсу RS-485
• Опции встроенного, либо удаленно смонтированного радиатора
• Опция использования пропанового топлива
• Опция использования природного газа
• Опция использования попутного нефтяного газа
• Опция использования топлива низкой энергоемкости

Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах следующим образом:

• Параллельное подключение к высоковольтной сети при 50 Гц, 380 В переменного тока
• Режим совместной выработки тепла и электроэнергии

Эксплуатационные характеристики установки

Выходная мощность складывается из электрической мощности и тепловой мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с тепловым коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электрическую мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные потери, связанные с радиатором системы охлаждения, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.

В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Горячая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха двигателя и встроенным радиатором системы, если таковые присутствуют. Холодная сторона теплообменника предназначена для схем теплоприемника заказчика.

Техническое обслуживание

Установка предназначена для непрерывной работы и отбора мощности. Базовая проверка эксплуатационных характеристик проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного охлаждения и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации производится обслуживание передней части установки, включающее замену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и различных сальников. Специфические ключевые компоненты проверяются на износ. Скорость работы двигателя составляет 1500 оборотов в минуту для работы на частоте 50 Гц.

Бесперебойность

Бесперебойность работы установки составляет свыше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с встроенным радиатором с вентиляторами охлаждения составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.

Выбросы

При работе на природном газе выбросы двигателя меньше или равны 0,0574 г/Нм³ NO_x, 15,5 г/Нм³ летучих органических соединений и 0,345 г/Нм³ СО.

Газообразное топливо

Двигатель рассчитан на работу на различных типах газообразного топлива со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм³, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного диапазона устройство может быть заказано со следующими конфигурациями топливной системы:

Система сгорания требует регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов топлива.

Окружающая среда

Установка в стандартном исполнении работает при температуре окружающей среды от -20 до +50°С.

Описание установки

Теплоэнергетическая установка FX-38 полностью готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Встроенный электрический пульт монтируется на блок для удовлетворения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой дисплей, встроенный в электрический пульт, обеспечивает оператору интерфейс запуска, остановки и перезапуска с помощью кнопок. Электрический пульт также служит основным местом подключения оконечного электрического устройства заказчика, а также с оконечными устройствами проводной связи.

Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки примерно через 3-5 минут с момента запуска в зависимости от изначальной температуры системы. Последовательность запуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.

После команды пуска установка подключается к высоковольтной сети путем закрытия внутреннего контактора на сеть. Двигатель немедленно поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая топливо в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по повышению температуры рабочего газа, что приводит в действие процедуру управления разгоном до точки рабочей температуры. После этого пламя остается самоподдерживающимся и постоянным.

После команды остановки установки сначала закрывается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии предварительно установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, откроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некоторое время для уменьшении температуры охлаждающей жидкости.

В установке используется двигатель внешнего сгорания с постоянной длиной хода, подключенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает параллельно с высоковольтной сетью или параллельно с системой распределения энергии. Индукционный генератор не создает своего собственного возбуждения: он получает возбуждение от подключенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.

Описание узлов установки

Конструкция установки обеспечивает ее простой монтаж и подключение. Имеются внешние соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предусмотрено, внешнего радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со встроенным или удаленно монтированным радиатором и/или системой труб теплообменника жидкость/жидкость для охлаждения двигателя. Также предоставляются инструменты для безопасного отключения и логические схемы управления, разработанные специально для желаемого режима работы.

Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электрическому отделению.

Вес установки: около 1770 кг.

Двигатель является 4-цилиндровым (260 см³/цилиндр) двигателем внешнего сгорания, поглощающим тепло непрерывного сжигания газового топлива в камере внутреннего сгорания, и включает следующие встроенные компоненты:

• Вентилятор подачи воздуха в камеру сгорания, приводится в действие двигателем
• Воздушный фильтр камеры сгорания
• Топливная система и кожух камеры сгорания
• Насос для смазочного масла, приводится в действие двигателем
• Охладитель и фильтр для смазочного масла
• Водяной насос системы охлаждения двигателя, приводится в действие двигателем
• Температурный датчик воды в системе охлаждения
• Датчик давления смазочного масла
• Датчик давления и температуры газа
• Все необходимое контрольное и защитное оборудование

Характеристики генератора приводятся ниже:

• Номинальная мощность 38 кВт при 50 Гц, 380 В переменного тока
• Электрический КПД 95,0% при коэффициенте мощности 0,7
• Возбуждение от коммунальной электросети при помощи индукционного мотора/генераторного возбудителя
• Менее 5% общих гармонических искажений от отсутствия нагрузки до полной нагрузки
• Класс изоляции F

Интерфейс оператора – цифровой дисплей обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и остановить установку с цифрового дисплея, посмотреть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может видеть многие электрические параметры, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.

Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение неисправностей устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие параметры, такие как температура и давление цилиндров, а также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электрические параметры значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на персональном компьютере или ноутбуке при помощи программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок или в случаях, когда расстояние передачи сигнала превышает возможности RS-232, для получения данных используется опциональный порт RS-485 с использованием протокола MODBUS RTU.

Для переноса горячих выхлопных газов от системы сгорания используются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена сбалансированная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождя и снега.

Для охлаждения могут применяться различные прикладные технологии и конфигураций:

Встроенный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру окружающей среды до +50°C. Все трубы подключаются в заводских условиях. Это типичная технология в случае, если не используется утилизация отходящего тепла.

Внешний радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру окружающей среды до +50°C. Короткие несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. При необходимости установки в помещении можно использовать данный вариант вместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во встроенный радиатор.

Внешняя система охлаждения – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы охлаждения. Ей может выступать теплообменник или удаленно монтированный радиатор.

Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно заменить смесью пропиленгликоля и воды, при необходимости.

Установка FX-38 использует водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней двигателей по причине высоких способностей водорода к передаче тепла. В нормальном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за нормальных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа потребления место установки требует наличия одного или нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Внутри установки встроенный водородный компрессор увеличивает давление в баллоне до более высокого давления в двигателе и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Встроенная система не требует технического обслуживания, а баллоны подлежат замене в зависимости от работы двигателя.

Для подачи топлива поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов топлива, за исключением низкоэнергетических вариантов, для которых используется стандартная трубная резьба 1 ¹/₂ дюйма. Требования к давлению топлива для всех видов газообразного топлива составляют от 124 до 152 мбар.

Газопоршневые двигатели – конструкция и принцип работы

Газопоршневый двигатель – это двигатель внутреннего сгорания с системой внешнего образования топливно-воздушной смеси и искровым зажиганием. В качестве топлива использует природный магистральный газ и др. виды газового топлива, что обеспечивает экономичность, высокий ресурс работы и минимальный уровень шума. В данной статье мы рассмотрим, что представляет собой газопоршневый двигатель, принцип работы и его особенности.

Основные элементы и принцип работы газопоршневого двигателя

Как и у любого ДВС, у газопоршневого двигателя принцип действия основан на сгорании топливовоздушной смеси и поступательном движении поршней за счет энергии расширяющихся газов. С помощью кривошипно-шатунного механизма поступательное движение поршней преобразуется во вращательный выходного вала двигателя.В схеме подачи газа в газопоршневых двигателях основную роль играет газораспределительный механизм, подача газа осуществляется из магистрали или баллонного оборудования.

Чаще всего данный вид двигателей применяется в качестве основного элемента электрогенератора. Так, современные газопоршневые электростанции, характеристики потребления топлива которых делают их наиболее выгодными из всех решений автономного энергообеспечения. Дополнительным преимуществом является возможность выработки тепла или холода для хозяйственных нужд – когенерации и тригенерации. Современный газопоршневой двигатель, принцип работы которого позволяет обеспечить и одновременную тригенерацию, делает оптимальным его применение в приводе холодильной установки. Также применяются они в насосном оборудовании, морском судостроении и др. сферах деятельности.

Особенности газопоршневого двигателя

Наибольшие значения мощности газопоршневых двигателей достигают десятков мегаватт, что достаточно для обеспечения работы мощного оборудования и автономного энергообеспечения производственных и строительных объектов. Важным преимуществом является высокий ресурс работы, достигающий 250 тысяч часов при 80-100 тыс. часов межремонтного интервала (между капитальными ремонтами).

Подача газа в газопоршневых двигателях может быть баллонной или магистральной, а в качестве топлива, помимо метана, применяется:

• пропан;
• бутан;
• коксовый и другие сопутствующие промышленные газы;
• древесный газ;
• газы нефтяной промышленности и многие другие виды. 

