Двигател с вътрешно горене

Двигателят с вътрешно горене е двигател, при който изгарянето на гориво се извършва в затворено пространство, наречено горивна камера. Тази екзотермична реакция на гориво с окислител създава газове с висока температура и налягане, които могат да се разширяват. Определящата характеристика на двигател с вътрешно горене е, че полезната работа се извършва от разширяващите се горещи газове. Действащи директно, за да предизвикат движение, например чрез въздействие върху бутала и ротори. Дори чрез натискане и преместване на целия двигател. Това контрастира с двигатели с външно горене, като например парни двигатели. Които използват горивния процес за нагряване на отделен работен флуид. Обикновено вода или пара, който след това работи, например чрез натискане на бутало, задействано с пара.

Ефективност на двигателя с вътрешно горене

Терминът двигател с вътрешно горене (ICE) почти винаги се използва за позоваване на бутални двигатели. Двигатели на Wankel и подобни проекти, при които горенето е периодично. Двигателите с непрекъснато горене, като двигателите Jet, повечето ракети и много газови турбини са също двигатели с вътрешно горене. Двигателите с вътрешно горене се виждат най-вече в транспорта. Няколко други приложения са за всяка преносима ситуация, в която се нуждаете от неелектрически мотор. Най-голямото приложение в тази ситуация би било двигател с вътрешно горене, който задвижва електрически генератор. По този начин можете да използвате стандартни електрически инструменти, задвижвани от двигател с вътрешно горене. Предимствата на това е преносимостта. По-удобно е да се използва този тип двигател в превозни средства с електричество. Дори в случаите на хибридни превозни средства, те все още използват двигател с вътрешно горене за зареждане на батерията.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Недостатъкът е замърсяването, което те замърсяват. Не само очевидното замърсяване на въздуха, но и замърсяването на счупени или остарели двигатели и отпадъчни части. Като например петролни или каучукови изделия, които трябва да се изхвърлят. Шумното замърсяване е друг фактор, много двигатели с вътрешно горене са много силни. Някои от тях са толкова силни, че хората се нуждаят от защита на слуха, за да предпазят ушите си. Друг недостатък е размерът. Много е непрактично да имаме малки двигатели, които могат да имат някаква сила. Електрическите двигатели са много по-практични за това. Ето защо е по-вероятно да видите електрически генератор, захранван с газ. В област, в която няма електричество, за да захранват по-малки елементи. Демонстрация на принципа на индиректно или засмукващо въздействие на вътрешното горене. Това може да не отговаря на определението за двигател, тъй като процесът не се повтаря.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Ранните двигатели с вътрешно горене бяха използвани за захранване на селскостопанско оборудване, подобно на тези модели. Първите двигатели с вътрешно горене не са имали компресия, но са работили върху това каква въздушна / горивна смес може да бъде засмукана. Или издухана по време на първата част от хода на входа. Най-съществената разлика между модерните двигатели с вътрешно горене и ранните конструкции е. Използването на компресия и по-специално на компресия в цилиндър. Двигателите с вътрешно горене се използват най-често за мобилни задвижвания в автомобили, оборудване и други преносими машини. При мобилните двигатели вътрешното горене е изгодно. Тъй като то може да осигури съотношения на висока мощност и тегло заедно с отлична енергийна плътност на горивото. Тези двигатели са се появили в почти всички автомобили, мотоциклети, лодки и в голямо разнообразие от самолети и локомотиви.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Когато се изисква много висока мощност, като реактивни самолети, хеликоптери и големи кораби. Те се появяват най-вече под формата на турбини. Използват се и за електрически генератори и за промишлеността. Всички двигатели с вътрешно горене зависят от екзотермичния химичен процес на изгаряне. Реакцията на гориво, обикновено с въздух, въпреки че могат да се използват други окислители, като азотен оксид. Най-често използваното гориво днес се състои от въглеводороди и произлиза от предимно петрол. Те включват горивата, известни като дизелово гориво, бензин и нефтен газ, и рядко използване на пропан газ. Повечето двигатели с вътрешно горене, предназначени за бензин, могат да работят с природен газ. Или втечнени нефтени газове без големи модификации, с изключение на компонентите за подаване на гориво. Течни и газообразни биогорива, като например етанол и биодизел или форма на дизелово гориво. Която се произвежда от култури, които дават триглицериди, като соево масло, също могат да бъдат използвани.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Някои също могат да работят с водороден газ. Всички двигатели с вътрешно горене трябва да имат метод за постигане на запалване в техните бутилки, за да се създаде горене. Двигателите използват електрически метод или система за запалване чрез компресия. Процес на запалване на бензин. Електрически / бензинови системи за запалване (които могат да работят и на други горива. Както беше споменато по-горе обикновено разчитат на комбинация от оловно-кисели батерии и индукционна бобина. За осигуряване на електрическа искра с високо напрежение за възпламеняване на въздушно-горивната смес в цилиндри на двигателя. Тази батерия може да се зарежда по време на работа с помощта на устройство за генериране на електроенергия. Като например алтернатор или генератор, задвижван от двигателя. Бензиновите двигатели поемат смес от въздух и бензин и компресират до по-малко от 170 psi и използват свещ за запалване на сместа. Когато тя е компресирана от главата на буталото във всеки цилиндър.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Процес на запалване на дизелов двигател. Компресионните запалителни системи, като например дизеловият двигател и HCCI двигатели. Разчитат единствено на топлината и налягането, създавани от двигателя в процеса на компресия за запалване. Компресията, която възниква, обикновено е повече от три пъти по-висока от тази на бензиновия двигател. Дизеловите двигатели ще поемат само въздух и малко преди пиковото компресиране. Малко количество дизелово гориво се пръска в цилиндъра чрез горивен инжектор, който позволява горивото незабавно да се запали. Двигателите от типа HCCI ще вземат въздух и гориво. Но ще продължат да разчитат на неавтоматизиран процес на автоматично изгаряне поради по-високите налягания и топлината. Това е и причината, поради която дизеловите и HCCI двигателите са по-податливи на студени изходни проблеми. Въпреки че след като са започнали, те ще работят също толкова добре.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Повечето дизели също имат батерии и системи за зареждане, но тази система е второстепенна и се добавя от производителите като лукс за лесно стартиране, включване и изключване на гориво, което също може да се направи чрез превключвател или механична апаратура, както и за работа с допълнителни електрически компоненти и аксесоари. Повечето съвременни дизели обаче разчитат на електрически системи, които също контролират процеса на горене, за да увеличат ефективността и да намалят емисиите. Енергия. Веднъж успешно запалени и изгорени, продуктите на горенето, горещите газове, имат повече налична енергия от оригиналната компресирана гориво / въздушна смес която има по-висока химическа енергия. Наличната енергия се проявява като висока температура и налягане, които могат да се превърнат в работа от двигателя. В бутален двигател, газовете с високо налягане в цилиндрите задвижват буталата на двигателя.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

