Polttomoottori (ICE) on lämpömoottorityyppi , jossa polttoaineseos palaa suoraan moottorin työkammiossa ( sisällä ). Palamistuotteet muodostavat käyttönesteen . Tällainen moottori on primäärinen , kemiallinen ja muuntaa polttoaineen palamisenergian mekaaniseksi työksi [1] . On olemassa suuri määrä erilaisia polttomoottoreita, jotka eroavat tarkoituksen, tehonsyöttötavan ja muiden parametrien osalta.
Tehokkaat ja kevyet polttomoottorit mahdollistivat sellaisten liikennemuotojen luomisen, joita ei ennen ollut olemassa [2] ( autot , moottoripyörät , potkuri- ja suihkukoneet , helikopterit , raketit , avaruusalukset , kaasuturbiinivaunut , ilmatyynyalukset ) , parantamaan tehokkuutta ja ympäristöä ystävällisyys [3] laivojen voimalaitokset ja veturit . Motorisaatio johti ihmisten elämän vauhdin kiihtymiseen, kokonaisen autokulttuurin syntymiseen (USA); sotilasasioissa se mahdollisti äärimmäisen tuhoavien kuolemankoneiden kehittämisen ( tankki , hävittäjä , pommikone , ohjukset tavanomaisilla ja ydinkärjillä, sukellusveneet torpedoilla ja muut ) [4] . Vaihtoehtoisessa ulkopolttomoottoriperheessä on erillinen polttoaine ja käyttöneste , mikä edellyttää suhteellisen hidasta palamislämmön siirtoa palamistuotteista käyttönesteeseen - siksi niiden tehotiheys on paljon pienempi.
Lämpömoottorit (pääasiassa höyrykoneet ) erottuivat niiden ilmestymishetkestä lähtien suurilla mitoilla ja painolla ulkoisen polton käytön vuoksi ( vaatii kattilat , lauhduttimet, höyrystimet, lämmönvaihtimet , tarjottimet , pumput , vesisäiliöt jne.) , samalla höyrykoneen pääosa (toiminnallinen) osa ( mäntä ja sylinteri ) on suhteellisen pieni [5] . Siksi keksijöiden ajatus palasi koko ajan mahdollisuuteen yhdistää polttoaine moottorin käyttönesteeseen, mikä myöhemmin mahdollisti merkittävästi pienentää mittoja ja painoa sekä tehostaa imu- ja poistoprosesseja. työnestettä. Nämä erot ovat erityisen tärkeitä liikenteessä .
Suurimman panoksen erilaisten polttomoottoreiden luomiseen antoivat sellaiset insinöörit kuin John Barber (kaasuturbiinin keksintö vuonna 1791), Robert Street (nestemäisen polttoaineen moottorin patentti, 1794), Philip Le Bon ( sytytyskaasun löytö). vuonna 1799, ensimmäinen kaasumoottori 1801), François Isaac de Rivaz (ensimmäinen mäntämoottori, 1807), Jean-Étienne Lenoir (Lenoirin kaasumoottori, 1860), Nikolaus Otto (kipinäsytytys- ja puristusmoottori vuonna 1861, nelitahtimoottori vuonna 1876), Rudolf Diesel ( Dieselmoottori hiilipölyllä , 1897, kerosiinimoottori , jonka hyötysuhde oli 25% samana vuonna) [6] , Gottlieb Daimler ja Wilhelm Maybach , Ogneslav Stepanovitš Kostovich ( bensiinimoottori kaasuttimella , 1880 -luku ), Gustav Vasilyevich Trinkler (dieselmoottorit nestemäisellä polttoaineella, 1899), Raymond Aleksandrovich Koreyvo , Friedrich Arturovich Zander , Wernher von Braun (suihku- ja suihkuturbiinimoottorit 1930-luvulta Lunar-ohjelmaan ) [7] [8] [9] .
Siten polttomoottorit kehitettiin höyrykoneiden takana (esim . Thomas Savery keksi vuonna 1698 veden pumppaamiseen tarkoitetun höyrypumpun), mikä johtui sopivan polttoaineen, materiaalien ja tekniikoiden puutteesta. Ajatuksen polttomoottorista ehdotti Christian Huygens jo vuonna 1678; hollantilainen tiedemies ehdotti ruudin käyttöä polttoaineena [1] . Englantilainen Etienne Barber yritti käyttää tähän puuta kuumentamalla saatua ilman ja kaasun seosta [10] .
Yllä olevien, kaikille polttomoottoreille yhteisten luokituskriteerien lisäksi on olemassa kriteereitä, joiden mukaan yksittäiset moottorityypit luokitellaan. Joten mäntämoottorit voidaan luokitella syklin ja työnkulun, sylintereiden, kampiakselien ja nokka-akselien lukumäärän ja sijainnin, jäähdytystyypin , ristipään olemassaolon tai puuttumisen, yhden tai toisen tyyppisen paineistuksen mukaan (ilmakehän - luonnollisesti hengittävä) , seoksen muodostusmenetelmän ja sytytystyypin mukaan, kaasuttimien lukumäärän , kaasunjakomekanismin tyypin, kampiakselin pyörimissuunnan ja -taajuuden mukaan, sylinterin halkaisijan ja männän iskun suhteen, nopeusasteella (keskimääräinen männän nopeus) [1] [15] .
