Zariadenie so spaľovacím motorom

Už celé storočie sa spaľovací motor používa v motocykloch, osobných a nákladných vozidlách. Doteraz zostáva najhospodárnejším typom motora. Ale pre mnohých zostáva princíp činnosti a zariadenie spaľovacieho motora nejasné. Pokúsme sa pochopiť hlavné zložitosti a špecifiká štruktúry motora.

📌Definícia a všeobecné vlastnosti

Kľúčovou vlastnosťou každého spaľovacieho motora je zapaľovanie horľavej zmesi priamo v jeho pracovnej komore, a nie v externých médiách. V okamihu spaľovania paliva získaná tepelná energia vyvoláva činnosť mechanických súčastí motora.

📌Vytváranie histórie

Pred nástupom spaľovacích motorov boli vozidlá s vlastným pohonom vybavené spaľovacími motormi. Takéto jednotky fungovali z tlaku pary generovaného ohrevom vody v samostatnej nádrži.

Konštrukcia takýchto motorov bola veľká a neúčinná - okrem veľkej hmotnosti zariadenia musela prepravu na prekonanie veľkých vzdialeností potiahnuť aj slušný prísun paliva (uhlie alebo palivové drevo).

Vzhľadom na tento nedostatok sa inžinieri a vynálezcovia pokúsili vyriešiť dôležitú otázku: ako kombinovať palivo s telesom pohonnej jednotky. Odstránením prvkov ako kotol, nádrž na vodu, kondenzátor, výparník, čerpadlo atď. Zo systému. by mohlo výrazne znížiť hmotnosť motora.

K vytvoreniu spaľovacieho motora v podobe známej modernému motoristovi došlo postupne. Tu sú hlavné míľniky, ktoré viedli k vzniku moderného spaľovacieho motora:

• 1791 John Barber vynašiel plynovú turbínu, ktorá pracuje tak, že destiluje ropu, uhlie a drevo v retortách. Výsledný plyn sa spolu so vzduchom prečerpával do spaľovacej komory pomocou kompresora. Výsledný horúci plyn pod tlakom sa privádzal k obežnému kolesu obežného kolesa a otáčal ním.
• 1794 Robert Street patentuje motor na kvapalné palivo.
• 1799. Philippe Le Bon v dôsledku pyrolýzy ropy dostáva luminiscenčný plyn. V roku 1801 navrhuje jeho použitie ako paliva pre plynové motory.
• 1807 François Isaac de Rivaz - patent na „použitie výbušných materiálov ako zdroja energie v motoroch“. Na základe vývoja vytvorí samohybnú posádku.
• 1860 Spoločnosť Etienne Lenoir bola priekopníkom raných vynálezov vytvorením funkčného motora poháňaného zmesou plynného osvetlenia a vzduchu. Mechanizmus sa dal do pohybu iskrou z externého zdroja energie. Vynález sa používal na člnoch, ale nebol inštalovaný na vozidlách s vlastným pohonom.
• 1861 Alphonse Bo De Rocha odhaľuje dôležitosť stlačenia paliva pred jeho zapálením, čo poslúžilo k vytvoreniu teórie fungovania štvortaktného spaľovacieho motora (nasávanie, kompresia, spaľovanie s expanziou a uvoľňovaním).
• 1877 Nikolaus Otto vytvára prvý štvortaktný spaľovací motor s výkonom 12 hp.
• 1879 Karl Benz si patentuje dvojtaktný motor.
• 1880. roky XNUMX. storočia. Ogneslav Kostrovich, Wilhelm Maybach a Gottlieb Daimler súčasne vyvíjajú úpravy karburátora spaľovacieho motora a pripravujú ich na sériovú výrobu.

Okrem benzínových motorov sa v roku 1899 objavil motor Trinkler. Tento vynález je ďalším typom spaľovacieho motora (vysokotlakový olejový kompresor bez kompresora), pracujúci na princípe vynálezu Rudolfa Diesela. V priebehu rokov sa pohonné jednotky, benzínové aj naftové, zlepšovali, čo zvyšovalo ich účinnosť.