След като се премахне наличната енергия, останалите горещи газове се вентилират чрез отваряне на клапан. Или излагане на изхода на изпускателната тръба и това позволява на буталото да се върне в предишното си положение. След това буталото може да премине към следващата фаза на своя цикъл, която варира между двигателите. Всяка топлина, която не се предава на работа, обикновено се счита за отпадък. И се отстранява от двигателя или от въздушна или течна охладителна система. Частите на двигателя варират в зависимост от типа на двигателя. За четиритактов двигател ключовите части на двигателя включват колянов вал, един или повече разпределителни валове и клапани. За двутактовия двигател може да има само изпускателен отвор и вход за гориво вместо вентилна система. И в двата типа двигатели има един или повече цилиндри. А за всеки цилиндър има свещ, бутало и коляно. Единично почистване на цилиндъра от буталото при движение нагоре или надолу е известно като ход. А ходът надолу, който се появява непосредствено след възпламеняването на въздушно-горивната смес в цилиндъра, е известен като силов удар.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Двигателят на Wankel има триъгълен ротор, който обикаля в епитрохоидна камера около ексцентричен вал. Четирите фази на работа всмукване, сгъстяване, мощност, изпускане се извършват на отделни места. Вместо на едно-единствено място, както при бутален двигател. Двигателят Bourke използва двойка бутала, интегрирани към шотландския ик, който предава възвратно-постъпателна сила чрез специално проектиран лагер, за да завърти коляновия механизъм. Всмукването, компресията, мощността и изгорелите газове се появяват при всеки ход на тази скоба. Съществува широка гама от двигатели с вътрешно горене, които отговарят на многобройните им приложения. Също така има широк спектър от начини за класифициране на двигателите с вътрешно горене, някои от които са изброени по-долу.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Двигателите, базирани на двутактовия цикъл, използват два удара един нагоре, един надолу за всеки силов удар. Тъй като няма специални всмукателни или изпускателни удари, трябва да се използват алтернативни методи за изчистване на цилиндрите. Най-разпространеният метод при двутактовите запалвания с искрово запалване е да се използва движението надолу на буталото. За да се притисне свеж заряд в картера, който след това се продухва през цилиндъра през отворите в стените на цилиндъра. Двутактовите запалвания с искрово запалване са малки и леки (за тяхната мощност) и механично много прости. Общи приложения включват моторни шейни, косачки, плевели, верижни триони, джетове, мотопеди, извънбордови двигатели и някои мотоциклети. За съжаление, те също са обикновено по-силни, по-малко ефективни и далеч по-замърсяващи. Отколкото техните четиритактови колеги и те не се разбират добре на по-големи размери.