Jokainen polttomoottorityyppi vastaa polttoainetta, jota siihen voidaan käyttää. Joten puristussytytyksellä varustetuille moottoreille tarvitaan riittävän korkea setaaniluku dieselpolttoainetta , joka määrittää syttymisen ilman merkittävää viivettä [16] . Mitä nopeampi diesel, sitä korkeammat setaaniluvun vaatimukset. Toisaalta setaaniluvun laskua voidaan osittain kompensoida muutoksilla moottorin suunnittelussa: puristussuhteen nousulla, imuilman lämmityksellä. Tämä on välttämätöntä panssarivaunuihin ja jalkaväen taisteluajoneuvoihin asennettujen monipolttoainedieselmoottoreiden suunnittelussa , koska hyökkäysyksiköiden toimitushäiriöiden sattuessa on käytettävä mitä tahansa saatavilla olevaa polttoainetta ( petrolia , bensiiniä , teollisuusbensiiniä ) [ 17] . Dieselpolttoaineella ei saa olla merkittävää rikkipitoisuutta, koska ympäristöhaittojen lisäksi sylintereihin muodostuva rikkidioksidi aiheuttaa sylinteri-mäntäryhmän korroosiota ja laakereiden kulumista. Dieselpolttoaineen fraktiokoostumuksen on varmistettava sen jäätymättömyys vaadittuihin lämpötiloihin asti [18] .
Kaasuturbiini-, suihku- ja potkuriturbiinimoottoreissa lentoturvallisuusvaatimukset edellyttävät tiukkaa lentopetrolin käyttöä [19] .
Useimmat kipinäsytytteiset bensiinimoottorit vaativat tarvittavan (tai korkeamman) oktaaniluvun normaalille liekin etuosan etenemiselle , mikä määrittää bensiini-ilma-seoksen kestävyyden räjähdyspalamiselle. Ilma-polttoaineseoksen jäljellä olevan osan nopea (yli 2 km/s) räjähdyspalaminen tapahtuu normaalin palamisen lopussa (40-50 m/s), aiheuttaa merkittäviä iskukuormituksia, männän ja sylinterinkannen materiaalien lohkeilua, männänrenkaiden ja/tai männän urien välisten siltojen rikkoutuminen [20] . Naputuspoltto, lisää lämmönsiirtoa seiniin ja lisää vapaiden radikaalien määrää, vähentää tehokkuutta, aiheuttaa nokea ja nostaa pakokaasujen lämpötilaa [21] . Sen oktaaniluvun lisäksi, joka mahdollistaa moottorin käytön korkealla puristussuhteella (eli tehokkaammin ja taloudellisemmin), bensiinit vaativat myös vähimmäispitoisuuden rikkiä ja aromaattisia komponentteja, mikä yhdessä varmistaa haitallisten päästöjen vähentämisen. Bensiinimoottorien pakokaasuissa oleva rikkidioksidi aiheuttaa jopa alhaisella pitoisuudella pakoventtiilien laskeutumishihnojen kaasueroosiota (toisin kuin dieselmoottoreissa, bensiinimoottoreissa on lämmönkestävämmät venttiililevyt, jotka on valmistettu nikkeliseoksesta, joka ei kestä rikki) [22] . Polttoaineen oktaaniluku ei riipu pelkästään puristussuhteesta, vaan myös moottorin koosta (katso kuva), nopeudesta, polttoaineen ruiskutusmenetelmästä, polttoaineen ylimäärästä, jäähdytysmenetelmästä ja palotilan muodostavien osien metallista ja muutamasta muusta vähemmän merkittäviä tekijöitä.
Näin ollen käytetyllä polttoaineella varmistetaan vastaavien moottoreiden toimivuus, riittävä teho, resurssit ja ympäristöparametrit. Sen tyyppi on tiukasti rajoitettu käyttöohjeessa. Sotilasmoottoreiden lyhytaikaiseen erikoispakottamiseen (ilmailu) käytettiin laajalti vesi-metallin [23] , bentseenin ja muiden seosten [24] käyttöä, koska resurssien pieneneminen maksoi resurssien lisääntymisen. taisteluominaisuuksia lyhyen ilmataistelun aikana.
Ulkopolttomoottoreihin verrattuna polttomoottorit :
Se on lukumäärältään yleisin, sillä vuonna 2014 maailmassa autoja oli yli 1,2 miljardia [26] ja suurin osa niistä on Otto-moottorilla varustettuja. Klassinen Otto-sykli on nelitahti, vaikka kaksitahtiset kipinäsytytysmoottorit syntyivät sitä ennen. Mutta huonojen ympäristö- ja taloudellisten (polttoaineenkulutus) indikaattoreiden vuoksi kaksitahtimoottoreita käytetään yhä vähemmän. Yleisimmät Otto-bensiinimoottorit polttoaineen ruiskutuksella.
Se on yleisin vaihtoehto, joka on asennettu merkittävään osaan kuljetusajoneuvoista (pienen painon, kustannusten, hyvän tehokkuuden ja alhaisen melutason vuoksi). Siinä on kaksi vaihtoehtoa polttoaineen syöttöjärjestelmälle: ruiskutin ja kaasutin. Molemmissa tapauksissa polttoaine-ilmaseos puristetaan sylinterissä räjähdyksen alaisena, minkä vuoksi tällaisen moottorin puristussuhdetta ja pakotustasoa rajoittaa polttoaineen oktaaniluku [25] .