📌Typy spaľovacích motorov

Podľa typu konštrukcie a špecifík prevádzky spaľovacieho motora sú klasifikované podľa niekoľkých kritérií:

• Podľa druhu použitého paliva - nafta, benzín, plyn.
• Podľa princípu chladenia - kvapaliny a vzduchu.
• V závislosti na usporiadaní valcov - v rade a v tvare V.
• Podľa spôsobu prípravy palivovej zmesi - karburátora, plynu a vstrekovania (zmesi sa tvoria vo vonkajšej časti spaľovacieho motora) a nafty (vo vnútornej časti).
• Podľa princípu zapaľovania palivovej zmesi - s núteným zapaľovaním a so samovznietením (typické pre naftové jednotky).

Motory sa tiež vyznačujú svojou konštrukciou a účinnosťou:

• Piest, v ktorom je pracovná komora umiestnená vo valcoch. Stojí za zváženie, že také spaľovacie motory sú rozdelené do niekoľkých poddruhov:
  • karburátor (karburátor je zodpovedný za vytvorenie obohatenej pracovnej zmesi);
  • vstrekovanie (zmes sa dodáva priamo do sacieho potrubia cez trysky);
  • nafta (k vznieteniu zmesi dochádza v dôsledku vytvorenia vysokého tlaku vo vnútri komory).
  • Rotačný piest, ktorý sa vyznačuje premenou tepelnej energie na mechanickú v dôsledku otáčania rotora spolu s profilom. Práca rotora, ktorého pohyb pripomína tvar 8-ku, úplne nahrádza funkcie piestov, rozvodov a kľukového hriadeľa.
  • Plynová turbína, v ktorej je motor poháňaný tepelnou energiou získanou otáčaním rotora s listami pripomínajúcimi list. Poháňa hriadeľ turbíny.

Teória sa na prvý pohľad zdá byť jasná. Teraz sa pozrime na hlavné komponenty hnacej sústavy.

📌 ICE zariadenie

Dizajn karosérie obsahuje nasledujúce komponenty:

• blok valcov;
• kľukový mechanizmus;
• mechanizmus distribúcie plynu;
• systémy prívodu a zapálenia horľavej zmesi a odvodu splodín (výfukové plyny).

Ak chcete pochopiť umiestnenie každého komponentu, zvážte diagram štruktúry motora:

Číslo 6 označuje miesto, kde sa nachádza valec. Patrí medzi kľúčové komponenty spaľovacieho motora. Vo vnútri valca je piest označený číslom 7. Je pripevnený k ojnici a kľukovému hriadeľu (na diagrame označenom číslami 9 a 12). Pohyb piestu hore a dole vo vnútri valca vyvoláva tvorbu rotačných pohybov kľukového hriadeľa. Na konci oja je zotrvačník, ktorý je zobrazený na diagrame pod číslom 10. Je to potrebné pre rovnomerné otáčanie hriadeľa. Horná časť valca je vybavená hustou hlavou so zmiešavacími nasávacími a výfukovými ventilmi. Sú uvedené pod číslom 5.

Otváranie ventilov je možné vďaka vačkám vačkového hriadeľa označeným číslom 14 alebo skôr jeho prevodovým prvkom (číslo 15). Otáčanie vačkového hriadeľa zabezpečujú ozubené kolesá kľukového hriadeľa označené číslom 13. Pri voľnom pohybe piestu vo valci je schopný zaujať dve krajné polohy.

Normálnu prevádzku spaľovacieho motora možno zabezpečiť iba rovnomerným prísunom palivovej zmesi v správnom čase. Aby sa znížili prevádzkové náklady motora na odvod tepla a zabránilo sa predčasnému opotrebovaniu hnacích komponentov, sú tieto mazané olejom.

📌Princíp spaľovacieho motora

Moderné spaľovacie motory pracujú na palivo, ktoré sa zapaľuje vo vnútri valcov, a na energiu, ktorá z neho pochádza. Cez sací ventil sa dodáva zmes benzínu a vzduchu (v mnohých motoroch sú dva na valec). Na rovnakom mieste sa vznieti v dôsledku iskry, ktorá sa vytvorí zapaľovacia sviečka... V okamihu malého výbuchu sa plyny v pracovnej komore rozširujú a vytvárajú tlak. Uvádza do pohybu piest pripevnený k KShM.