Замърсяване от двигателя с вътрешно горене

Интересното е, че най-големите двигатели с компресионно запалване са двутактови и се използват в някои локомотиви и големи кораби. Тези двигатели използват принудителна индукция за премахване на цилиндрите. Двутактовите двигатели са по-малко ефективни в сравнение с другите видове двигатели. Тъй като неизползваното гориво, което се впръсква в горивната камера, може понякога да избяга от изпускателния канал с отработеното гориво. Без специална обработка на отработените газове, това също ще доведе до много високи нива на замърсяване. Изискващи много малки приложения на двигателя, като например косачки, да използват четиритактови двигатели и по-малки двутактови двигатели. Които да бъдат оборудвани с каталитични конвертори в някои юрисдикции.

Четиритактов двигател с вътрешно горене

Двигателите, базирани на четиритактовия цикъл или цикъл Ото, имат един силов удар за всеки четири удара (нагоре-надолу-нагоре-надолу) и се използват в коли, по-големи лодки и много леки самолети. Като цяло те са по-тихи, по-ефективни и по-големи от техните двутактови колеги. Съществуват редица вариации на тези цикли, най-вече циклите на Аткинсън и Милър. Повечето камиони и автомобилни дизелови двигатели използват четиритактов цикъл, но със система за запалване на компресионно отопление. Тази промяна се нарича дизелов цикъл. Пет-тактов. Двигателите, базирани на петтактов цикъл, са вариант на четиритактовия цикъл. Обикновено четирите цикъла са всмукване, сгъстяване, горене и изпускане. Двигателите, работещи с петтактов цикъл, са с до 30% по-ефективни от еквивалентния четиритактов двигател.

Двигателят на Бурк

В този двигател, два диаметрално противоположни цилиндъра са свързани с манивелата от коляновия щифт. Цилиндрите и буталата са конструирани така, че в обичайния двутактов цикъл има два силови удара на оборот. За разлика от обикновения двутактов двигател, изгорелите газове и постъпващият свеж въздух не се смесват в бутилките, което допринася за по-чиста и по-ефективна работа. Механизмът на скоч скоба също има ниска странична тяга и по този начин значително намалява триенето между буталата и стените на цилиндъра. Горивната фаза на двигателя на Bourke приблизително се доближава до постоянния обем на горене, отколкото до четиритактов или два тактови цикъла. Той също така използва по-малко движещи се части, следователно трябва да преодолее по-малкото триене. Отколкото трябва да имат другите два бутални типа. Освен това, неговото по-голямо съотношение на разширение означава също така, че се използва повече топлина от неговата фаза на горене. Отколкото се използва чрез четиритактов или два тактови цикъла.

Двигател с контролирано горене

Това също са двигатели, базирани на цилиндри, които могат да бъдат едно – или двутактови. Но да се използват, вместо коляновия вал и буталните пръти, две свързани зъбни колела. Противоположни въртящи се концентрични гърбици за превръщане на възвратно-постъпателно движение в ротационно движение. Тези камери всъщност премахват страничните сили, които иначе биха били упражнени върху цилиндрите от буталата. Което значително подобрява механичната ефективност. Профилите на люлеещите се лопатки (които винаги са нечетни и поне три на брой) определят движението на буталото спрямо доставения въртящ момент. В този двигател има два цилиндъра, които са на 180 градуса една от друга за всяка двойка противоположни въртящи се гърбици. При версии с единичен ход има един и същ брой цикли на двойка цилиндри. Тъй като на всяка шина има лостове, два пъти повече за два тактови единици.

Ванкелов двигател

Двигателят на Ванкел работи със същото разделяне на фазите като четиритактовия двигател но без хода на буталата, би било по-правилно да се нарича четирифазен двигател, тъй като фазите се появяват на отделни места в двигателя. Този двигател осигурява три мощни „удара“ на оборот на ротор, което му дава по-голямо съотношение мощност-тегло, средно, отколкото буталните двигатели. С цикли на газови турбини, вместо да използват едно и също бутало за компресиране и разширяване на газовете, вместо това се използват отделни компресори и газови турбини; даване на непрекъсната мощност. По същество въздуха се компресира и след това се изгаря с гориво, което значително повишава температурата и обема. След това по-големият обем горещ газ от горивната камера се подава през газовата турбина, която след това лесно може да захранва компресора.

