Mäntäpolttomoottori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 5. heinäkuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 24 muokkausta .

Mäntäpolttomoottori  on eräänlainen polttomoottori (ICE), jossa paisuvien kaasujen lämpöenergia , joka muodostuu polttoaineen palamisen seurauksena sylinterissä, muunnetaan männän translaatioliikkeen mekaaniseksi työksi. johtuen käyttönesteen (polttoaineen palamiskaasumaisten tuotteiden) laajenemisesta sylinterissä , johon mäntä on asetettu. Mäntien translaatioliike muunnetaan kampiakselin pyörimiksi kampimekanismilla [1] . Kaikki edestakaisin liikkuvat ICE:t lähettävät syntyneen mekaanisen energian suorittaakseen työtä vain pyörimällä. [2] .

Harvempia mäntäpolttomoottorityyppejä ovat vapaamäntäiset kaasugeneraattorit ja dieselvasarat. Ensimmäinen tuotettu energia käytetään välittömästi kaasun puristamiseen (pääkompressorit ja teollisuuskompressorit), toinen - raskaan männän energiaksi, joka siirtää energiaa käytettävälle paalulle jokaisella iskulla.

Mäntäpolttomoottori on yleisin lämpömoottori . Sitä käytetään maa-, ilma- ja vesiliikenteen, sotilas-, maatalous- ja rakennuskoneiden, sähkögeneraattoreiden, kompressorien, vesipumppujen, pumppujen, moottoroitujen työkalujen (bensiinileikkurit, ruohonleikkurit, moottorisahat) ja muiden koneiden, sekä liikkuvien että kiinteiden, ja valmistetaan maailmassa joka vuosi useita kymmeniä miljoonia tuotteita. Mäntäpolttomoottoreiden teho vaihtelee muutamasta watista (lentokoneiden, moottoripyörien ja laivojen mallit) 75 000 kW:iin (laivojen moottorit).

Teknisen termodynamiikan puitteissa mäntäpolttomoottoreiden toimintaa niiden syklogrammien ominaisuuksista riippuen kuvaavat Otton , Dieselin , Trinklerin , Atkinsonin tai Millerin termodynaamiset syklit .

Moottorin syklit

Mäntäpolttomoottorit, jotka ovat jaksollisen toiminnan koneita (työprosessit kammioissaan korvaavat toisiaan), luokitellaan ensisijaisesti syklin mukaan (isku on yksi männän liike (ylös tai alas), ajassa se vie puoli kierrosta kampiakselia ).

2-, 4- ja 6-tahtimoottoreita on kehitetty ja käytetty (käytetty), eli niissä koko toimintajakso tapahtuu 1, 2 ja 3 kampiakselin kierroksilla. Koska työisku on ainoa sykli, jossa vapautuu energiaa, moottorin tehon lisääminen yhtäläisillä jaksoilmaisimilla (ilmaisimen paine) on mahdollista vähentämällä sykliä.

Tästä syystä 2-tahtimoottorit ovat todella yleisiä laitteissa, jotka vaativat vähimmäismassan (ruohonleikkurit, perämoottorit, varabensiinigeneraattorit). Niiden laite on yksinkertaisempi ja hinta alhaisempi, mutta ympäristölliset ja taloudelliset ominaisuudet ovat huonommat kuin 4-tahtisilla. Siksi useimmat kuljetusmoottorit ovat 4-tahtisia.

Päämoottorit ovat päinvastoin yleensä kaksitahtisia. Syynä on se, että on edelleen mahdollista saavuttaa kaksitahtisen dieselmoottorin korkea hyötysuhde, mutta monimutkaistamalla ja nostamalla tyhjennysjärjestelmän kustannuksia. Tällaisella moottorilla on pienempi massa, mikä tarkoittaa, että se parantaa aluksen tai laivan suorituskykyä. Kaksitahtisen moottorin peruutus on teknisesti helpompi toteuttaa, koska nokka-akseleita ei tarvitse järjestää uudelleen (suurien alusten vaihteistossa ei ole peruutusvaihdetta, peruutusvaihde suorittaa dieselperuutus).

Kuusitahtimoottoreita käytettiin aiemmin rautatieliikenteessä patenttimaksujen kiertämiseksi. Monimutkaisuuden ja etujen puutteen vuoksi niitä ei ole kehitetty jatkossa.

Yleisimpien (4-tahtisten) mäntäpolttomoottorien käyttöjakso kestää kaksi täydellistä kammen kierrosta tai neljä iskua:

  1. Imu (ilma tai ilma-polttoaineseos);
  2. Lataa pakkaus (tehokkuuden lisäämiseksi);
  3. Työisku (palamistuotteiden laajeneminen);
  4. Vapautus (pakokaasu).

Kaksitahtimoottoreissa on vain kaksi sykliä:

  1. lataus puristus;
  2. Työliike.

Kaksitahtimoottoreissa käyttönesteen otto ja poisto tapahtuvat kuitenkin, kun mäntä on lähellä pohjakuolokohtaa, eikä se ole vähäpätöinen tehtävä. Lukuisat kaasunjakelumekanismin muunnelmat osoittavat tämän tehtävän suuren merkityksen. Kaksitahtimoottorin lyhyt kaasunvaihtoaika ei yleensä mahdollista samaa täydellistä sylintereiden puhdistusta ja täyttöä kuin nelitahtimoottorissa, joten niiden teho ei kaksinkertaistu samalla työtilavuudella. Myös menetetty männän iskun vaikutus vaikuttaa, joten tällaisten moottoreiden teho on vain 1,5...1,7 kertaa suurempi kuin nelitahtinen yhtäläinen pakotus.