Naftové motory fungujú na podobnom princípe, iba proces spaľovania sa iniciuje trochu iným spôsobom. Spočiatku je vzduch vo valci stlačený, čo spôsobí jeho zahriatie. Predtým, ako piest dosiahne kompresný zdvih TDC, rozprašuje vstrekovač palivo. Vďaka horúcemu vzduchu sa palivo samo zapáli bez iskry. Ďalej je postup identický s úpravou benzínu spaľovacieho motora.

KShM prevádza vratné pohyby skupiny piestov na rotáciu kľukový hriadeľ... Krútiaci moment ide na zotrvačník, potom na mechanická alebo automatická prevodovka a nakoniec - na hnacích kolesách.

Proces, keď sa piest pohybuje nahor alebo nadol, sa nazýva zdvih. Všetky miery až do okamihu, keď sa opakujú, sa nazývajú cyklus.

Jeden cyklus zahŕňa proces sania, kompresie, vznietenia spolu s expanziou vytvorených plynov a uvoľňovaním.

Existujú dve modifikácie motorov:

1. V dvojtaktnom cykle sa kľukový hriadeľ točí raz za cyklus a piest sa pohybuje dole a hore.
2. V štvortaktnom cykle sa kľukový hriadeľ bude otáčať dvakrát za cyklus a piest urobí štyri úplné pohyby - bude klesať, stúpať, klesať, stúpať.

📌Funkčný princíp dvojtaktného motora

Keď vodič naštartuje motor, štartér uvedie do pohybu zotrvačník, kľukový hriadeľ sa otočí, KShM pohybuje piestom. Keď dosiahne BDC a začne stúpať, je pracovná komora už naplnená horľavou zmesou.

V hornej úvrati piestu sa zapáli a pohybuje sa nadol. Prebieha ďalšie vetranie - výfukové plyny sú vytláčané novou časťou pracovnej horľavej zmesi. Čistenie sa môže líšiť v závislosti od konštrukcie motora. Jedna z úprav poskytuje naplnenie priestoru pod piestom zmesou paliva a vzduchu, keď stúpa, a keď piest klesá, stláča sa do pracovnej komory valca a vytláča produkty spaľovania.

Pri takýchto úpravách motora neexistuje systém časovania ventilov. Samotný piest otvára / zatvára vstup / výstup.

Takéto motory sa používajú v technológii s nízkym výkonom, pretože v nich dochádza k výmene plynov v dôsledku výmeny výfukových plynov za inú časť zmesi vzduch-palivo. Pretože je pracovná zmes čiastočne odstránená spolu s výfukovými plynmi, vyznačuje sa táto úprava zvýšenou spotrebou paliva a nižším výkonom v porovnaní so štvortaktnými analógmi.

Jednou z výhod takýchto spaľovacích motorov je menšie trenie na cyklus, ale zároveň sa silnejšie zahrievajú.

📌Funkčný princíp štvortaktného motora

Väčšina automobilov a iných motorových vozidiel je vybavená štvortaktnými motormi. Na dodávanie pracovnej zmesi a odvádzanie výfukových plynov sa používa mechanizmus distribúcie plynov. Je poháňaný rozvodom pohonu spojeným s remenicou kľukového hriadeľa remeňom, reťazou alebo prevodom.

Rotujúce vačkový hriadeľ zdvíha / spúšťa sacie / výfukové ventily umiestnené nad valcom. Tento mechanizmus zaisťuje synchronizáciu otvorenia zodpovedajúcich ventilov na dodávanie horľavej zmesi a odvádzanie výfukových plynov.

V takýchto motoroch cyklus prebieha nasledovne (napríklad benzínový motor):

1. V okamihu naštartovania motora štartér otočí zotrvačník, ktorý poháňa kľukový hriadeľ. Vstupný ventil sa otvára. Kľukový mechanizmus spúšťa piest a vytvára podtlak vo valci. Zmes vzduchu a paliva má sací zdvih.
2. Piest pri pohybe od dolnej úvrati nahor stláča horľavú zmes. Toto je druhé opatrenie - kompresia.
3. Keď je piest v hornej úvrati, sviečka vytvorí iskru, ktorá zapáli zmes. V dôsledku výbuchu sa plyny rozširujú. Nadmerný tlak vo valci posúva piest nadol. Toto je tretí cyklus - zapaľovanie a expanzia (alebo pracovný zdvih).
4. Rotujúci kľukový hriadeľ posúva piest nahor. V tomto bode vačkový hriadeľ otvára výfukový ventil, ktorým stúpajúci piest vypudzuje výfukové plyny. Toto je štvrtý stĺpec - vydanie.