KaasutinmoottoriOminaisuus on polttoaine-bensiiniseoksen tuotanto erityisessä sekoittimessa, kaasuttimessa . Aikaisemmin tällaiset bensiinimoottorit olivat vallitsevia; nyt, mikroprosessorien kehityksen myötä, niiden soveltamisala kutistuu nopeasti (niitä käytetään pienitehoisissa polttomoottoreissa, joilla on alhainen polttoaineenkulutus).
Polttoaineen ruiskutettu moottoriOminaisuus on polttoaineseoksen vastaanottaminen moottorin jakoputkeen tai avoimiin sylintereihin syöttämällä polttoaineen ruiskutusjärjestelmää . Tällä hetkellä se on vallitseva Otto ICE:n versio, koska sen avulla voit dramaattisesti yksinkertaistaa moottorin elektronista ohjausta. Seoksen haluttu homogeenisuusaste saavutetaan nostamalla polttoaineen ruiskutussumutuksen painetta. Yksi vaihtoehdoista on suora polttoaineen ruiskutus, joka suuren tasaisuuden lisäksi mahdollistaa moottorin puristussuhteen (ja siten hyötysuhteen) lisäämisen. Ruiskutusjärjestelmät ilmestyivät ensimmäistä kertaa lentokoneiden moottoreihin, koska ne mahdollistivat seoksen annostelun missä tahansa moottorin asennossa.
Keksijä Wankelin ehdotus 1900-luvun alussa. Moottorin perusta on kolmiomainen roottori (mäntä), joka pyörii erityisessä 8-muotoisessa kammiossa, joka suorittaa männän, kampiakselin ja kaasunjakajan toiminnot . Tämä rakenne mahdollistaa minkä tahansa 4-tahtisen diesel- , Stirling- tai Otto -syklin suorittamisen ilman erityistä kaasunjakomekanismia. Yhdellä kierroksella moottori suorittaa kolme täydellistä työjaksoa, mikä vastaa kuusisylinterisen mäntämoottorin toimintaa. Sitä valmisti massatuotantona NSU Saksassa ( auto RO-80 ), VAZ Neuvostoliitossa (VAZ-21018 Zhiguli, VAZ-416 , VAZ-426 , VAZ-526 ), Mazda Japanissa (Mazda RX-7, Mazda RX-8 ). Huolimatta perustavanlaatuisesta yksinkertaisuudestaan, siinä on useita merkittäviä suunnitteluongelmia, jotka tekevät sen laajan käyttöönoton erittäin vaikeaksi. Suurimmat vaikeudet liittyvät kestävien toimivien tiivisteiden luomiseen roottorin ja kammion väliin sekä voitelujärjestelmän rakentamiseen ja siten ympäristövaatimusten täyttämiseen [27] .
RCV - polttomoottori, jonka kaasunjakelujärjestelmä toteutetaan männän liikkeen ansiosta, joka suorittaa edestakaisin liikkuvia liikkeitä vuorotellen ohittaen imu- ja pakoputket
Tyypillisesti pyörivämäntäiset polttomoottorit käyttävät polttoaineena bensiiniä , mutta myös kaasua voidaan käyttää. Pyörivä mäntämoottori on Balandin-moottorin ohella näkyvä edustaja kiertovarrettomista polttomoottoreista. [28]
Tämä on perinteinen mäntäpolttomoottori, joka toimii Otto-syklillä (kipinäsytytyksellä) ja käyttää polttoaineena hiilivetyjä , jotka ovat normaaleissa olosuhteissa kaasumaisessa tilassa. Näitä moottoreita käytetään laajalti esimerkiksi pienten ja keskitehoisten voimaloissa , joissa käytetään polttoaineena maakaasua (suuren tehon alalla kaasuturbiinien voimayksiköt hallitsevat). Ne voivat toimia 2-tahtisyklissä, mutta 4-tahtiversio on yleisempi.
Kaasumoottorilaitteen ominaisuudet:
Dieselmoottorissa polttoaineen syttyminen tapahtuu eri tavalla. Osa polttoaineesta ruiskutetaan ja ruiskutetaan suuttimen kautta sylinterissä adiabaattisen puristuksen seurauksena lämmitettyyn ilmaan. Kun sitä suihkutetaan yksittäisten haihtuvien polttoainepisaroiden ympärille, syntyy palamiskeskuksia, ja kun polttoainetta ruiskutetaan, osa polttoaineesta palaa pois polttimen muodossa. Koska dieselmoottorit eivät ole alttiina nakutukselle (johtuen polttoaineen toimittamisen ja palamisen alkamisesta puristustahdin TDC:n jälkeen), puristussuhde ei rajoita nakutusta. Sen nostaminen yli 15:n ei käytännössä lisää tehokkuutta [29] , koska tässä tapauksessa maksimipainetta rajoittaa pidempi palaminen ja ruiskutuskulman pieneneminen. Pienikokoisten pyörrekammiodieselmoottoreiden puristussuhde voi kuitenkin olla jopa 26, mikä takaa luotettavan sytytyksen suuren lämmönpoiston olosuhteissa ja vähemmän jäykkää käyttöä varten . Suurikokoisten ahdettujen meridieselmoottorien puristussuhde on luokkaa 11–14 ja hyötysuhde yli 50 % [30] . Käynnistyksen helpottamiseksi dieselmoottoreissa voi olla hehkutulppia, sähköpoltinsuuttimia tai muita laitteita.