Vaihtoehdot kaasun jakelumekanismista

Yleisesti ottaen muiden moottorijärjestelmien joukossa kaasunjakelumekanismilla on eniten erilaisia ​​malleja seuraavista syistä:

ICE-järjestelmät

Useimpien polttomoottoreiden haittana on, että ne kehittävät suurimman tehonsa vain kapealla kierroslukualueella. Siksi kuljetusten polttomoottorin tavallinen kumppani on vaihteisto . Vain joissakin tapauksissa (esimerkiksi lentokoneissa , helikoptereissa ja laivoissa) voidaan luopua monimutkaisesta lähetyksestä. Ajatus hybridiautosta valloittaa vähitellen maailmaa , jossa moottori toimii aina optimaalisessa tilassa (sähkövaihteisto). Moottoreissa, joilla on eri toimintajaksot, on erilainen järjestelmäsarja, esimerkiksi dieselmoottoreissa ei ole sytytysjärjestelmää ja kipinämoottoreissa ei ole korkeapaineista polttoainepumppua, paitsi järjestelmissä, joissa on suora ruiskutus.

Yleensä polttomoottori tarvitsee: voimajärjestelmän (polttoaineen ja ilman syöttämiseen - polttoaine-ilmaseoksen valmistukseen), pakojärjestelmän ( pakokaasujen poistamiseen ), etkä tule toimeen ilman voitelujärjestelmää (suunniteltu vähentämään kitkavoimat moottorin mekanismeissa, suojaavat moottorin osia korroosiolta ja myös yhdessä jäähdytysjärjestelmän kanssa optimaalisen lämpötilan ylläpitämiseksi), jäähdytysjärjestelmät (moottorin optimaalisen lämpötilan ylläpitämiseksi), käynnistysjärjestelmä (käytetään käynnistysmenetelmiä: sähköinen käynnistin, apukäynnistysmoottorin avulla, pneumaattinen, ihmisen lihasvoiman avulla), sytytysjärjestelmä (ilma-polttoaineseoksen sytyttämiseen, käytetään ottomoottoreissa). Tämä ei koske vain mäntä-, vaan myös kaasuturbiini- ja suihkupolttomoottoreita, joissa tällaisten järjestelmien massa voi ylittää pääosien massan. Näin ollen voi käydä niin, että edes merkittävä pakottaminen ei mahdollista merkittävää painon ja mittojen pienenemistä, jos niitä rajoittaa esimerkiksi jäähdytysjärjestelmä.

Iskun ja porauksen suhde (S/D)

Yksi polttomoottorin suunnitteluparametreista on männän iskun suhde sylinterin halkaisijaan (tai päinvastoin). Nopeammissa bensiinimoottoreissa tämä suhde on lähellä yhtä tai vähemmän; dieselmoottoreissa männän isku on yleensä suurempi kuin sylinterin halkaisija. S/D:n pienentäminen mahdollistaa moottorin pienentämisen lähes samalle teholle (koska männän nopeus pysyy samana, kun kierroslukua kasvaa vastaavasti). Mitä pidempi männän isku, sitä enemmän vääntömomenttia moottori kehittää ja sitä pienempi on sen käyttönopeusalue. Näin ollen kahdesta samantehoisesta moottorista lyhyttahti on kevyempi ja pienempi.

S/D:n vähentämiseksi on kuitenkin olemassa suunnittelurajoituksia. Iskun pienentyessä pyörimistaajuuden lisääntyminen johtaa kitkahäviöiden lisääntymiseen, mukaan lukien aerodynaamiset häviöt kampien ja kiertokankien liikkeen aikana; hitausvoimat kasvavat; tulee vaikeaksi tai mahdottomaksi saavuttaa polttokammion haluttu muoto riittävällä puristusasteella; johtuen polttokammion pinta-alan ja tilavuuden suhteen kasvusta lämmönsiirto lisääntyy. Moottorin nopeuden merkittävän kasvun myötä kaasunvaihdon tehtävä tulee vaikeaksi, ja seoksen palaminen ei välttämättä saavuta loppua. Siksi pitkätahtimoottoreissa on yleensä paras polttoainetehokkuus, ja niissä vaadittu tehotiheys saavutetaan turboahtimella.

Kipinäsytytteinen ICE ( Otto -moottori )

Se on lukumäärältään yleisin, sillä autoja maailmassa oli vuonna 2014 yli 1,2 miljardia 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.

Siinä on kaksi polttoaineen syöttövaihtoehtoa: ruiskutin ja kaasutin.

Bensiinimoottori

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 sylinterissä puristetaan polttoaine-ilmaseosta, joka on alttiina räjähdykselle, joten tällaisen moottorin puristussuhdetta ja tehostustasoa rajoittaa polttoaineen oktaaniluku .

Kaasutinmoottori

Ominaisuus on polttoaine-bensiiniseoksen tuotanto (ilmavirran avulla sumutettu) 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 moottori

Ominaisuus 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.

