Zařízení s vnitřním spalováním

Po celé století se spalovací motor používá v motocyklech, osobních a nákladních automobilech. Až dosud zůstává nejhospodárnějším typem motoru. Ale pro mnohé zůstává princip činnosti a zařízení spalovacího motoru nejasné. Pokusme se pochopit hlavní složitosti a specifika struktury motoru.

📌Definice a obecné vlastnosti

Klíčovým rysem každého spalovacího motoru je zapalování hořlavé směsi přímo v jeho pracovní komoře, nikoli v externím médiu. V okamžiku spalování paliva přijatá tepelná energie provokuje činnost mechanických součástí motoru.

📌Vytváření historie

Před příchodem spalovacích motorů byla samohybná vozidla vybavena spalovacími motory. Tyto jednotky fungovaly z tlaku páry generovaného ohřevem vody v samostatné nádrži.

Konstrukce takových motorů byla nadrozměrná a neúčinná - kromě velké hmotnosti instalace, aby překonala dlouhé vzdálenosti, musela doprava také táhnout slušnou zásobu paliva (uhlí nebo palivové dříví).

S ohledem na tento nedostatek se inženýři a vynálezci pokusili vyřešit důležitou otázku: jak kombinovat palivo s tělem pohonné jednotky. Odstraněním prvků, jako je kotel, nádrž na vodu, kondenzátor, výparník, čerpadlo atd., Ze systému. bylo možné výrazně snížit hmotnost motoru.

Vytváření spalovacího motoru ve formě známé modernímu motoristovi probíhalo postupně. Zde jsou hlavní milníky, které vedly ke vzniku moderního ICE:

• 1791 John Barber vynalezl plynovou turbínu, která pracuje destilací ropy, uhlí a dřeva v retortách. Výsledný plyn byl spolu se vzduchem čerpán do spalovací komory kompresorem. Výsledný horký plyn pod tlakem byl přiváděn do oběžného kola oběžného kola a otáčen ním.
• 1794 Robert Street patentuje motor na kapalná paliva.
• 1799. Philippe Le Bon v důsledku pyrolýzy ropy přijímá luminiscenční plyn. V roce 1801 navrhuje použít jako palivo pro plynové motory.
• 1807 François Isaac de Rivaz - patent na „použití výbušných materiálů jako zdroje energie v motorech“. Na základě vývoje vytvoří „Posádku s vlastním pohonem“.
• 1860 Společnost Etienne Lenoir byla průkopníkem časných vynálezů vytvořením funkčního motoru poháněného směsí plynného osvětlení a vzduchu. Mechanismus byl uveden do pohybu jiskrou z externího zdroje energie. Vynález byl použit na lodích, ale nebyl instalován na samohybných vozidlech.
• 1861 Alphonse Bo De Rocha odhaluje důležitost stlačování paliva před jeho zapálením, což posloužilo k vytvoření teorie fungování čtyřtaktního spalovacího motoru (nasávání, komprese, spalování s expanzí a uvolňováním).
• 1877 Nikolaus Otto vytváří první čtyřtaktní spalovací motor o výkonu 12 hp.
• 1879 Karl Benz patentuje dvoutaktní motor.
• 1880. léta XNUMX. století. Ogneslav Kostrovich, Wilhelm Maybach a Gottlieb Daimler současně vyvíjejí úpravy karburátoru spalovacího motoru a připravují je na sériovou výrobu.

Kromě benzínových motorů se Trinkler Motor objevil v roce 1899. Tento vynález je dalším typem spalovacího motoru (nekompresorový vysokotlaký olejový motor), fungující na principu vynálezu Rudolfa Diesela. V průběhu let se pohonné jednotky, benzínové i naftové, zlepšily, což zvýšilo jejich účinnost.

📌Typy spalovacích motorů

Podle typu konstrukce a zvláštností provozu spalovacího motoru jsou klasifikovány podle několika kritérií:

• Podle druhu použitého paliva - nafta, benzín, plyn.
• Podle principu chlazení - kapalina a vzduch.
• V závislosti na uspořádání válců - in-line a ve tvaru V.
• Podle způsobu přípravy palivové směsi - karburátoru, plynu a vstřikování (směsi se tvoří ve vnější části spalovacího motoru) a nafty (ve vnitřní části).
• Podle principu zapálení palivové směsi - s nuceným zapalováním a se samovznícením (typické pro dieselové jednotky).