Dieselmoottorit ovat yleensä vähemmän nopeita , joten bensiinimoottoreiden kanssa yhtä suurella teholla niille on ominaista suurempi vääntömomentti akselissa. Suuret dieselmoottorit on sovitettu toimimaan raskailla polttoaineilla, kuten polttoöljyllä . Suuret dieselmoottorit käynnistetään pääsääntöisesti paineilmalla tai dieselgeneraattorisarjojen tapauksessa kiinnitetystä sähkögeneraattorista , joka toimii käynnistimenä käynnistettäessä .
Nykyaikaiset moottorit, joita kutsutaan dieselmoottoreiksi, eivät toimi Diesel-syklillä , vaan Trinkler-Sabate-syklillä , jossa on sekoitettu lämmönsyöttö. Niiden haitat johtuvat työsyklin erityispiirteistä - korkeammasta mekaanisesta jännityksestä, joka vaatii lisääntynyttä rakenteellista lujuutta ja sen seurauksena sen mittojen, painon ja kustannusten kasvua monimutkaisen suunnittelun ja kalliimpien materiaalien käytön vuoksi. Myös heterogeenisestä palamisesta johtuville dieselmoottoreille on ominaista väistämättömät nokipäästöt ja lisääntynyt typen oksidien pitoisuus pakokaasuissa.
Pääosa tyhjennetystä kaasu-ilma-panoksesta valmistetaan, kuten kaikissa kaasumoottoreissa, mutta sitä ei sytytä sähkökynttilän avulla, vaan sylinteriin ruiskutetun dieselpolttoaineen pilottiosan avulla, kuten dieselmoottorissa. Yleensä on mahdollista käyttää puhtaasti dieselsykliä. Käyttökohteet: raskaat kuorma-autot, linja-autot, dieselveturit (usein vaihtotyöt). Kaasu-dieselmoottorit, kuten kaasumoottorit, tuottavat vähemmän haitallisia päästöjä, lisäksi maakaasu on halvempaa. Tällainen moottori saadaan usein jälkiasennuksella, kun taas dieselpolttoaineen säästö (kaasulla korvausaste) on noin 60 % [31] . Myös ulkomaiset yritykset kehittävät aktiivisesti tällaisia malleja [32] .
Dieselmoottorityyppi, jonka energiateho on männän muodossa ( naiset ). Siinä ei ole kampimekanismia, jäähdytys- ja voitelujärjestelmiä. Vanhemmissa malleissa polttoaineen sumutus tapahtuu, kun nainen osuu chabotin reikään, uudemmissa se suihkutetaan suuttimella.
Dieselmoottorityyppi, jonka energiateho on painekaasuenergian muodossa. Sylinterissä värähtelevä mäntä luovuttaa energiaa puristamalla kaasua männän alla olevassa tilassa. Näin ollen erillisen männän tai keskipakokompressorin sekä kampimekanismin tarve katoaa.
Yhdistetty polttomoottori on yhdistelmä mäntä- ja siipikoneita (turbiini, kompressori), jossa molemmat koneet osallistuvat työprosessin toteuttamiseen vastaavassa määrin. Esimerkki yhdistetystä polttomoottorista on mäntämoottori, jossa on kaasuturbiinitehostin (turbo). Neuvostoliiton insinööri, professori A. N. Shelest antoi suuren panoksen yhdistettyjen moottoreiden teoriaan .
Yleisin yhdistelmämoottorityyppi on turboahtimella varustettu mäntä. Turboahdin tai turboahdin (TK, TN) on pakokaasuilla toimiva ahdin . Se sai nimensä sanasta "turbiini" (fr. turbiini lat. turbo - pyörre, kierto). Tämä laite koostuu kahdesta osasta: turbiinin roottoripyörästä, jota käyttävät pakokaasut, ja keskipakokompressorista , joka on kiinnitetty yhteisen akselin vastakkaisiin päihin. Työnesteen suihku (tässä tapauksessa pakokaasut) vaikuttaa roottorin kehän ympärille kiinnitettyihin siipiin ja saa ne liikkeelle yhdessä akselin kanssa, joka on tehty lämmönkestävästä seoksesta kiinteäksi turbiinin roottoriin . Akseliin on turbiinin roottorin lisäksi kiinnitetty alumiiniseoksesta valmistettu kompressorin roottori, joka akselin pyöriessä pumppaa ilmaa polttomoottorin sylintereihin. Näin ollen pakokaasujen vaikutuksesta turbiinin lapoihin turbiinin roottori, akseli ja kompressorin roottori pyörivät samanaikaisesti. Turboahtimen käyttö yhdessä välijäähdyttimen (intercooler) kanssa mahdollistaa tiheämmän latauksen polttomoottorin sylintereihin (nykyaikaisissa turboahdetuissa moottoreissa tätä järjestelmää käytetään). Joissakin järjestelmissä moottoreissa on kaksi tai useampi tehostusvaihe, yleensä välijäähdytyksellä, ja turboahtimet ovat säädeltyjä (ruiskutuksen määrä on rajoitettu), mikä periaatteessa antaa sinun saada erilaisia vaihtoehtoja tehon riippuvuudelle nopeudesta. (parempi kuljetussuorituskyky).