Kipinäsytytyksellä varustetut kaasumoottorit

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. Tietystä kaasumoottoripolttoaineesta johtuvat suunnitteluerot:

  • nesteytetyt kaasut (joko nestekaasu - säilytetään sylinterissä kyllästetyssä höyrynpaineessa, enintään 16 atm ; tai LNG - vaatii kryogeenisiä laitteita). Höyrystimessä haihdutettu nestefaasi tai seoksen höyryfaasi menettää vähitellen paineensa kaasunvähentimessä lähelle ilmakehän painetta, ja moottori imee sen imusarjaan ilma-kaasusekoittimen kautta tai ruiskuttaa imusarjaan sähköisillä suuttimilla . Sytytys tapahtuu kipinän avulla, joka hyppää kynttilän elektrodien väliin.
  • CNG -varastoitu sylintereissä paineessa 150-250 atm . Sähköjärjestelmien rakenne on samanlainen kuin nestekaasuvoimajärjestelmien, erona on höyrystimen puuttuminen .
  • tuottajakaasu - kaasu, joka saadaan muuntamalla kiinteä polttoaine kaasumaiseksi polttoaineeksi (kiinteinä polttoaineina käytetään seuraavia: kivihiili , koksi , kivihiilibriketit , polttoainepelletit , polttopuu , puuhiili , turve jne .). Kuljetusmoottoreissa, joita käytetään generaattorikaasulla ilman muutoksia, pääasiallinen syy tehon pienentämiseen on työseoksen panoksen pieneneminen, koska kaasun tyydyttävää jäähdytystä on vaikea saavuttaa liikkuvilla laitteilla . Mutta tämä ongelma ei ole välttämätön kiinteissä moottoreissa, joissa jäähdyttimen massa ja mitat eivät ole kovin rajoitettuja. Moottoreissa, jotka on erityisesti muunnettu tai erityisesti suunniteltu käytettäväksi generaattorikaasulla, puristussuhdetta lisäämällä ja kaasugeneraattoria hieman tehostamalla saavutetaan yhden litran teho, joka vastaa bensiinimoottoreiden tehoa.

Puristussytytysmoottori

Dieselmoottorille on ominaista polttoaineen sytytys ilman sytytystulpan käyttöä . Osa polttoaineesta ruiskutetaan suuttimen kautta sylinterissä adiabaattisen puristuksen (polttoaineen syttymislämpötilan ylittävään lämpötilaan) lämmitettyyn ilmaan. Polttoaineseoksen ruiskutusprosessissa se ruiskutetaan, ja sitten palamiskeskukset ilmestyvät yksittäisten polttoaineseoksen pisaroiden ympärille, kun polttoaineseosta ruiskutetaan, se palaa polttimen muodossa. Koska dieselmoottorit eivät ole herkkiä räjähdyksiin, korkeammat puristussuhteet ovat hyväksyttäviä. Sen nostaminen yli 15:een ei käytännössä lisää tehokkuutta [3] , koska tässä tapauksessa maksimipainetta rajoittaa pidempi palaminen ja ruiskutuskulman pieneneminen. Pienikokoisten nopeiden pyörrekammiodieselmoottorien puristussuhde voi kuitenkin olla jopa 26, mikä takaa luotettavan sytytyksen suuren lämmönpoiston olosuhteissa ja vähemmän jäykän toiminnan (jäykkyyden aiheuttaa sytytysviive, jolle on ominaista lisääntynyt paine palamisen aikana, mitattuna MPa / kampiakselin pyörimisaste). Suurikokoisten ahdettujen meridieselmoottorien puristussuhde on noin 11...14 ja hyötysuhde yli 50 % [4] .

Dieselmoottorit ovat yleensä vähemmän nopeita, ja niille on ominaista suuri vääntömomentti akselilla, samalla teholla kuin bensiinimoottorit. Myös jotkut suuret dieselmoottorit on mukautettu käyttämään raskaita polttoaineita, kuten polttoöljyä . Suurten dieselmoottoreiden käynnistys tapahtuu pääsääntöisesti paineilman syötöllä varustetun pneumaattisen piirin avulla, tai dieselgeneraattorisarjojen tapauksessa kiinnitetystä sähkögeneraattorista , joka toimii käynnistimenä käynnistettäessä .

Vastoin yleistä käsitystä nykyaikaiset moottorit, joita perinteisesti kutsutaan dieselmoottoreiksi, eivät toimi Diesel-syklillä , vaan Trinkler-Sabate-syklillä sekoitettu lämmönsyötö. Dieselmoottoreiden haitat johtuvat käyttösyklin ominaisuuksista - korkeammasta mekaanisesta rasituksesta, joka vaatii lisääntynyttä rakenteellista lujuutta ja sen seurauksena sen mittojen, painon ja kustannusten kasvua monimutkaisen suunnittelun ja kalliimpien laitteiden käytön vuoksi. materiaaleja. Myös heterogeenisestä palamisesta johtuville dieselmoottoreille on ominaista väistämättömät nokipäästöt ja lisääntynyt typen oksidien pitoisuus pakokaasuissa.

Kaasu-dieselmoottori

Suurin osa polttoaineesta valmistetaan, kuten eräässä kaasumoottoreissa, mutta sitä ei sytytä sähkökynttilän avulla, vaan sylinteriin ruiskutettavalla dieselpolttoaineen sytytysosuudella, kuten dieselmoottorissa. Yleensä on mahdollista käyttää puhtaasti dieselsykliä. Sovellus: raskaat kuorma-autot. 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 % [5] . Myös ulkomaiset yritykset kehittävät aktiivisesti tällaisia ​​malleja [6] .