📌Pomocné systémy spaľovacieho motora

Žiadny moderný spaľovací motor nie je schopný samostatnej činnosti. Je to spôsobené tým, že palivo musí byť dodávané z plynovej nádrže do motora, musí sa vznietiť v správnom čase a aby sa motor „nezadusil“ z výfukových plynov, musí sa včas odstrániť.

Rotujúce časti potrebujú neustále mazanie. Kvôli vysokým teplotám generovaným počas spaľovania musí byť motor chladený. Tieto sprievodné procesy neposkytuje samotný motor, preto spaľovací motor pracuje v spojení s pomocnými systémami.

📌Zapaľovací systém

Tento pomocný systém je navrhnutý na včasné zapálenie horľavej zmesi vo vhodnej polohe piestu (TDC v kompresnom zdvihu). Používa sa v benzínových spaľovacích motoroch a skladá sa z nasledujúcich prvkov:

• Zdroj energie. Ak je motor v pokoji, túto funkciu vykonáva batéria (informácie o tom, ako naštartovať vozidlo, ak je batéria vybitá, prečítajte si ďalej samostatný článok). Po naštartovaní motora je zdrojom energie generátor.
• Zámok zapaľovania. Zariadenie, ktoré uzatvára elektrický obvod na jeho napájanie zo zdroja energie.
• Úložné zariadenie. Väčšina benzínových vozidiel má zapaľovaciu cievku. Existujú aj modely, v ktorých je niekoľko takýchto prvkov - jeden pre každú sviečku. Premieňajú nízke napätie z batérie na vysoké napätie potrebné na vytvorenie vysoko kvalitnej iskry.
• Rozdeľovač - prerušovač zapaľovania. V automobiloch s karburátorom je to distribútor, vo väčšine ostatných je tento proces riadený ECU. Tieto zariadenia distribuujú elektrické impulzy do príslušných zapaľovacích sviečok.

📌Úvodný systém

Na vytvorenie spaľovacieho procesu je potrebná kombinácia troch faktorov: paliva, kyslíka a zdroja vznietenia. Ak sa použije elektrický výboj - úloha zapaľovacieho systému, potom nasávací systém dodáva kyslíku motoru, aby sa mohlo palivo vznietiť.

Tento systém pozostáva z:

• Nasávanie vzduchu - odbočné potrubie, cez ktoré sa nasáva čistý vzduch. Proces prijímania závisí od úpravy motora. V atmosférických motoroch je vzduch nasávaný kvôli vytvoreniu vákua vytvoreného vo valci. U modelov s turbodúchadlom je tento proces vylepšený rotáciou lopatiek kompresora, čo zvyšuje výkon motora.
• Vzduchový filter je navrhnutý tak, aby čistil prúdenie od prachu a malých častíc.
• Škrtiaca klapka je ventil, ktorý reguluje množstvo vzduchu vstupujúceho do motora. Reguluje sa buď zošliapnutím plynového pedálu alebo elektronikou riadiacej jednotky.
• Nasávacie potrubie je sústava rúrok spojených s jedným spoločným potrubím. V vstrekovacích spaľovacích motoroch je na hornej časti inštalovaný škrtiaci ventil a pre každý valec vstrekovač paliva. Pri úpravách karburátora je na sacom potrubí inštalovaný karburátor, v ktorom je zmiešaný vzduch s benzínom.

Do valcov musí byť okrem vzduchu dodávané aj palivo. Na tento účel bol vyvinutý palivový systém pozostávajúci z:

• palivová nádrž;
• palivové potrubie - hadice a potrubia, cez ktoré sa benzínové alebo naftové palivo pohybuje z nádrže do motora;
• karburátor alebo vstrekovač (systémy dýz, ktoré rozprašujú palivo);
• palivové čerpadločerpanie paliva z nádrže do karburátora alebo iného zariadenia na miešanie paliva a vzduchu;
• palivový filter, ktorý čistí benzín alebo naftu od trosiek.