Ladatut moottorit ennen suihkumoottoreiden tuloa olivat ainoita mahdollisia korkealla ilmailussa, koska ilman tiheys pieneni korkeuden myötä ; käytetään laajalti dieselmoottoreissa (mahdollistaa nostaa ominaistehon osoittimia luonnollisesti hengittävien kipinä-ICE:iden tasolle ja korkeammalle), harvemmin bensiinimoottoreissa . Säätämällä turboahtamista (paineensäädintä) sekä kaasunjakelumekanismin asetuksia , jotka yhdessä määräävät moottorin sylinterien täyttömäärän, on mahdollista parantaa sen kuljetusominaisuuksia.
Kehittää työntövoimaa reaktiivisen voiman kautta suuttimen kautta ulos tulevasta palamistuotteista. Käyttönesteen nopeuttamiseksi käytetään sekä palamisen aikana tapahtuvasta kuumenemisesta johtuvaa kaasun laajenemista (lämpösuihkumoottorit ) että muita fysikaalisia periaatteita, esimerkiksi varautuneiden hiukkasten kiihdytys sähköstaattisessa kentässä (katso ionimoottori ).
Suihkumoottori yhdistää varsinaisen moottorin potkuriin , eli se luo vetovoiman vain vuorovaikutuksessa käyttönesteen kanssa ilman tukea tai kosketusta muihin kappaleisiin. Tästä syystä sitä käytetään yleisimmin lentokoneiden , rakettien ja avaruusalusten kuljettamiseen .
Sille on ominaista työnesteen puristuminen kompressoriosassa, palamisen jälkeen palamistuotteet, joiden tilavuus on merkittävästi lisääntynyt (lämpölaajenemisen vuoksi), kulkevat turbiiniosan läpi. Kaasuturbiinimoottorissa teho siirtyy turbiinin akselille, turbiinimoottorissa palamistuotteiden liike synnyttää moottorin vauhtia.
Se on ensimmäinen mäntäpolttomoottorityyppi keksinnön aikana [33] [34] .
Ampuma-aseiden ominaisuus lämpömoottorina on käytetty kiinteä polttoaine , jolla on korkea tilavuuslämpö ja palamisnopeus , mikä lisää palamistuotteiden tilavuutta moninkertaisesti ja kiihdyttää tehokkaasti piipusta sinkoutuvia luoteja tai ammuksia. (sylinteri) toimii mäntänä .
Kuten muutkin moottorit, ampuma-aseet voivat olla ilma- ja nestejäähdytteisiä; massiivisissa asetelineissä pakotettua tyhjennystä käytetään piipun jäähdyttämiseen jokaisen laukauksen jälkeen. Polttoaine sytytetään lyömällä rikastimen iskuriin . Jokaisella työsyklillä tällainen moottori kiihdyttää luotia tai ammusta , joka osuu tarkasti viholliseen suurelta etäisyydeltä ilman taistelijan itsensä fyysisiä ponnisteluja.
Pääosien (toiminnallisten) lisäksi, jotka tarjoavat kuuman kaasun energian muuntamisen vääntömomentiksi tai siirtymäliikkeeksi, polttomoottoreissa on lisäjärjestelmiä: polttoaineen syöttö, voitelu , jäähdytys , käynnistys ; moottorin suunnittelusta riippuen - kaasun jakelujärjestelmät , polttoaineen ruiskutus , sytytys ja muut. Näiden järjestelmien, erityisesti polttoaineen ja ilman syöttöön liittyvien järjestelmien tehokkuus vaikuttaa suoraan moottorin tehoon, hyötysuhteeseen ja ympäristöystävällisyyteen , kun taas muiden järjestelmien (käynnistysjärjestelmä, voitelu, jäähdytysjärjestelmä, ilmanpuhdistusjärjestelmä) ominaisuudet vaikuttavat. pääasiassa paino- ja kokoindikaattorit ja resurssit [35] .
Moottorin kuluttajaominaisuuksia (mallina klassinen mäntä tai yhdistelmämoottori, joka tuottaa vääntömomentin) voidaan luonnehtia seuraavilla indikaattoreilla:
Lähtöakselille tehoa toimittaville polttomoottoreille on yleensä tunnusomaista vääntömomentti ja tehokäyrät, jotka riippuvat akselin kierrosluvusta (pienimmästä vakaasta joutokäyntinopeudesta mahdollisimman suuriin, joilla polttomoottori voi toimia pitkään ilman vikoja) [36] . Näiden kahden käyrän lisäksi voidaan esittää ominaiskulutuskäyrä [37] . Tällaisten käyrien analyysin tulosten perusteella määritetään vääntömomentin reservitekijä (alias sopeutumiskykytekijä) ja muut voimansiirron suunnitteluun vaikuttavat indikaattorit [38] .