Mäntäpolttomoottoreiden nimitys ja parametrit

Käytännössä joudutaan käsittelemään moottoreiden aakkosnumeerista merkintää. Mäntämoottoreille se (Venäjällä) on standardoitu GOST 10150-2014:n mukaisesti osavaltioiden välisen nimitys- ja termistandardin [7] puitteissa .

Esimerkiksi merkintä 6Ch15/18 tarkoittaa 6-sylinteristä nelitahtimoottoria, jonka männän halkaisija on 15 cm ja isku 18 cm;

Standardeissa määritellään myös tekniset olosuhteet (ilman lämpötila, ilmanpaine ja kosteus, polttoainetyyppi, ulkoisten yksiköiden tehonkulutus) esimerkiksi polttomoottoreiden tehon testaukselle. Koska tällaiset olosuhteet ovat erilaiset eri maissa, valmistajan ilmoittama teho voi vaihdella paikallisten standardien mukaan suuntaan tai toiseen (osien, esimerkiksi kaasunjakelujärjestelmän, koon vaihteluista johtuen moottorin teholla on aina luonnollinen tehdasvaihtelu; kaksitahtisissa polttomoottoreissa, koska näiden järjestelmien vaikutus tehoon on suurempi, ero on suurempi).

On olemassa esimerkiksi käsite "bruttoteho" ja "nettoteho" (SAE) [8] . Ensimmäinen osoittaa akselilta otetun tehon ilman pumpun käyttövoimaa, generaattoria ja tuuletinta ja ilmanpuhdistinta, toinen - kaikilla näillä yksiköillä. Vuoteen 1971 asti autonvalmistajat (mainostarkoituksessa) ilmoittivat bruttohevosvoimat moottorin teknisissä tiedoissa, jotka olivat noin 20 % enemmän. Tämä koski myös sellaisia ​​Neuvostoliiton moottoreita kuten GAZ-24, Moskvich-412. Myöhemmin bruttotehon lisääminen ominaisuuksiin kuitenkin "uusi" (ZMZ-406 [9] , jonka ilmoitettu teho oli 150 hv).

Moottorin perusparametrit

Seuraavat parametrit liittyvät mäntäpolttomoottorin toimintaan.

  • Yläkuolokohta (V. M. T.) - männän äärimmäinen yläasento.
  • Alakuolokohta ( n.m.t. ) - männän alin asento.
  • Kammen säde - etäisyys kampiakselin päätapin akselista sen kiertokangen akseliin
  • Männän isku - männän ääriasentojen välinen etäisyys, joka on kaksi kertaa kampiakselin kampiakselin säde. Jokainen männän isku vastaa kampiakselin pyörimistä 180 ° kulman läpi (puoli kierrosta).
  • Isku on osa työsykliä, joka tapahtuu, kun mäntä siirtyy ääriasennosta toiseen.
  • Polttokammion tilavuus on männän yläpuolella olevan tilan tilavuus, kun se on yläkuolokohdassa.
  • Sylinterin työtilavuus on männän vapauttama tilavuus , kun se liikkuu yläkuolopisteestä alakuolokohtaan.
  • Sylinterin kokonaistilavuus on männän yläpuolella olevan tilan tilavuus, kun se on alakuolokohdassa. Sylinterin kokonaistilavuus on yhtä suuri kuin sylinterin työtilavuuden ja polttokammion tilavuuden summa.
  • Monisylinteristen moottoreiden moottorin iskutilavuus on iskutilavuuden ja sylinterien lukumäärän tulo.
  • Puristussuhde  on sylinterin kokonaistilavuuden suhde polttokammion tilavuuteen.

Polttomoottorin ominaisuudet

Mäntämoottorin kuluttajaominaisuuksia kuvaavat seuraavat indikaattorit:

  1. Massaindikaattorit, kg / litra työtilavuutta (yleensä 30 - 80) - ominaispaino ja kW / kg - ominaisteho. Ne ovat tärkeämpiä liikenteessä, erityisesti lentokoneissa, moottoreissa.
  2. Polttoaineen ominaiskulutus , g / hp * h (g / kW * h), tai tietyntyyppisille polttoaineille, joilla on eri tiheys ja aggregaatiotila, l / kW * h, m 3 / kW * h.
  3. Resurssi tunteina (tunteina). Jotkut polttomoottoreiden sovellukset eivät vaadi suuria resursseja (polttomoottorit, ATGM- moottorit , torpedot ja droonit), joten niiden suunnittelussa ei välttämättä ole esimerkiksi öljy- ja ilmansuodattimia. Tällaisten erityisten polttomoottoreiden, kuten tuliaseiden, resurssit lasketaan laukausten lukumääränä ennen piipun vaihtoa. Kestävimpien moottoreiden resurssin tulisi olla kymmeniä ja satoja tuhansia tunteja (laiva ja voimakas paikallaan), mikä vastaa aluksen tai voimalaitoksen resursseja.
  4. Ympäristöominaisuudet ( sekä itsenäisesti että osana ajoneuvoa ), jotka määräävät sen toimintamahdollisuuden.
  5. Kuljetusominaisuudet, jotka määrittävät vääntömomenttikäyrän kierrosten lukumäärän funktiona . Kun moottori käy ruuviominaisuudella, yleensä ilman vaihteistoa, kuljetusominaisuuksien erityistä säätöä ei tarvita, mutta autoissa ja traktoreissa hyvät kuljetusominaisuudet (suuri vääntömomenttivarasto, alhaisen nopeuden asetus ) voivat vähentää kuljetusten määrää. vaihteistossa ja helpottaa hallintaa.
  6. Moottorin melu, jonka usein määrää sen käyttö luksusautomalleissa tai sukellusveneissä . Melun vähentämiseksi ne vähentävät usein moottorin kiinnityksen jäykkyyttä, monimutkaistavat pakokaasujärjestelmiä (esimerkiksi pakokaasut potkurin läpi perämoottoreissa) ja myös konepeltiä.