При этом схема подачи газа в газопоршневых двигателях не требует наличия дожимного компрессора благодаря малому потребному давлению. Благодаря большому выбору вариантов можно гибко использовать оборудование на различных объектах, оперативно адаптировать систему к изменению технических или экономических условий. Перенастройка системы подачи топлива занимает минимум времени, газопоршневый двигатель можно свободно настроить на эксплуатацию на попутном газе, биогазе и др. топливе.

К основным особенностям газопоршневых двигателей можно отнести:

• Небольшую зависимость КПД от окружающей температуры.
• Незначительные колебания КПД при снижении нагрузки на 50% и, соответственно, эффективное использование двигателя при любых нагрузках.
• Малые затраты на эксплуатацию.
• Неограниченное количество запусков мотора.
• Возможность параллельного подключения нескольких двигателей и, соответственно, возможность значительного повышения и рационального использования мощности системы.

С каждым годом газопоршневые двигатели получают всё большее применение в различных сферах, в т. ч. в качестве основного элемента газоэлектростанций для коттеджных поселков. Их экономичность и эксплуатационные обеспечивают им солидные преимущества в сравнении с другими вариантами автономного, резервного или аварийного электроснабжения различных объектов.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: топливо горит снаружи

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

• Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.
  Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
• В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
• В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

• Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

• «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
• Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
• Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
• Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
• Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

Плюсы:

• Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
• Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
• На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
• Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
• Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
• Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.

Минусы:

• Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
• Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
• Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
• Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.

И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.

Смотрите это видео и делайте своими руками.

 

Сгорание

---

2

Вид изнутри сверхзвукового горения

15 марта 2018 г. — В сверхзвуковых двигателях сложно добиться нужной скорости потока, произвести нужное соотношение испаренного топлива и вызвать воспламенение в нужное время. На вихри действует ударная волна, и …

---

Новый катализатор превращает аммиак в инновационное чистое топливо

Апр.27, 2018 — Аммиак (Nh4) в последние годы привлек внимание как безуглеродное топливо, которое не выделяет углекислый газ. Для использования в качестве топлива он должен иметь более низкую температуру сгорания и производить только …

---

Четкая картина образования оксидов азота

12 марта 2018 г. — На протяжении десятилетий исследователи внутреннего сгорания и производители двигателей пытались понять, как эти газы образуются при сгорании, чтобы найти способы их уменьшения.Теперь у исследователей есть …

---

Топливный элемент: вдохновение свежего воздуха для

9 апреля 2019 г. — В ходе достижения, которое может помочь проложить путь к более долгоживущим устройствам зеленой энергии, инженеры раскрыли новые идеи о химических реакциях, которые питают топливо …

---

Может ли случиться пожар в среде с высоким уровнем вакуумирования?

20 августа 2018 г. — Исследователи обнаружили, что негорючее горение (тление) пористого образца может продолжаться даже при почти 1% атмосферного давления.Тепловая структура диаметром 2 мм …

---

Ученые на пути к обнаружению воздействия городской дорожной пыли

17 января 2018 г. — В попытке лучше понять городскую среду и ее компоненты, ученые обнаружили, что солнечный свет вызывает химические реакции в пыли, обнаруженной в Эдмонтоне …

---

Простой экономичный ракетный двигатель может сделать более дешевый и легкий космический корабль

18 февраля 2020 г. — Исследователи разработали математическую модель, описывающую, как вращаются детонационные двигатели…

---

Изучение того, что происходит внутри пожаров и взрывов

18 апреля 2019 г. — Пожар изнутри может быть последним местом, которое нужно исследовать, но новый способ сделать это может привести к успехам в борьбе с пожарами, созданию более чистых двигателей и даже космоса …

---

Доказано, что новое топливо на основе соли совместимо с двухрежимными ракетными двигателями

9 сентября 2019 г. — Чтобы двухрежимные ракетные двигатели работали успешно, топливо должно работать как в системах сгорания, так и в электрических силовых установках.Исследователи теперь использовали пропеллент на основе соли, который уже был …

---

Под давлением, нетоксичный солевой пропеллент дает хорошие результаты

18 августа 2020 г. — В небольших космических аппаратах, таких как спутники CubeSat, перспективным является монотопливо на основе соли. Он может использоваться как в химических силовых установках большой тяги для быстрых, чувствительных ко времени маневров, так и …

---

Как работает двигатель внутреннего сгорания? (с иллюстрациями)

Двигатель внутреннего сгорания используется для питания почти всех наземных транспортных средств, а также многих транспортных средств водного и воздушного базирования.В двигателе внутреннего сгорания топливо, такое как бензин, заполняет камеру, а затем воспламеняется свечой зажигания, вызывая небольшой взрыв, который вызывает работу.

