Urządzenie silnika spalinowego

Od stulecia silnik spalinowy stosowany jest w motocyklach, samochodach i ciężarówkach. Do tej pory pozostaje najbardziej ekonomicznym rodzajem silnika. Ale dla wielu zasada działania i konstrukcja silnika spalinowego pozostają niezrozumiałe. Spróbujmy zrozumieć podstawowe subtelności i specyfikę budowy silnika.

📌Definicja i ogólne cechy

Kluczową cechą każdego silnika spalinowego jest zapłon mieszanki palnej bezpośrednio w komorze roboczej, a nie w mediach zewnętrznych. W momencie spalania paliwa uzyskana energia cieplna prowokuje działanie mechanicznych elementów silnika.

📌 Tworzenie historii

Przed pojawieniem się silników spalinowych pojazdy samobieżne były wyposażone w silniki spalinowe zewnętrzne. Takie jednostki działały na podstawie ciśnienia pary wytwarzanego w wyniku podgrzewania wody w oddzielnym zbiorniku.

Konstrukcja takich silników była wymiarowa i nieefektywna - oprócz dużej masy instalacji, aby pokonać duże odległości, transport musiał również zapewniać przyzwoite zapasy paliwa (węgiel lub drewno opałowe).

Z powodu tego niedociągnięcia inżynierowie i wynalazcy próbowali rozwiązać ważną kwestię: jak połączyć paliwo z korpusem jednostki napędowej. Usuwając z systemu takie elementy, jak kocioł, zbiornik wody, skraplacz, parownik, pompa itp. możliwe było znaczne zmniejszenie ciężaru silnika.

Stopniowe powstawanie silnika spalinowego w zwykłej formie dla współczesnego kierowcy. Oto główne etapy, które doprowadziły do ​​powstania nowoczesnego ICE:

• 1791 John Barber wynalazł turbinę gazową, która działała w oparciu o proces „destylacji” ropy, węgla i drewna w retortach. Powstały gaz wraz z powietrzem był pompowany przez sprężarkę do komory spalania. Powstały gorący gaz podawano pod ciśnieniem do wirnika wirnika i obracano go.
• 1794 Robert Street patentuje silnik na paliwo ciekłe.
• 1799 Phillip Lebon w wyniku pirolizy oleju otrzymuje gaz świetlny. W 1801 r. Proponuje wykorzystanie go jako paliwa do silników gazowych.
• 1807 Francois Isaac de Rivaz - patent na „wykorzystanie materiałów wybuchowych jako źródła energii w silnikach”. W oparciu o rozwój tworzy „samobieżną załogę”.
• 1860 Etienne Lenoir po raz pierwszy ucieleśnił rzeczywistość swoich wczesnych wynalazków, tworząc sprawny silnik napędzany mieszaniną lekkiego gazu i powietrza. Mechanizm napędzany był iskrą z zewnętrznego źródła zasilania. Wynalazek był stosowany na łodziach, ale nie został zainstalowany na maszynach samobieżnych.
• 1861 Alphonse Bo De Roche ujawnia znaczenie sprężania paliwa przed zapłonem, co posłużyło do stworzenia teorii silnika czterosuwowego (ssanie, sprężanie, spalanie z rozprężaniem i zwalnianiem).
• 1877 Nikolaus Otto tworzy pierwszy czterosuwowy silnik o mocy 12 KM
• 1879 Karl Benz opatentował silnik dwusuwowy.
• Lata 1880. Ogneslav Kostrovich, Wilhelm Maybach i Gottlieb Daimler jednocześnie opracowują modyfikacje gaźnika silnika spalinowego, przygotowując je do produkcji seryjnej.

Oprócz silników napędzanych gazem silnik Trinkler pojawił się w 1899 roku. Wynalazek ten jest innym rodzajem ICE (wysokociśnieniowego silnika olejowego bez sprężarki), działającym na zasadzie wynalazku Rudolfa Diesla. Z biegiem lat udoskonalono jednostki napędowe, zarówno benzynę, jak i olej napędowy, co zwiększyło ich wydajność.