Nopeusominaisuudet

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) [10] . Näiden kahden käyrän lisäksi voidaan esittää ominaiskulutuskäyrä [11] . Tällaisten käyrien analyysin tulosten perusteella määritetään vääntömomentin varakerroin (alias sopeutumiskykytekijä) ja muut voimansiirron suunnitteluun vaikuttavat indikaattorit [12] .

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. Yhdysvalloissa valmistetut moottorit testataan yleensä eri standardin (SAE) mukaan. Tätä ominaisuutta kutsutaan ulkoiseksi, koska teho- ja vääntömomenttiviivat ylittävät osittaisnopeuden ominaisuudet, ja on mahdotonta saada tehoa tämän käyrän yläpuolelle manipuloimalla polttoaineen syöttöä.

Julkaisut 1980-luvulta ja aikaisemmista antavat nopeusominaisuudet bruttotehomittausten perusteella (vääntömomenttikäyrä näkyy myös yllä olevassa kaaviossa).

Täyden lisäksi kuljetusvaihteiston laskelmissa käytetään aktiivisesti osittaisia ​​nopeusominaisuuksia  - moottorin tehokasta suorituskykyä polttoaineen syöttösäätimen (tai kaasuventtiilin bensiinimoottoreiden tapauksessa) väliasennoissa [12] . Ajoneuvoissa, joissa potkurit ovat tällaisilla ominaisuuksilla, potkurin ominaisuudet on annettu säädettävän potkurin nousun eri asennoissa [13] .

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 toiminta ei ole sallittua [14] .

Absoluuttiseen ominaisuuteen liittyvää työtä ei käytännössä suoriteta (paitsi polttomoottorin käynnistäminen), koska tämä vähentää moottorin tehokkuutta ja ympäristöystävällisyyttä, vähentää resursseja (erityisesti dieselmoottoreille, joissa savurajan ylittävä toiminta vähentää moottoria resurssit muutamaan tuntiin) [15] .

Diesel- ja kipinämoottorin nopeusominaisuuksien tyypillinen ero (toisen jyrkän laskun osanopeusominaisuudet suurten nopeuksien alueella) johtuu perustavanlaatuisesta erosta tehonsäätömenetelmässä: kaasu- ja bensiinimoottoreissa syöttö ilman tai palavan seoksen määrää rajoittaa kuristusventtiili (kvantitatiivinen säätö), ja kuristuksen lisääntyessä täyttösylinteri laskee jyrkästi pyörimisnopeuden kasvaessa, kun taas dieselmoottoreissa ilman määrä pysyy samana ja vääntömomentti pienenee noin suhteessa sykliseen polttoaineen määrään [16] .

Tästä seuraa kaksi tärkeää 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 [17] . Tältä osin myöhemmät moottorimallit, joissa on sylinterin sisäinen ruiskutus (FSI) kaasuttavat vähemmän osittaisilla kuormituksilla, kun taas sylintereissä tapahtuu niin sanottua kerrosta seoksen muodostumista (keskellä olevan polttoainesuihkun ympärillä olevaa polttokeskusta ympäröi ilma) . Samanaikaisesti tehokkuuden lisääntymisen kanssa tällainen polttoprosessi vähentää päästöjä [18] . 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 [19] .

ICE-resurssi

Se määräytyy suurelta osin suunnittelun ja pakotuksen asteen mukaan. Rakenteellisesta näkökulmasta resurssille tärkeimmät ovat sylinteri-mäntäryhmän ja kampimekanismin kulumiskestävyys, joihin kovuuden, voiteluaineen ja kitkanestomateriaalien lisäksi vaikuttavat suuresti myös materiaalin laatu. suodattaa sisään tuleva ilma ja moottorissa kiertävä öljy [20] .

Viime aikoina ympäristövaatimusten kasvun vuoksi moottorin suurinta sallittua käyttöikää ei rajoita pelkästään sen tehon ja polttoaineenkulutuksen väheneminen, vaan myös haitallisten päästöjen kasvu. 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 määrittelemän resurssin lisäksi (kuluvien osien kovuuden ja hionnan sekä lämpöolosuhteiden vuoksi) kaikkien muiden tekijöiden pysyessä samana, moottori kestää paljon pidempään osatehotiloissa [21] .