Двигател с водород

Някои теоретизират, че в бъдеще водородът може да замени такива горива. Освен това, с въвеждането на технология за водородни горивни клетки, използването на двигатели с вътрешно горене може да бъде преустановено. Предимството на водорода е, че неговото изгаряне произвежда само вода. Това е различно от изгарянето на изкопаеми горива, които произвеждат въглероден диоксид. Основна причина за глобалното затопляне, въглероден оксид в резултат на непълно изгаряне и други местни и атмосферни замърсители като серен диоксид и азотни оксиди. Които водят до градски дихателни проблеми, киселинни дъждове и проблеми с озоновия газ. Въпреки това, свободният водород за гориво не се среща естествено, изгарянето освобождава по-малко енергия. Отколкото е необходимо за производството на водород на първо място чрез най-простия и най-разпространен метод – електролиза.

Запалителна система

Двигателите с вътрешно горене могат да бъдат класифицирани по тяхната запалителна система. Точката в цикъла, при която се запалва гориво / окислителна смес, има пряк ефект върху ефективността и мощността на ICE. За типичен 4-тактов автомобилен двигател, горящата смес трябва да достигне максималното си налягане. Когато коляновият вал е 90 градуса след TDC. Скоростта на фронта на пламъка е пряко засегната от степента на компресия, температурата на горивната смес и октановото или цетановото ниво на горивото. Съвременните системи за запалване са предназначени да възпламенят сместа в точното време. За да се гарантира, че предната част на пламъка не се допира до низходящото бутало. Ако фронтът на пламъка контактува с буталото, резултатите от розово или чукане. По-малките смеси и по-ниските налягания на сместа изгарят по-бавно, което изисква по-напреднало време за запалване. Днес повечето двигатели използват електрическа или компресионна отоплителна система за запалване. Въпреки това, исторически са използвани външни системи за пламък и горещи тръби.

Горивни системи

Горивата изгарят по-бързо и по-пълно, когато имат много повърхност в контакт с кислород. За да може двигателят да работи ефективно, горивото трябва да се изпари в постъпващия въздух в така наречената смес за въздух. Има два често използвани метода за изпаряване на горивото във въздуха, единият е карбураторът, а другият е впръскване на гориво. Често за по-прости, възвратно-постъпателни двигатели се използва карбуратор за подаване на гориво в цилиндъра. Точният контрол на правилното количество гориво, доставян към двигателя обаче, е невъзможен. Карбураторите са най-разпространеното устройство за смесване на гориво, използвано в косачките и други приложения на малки двигатели. Преди средата на 80-те години на миналия век карбураторите са често срещани при автомобилите. По-големите бензинови двигатели, като тези, използвани в автомобилите, са преместени предимно в системите за впръскване на гориво. Дизеловите двигатели винаги използват впръскване на гориво.

Авто газови двигатели

Двигателите за автогаз (LPG) използват системи за впръскване на гориво или отворени или затворени карбуратори. Други двигатели с вътрешно горене, като реактивни двигатели, използват горелки. А ракетните двигатели използват различни идеи, включително сблъскващи се джетове, газ / течност, свръзки, и много други идеи. Конфигурация на двигателя. Двигателите с вътрешно горене могат да бъдат класифицирани според тяхната конфигурация, която влияе на техния физически размер и гладкост (с по-гладки двигатели, които произвеждат по-малко вибрации). Общите конфигурации включват права или вградена конфигурация, по-компактната V конфигурация и по-широката, но по-гладка конфигурация. Двигателите на въздухоплавателни средства могат също да приемат радиална конфигурация, която позволява по-ефективно охлаждане.

Капацитет на двигателя

Капацитетът на двигателя е преместването или обемът на буталото на двигателя. Обикновено се измерва в литри (L) или кубични инча (ci или in³) за по-големи двигатели и кубични сантиметри (съкратено cc) за по-малки двигатели. Двигателите с по-голям капацитет обикновено са по-мощни и осигуряват по-голям въртящ момент при по-ниски обороти. Но също така консумират повече гориво. Освен проектирането на двигател с повече цилиндри, има два начина за увеличаване на капацитета на двигателя. Първият е да се удължи ходът, а вторият е да се увеличи диаметърът на буталото. И в двата случая може да се наложи да се направят допълнителни настройки на захранването с гориво на двигателя. За да се осигури оптимална работа. Посоченият капацитет на двигателя може да бъде повече въпрос на маркетинг, отколкото на инженеринг.