Valmistajat tarjoavat kuluttajille ulkoiset nopeusominaisuudet ISO-1585 nettoteholla alueellisen ICE-tehon mittausstandardin mukaisesti, joka riippuu lämpötilasta, paineesta, ilman kosteudesta, käytetystä polttoaineesta ja asennettujen yksiköiden voimanoton saatavuudesta. Vuoteen 1972 asti yhdysvaltalaisten valmistajien moottoreita testattiin eri standardin (SAE Gross), myöhemmin SAE Netin (vastaavasti brutto- ja nettotehon mittaus) mukaan.
Tätä ominaisuutta kutsutaan ulkoiseksi, koska teho- ja vääntömomenttilinjat kulkevat osanopeusominaisuuksien yläpuolella, ja tehoa on mahdotonta saada tämän käyrän yläpuolelle polttoaineen syöttöä koskevilla manipulaatioilla (absoluuttinen nopeus - katso alla).
Julkaisut 1980-luvulta ja aikaisemmista antavat nopeusominaisuudet bruttotehomittausten perusteella (vääntömomenttikäyrä näkyy myös yllä olevassa kaaviossa). Tämä teho määritetään ottamatta huomioon ulkoisten moottoriyksiköiden (tuuletin, vesipumppu, generaattori) käyttöhäviöitä. Kampiakselin käyttämistä kuluttajista jää tässä tapauksessa vain öljypumppu ja nokka-akseli (akselit).
Täyden lisäksi kuljetusvaihteiston laskelmissa käytetään aktiivisesti osittaisia nopeusominaisuuksia - moottorin tehokasta suorituskykyä polttoaineen syöttösäätimen (tai bensiinimoottorien tapauksessa kaasuventtiilin) väliasennoissa [38] . Ajoneuvoissa, joissa potkurit ovat tällaisilla ominaisuuksilla, potkurin ominaisuudet on annettu säädettävän potkurin nousun eri asennoissa [39] .
On myös muita ominaisuuksia, joita ei julkaista kuluttajille, esimerkiksi ilmoitetun tehon, ilmoitetun polttoaineenkulutuksen ja vääntömomentin käyrät, joita käytetään polttomoottorin laskennassa sekä absoluuttisen nopeuden ominaisuus , joka näyttää suurimman mahdollisen tietyn moottorin teho, joka voidaan saada syöttämällä enemmän polttoainetta kuin nimellistilassa. Dieselmoottoreita varten rakennetaan myös savulinjaa , jonka takana työskentely ei ole sallittua [40] .
Absoluuttisia ominaisuuksia ei käytännössä suoriteta (paitsi polttomoottorin käynnistäminen), koska tämä vähentää moottorin tehokkuutta ja ympäristöystävällisyyttä, vähentää resursseja (erityisesti dieselmoottoreille, joissa toiminta savulinjan takana vähentää moottoria resurssit muutamaan tuntiin) [41] .
Diesel- ja kipinämoottorin nopeusominaisuuksien tyypillinen ero (toisen jyrkän laskun osanopeusominaisuudet suurten nopeuksien alueella) johtuu erilaisesta tehonsäädöstä: kaasu- ja bensiinimoottoreissa ilmansyöttö tai palavaa seosta rajoittaa kuristusventtiili ( kvantitatiivinen säätö ), ja kaasun kasvaessa sylinterin täyttö laskee jyrkästi nopeuden kasvaessa, kun taas dieselmoottoreissa ilman määrä pysyy samana ( laadunsäätö ) , ja vääntömomentti pienenee suunnilleen suhteessa polttoaineen määrään sykliä kohden [42] .
Tästä on kaksi seurausta: ensinnäkin bensiinimoottoreilla on korkeampi sopeutumiskerroin , ja siksi tällaisella moottorilla varustetun auton vaihteistossa voi olla vähemmän vaihteita; toiseksi dieselmoottorit vähentävät hyötysuhdettaan paljon vähemmän, kun ne toimivat osittaisilla nopeusominaisuuksilla [43] . Tältä osin myöhemmät moottorimallit, joissa on polttoaineen ruiskutus sylintereihin (FSI) kaasuttavat vähemmän osakuormituksilla, kun taas sylintereissä tapahtuu niin sanottua kerrosta seoksen muodostumista (keskellä olevan polttoainesuihkun ympärillä oleva palamiskeskus on ilman ympäröimä) . Samanaikaisesti tehokkuuden lisääntymisen kanssa tällainen polttoprosessi vähentää päästöjä [44] . Siten näiden moottoreiden ominaisuudet ovat mainittujen välissä.
Toisaalta viime vuosikymmeninä on käytetty aktiivisesti dieselmoottorin kuristusta, joka on otettu käyttöön kuljetusten suorituskyvyn parantamiseksi. Kaasutuksella on suurin vaikutus turboahtimella varustetuissa dieselmoottoreissa [45] .
Se määräytyy suurelta osin suunnittelun ja pakotuksen asteen mukaan. Viime aikoina ympäristövaatimusten kasvun vuoksi moottorin suurinta sallittua käyttöikää ei rajoita pelkästään sen tehon ja polttoaineenkulutuksen väheneminen, vaan myös haitallisten päästöjen kasvu.