Свеча зажигания, часть двигателя внутреннего сгорания.

Перегретый расширяющийся газ, создаваемый взрывом, толкает поршень, который приводит в движение коленчатый вал, обычно соединенный с осью.Ось соединена с колесами, которые поворачиваются для движения вперед транспортного средства, например автомобиля.

Цилиндры, которые соединены с коленчатым валом и приводят в движение его, зажигаются вверх и вниз за счет взрыва топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания.

Вся сборка камеры, свечи зажигания, поршня, коленчатого вала и клапанов, пропускающих топливо и воздух, известна как цилиндр. В то время как в небольших приборах, таких как бензопилы, используется только один цилиндр, в автомобилях обычно используется от четырех до восьми. В исторических самолетах было 28 цилиндров, которые приводили в движение их пропеллеры.

Перегретый расширяющийся газ, создаваемый взрывом, толкает поршень, который приводит в движение коленчатый вал, обычно соединенный с осью.

Двигатель внутреннего сгорания отличается от двигателей внешнего сгорания (например, паровых двигателей) тем, что энергия, вырабатываемая при сгорании топлива, эффективно содержится в цилиндре.В паровых двигателях топливо используется для преобразования воды в пар, который затем движется через механизм и обеспечивает работу. Для доведения до совершенства двигателей внутреннего сгорания потребовалось некоторое время, поскольку цилиндр должен выдерживать износ многих тысяч взрывов в течение всего срока службы.

Хотя инженеры экспериментировали с автомобилями с различными типами двигателей с 18-го века, только в конце 19-го века немцы Daimler и Benz создали двигатели внутреннего сгорания, пригодные для массового производства и коммерциализации.Это положило начало современной эре двигателей внутреннего сгорания, используемых для самых разных целей. Широко используется уже более века, и может пройти некоторое время, прежде чем наши инженеры разработают новый стандарт двигателей для нашего множества машин.

Паровые двигатели — это тип двигателя внешнего сгорания.