Смазочни системи

Използват се няколко вида смазочни системи. Обикновените двутактови двигатели се смазват чрез смесване на масло в горивото или инжектиране в индукционния поток като спрей. Стационарните и морските двигатели с ранна бавна скорост са смазвани от гравитацията от малки камери. Подобни на онези, използвани по време на парните двигатели, като търгът на двигателя се презарежда при необходимост. Тъй като двигателите са адаптирани за използване в автомобилостроенето и самолетите. Необходимостта от високо съотношение мощност към тегло води до увеличени скорости, по-високи температури и по-голямо натиск върху лагерите. Което от своя страна изисква смазване под налягане за коляновите лагери и шайбите. Или чрез директно смазване от помпа, или индиректно от струя масло, насочена към чашките за набиране на свързващите пръти. Което има предимството да осигурява по-високи налягания при увеличаване на скоростта на двигателя.

Двигателно замърсяване

Като цяло двигателите с вътрешно горене, по-специално бутални двигатели с вътрешно горене. Произвеждат умерено високи нива на замърсяване, поради непълно изгаряне на въглеродното гориво. Което води до въглероден оксид и някои сажди заедно с азотни и серни оксиди. Някои неизгорели въглеводороди в зависимост от работните условия и съотношение гориво / въздух. Основните причини за това са необходимостта от работа в близост до стехиометричното съотношение за бензиновите двигатели. За да се постигне горене (горивото ще изгори по-пълно в излишния въздух) и „охлаждането“ на пламъка от относително хладните цилиндрични стени. Дизеловите двигатели произвеждат широк спектър от замърсители. Включително аерозоли от много малки частици (PM10), за които се смята, че проникват дълбоко в човешките бели дробове. Двигателите, работещи на втечнен нефтен газ (ВНГ), са с много ниски емисии. Тъй като втечненият газ пречиства много чист и не съдържа сяра или олово.

Замърсяване на природната среда

Много горива съдържат сяра, което води до серни оксиди (SOx) в отработените газове, което насърчава киселинните дъждове. Високата температура на горене създава по-големи пропорции на азотни оксиди (NOx). Които са доказано опасни за здравето на растенията и животните. Нетното производство на въглероден диоксид не е необходима характеристика на двигателите. Но тъй като повечето двигатели се управляват от изкопаеми горива, това обикновено се случва. Ако двигателите се движат от биомаса, тогава не се получава чист въглероден диоксид. Тъй като растежните растения поглъщат толкова или повече въглероден диоксид, докато растат. Водородните двигатели трябва само да произвеждат вода, но когато се използва въздух като окислител, се произвеждат и азотни оксиди. Ефективност на двигателя с вътрешно горене. Ефективността на различните видове двигатели с вътрешно горене варира.

Общи приложения

Общоприето е, че повечето бензинови двигатели с вътрешно горене, дори когато са подпомагани с турбокомпресори и помощни средства за ефективност на запасите, имат механична ефективност от около 20%. Повечето двигатели с вътрешно горене разхищават около 36% от енергията в бензина, тъй като загубата на топлина за охлаждащата система и още 38% през изгорелите газове. Останалите, около шест процента, се губят от триене. Повечето инженери не са успели да впрегнат загубата на енергия за каквато и да е смислена цел, въпреки че съществуват различни устройства и системи, които могат значително да подобрят ефективността на горенето. Водородното впръскване на гориво, или HFI, е система за добавяне на двигатели, която е известна с това, че подобрява разхода на гориво на двигателите с вътрешно горене чрез инжектиране на водород като подобрение на горенето във всмукателния колектор.

Общи приложения при двигател с вътрешно горене

Може да се види увеличение на икономията на гориво от 15% до 50%. Малко количество водород, добавено към зарядния въздух-гориво, увеличава октановото число на комбинирания горивен заряд и увеличава скоростта на пламъкакато по този начин позволява на двигателя да работи с по-напреднало време на запалване, по-високо съотношение на компресия и по-икономична смес въздух-гориво, отколкото е възможно по друг начин. Резултатът е по-ниско замърсяване с по-голяма мощност и повишена ефективност. Някои HFI системи използват електролизер на борда, за да генерират използвания водород. Може да се използва и малък резервоар с водород под налягане, но този метод изисква пълнене. Също така се обсъждаха нови видове двигатели с вътрешно горене, като например двигателите със сплитащ цикъл на Scuderi, които използват високи налягания на компресия над 2000 psi и изгарят след най-високата точка (най-високата и най-компресирана точка при вътрешно горене). ход на буталото). Очаква се такива двигатели да постигнат ефективност до 50-55%.