Dnes existuje veľa modifikácií motorov, v ktorých sa pracovná zmes privádza do valcov rôznymi spôsobmi. Medzi takéto systémy patria:

• jednoduché vstrekovanie (princíp karburátora, iba s tryskou);
• distribuované vstrekovanie (pre každý valec je nainštalovaná samostatná tryska, zmes vzduchu a paliva sa vytvára v kanáli sacieho potrubia);
• priame vstrekovanie (tryska rozprašuje pracovnú zmes priamo do valca);
• kombinované vstrekovanie (kombinuje princíp priameho a distribuovaného vstrekovania)

📌Mazací systém

Všetky trecie povrchy kovových častí musia byť namazané, aby ochladili a znížili opotrebenie. Na zabezpečenie tejto ochrany je motor vybavený mazacím systémom. Chráni tiež kovové časti pred oxidáciou a odstraňuje usadeniny uhlíka. Mazací systém pozostáva z:

• jímka - nádrž, ktorá obsahuje motorový olej;
• olejové čerpadlo, ktoré vytvára tlak, vďaka ktorému je mazivo dodávané do všetkých častí motora;
• olejový filter, ktorý zachytáva všetky častice vznikajúce pri prevádzke motora;
• niektoré autá sú vybavené chladičom oleja na dodatočné chladenie maziva motora.

📌Výfukový systém

Kvalitný výfukový systém zaisťuje odvod výfukových plynov z pracovných komôr valcov. Moderné automobily sú vybavené výfukovým systémom, ktorý obsahuje nasledujúce prvky:

• výfukové potrubie, ktoré tlmí vibrácie horúcich výfukových plynov;
• prijímacie potrubie, do ktorého vychádzajú výfukové plyny z rozdeľovača (rovnako ako výfukové potrubie je vyrobené z tepelne odolného kovu);
• katalyzátor, ktorý čistí výfukové plyny od škodlivých prvkov, čo umožňuje vozidlu vyhovieť environmentálnym normám;
• rezonátor - kapacita o niečo menšia ako hlavný tlmič výfuku, navrhnutá na zníženie rýchlosti výfuku;
• hlavný tlmič výfuku, vo vnútri ktorého sú priečky, ktoré menia smer výfukových plynov tak, aby sa znížila ich rýchlosť a hlučnosť.

📌Chladiaci systém

Tento prídavný systém umožňuje motor bežať bez prehriatia. Podporuje prevádzková teplota motorakým je navinutý. Aby tento indikátor neprekročil kritické limity ani pri stojacom automobile, systém sa skladá z nasledujúcich častí:

• chladiaci chladičpozostávajúce z rúrok a dosiek určených na rýchlu výmenu tepla medzi chladiacou kvapalinou a okolitým vzduchom;
• ventilátor, ktorý zaisťuje vyššie prúdenie vzduchu, napríklad ak je stroj v dopravnej zápche a chladič nie je dostatočne vyfúknutý;
• vodné čerpadlo, vďaka ktorému je zabezpečená cirkulácia chladiacej kvapaliny, ktorá odvádza teplo z horúcich stien bloku valcov;
• termostat - ventil, ktorý sa otvorí po zahriatí motora na prevádzkovú teplotu (pred jeho spustením cirkuluje chladiaca kvapalina v malom kruhu, a keď sa otvorí, kvapalina sa pohybuje cez chladič).

Synchrónna prevádzka každého pomocného systému zaisťuje hladký chod spaľovacieho motora.

📌 Cykly motora

Cyklus sa vzťahuje na činnosti, ktoré sa opakujú v jednom valci. Štvortaktný motor je vybavený mechanizmom, ktorý spúšťa každý z týchto cyklov.

V spaľovacom motore vykonáva piest vratné pohyby (hore / dole) pozdĺž valca. Ojnica a k nej pripojená kľuka premieňajú túto energiu na rotáciu. Počas jednej akcie - keď piest siaha od najnižšieho bodu smerom hore a dozadu - urobí kľukový hriadeľ jednu otáčku okolo svojej osi.