Mäntä- ja pyörivillä polttomoottoreilla resurssi johtuu suurelta osin männän tiivisteiden (mäntärenkaat) tai roottorin (päätytiivisteiden) kulumisesta, kaasuturbiini- ja suihkumoottoreissa - materiaalin lujuusominaisuuksien menetyksestä ja renkaan muodonmuutoksesta. terät. Kaikissa tapauksissa laakerien ja akselitiivisteiden asteittainen kuluminen tapahtuu, ja koska moottorin päämekanismi on riippuvainen apuyksiköistä, resurssit rajoittavat ensimmäisen vikaantumista.
Tyypillisesti moottoreissa on huoltovälit, jotka liittyvät huuhteluun tai suodattimien vaihtoon sekä öljyyn, sytytystulppaan, jakohihnaan tai ketjuun. Rakenteesta riippuen moottorit tarvitsevat erilaisia tarkastus- ja säätötöitä varmistaakseen moottorin seuraavan häiriöttömän toiminnan. Kuitenkin kaikista huoltosäännöistä huolimatta moottori kuluu vähitellen. Laitoksen muodostaman resurssin lisäksi (kuluvien osien kovuuden ja hionnan sekä lämpöolosuhteiden vuoksi), kun kaikki muut tekijät ovat samat, moottori kestää paljon pidempään osatehotiloissa [46] .
Taloudellisista syistä suunnittelun aikana varattu resurssi tulee käyttää loppuun (arvioitu kestävyys kasvaa, moottorin paino ja kustannukset kasvavat), mutta käyttöolosuhteiden luonnollisen vaihtelun vuoksi jotkut moottorit voivat epäonnistua aikaisemmin kuin suunniteltu. Täydellisen vian lisäksi syy korjaamiseen voi olla ympäristövaatimusten rikkominen, tehon väheneminen, polttoaineen kulutuksen kasvu, kiihtynyt kuluminen (nakuttaminen, hankaus) jne.
Polttomoottoreiden korjaukset luokitellaan virta-, väli- ja pääomakorjauksiin. Ensimmäinen tarkoittaa pääosien jättämistä muuttamatta (männät - poistamatta mäntiä ja kampiakselia), toinen - pääosien osittaista muutosta (mäntäosissa - männänrenkaiden, akselin vuorausten vaihtaminen ilman hiontaa), isoon osaan kuuluu pääosien vaihto ja akselin hionta. Kaasuturbiinilaitoksille ei tehdä välikorjauksia.
Korkeat ympäristövaatimukset ovat aiheuttaneet muutoksen monien moottorinrakennustehtaiden politiikkaan, jotka aiemmin jättivät monia välikokoja korjattavaksi niin, että nykyaikaisissa moottoreissa on joko vähän korjauskokoja tai niiden porausta ei tarjota ollenkaan. Tätä kompensoi kunnostettavan resurssin (tai täyden resurssin) lisääntyminen. Käyttöolosuhteiden rikkomisesta johtuvien moottorin ennenaikaisten vikojen välttämiseksi ne on varustettu laitteilla, jotka valvovat öljyn, jäähdytysnesteen, lämpötilan, tärinän (kuormituskennot) ja muita tasoja. Yhdessä elektronisesti ohjatun polttoaineen jakelun ja sytytyksen ajoituksen kanssa nykyaikainen moottori on yhä enemmän tietokoneistettu. Monissa tapauksissa viat diagnosoidaan ajoneuvon diagnostiikkaliittimeen kytketyillä ns. moottoritesteillä. Jos kuitenkin tapahtuu mekaanisia vikoja, ei ohjelmisto- tai elektroniikkavikoja, moottori tarvitsee silti osittaista tai täydellistä (suurta) korjausta .
Polttomoottorin sisällä polttoaineen palamisen lisäksi muodostuu myös typen oksideja (NOx), hiilimonoksidia (CO) ja erilaisia hiilivetyjä (CxHy, kirjoitetaan usein CH). Dieselmoottorit voivat myös vapauttaa alkuainehiiltä noen (C) muodossa. Muodostuvien aineiden määrä riippuu viime kädessä käynnissä olevasta työprosessista, erityisesti palamislämpötilasta, polttoaineen määrästä polttokammion seinien viereisillä alueilla (liekinsammutusvyöhykkeet), palamisajasta sekä homologiasta. ja polttoaineen alkuainekoostumus (esimerkiksi vetypolttoaine ei voi tuottaa CO-, CH- ja C-päästöjä, koska se ei sisällä hiiltä; korkean aromaattisen pitoisuuden omaavat bensiinit tuottavat suuria bentso-alfa-pyreenipäästöjä ja niin edelleen). Nämä aineet vahingoittavat ympäristöä ja ihmisiä, ja niitä kutsutaan haitallisiksi päästöiksi [2] . Ajoneuvon polttoaineenkulutuksen vähentäminen vähentää myös haitallisia päästöjä kilometriä kohden. Tämä osoittaa polttoainetehokkuuden tärkeyden ajoneuvoissa , jotka aiheuttavat yli puolet maailman saasteista.