📌Rodzaje silników spalinowych

Według rodzaju konstrukcji i specyfiki działania silnika spalinowego są klasyfikowane według kilku kryteriów:

• Według rodzaju zastosowanego paliwa - olej napędowy, benzyna, gaz.
• Zgodnie z zasadą chłodzenia - ciecz i powietrze.
• W zależności od położenia cylindrów - w linii i w kształcie litery V.
• Metodą przygotowania mieszanki paliwowej - gaźnika, gazu i wtrysku (mieszanki powstają w zewnętrznej części silnika spalinowego) i oleju napędowego (w części wewnętrznej).
• Zgodnie z zasadą zapłonu mieszanki paliwowej - z wymuszonym zapłonem i samozapłonem (typowe dla jednostek wysokoprężnych).

Silniki wyróżniają się również specyficznym projektem i wydajnością operacyjną:

• Tłok, w którym komora robocza jest zlokalizowana w cylindrach. Warto wziąć pod uwagę, że takie ICE są podzielone na kilka podgatunków:
  • gaźnik (gaźnik odpowiada za stworzenie wzbogaconej mieszanki roboczej);
  • wtrysk (mieszanina przepływa bezpośrednio do kolektora dolotowego przez dysze);
  • olej napędowy (zapłon mieszaniny następuje z powodu wytworzenia wysokiego ciśnienia wewnątrz komory).
  • Tłok obrotowy, charakteryzujący się konwersją energii cieplnej na energię mechaniczną w wyniku obrotu wirnika wraz z profilem. Praca wirnika, którego ruch w kształcie przypomina 8-ku, całkowicie zastępuje funkcje tłoków, rozrządu i wału korbowego.
  • Turbina gazowa, w której silnik napędzany jest energią cieplną uzyskaną przez obracanie wirnika za pomocą łopat przypominających kształtem łopatkę. On napędza wał turbiny.

Teoria na pierwszy rzut oka wydaje się zrozumiała. Teraz rozważ główne składniki układu napędowego.

📌 urządzenie ICE

Konstrukcja obudowy obejmuje takie elementy:

• blok cylindrów;
• mechanizm korbowy;
• mechanizm dystrybucji gazu;
• układy do dostarczania i zapalania palnych mieszanin oraz usuwania produktów spalania (gazy spalinowe).

Aby zrozumieć lokalizację każdego elementu, rozważ strukturę silnika:

Liczba 6 wskazuje miejsce, w którym znajduje się cylinder. Jest to jeden z kluczowych elementów ICE. Wewnątrz cylindra znajduje się tłok oznaczony liczbą 7. Jest on przymocowany za pomocą korbowodu i wału korbowego (wskazanego na schemacie odpowiednio liczbami 9 i 12). Przesuwanie tłoka wewnątrz cylindra w górę i w dół powoduje powstawanie ruchów obrotowych wału korbowego. Koło zamachowe jest pokazane na końcu korby, co pokazano na schemacie pod numerem 10. Jest to konieczne dla równomiernego obrotu wału. Górna część cylindra jest wyposażona w ciasną głowicę z zaworami do pobierania mieszanki i uwalniania spalin. Są pokazane pod numerem 5.

Otwarcie zaworów staje się możliwe dzięki krzywkom wałka rozrządu, oznaczonym numerem 14, a raczej jego elementom transmisyjnym (numer 15). Obrót wałka rozrządu zapewniają koła zębate wału korbowego, oznaczone liczbą 13. Gdy tłok porusza się swobodnie w cylindrze, może przyjąć dwie skrajne pozycje.

Aby zapewnić normalne działanie silnika spalinowego wewnętrznego spalania, wystarczy tylko równomierne doprowadzenie mieszanki paliwowej we właściwym czasie. Aby zmniejszyć koszty operacyjne silnika związane z usuwaniem ciepła i zapobiec przedwczesnemu zużyciu ruchomych elementów, są one smarowane olejem.

📌 Zasada działania silnika spalinowego

Nowoczesne ICE są napędzane łatwopalnym paliwem wewnątrz cylindrów i energią, która powstała w wyniku tego. Mieszanina benzyny i powietrza jest dostarczana przez zawór wlotowy (w wielu silnikach dwa na cylinder). W tym samym miejscu zapala się z powodu powstającej iskry świeca zapłonowa. W czasie mini-eksplozji gazy w komorze roboczej rozszerzają się, wytwarzając ciśnienie. Napędza tłok przymocowany do cshm.