Spark ICE:iden polttoainetalous

Polttoaine-ilma-seoksen puristaminen kipinä-ICE:issä lisää niiden tehokkuutta (COP), mutta puristussuhteen lisääminen lisää myös työseoksen puristuksen aiheuttamaa kuumenemista Charlesin lain mukaan . Jos polttoaine on syttyvää, välähdys tapahtuu ennen kuin mäntä saavuttaa TDC :n . Tämä johtaa sellaiseen paineen nousuun puristusprosessin aikana, että se vahingoittaa moottoria. Siksi kipinäsytytysmoottorissa ( ottomoottorissa ) polttoaineen itsesyttymistä ei voida hyväksyä. Itsesyttyminen, joka vaatii huomattavan ajan esiliekkireaktioihin, tapahtuu joskus riittävän pienellä kierrosluvulla, yleensä se ilmenee siten, että moottori ei pysähdy, kun sytytysvirta katkaistaan, vaan pyörii edelleen epätasaisesti, joskus päinvastaiseen suuntaan (kynttilöiden ja nokihiukkasten aiheuttama hehkusytytys). Tämä voi vahingoittaa moottoria, joten sen välttämiseksi on ryhdytty suunnittelutoimenpiteisiin.

Kipinä-ICE:n polttoainevarausalue erotetaan reaktiotuotteista noin 50 m/s nopeudesta liikkuvalla liekin rintamalla (liekin nopeus riippuu seoksen turbulenssista, koostumuksesta ja polttoaineen tyypistä, kipinävälin läpilyöntienergiasta , epätasainen koostumus kerrosmuodostuksen aikana ja muut tekijät). Normaaleissa palamisolosuhteissa liekin eturintama, jossa palaminen tapahtuu, siirtyy tällä nopeudella kynttilästä sylinterin seinämiin. Käytön aikana havaitaan kuitenkin usein polttoaineseoksen viimeisten osien nopeaa itsesyttymistä, jota esiintyy tilavuudessa. Tätä ilmiötä kutsutaan räjähdykseksi. Räjähdyksen syynä on paineen ja lämpötilan merkittävä nousu panoksen jäljelle jäävässä osassa (palamistuotteiden puristus), joka johtuu aktiivisten aineiden leviämisestä liekin rintamalta sekä riittävästä ajasta (kymmeniä millisekunteja) anna liekin esireaktioiden ohittaa. Kipinänsyötön puuttuessa räjähdystä ei havaita puristuksen ja laajenemisen aikana (räjähdys ei ole itsesyttymistä) [22] .

Kun räjähdys lopulta tapahtuu, palamisnopeus saavuttaa 2 km/s tai enemmän, jolloin sylinteriin syntyy useita heijastuneita iskuaaltoja, jotka havaitaan ulkopuolelta soittoäänenä. Iskuaallot, jotka ottavat osan polttoaineen energiasta, eivät vain vähennä tehoa, vaan myös vahingoittavat moottorin osia, kuten mäntiä, renkaita ja sylinterinkansia. Lopulta räjähdysaaltojen energia muuttuu lämmöksi, joten moottori voi ylikuumentua räjähdyksen aikana. Pitkäaikainen työ voimakkaalla räjähdyksellä aiheuttaa materiaalin lohkeilua, männänrenkaiden rikkoutumista, männän palamista, eikä sitä siksi voida hyväksyä; lisäksi räjähdyksen vaurioitunut pinta vain lisää tätä ilmiötä [23] .

Tämän seurauksena jokaisessa moottorissa, ottaen huomioon sen nopeuden, valitun puristussuhteen, sytytyksen ajoituksen, panoksen lämmityksen määrän, seoksen muodostusmenetelmän ja varauksen turbulenssin, on rajallinen toiminta ilman räjähdystä tietyllä tyypillä. polttoaineesta. Vähemmän kestävän polttoaineen käyttö voi johtaa edellä kuvattuihin ilmiöihin moottorissa, mikä aiheuttaa sen vian. Polttoaineen nakunkestävyys määritetään yleensä vertaamalla isooktaanin ja n-heptaanin vertailuseokseen. Jos bensiinin oktaaniluku on 80, sen vastus vastaa seosta, jossa on 80 % isooktaania ja 20 % n-heptaania. Polttoaineille, joiden resistanssi on suurempi kuin iso-oktaani, määrä määritetään vertailulla sekoittamalla muita seoksia. Yleensä mitatun TAI:n suuruus riippuu tekniikasta. Polttoaineen itsesyttymisvastus ja iskunkestävyys eivät ole samanarvoisia (ei lineaarista korrelaatiota). Siksi moottorin työprosessin organisoinnissa on otettava huomioon molemmat vaaratekijät.

Puristussytytysmoottoreissa polttoaineen itsesyttyminen on positiivinen ja se mitataan polttoaineen setaaniluvulla . Suurempi luku tarkoittaa nopeampaa syttymistä; yleensä käytetään polttoaineita, joiden CN on yli 40. Dieselmoottoreiden palamisen vakavuutta rajoittaa polttoaineen asteittainen palaminen sitä syötettäessä, joten klassista räjähdystä ei havaita sellaisessa moottorissa, jossa on käyttökuntoinen polttoainelaitteisto.

Klassisen mäntäpolttomoottorin termodynamiikka

Polttomoottorin lämpölaskelman kehitti ensin venäläinen professori Grinevetsky , keisarillisen Moskovan teknillisen koulun johtaja. Hänen elämänsä katkaisi sisällissota vuonna 1919. Maassamme hänen seuraajansa olivat venäläiset insinöörit kuten Briling , Mazing ja Sikorsky (jälkimmäinen muutti maasta).