Aby tento proces prebiehal neustále, musí do valca vstupovať zmes vzduchu a paliva, musí sa v ňom stlačiť a zapáliť a musia sa tiež odstrániť produkty spaľovania. Každý z týchto procesov prebieha v jednej revolúcii kľukového hriadeľa. Tieto akcie sa nazývajú pruhy. Existujú štyri z nich v štvortaktu:

1. Nasávanie alebo odsávanie. Pri tomto zdvihu je zmes vzduchu a paliva nasávaná do dutiny valca. Vstupuje cez otvorený sací ventil. V závislosti od typu palivového systému sa benzín zmiešava so vzduchom v sacom potrubí alebo priamo vo valci, ako napríklad v naftových motoroch;
2. Kompresia. V tomto okamihu sú sacie aj výfukové ventily zatvorené. Piest sa pohybuje nahor v dôsledku natáčania kľukového hriadeľa a otáča sa v dôsledku vykonávania ďalších zdvihov v susedných valcoch. V benzínovom motore je VTS stlačený na niekoľko atmosfér (10 - 11) a v naftovom motore - viac ako 20 atm;
3. Pracovný zdvih. V okamihu, keď sa piest zastaví úplne hore, sa stlačená zmes zapáli iskrou zo sviečky. V naftovom motore je tento proces mierne odlišný. V ňom je vzduch stlačený toľko, že jeho teplota skočí na hodnotu, pri ktorej sa motorová nafta sama vznieti. Len čo dôjde k výbuchu zmesi paliva a vzduchu, uvoľnená energia nemá kam ísť a pohybuje sa piestom dole;
4. Uvoľňovanie produktov spaľovania. Aby bola komora naplnená čerstvou časťou horľavej zmesi, musia sa odstrániť plyny tvorené v dôsledku vznietenia. To sa stane pri nasledujúcom zdvihu, keď piest stúpa. V tejto chvíli sa otvorí výstupný ventil. Keď piest dosiahne horný úvrať, cyklus (alebo sada ťahov) v samostatnom valci sa uzavrie a proces sa opakuje.

📌Výhody a nevýhody ICE

Dnes je najlepšou voľbou motora pre motorové vozidlá ICE. Medzi výhody takýchto jednotiek patria:

• jednoduchosť opravy;
• ekonomika pre dlhé cesty (závisí od jeho objem);
• veľký pracovný zdroj;
• dostupnosť pre motoristu s priemerným príjmom.

Ideálny motor ešte nebol vytvorený, preto majú tieto jednotky aj niektoré nevýhody:

• čím je jednotka a súvisiace systémy zložitejšie, tým je ich údržba nákladnejšia (napríklad motory EcoBoost);
• vyžaduje jemné doladenie systému dodávky paliva, rozvodu zapaľovania a ďalších systémov, čo si vyžaduje určité zručnosti, inak motor nebude pracovať efektívne (alebo sa vôbec nespustí);
• vyššia hmotnosť (v porovnaní s elektromotormi);
• opotrebenie kľukového mechanizmu.

Napriek tomu, že mnohé vozidlá sú vybavené inými typmi motorov („čisté“ autá poháňané elektrickou trakciou), ICE si vďaka svojej dostupnosti udržia dlho konkurenčné postavenie. Hybridné a elektrické verzie automobilov si získavajú obľubu, avšak pre vysoké náklady na tieto vozidlá a náklady na ich údržbu ich priemerný motorista zatiaľ nemá k dispozícii.

Časté otázky:

Čo je to spaľovací motor? Jedná sa o typ pohonnej jednotky, kde je v konštrukcii poskytnutá uzavretá spaľovacia komora, v ktorej sa generuje tepelná energia (v dôsledku vznietenia zmesi palivo - vzduch) a premieňa sa na mechanickú energiu.

Kto vynašiel motor s vnútorným spaľovaním? Vzorku prvého spaľovacieho motora na svete objavil francúzsky vynálezca Étven Lenoir v roku 1860. Prvý štvortaktný spaľovací motor, podľa schémy ktorého fungujú absolútne všetky pohonné jednotky, vynašiel Nikolaus Otto.

Z čoho je vyrobený motor? Najjednoduchší spaľovací motor pozostáva z bloku valcov, v ktorom je nainštalovaný systém kľuky a ojnice, skupina valcov a piestov, blok je zhora pokrytý hlavou valca s mechanizmom rozvodu plynu (vačkový hriadeľ a ventily), sanie a výfukový systém, palivový a zapaľovací systém.