Diesle działają na podobnej zasadzie, tylko proces spalania jest inicjowany nieco inaczej. Początkowo powietrze w cylindrze jest sprężane, co powoduje jego podgrzanie. Zanim tłok osiągnie TDC w suwie sprężania, dysza rozpyla paliwo. Z powodu gorącego powietrza paliwo samo zapala się bez iskry. Ponadto proces jest identyczny z modyfikacją silnika benzynowego.

KShM przekształca ruchy tłokowe grupy tłoków w ruch obrotowy wał korbowy. Torque idzie do koła zamachowego, a następnie do manualna lub automatyczna skrzynia biegów i wreszcie - na kołach napędowych.

Proces, w którym tłok porusza się w górę lub w dół, nazywa się uderzeniem. Wszystkie takty, dopóki się nie powtórzą, nazywane są cyklem.

Jeden cykl obejmuje proces absorpcji, sprężania, zapłonu wraz z ekspansją powstających gazów, spalin.

Istnieją dwie modyfikacje silników:

1. W cyklu push-pull wał korbowy obraca się raz, a tłok opada i podnosi się.
2. W cyklu czterosuwowym wał korbowy obraca się dwukrotnie, a tłok wykonuje cztery pełne ruchy - obniży, podniesie, obniży, podniesie.

📌 Zasada działania silnika dwusuwowego

Kiedy kierowca uruchamia silnik, rozrusznik napędza koło zamachowe, wał korbowy obraca się, wał korbowy porusza tłok. Gdy osiągnie BDC i zacznie się podnosić, komora robocza jest już wypełniona palną mieszanką.

W TDC tłoka zapala się i przesuwa go w dół. Następnie dochodzi do wentylacji - gazy spalinowe są wypierane przez nową porcję roboczej mieszaniny palnej. Czyszczenie może odbywać się na różne sposoby, w zależności od urządzenia silnikowego. Jedna z modyfikacji polega na wypełnieniu przestrzeni tłoka mieszanką paliwowo-powietrzną, gdy się podnosi, a gdy tłok spada, jest wyciskany do komory roboczej cylindra, wypierając produkty spalania.

W takich modyfikacjach silników nie ma układu rozrządu zaworów. Sam tłok otwiera / zamyka wlot / wylot.

Takie silniki są stosowane w technologii małej mocy, ponieważ następuje w nich wymiana gazu z powodu zamiany spalin na inną porcję mieszanki paliwowo-powietrznej. Ponieważ mieszanina robocza jest częściowo usuwana wraz z wydechem, modyfikacja ta charakteryzuje się zwiększonym zużyciem paliwa i niższą mocą w porównaniu z odpowiednikami czterosuwowymi.

Jedną z zalet takich silników spalinowych jest mniejsze tarcie w jednym cyklu, ale jednocześnie silniej się nagrzewają.

📌 Zasada działania silnika czterosuwowego

Większość samochodów i innych pojazdów silnikowych jest wyposażona w silniki czterosuwowe. Mechanizm dystrybucji gazu służy do zasilania mieszaniny roboczej i spalin. Jest on napędzany przez napęd rozrządu połączony z kołem pasowym wału korbowego za pomocą paska, łańcucha lub przekładni zębatej.

Obracanie wałek rozrządu podnosi / obniża zawory wlotowe / wylotowe znajdujące się nad cylindrem. Mechanizm ten zapewnia zsynchronizowane otwieranie odpowiednich zaworów do dostarczania palnej mieszanki i spalin.

W takich silnikach cykl przebiega następująco (na przykład benzyna ICE):

1. W momencie uruchamiania silnika rozrusznik obraca kołem zamachowym, które napędza wał korbowy. Zawór wlotowy otwiera się. Mechanizm korbowy obniża tłok, tworząc próżnię w cylindrze. Nastąpił skok ssania mieszanki paliwowo-powietrznej.
2. Tłok przesuwając się od martwego punktu dolnego w górę, ściska palną mieszaninę. To jest druga miara - kompresja.
3. Gdy tłok znajduje się w górnym martwym punkcie, iskra wytwarza iskrę, która zapala mieszankę. Z powodu wybuchu dochodzi do ekspansji gazu. Nadciśnienie w cylindrze powoduje ruch tłoka w dół. Jest to trzeci krok - zapłon i rozprężenie (lub skok roboczy).
4. Obracający się wał korbowy przesuwa tłok w górę. W tym momencie wałek rozrządu otwiera zawór wydechowy, przez który podnoszący się tłok wypiera spaliny. To czwarty środek - wydanie.