Ensimmäinen ja tärkein kunkin männän polttomoottorin laskennassa on sen työtilavuus.

, jossa i ja D ovat sylinterien halkaisija ja lukumäärä ja S on männän isku.

Yksi polttomoottorisyklin pääindikaattoreista on indikaattorin tehokkuus, joka riippuu puristusasteesta ja käyttönesteen polytrooppisesta indeksistä.

Toinen tärkeä yhtälö on ilmoitetun tehon suhde moottorin iskutilavuuteen, kierrosten lukumäärään ja pakotusasteeseen (alennettu ilmoitettu paine).

Moottorin ilmoitettu hyötysuhde lasketaan ilmoitetun tehon, polttoaineen kulutuksen ja sen lämpöarvon perusteella.

Tehoteho ja efektiivinen indikaattoripaine eroavat indikaattoreista mekaanisten häviöiden määrällä, joka ilmaistaan ​​mekaanisella tehokkuudella.

Mekaaniset häviöt sisältävät sekä sylinteri-mäntäryhmän että kaasunjakelumekanismin kitkan sekä häviöt liitetyissä yksiköissä (pumppu, öljypumppu, generaattori) ja häviöt kaasunvaihtoprosessissa (negatiivinen työsilmukka ilmaisinkaaviossa). 4-tahti polttomoottori).

Termodynaamiset parametrit eivät yleensä liity tietyn moottorin suunnitteluun, vaan vastaavat kertoimet kaavoissa mekaanisista häviöistä, suurimmasta puristussuhteesta ja imuilman tiheydestä määräytyvät suunnittelun mukaan. Termodynaamiset indikaattorit eivät vaikuta ainoastaan ​​hyötysuhteeseen ja tehoon, vaan myös moottorin ympäristönsuojeluun.

Mäntäpolttomoottoreiden vaikutukset ympäristöön ja niiden suunnittelun ympäristövaatimukset

Sadat miljoonat säännöllisesti käytetyt liikenteen (pääasiassa mäntämoottorit) polttomoottorit, jotka kuluttavat valtavan määrän öljytuotteita päivittäin [24] , aiheuttavat yhteensä suuria haitallisia päästöjä. Ne jaetaan hiilivetyihin (CH), hiilimonoksidiin (CO) ja typen oksideihin (NOx). Aikaisemmin käytettiin myös lyijypitoista bensiiniä, jonka palamistuotteet sisälsivät lyijyä , joka ei käytännössä erittynyt ihmiskehosta . Tämä on selkein suurissa alangoilla sijaitsevissa ja kukkuloiden ympäröimissä kaupungeissa: kun tuulta ei ole, niihin muodostuu savusumua .

Moottoriliikenteen kehityksen ensimmäisinä vuosikymmeninä tähän ei kiinnitetty riittävästi huomiota, koska autoja oli vähemmän. Jatkossa valmistajat joutuivat noudattamaan tiettyjä päästönormeja, jotka tiukentuvat. Periaatteessa on kolme tapaa vähentää päästöjä:

  1. Ympäristöystävällisen polttoaineen valinta (vety, maakaasu) tai perinteisen nestemäisen polttoaineen (bensiini ja dieselpolttoaine "Euro-5") parantaminen.
  2. Moottorisyklin parametrien muuttaminen tai uusien kehittäminen (puristussuhteen pienentäminen, latauksen kerrostuminen, sylinterin sisäinen ruiskutus, happiantureita käyttävät tietokoneohjausjärjestelmät , dieselmoottoreiden Common rail -järjestelmä jne.).
  3. Haitallisten päästöjen vähentäminen termisten (entisten) ja katalyyttisten (nykyisten) katalyyttien avulla.

Kehittyneissä maissa voimassa olevat myrkyllisyysstandardit edellyttävät yleensä useiden menetelmien käyttöä samanaikaisesti. Samaan aikaan sekä autojen että koko kuljetuskompleksin (jalostamot mukaan lukien) tehokkuus yleensä heikkenee, koska moottoreiden taloudellisuuden ja ympäristöystävällisyyden optimaaliset syklit eivät yleensä ole samat ja erittäin ympäristöystävällisen polttoaineen tuotanto vaatii enemmän energiaa.

Päästöjen vähentämiseksi on monissa tapauksissa tarpeen pienentää puristussuhdetta, maksiminopeutta (tarvittava teho saavutetaan tällaisissa tapauksissa vähemmän päästöihin vaikuttavalla turboahtimella); suunnittelijat joutuivat luopumaan taloudellisesti lupaavimmasta laihalla seoksella toimivien bensiinipolttomoottoreiden käytöstä. Päästönormien täytäntöönpanosta huolimatta kysymys fossiilisten polttoaineiden moottoreiden jatkokäytöstä on kuitenkin nyt noussut esiin ilmaston lämpenemisongelman yhteydessä . Ottaen huomioon myös lähivuosikymmenien rajalliset öljyvarat, on odotettavissa uusiutuvan polttoaineen moottoreiden sekä sähkömoottoreiden osuuden kasvua lupaavissa sähköajoneuvoissa. Siten mäntäpolttomoottoreiden soveltamisala alkaa kaventua.