Понимание принципов работы двигателей внутреннего сгорания

Понимание принципов работы двигателей внутреннего сгорания Slide 2 Наука нового поколения / Общие основные стандарты рассмотрены! CCSS.ELA Literacy.RST.9 10.1 Приводите конкретные текстовые свидетельства для поддержки анализа научных и технических текстов, уделяя внимание точным деталям объяснений или описаний. CCSS.ELA Literacy.RST.9 10.3 Точно соблюдайте сложную многоступенчатую процедуру при проведении экспериментов, измерений или технических задач, обращая внимание на особые случаи или исключения, определенные в тексте.CCSS.ELA Грамотность. RST.11 12.2 Определять центральные идеи или выводы текста; резюмировать сложные концепции, процессы или информацию, представленную в тексте, перефразируя их в более простых, но все же точных терминах. CCSS.ELA Literacy.RST.11 12.3 Четкое соблюдение сложной многоступенчатой ​​процедуры при проведении экспериментов, измерений или выполнении технических задач; проанализировать конкретные результаты на основе пояснений в тексте. Слайд 3 Стандарты сельского хозяйства, продовольствия и природных ресурсов приняты! ТИХООКЕАНСКОЕ СТАНДАРТНОЕ ВРЕМЯ.02.02. Управляйте механизмами и оборудованием, соблюдая все меры безопасности, указанные в настройках AFNR. PST.02.02.01.a. Исследовать и обобщить использование оборудования, машин и силовых агрегатов для силовых, структурных и технических систем AFNR. Слайд 4 Bell Work / Цели обучения студентов Дайте определение двигателю внутреннего сгорания и объясните его основные части. Опишите четыре события двигателя внутреннего сгорания. Объясните различия в работе четырехтактных и двухтактных двигателей внутреннего сгорания.Классифицируйте двигатели внутреннего сгорания. Слайд 5 Термины Сжатие Ход сжатия Шатун Коленчатый вал Цикл Цилиндр Дизельные двигатели Блок двигателя Объем двигателя Выхлоп Ход выхлопа Плоский четырехтактный двигатель Бензиновые двигатели Рядные Слайд 6 Условия (продолжение) Впускной ход Двигатель внутреннего сгорания Большие двигатели Многоцилиндровый Мощность поршня ход Герметичные клапаны Одноцилиндровые двигатели малой мощности Двухтактные двигатели Vee-block Штифт для запястья Slide 7 Подход для интереса Определите различные типы двигателей внутреннего сгорания, используемых для привода машин.Слайд 8 Двигатели внутреннего сгорания и их части Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, которое преобразует энергию, содержащуюся в топливе, во вращающуюся силу. В блоке двигателя размещены различные детали. Слайд 9 4 части блока двигателя 1) Цилиндр — часть блока двигателя, в которой происходит горение. Варьируется от 1 до 8. 2) Поршень с кольцами, которые прилегают к внутренним стенкам цилиндра и предотвращают утечку воздуха, топлива и масла. Слайд 10 4 части блока цилиндров 3) Шатун соединяет поршень с коленчатым валом.Фиксируется пальцем 4) Вал коленчатого вала со смещениями, к которым прикреплены шатуны Ползун 11 Диаметр цилиндра и ход цилиндра Ползун 12 Поршень и шатун Ползун 13 Коленчатый вал в сборе Ползун 14 События двигателя внутреннего сгорания Двигатель внутреннего сгорания работает на основе по принципу цикла. Цикл — это серия событий, которые повторяются снова и снова. Четыре такта составляют цикл: впуск, сжатие, мощность, выпуск. Два хода составляют цикл в двухтактном двигателе впуск / сжатие, мощность — выпуск Слайд 15 Впуск Процесс подачи топлива и воздуха, необходимых для сгорания, в камеру Выпускной клапан остается закрытым, а впускной клапан открыт Слайд 16 Сжатие Процесс сжатия топливно-воздушной смеси в камере сгорания для увеличения потенциальной химической энергии тепла от сгорания.И впускной, и выпускной клапаны закрыты. Слайд 17 Мощность Результат преобразования химической потенциальной энергии в механическую энергию за счет быстрого расширения нагретых газов Газы, образующиеся при сгорании сжатой топливно-воздушной смеси в камере сгорания Слайд 18 Выхлоп Процесс удаления отработанных продуктов сгорания в камере сгорания. Выпускные клапаны открываются, и отработанные газы вытесняются из цилиндра. Slide 19 Четырехтактный двигатель! Slide 20 Различия между четырехтактными и двухтактными двигателями У четырехтактного двигателя есть серия из четырех событий, которые должны быть выполнены в пределах цикла.Двухтактный двигатель выполняет ту же серию из четырех событий за два такта. Слайд 21 Четырехтактный двигатель За каждый такт завершается 4 события: Впускное сжатие Мощность Выпускное Слайд 22 Двухтактный двигатель Выполняет те же четыре события за два такта. Выпуск выхлопных газов 1-го хода перемещает поршень вниз Слайд 23 Двухтактный двигатель 2-х тактный выпуск выхлопных газов смещает поршень вниз Герконовые клапаны Односторонние направляющие клапаны, которые позволяют топливовоздушной смеси поступать в картер Слайд 24 Двухтактный двигатель Слайд 25 Классификация двигателей внутреннего сгорания Существует много способов классификации двигателей внутреннего сгорания Ход поршня Мощность двигателя Число цилиндров Объем двигателя Расположение цилиндров Зажигание топлива Слайд 26 Ход поршня Двухтактный Четырехтактный Слайд 27 Мощность двигателя Малые двигатели производят меньше 25 лошадиных сил Большие двигатели вырабатывают более 25 лошадиных сил Слайд 28 Количество цилиндров Одноцилиндровые двигатели имеют только один цилиндр Многоцилиндровые двигатели имеют 2, 3, 4, 5, 6, 8 или более цилиндров Слайд 29 Рабочий объем двигателя Описывает общий Рабочий объем цилиндров двигателя при совершении поршнями одного хода Выражается в кубических дюймах или кубических сантиметрах Slide 30 Cy Расположение линдера На одной линии все цилиндры расположены по прямой линии Цилиндры с V-образным блоком расположены в V-образной конфигурации Плоские цилиндры расположены перпендикулярно или плоско по отношению к земле.