📌Układy pomocnicze silnika spalinowego

Żaden nowoczesny silnik spalinowy nie jest w stanie działać niezależnie. Dzieje się tak, ponieważ paliwo musi być dostarczane ze zbiornika gazu do silnika, musi zostać zapalone we właściwym czasie, a aby silnik nie „udusił się” od spalin, należy je usunąć na czas.

Części obrotowe wymagają stałego smarowania. Ze względu na podwyższone temperatury generowane podczas spalania silnik musi być chłodzony. Te towarzyszące procesy nie są zapewniane przez sam silnik, więc silnik spalania wewnętrznego współpracuje z układami pomocniczymi.

📌 System zapłonu

Ten układ pomocniczy jest przeznaczony do szybkiego zapłonu palnej mieszanki z odpowiednim położeniem tłoka (TDC w skoku sprężania). Jest stosowany w benzynowych silnikach spalinowych i składa się z następujących elementów:

• Źródło zasilania Gdy silnik znajduje się w stanie spokojnym, funkcję tę wykonuje akumulator (jak uruchomić samochód, jeśli akumulator jest rozładowany, przeczytaj osobny artykuł) Po uruchomieniu silnika działa jako źródło energii generator.
• Stacyjka Urządzenie, które zamyka obwód elektryczny w celu zasilania go ze źródła zasilania.
• Jedź Większość samochodów z benzyną ma cewkę zapłonową. Istnieją również modele, w których istnieje kilka takich elementów - po jednym na każdej świecy zapłonowej. Przekształcają niskie napięcie pochodzące z akumulatora w prąd o wysokim napięciu, który jest niezbędny do wytworzenia wysokiej jakości iskry.
• Zapłon wyłącznika. W samochodach z gaźnikiem jest to dystrybutor; w większości innych proces ten jest kontrolowany przez ECU. Takie urządzenia rozdzielają impulsy elektryczne na odpowiednie świece zapłonowe.

📌System wprowadzający

Aby stworzyć proces spalania, konieczne jest połączenie trzech czynników: paliwa, tlenu i źródła zapłonu. Jeśli zadaniem układu zapłonowego jest wyładowanie elektryczne, wówczas układ dolotowy dostarcza tlen do silnika, aby paliwo mogło się zapalić.

System ten składa się z:

• Wlot powietrza - rura, przez którą pobierane jest czyste powietrze. Proces dopuszczenia zależy od modyfikacji silnika. W silnikach atmosferycznych powietrze jest zasysane przez wytworzenie próżni w cylindrze. W modelach z turbodoładowaniem proces ten jest wzmocniony przez obrót łopatek turbosprężarki, co zwiększa moc silnika.
• Filtr powietrza przeznaczony jest do czyszczenia przepływu pyłu i małych cząstek.
• Przepustnica - zawór kontrolujący ilość powietrza wpływającego do silnika. Jest on regulowany przez naciśnięcie pedału przyspieszenia lub przez elektronikę jednostki sterującej.
• Kolektor ssący - system rur połączonych z jedną wspólną rurą. W silniku wtryskowym na górze i dla każdego cylindra wzdłuż dyszy paliwowej jest zainstalowany przepustnica. W wersjach z gaźnikiem gaźnik jest zainstalowany na kolektorze dolotowym, w którym powietrze jest mieszane z benzyną.

Oprócz powietrza do cylindrów musi być również dostarczane paliwo. W tym celu układ paliwowy składający się z:

• zbiornik paliwa;
• przewód paliwowy - węże i rury, przez które gaz lub olej napędowy przemieszcza się ze zbiornika do silnika;
• gaźnik lub wtryskiwacz (układy dysz rozpylających paliwo);
• pompa paliwowapompowanie paliwa ze zbiornika do gaźnika lub innego urządzenia do mieszania paliwa i powietrza;
• filtr paliwa, który usuwa benzynę lub olej napędowy z gruzu.