Polttomoottoreiden käyttöönoton ensimmäisinä vuosikymmeninä haitallisiin päästöihin ei kiinnitetty riittävästi huomiota, koska autoja ja moottoreita oli vähemmän. Jatkossa valmistajat joutuivat noudattamaan tiettyjä päästöstandardeja, jotka vuosien mittaan tiukentuvat. Periaatteessa päästöjä voidaan vähentää kolmella tavalla [47] :
Kehittyneissä maissa voimassa olevat myrkyllisyysstandardit edellyttävät yleensä useiden menetelmien käyttöä samanaikaisesti [47] . Tällöin sekä autojen että koko kuljetuskompleksin (jalostamot mukaan lukien) polttoainetehokkuus yleensä huononee, koska moottoreiden tehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden optimaaliset syklit eivät yleensä ole samat, ja erittäin ympäristöystävällisen polttoaineen tuotanto vaatii enemmän energiaa.
Suurin osa haitallisista päästöistä tulee maaliikenteestä, pääasiassa henkilöautoista ja kuorma-autoista. Niihin asennetuilla mäntämoottoreilla on korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi korkea palamislämpötila, jossa typen oksideja muodostuu. Hiilivetypäästöjä rajoittavat suurelta osin tehokkaasti toimivat katalyytit, mutta valitettavasti moottorin lämmetessä ja tyhjäkäynnillä pakokaasujen alhaisen lämpötilan vuoksi niiden hyötysuhde heikkenee.
Samoissa polttomoottoreissa, kuten kaasuturbiinissa ja suihkussa, palaminen järjestetään jatkuvasti ja maksimilämpötila on alhaisempi. Siksi niillä on yleensä pienemmät palamattomien hiilivetyjen päästöt (pienemmästä liekin sammutusvyöhykkeestä ja riittävästä palamisajasta johtuen) ja typen oksidien päästöt (alemman maksimilämpötilan vuoksi). Tällaisissa moottoreissa lämpötilaa rajoittaa siipien, suuttimien, ohjainten lämmönkestävyys, ja kuljetusmoottoreissa se on 800...1200 ° C [48] . Ympäristönsuojelun parannukset, esimerkiksi raketit, saavutetaan yleensä valitsemalla polttoaineet (esim. nestemäistä happea ja vetyä käytetään UDMH :n ja typpiperoksidin sijaan).
Aikaisemmin autojen ja lentokoneiden moottoreissa käytettiin lyijypitoista bensiiniä, jonka palamistuotteet sisälsivät lyijyä , joka ei käytännössä erittynyt ihmiskehosta . Eniten saastuminen vaikuttaa suuriin alangoilla sijaitseviin ja kukkuloiden ympäröimiin kaupunkeihin: kun tuulta ei ole, niihin muodostuu savusumua . Tällä hetkellä ei ole standardoitu vain itse haitallisia päästöjä, vaan myös ajoneuvon hiilidioksidi- ja vesipäästöt (ilmastovaikutuksen vuoksi).
Viime aikoina on ilmaistu vakava huoli fossiilisten polttoaineiden moottoreiden (useimmat polttomoottorit) käytön jatkamisesta ilmaston lämpenemisongelman yhteydessä [49] [50] . Koska Euroopassa otetaan käyttöön uusia ympäristöstandardeja vuodesta 2025 alkaen, eurooppalaiset autonvalmistajat suunnittelevat siirtyvänsä sähköajoneuvojen tuotantoon [51] . Tämä ei johdu pelkästään autojen määrän kasvusta, vaan myös päästöjen vaikutuksesta koko ekosysteemiin: esimerkiksi on havaittu, että haitalliset päästöt (suuresti autojen aiheuttamat) vähentävät maatalouden tuottavuutta 25 % [52] ] .
Polttomoottorin kehittäminen ei ole triviaalia, koska tavoitteeseen on monia polkuja. Parhaan valitseminen (jota sovelletaan tiettyyn alueeseen ja vaatimuksiin) on esimerkki monitekijäoptimoinnista. Intuitio ei riitä tähän, tarvitaan suuria kustannuksia vaihtoehtojen kehittämiseen, resurssitestauksiin. Moottorinrakennuksen kehityssuunnat tarjoavat monia vaihtoehtoja jatkokehittämiselle [53] .
Korkeat vaatimukset polttomoottorin osille, teknologisen järjestyksen (materiaalit, käsittely), tuotantosyklin (virtausnopeus, vikojen mahdollisuus), tuotannon laajuuden (miljoonia yksiköitä), korkea kilpailun ja maailmantalouden integroitumisen tekevät siitä. valtion tekniikan tasoa voidaan arvioida valmistettujen polttomoottoreiden tason perusteella. Suorituskykyiset moottorit eivät ainoastaan mahdollista taloudellisten ja ympäristöystävällisten ajoneuvojen luomista, vaan myös itsenäistä kehitystä sellaisilla aloilla kuin sotatiede, rakettitiede (erityisesti avaruusohjelmat) [54] . Korkean teknologian teollisuudenalat toimivat keskuksena insinööriyhteisöjen kiteytymiselle, uusien ideoiden syntymiselle. Siten kuljetinkokoonpano otettiin ensimmäisen kerran käyttöön polttomoottoreilla varustettujen ajoneuvojen kokoonpanossa. Lukuisten ajoneuvojen huolto ja ajaminen on luonut monia uusia ammatteja, työpaikkoja, liiketoimintakäytäntöjä ja jopa elämäntapoja ( matkamyyjät , matkailijat ). Ei olisi liioittelua sanoa, että polttomoottorin tulo mullisti koko maailman [55] .
![]() | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|