Motory se také vyznačují svou konstrukcí a účinností:

• Píst, ve kterém je pracovní komora umístěna ve válcích. Stojí za zvážení, že tyto spalovací motory jsou rozděleny do několika poddruhů:
  • karburátor (karburátor je zodpovědný za vytvoření obohacené pracovní směsi);
  • vstřikování (směs je dodávána přímo do sacího potrubí prostřednictvím trysek);
  • nafta (směs se vznítí v důsledku vytvoření vysokého tlaku uvnitř komory).
  • Rotační píst, charakterizovaný přeměnou tepelné energie na mechanickou energii díky rotaci rotoru spolu s profilem. Práce rotoru, jehož pohyb připomíná tvar 8 ku, zcela nahrazuje funkce pístů, rozvodů a klikového hřídele.
  • Plynová turbína, ve které je motor poháněn tepelnou energií získávanou otáčením rotoru s lopatkami připomínajícími lopatku. Pohání hřídel turbíny.

Teorie se na první pohled zdá jasná. Nyní se podívejme na hlavní komponenty hnacího ústrojí.

📌 ICE zařízení

Konstrukce karoserie zahrnuje následující komponenty:

• blok válců;
• klikový mechanismus;
• mechanismus distribuce plynu;
• systémy přívodu a vznícení hořlavé směsi a odvodu spalin (výfukové plyny).

Abyste pochopili umístění jednotlivých komponent, zvažte schéma struktury motoru:

Číslo 6 označuje, kde se nachází válec. Je to jedna z klíčových součástí spalovacího motoru. Uvnitř válce je píst označený číslem 7. Je připevněn k ojnici a klikovému hřídeli (na schématu označeném čísly 9 a 12). Pohyb pístu nahoru a dolů uvnitř válce vyvolává tvorbu rotačních pohybů klikového hřídele. Na konci oje je setrvačník, zobrazený na obrázku pod číslem 10. Je to nutné pro rovnoměrné otáčení hřídele. Horní část válce je vybavena hustou hlavou, která má ventily pro příjem směsi a výfukové plyny. Jsou zobrazeny pod číslem 5.

Otevírání ventilů je možné díky vačkám vačkového hřídele, označeným číslem 14, nebo spíše jeho převodovým prvkům (číslo 15). Otáčení vačkového hřídele zajišťují ozubená kola klikového hřídele, označená číslicí 13. Při volném pohybu pístu ve válci je schopen zaujmout dvě krajní polohy.

Normální provoz spalovacího motoru lze zajistit pouze rovnoměrným zásobováním palivové směsi ve správný čas. Aby se snížily provozní náklady motoru na odvod tepla a zabránilo se předčasnému opotřebení hnacích součástí, jsou tyto mazány olejem.

📌 Princip spalovacího motoru

Moderní spalovací motory běží na palivo, které je zapáleno uvnitř válců, a na energii, která z něj pochází. Směs benzínu a vzduchu je přiváděna sacím ventilem (v mnoha motorech jsou dva na válec). Na stejném místě se vznítí kvůli jiskře, která se vytvoří zapalovací svíčka... V okamžiku malé exploze se plyny v pracovní komoře rozpínají a vytvářejí tlak. Uvádí do pohybu píst připojený k KShM.

Naftové motory fungují na podobném principu, pouze spalovací proces je iniciován trochu jiným způsobem. Zpočátku je vzduch ve válci stlačen, což způsobuje jeho zahřívání. Než píst dosáhne TDC při kompresním zdvihu, vstřikuje atomizér palivo. Díky horkému vzduchu se palivo samo zapálí bez jiskry. Proces je dále totožný s úpravou benzinu spalovacího motoru.

KShM převádí vratné pohyby skupiny pístů na rotaci klikový hřídel... Krouticí moment jde na setrvačník, poté na mechanická nebo automatická převodovka a nakonec - na hnacích kolech.