Obecnie istnieje wiele modyfikacji silników, w których mieszanka robocza jest podawana do cylindrów różnymi metodami. Wśród tych systemów są:

• pojedynczy wtrysk (zasada gaźnika, tylko z dyszą);
• wtrysk rozproszony (dla każdego cylindra jest zainstalowana osobna dysza, mieszanka paliwowo-powietrzna powstaje w kanale kolektora dolotowego);
• wtrysk bezpośredni (dysza rozpylająca mieszankę roboczą bezpośrednio do cylindra);
• wtrysk kombinowany (łączy zasadę wtrysku bezpośredniego i rozproszonego)

📌System smarowania

Wszystkie powierzchnie cierne części metalowych muszą być nasmarowane w celu schłodzenia i zmniejszenia ich zużycia. Aby zapewnić taką ochronę, silnik jest wyposażony w układ smarowania. Chroni również części metalowe przed utlenianiem i usuwa osady węgla. System smarowania składa się z:

• miska olejowa - zbiornik, w którym znajduje się olej silnikowy;
• pompa olejowa wytwarzająca ciśnienie, dzięki któremu smar wchodzi do wszystkich elementów silnika;
• filtr oleju, który zatrzymuje wszystkie cząsteczki powstałe w wyniku pracy silnika;
• niektóre pojazdy są wyposażone w chłodnicę oleju, która dodatkowo chłodzi smarowanie silnika.

📌 Układ wydechowy

Wysokiej jakości układ wydechowy zapewnia usuwanie spalin z komór roboczych cylindrów. Nowoczesne samochody są wyposażone w układ wydechowy, który obejmuje następujące elementy:

• kolektor wydechowy, w którym tłumione są drgania gorących spalin;
• rura odbiorcza, w której gazy spalinowe wychodzą z kolektora (tak jak kolektor wydechowy wykonany jest z żaroodpornego metalu);
• katalizator, który oczyszcza gazy spalinowe ze szkodliwych elementów, co pozwala pojazdowi spełniać normy środowiskowe;
• rezonator - pojemność nieco mniejsza niż główny tłumik, zaprojektowany w celu zmniejszenia prędkości wydechu;
• główny tłumik, wewnątrz którego znajdują się przegrody, które zmieniają kierunek spalin w celu zmniejszenia ich prędkości i hałasu.

📌 System chłodzenia

Ten dodatkowy system pozwala silnikowi pracować bez przegrzania. Ona wspiera temperatura pracy silnikapodczas gdy jest on zwinięty. Aby wskaźnik ten nie przekraczał granic krytycznych, nawet gdy maszyna stoi, system składa się z następujących części:

• chłodnicaskładający się z rur i płyt zaprojektowanych do szybkiej wymiany ciepła między czynnikiem chłodzącym a otaczającym powietrzem;
• wentylator, który zapewnia większy przepływ powietrza, na przykład, gdy samochód jest w korku, a chłodnica nie jest wystarczająco dmuchana;
• pompa wodna, która zapewnia obieg płynu chłodzącego, który usuwa ciepło z gorących ścian bloku cylindrów;
• termostat - zawór, który otwiera się po rozgrzaniu silnika do temperatury roboczej (przed jego uruchomieniem płyn chłodzący krąży w małym kółku, a gdy się otwiera, płyn przepływa przez chłodnicę).

Synchroniczna praca każdego układu pomocniczego zapewnia płynną pracę silnika spalinowego.

📌 Cykle silnika

Cykl oznacza czynności, które są powtarzane w jednym cylindrze. Silnik czterosuwowy wyposażony jest w mechanizm wyzwalający każdy z tych cykli.

W silniku spalinowym tłok wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne (góra / dół) wzdłuż cylindra. Korbowód i przymocowana do niego korba zamieniają tę energię na obrót. Podczas jednej czynności - gdy tłok sięga od najniższego punktu do góry i do tyłu - wał korbowy wykonuje jeden obrót wokół własnej osi.