Muistiinpanot

  1. ↑ Polttomoottorin oppikirja, osa 1. Polttomoottoreiden teorian perusteet. Yhteistuotantopaikka Ukrainassa (linkki ei saavutettavissa) . www.cogeneration.com.ua Haettu 23. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 24. helmikuuta 2020. 
  2. ↑ Päämoottorin ilmaisimet: teho, vääntömomentti, kulutus . techautoport.ru. Haettu 15. tammikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 15. tammikuuta 2020.
  3. ↑ Männän puristusprosessi . vdvizhke.ru. Haettu 15. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 15. heinäkuuta 2019.
  4. ↑ Pavel Aleksandrovitš Dorokhov, Nguyen Dinh Hiep. Tutkimus puristussuhteen vaikutuksesta laivan polttomoottorin suorituskykyyn  // Astrakhanin osavaltion teknisen yliopiston tiedote. Sarja: Laivavarusteet ja -tekniikka. - 2009. - Ongelma. 1 . — ISSN 2073-1574 . Arkistoitu alkuperäisestä 15. heinäkuuta 2019.
  5. ↑ Kaasu-diesel metaanilla | Kaasu moottoreissa . Haettu 25. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 25. heinäkuuta 2019.
  6. ↑ Kaasudieselmoottorien tekniset ominaisuudet ja kaasu-diesel-prosessin kokeellisten ja teoreettisten tutkimusten analyysi . Studref. Haettu: 25.7.2019.
  7. ↑ GOST 10150-2014 Polttomoottorit. Yleiset tiedot (muutoksineen), GOST päivätty 11. elokuuta 2015 nro 10150-2014 . docs.cntd.ru. Haettu 30. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 30. heinäkuuta 2019.
  8. ↑ GOST 14846-81 . docs.cntd.ru. Haettu 15. tammikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 15. tammikuuta 2020.
  9. ↑ Tekniset tiedot ZMZ 406 2,3 l / 100 l. Kanssa. | AUTO-GL.ru . auto-gl.ru. Haettu 15. tammikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 15. tammikuuta 2020.
  10. ↑ Moottorin ominaisuudet - "Ratin takana" -lehden tietosanakirja . wiki.zr.ru. Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. helmikuuta 2020.
  11. ↑ Moottorin nopeusominaisuus . stroy-technics.ru Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. helmikuuta 2020.
  12. ↑ 1 2 SISÄPOLTOMOOTTORIN ULKOISTEN NOPEUSOMAISUUSTEN LASKEMINEN - Tieteen ja koulutuksen nykyaikaiset ongelmat (tieteellinen lehti) . www.science-education.ru. Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 11. huhtikuuta 2021.
  13. ↑ Pääkoneen toiminnan RUUVIEN OMINAISUUDET - Korabel.ru:n meritermien sanakirja . www.korabel.ru Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. helmikuuta 2020.
  14. ↑ Suurinopeuksinen ulkoinen ominaisuus - Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL . mash-xxl.info. Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. helmikuuta 2020.
  15. ↑ Dieselmoottoreiden ulkoiset nopeusominaisuudet - Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL . mash-xxl.info. Haettu 11. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. helmikuuta 2020.
  16. ↑ Polttomoottorin säätö . vdvizhke.ru . Haettu 18. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 18. toukokuuta 2021.
  17. ↑ Sidorov V. N., Tsarev O. A., Golubina S. A. Polttomoottorille ominaisen ulkoisen nopeuden laskeminen  // Nykyaikaiset tieteen ja koulutuksen ongelmat. - 2015. - Numero. 1-1 . — ISSN 2070-7428 . Arkistoitu 18. toukokuuta 2021.
  18. ↑ Polttoaineen suoraruiskutusjärjestelmä - laite, toimintaperiaate . systemauto.ru . Haettu 18. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 23. joulukuuta 2021.
  19. ↑ Veturien ja laivojen dieselmoottoreiden tehokkuuden lisääminen pienillä kuormilla ja joutokäynnillä kuristamalla ahtoilmaa . cyberleninka.ru . Haettu 18. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 18. toukokuuta 2021.
  20. ↑ Aleksei Borisovitš Stefanovski, Oleksi Borisovitš Stefanovski, Oleksii Stefanovski. Moottoriöljyn vaikutus autotraktoreiden moottoreiden kulumisen syihin ja tekijöihin . — 2017. Arkistoitu 20. toukokuuta 2021.
  21. ↑ Mihin resursseihin modernit moottorit on suunniteltu? . aif.ru (21. toukokuuta 2019). Haettu 14. toukokuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 14. toukokuuta 2021.
  22. ↑ Hilliard D., Springler J. Bensiinikäyttöisten ajoneuvojen polttoainetehokkuus. - Moskova: Mashinostroenie, 1988. - S. 209-268. — 509 s.
  23. ↑ Hilliard D., Springler J. Bensiinikäyttöisten ajoneuvojen polttoainetehokkuus. - Moskova: Mashinostroenie, 1988. - S. 252-268. — 509 s.
  24. ↑ Maailman öljyvarat ja -kulutus verkossa . Haettu 25. heinäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 25. heinäkuuta 2019.

Kirjallisuus

standardit ja tekniset tiedot

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa
 Moottorit
Polttomoottorit (paitsi turbiini )
vastavuoroisesti
Jaksojen lukumäärä

Sylinterin järjestely
Mäntätyypit
Sytytysmenetelmä
_
Pyörivä
Yhdistetty
Katso myös ikiliikkuja Vaihde moottori kumimoottori