Aby proces ten zachodził stale, do cylindra musi dostać się mieszanka paliwowo-powietrzna, musi być w nim sprężona i zapalona, ​​a produkty spalania również muszą zostać usunięte. Każdy z tych procesów odbywa się podczas jednego obrotu wału korbowego. Te działania nazywane są słupkami. Są cztery z nich w czterosuwowym:

1. Wlot lub zasysanie. W tym skoku mieszanka paliwowo-powietrzna jest zasysana do wnęki cylindra. Wchodzi przez otwarty zawór wlotowy. W zależności od rodzaju układu paliwowego, benzyna jest mieszana z powietrzem w kolektorze dolotowym lub bezpośrednio w cylindrze, np. W silnikach wysokoprężnych;
2. Kompresja. W tym momencie oba zawory dolotowy i wydechowy są zamknięte. Tłok porusza się w górę w wyniku obracania wału korbowego i obraca się z powodu innych uderzeń w sąsiednich cylindrach. W silniku benzynowym VTS jest sprężany do kilku atmosfer (10-11), aw silniku wysokoprężnym - ponad 20 atm;
3. Skok roboczy. W momencie, gdy tłok zatrzyma się na samej górze, sprężona mieszanka jest zapalana za pomocą iskry ze świecy zapłonowej. W silniku wysokoprężnym ten proces jest nieco inny. W nim powietrze jest tak mocno sprężone, że jego temperatura skacze do wartości, przy której olej napędowy zapala się samoczynnie. Gdy tylko nastąpi eksplozja mieszanki paliwa i powietrza, uwolniona energia nie ma dokąd pójść i przesuwa tłok w dół;
4. Uwolnienie produktów spalania. W celu napełnienia komory świeżą porcją palnej mieszanki należy usunąć gazy powstałe w wyniku zapłonu. Dzieje się to w następnym skoku, gdy tłok podnosi się. W tym momencie otwiera się zawór wylotowy. Gdy tłok osiągnie górny martwy punkt, cykl (lub zestaw uderzeń) w oddzielnym cylindrze jest zamykany, a proces jest powtarzany.

📌 Zalety i wady ICE

Do tej pory najlepszą opcją silnika dla pojazdów silnikowych jest ICE. Wśród zalet takich jednostek można wymienić:

• łatwość naprawy;
• opłacalność dla długich podróży (zależy od jego objętość);
• duży zasób roboczy;
• dostępność dla kierowców o średnich dochodach.

Idealny silnik nie został jeszcze stworzony, więc jednostki te mają pewne wady:

• im bardziej złożona jest jednostka i powiązane systemy, tym droższa jest ich konserwacja (przykład - silniki EcoBoost);
• wymaga dostrajania układu zasilania paliwem, rozdziału zapłonu i innych układów, co wymaga pewnych umiejętności, w przeciwnym razie silnik nie będzie działał wydajnie (lub w ogóle się nie uruchomi);
• większa waga (w porównaniu do silników elektrycznych);
• zużycie mechanizmu korbowego.

Pomimo wyposażenia wielu pojazdów w inne typy silników („czyste” samochody napędzane trakcją elektryczną), ICE pozostaną konkurencyjne ze względu na ich dostępność przez długi czas. Hybrydowe i elektryczne wersje samochodu zyskują popularność, jednak ze względu na wysokie koszty takich pojazdów i koszty ich konserwacji nie są jeszcze dostępne dla przeciętnego kierowcy.

Częste pytania:

Co to jest silnik spalinowy? Jest to rodzaj bloków energetycznych, w których w konstrukcji przewidziano zamkniętą komorę spalania, w których wytwarzana jest energia cieplna (w wyniku zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej) i przekształcana w energię mechaniczną.

Kto wynalazł silnik spalinowy? Próbkę pierwszego na świecie silnika spalinowego odkrył francuski wynalazca Etven Lenoir w 1860 roku. Pierwszy czterosuwowy silnik spalinowy, zgodnie ze schematem, w którym działają absolutnie wszystkie jednostki napędowe, został wynaleziony przez Nikolausa Otto.

Z czego wykonany jest silnik? Najprostszy ICE składa się z bloku cylindrów, w którym zainstalowany jest układ korbowo-korbowód, grupa cylinder-tłok, blok jest pokryty od góry głowicą cylindrów z mechanizmem dystrybucji gazu (wałek rozrządu i zawory), dolot i wydech układ paliwowy i zapłonowy.