Proces, kdy se píst pohybuje nahoru nebo dolů, se nazývá zdvih. Všechna opatření, dokud se neopakují, se nazývají cyklus.

Jeden cyklus zahrnuje proces sání, komprese, vznícení spolu s expanzí vzniklých plynů, uvolňování.

Existují dvě modifikace motorů:

1. Ve dvoudobém cyklu se klikový hřídel otáčí jednou za cyklus a píst se pohybuje dolů a nahoru.
2. Ve čtyřtaktním cyklu se klikový hřídel bude otáčet dvakrát za cyklus a píst provede čtyři úplné pohyby - bude klesat, stoupat, klesat, stoupat.

PrinciplePracovní princip dvoutaktního motoru

Když řidič nastartuje motor, startér uvede setrvačník do pohybu, klikový hřídel se otáčí, KShM pohybuje pístem. Když dosáhne BDC a začne stoupat, je pracovní komora již naplněna hořlavou směsí.

V horní úvrati pístu se zapálí a pohybuje se dolů. Dále dochází k ventilaci - výfukové plyny jsou vytlačovány novou částí pracovní hořlavé směsi. Čištění se může lišit v závislosti na konstrukci motoru. Jedna z úprav zajišťuje naplnění prostoru pod pístem směsí paliva a vzduchu, když stoupá, a když píst klesá, je stlačen do pracovní komory válce a vytlačuje spaliny.

U takových úprav motorů neexistuje žádný systém časování ventilů. Samotný píst otevírá / zavírá vstup / výstup.

Takové motory se používají v technologii s nízkým výkonem, protože v nich dochází k výměně plynů v důsledku nahrazení výfukových plynů další částí směsi vzduch-palivo. Vzhledem k tomu, že je pracovní směs částečně odstraněna spolu s výfukem, vyznačuje se tato modifikace zvýšenou spotřebou paliva a nižším výkonem ve srovnání s čtyřdobými analogy.

Jednou z výhod těchto spalovacích motorů je menší tření na cyklus, ale zároveň se silněji zahřívají.

PrinciplePracovní princip čtyřtaktního motoru

Většina automobilů a dalších motorových vozidel je vybavena čtyřtaktními motory. K přivádění pracovní směsi a odvádění výfukových plynů se používá mechanismus distribuce plynu. Je poháněn rozvodem připojeným k řemenici klikového hřídele řemenem, řetězem nebo převodem.

Rotující vačková hřídel zvedá / spouští sací / výfukové ventily umístěné nad válcem. Tento mechanismus zajišťuje synchronizaci otevírání příslušných ventilů pro přívod hořlavé směsi a odvádění výfukových plynů.

U takových motorů probíhá cyklus následovně (například benzínový motor):

1. V okamžiku spuštění motoru startér otáčí setrvačníkem, který pohání klikový hřídel. Otevírá se vstupní ventil. Klikový mechanismus snižuje píst a vytváří podtlak ve válci. Směs vzduchu a paliva má sací zdvih.
2. Při pohybu od dolní úvrati nahoru stlačuje píst hořlavou směs. Toto je druhé opatření - komprese.
3. Když je píst v horní úvrati, zapalovací svíčka vytvoří jiskru, která zapálí směs. V důsledku exploze plyny expandují. Nadměrný tlak ve válci posune píst dolů. Toto je třetí cyklus - zapalování a expanze (nebo pracovní zdvih).
4. Rotující klikový hřídel pohybuje pístem nahoru. V tomto bodě vačkový hřídel otevírá výfukový ventil, kterým stoupající píst vytlačuje výfukové plyny. Toto je čtvrté vydání baru.

📌Pomocné systémy spalovacího motoru

Žádný moderní spalovací motor není schopen fungovat samostatně. Je to proto, že palivo musí být dodáváno z nádrže na plyn do motoru, musí se vznítit ve správný čas a aby se motor „neudusil“ výfukovými plyny, musí být včas odstraněny.

Rotující části vyžadují stálé mazání. Vzhledem k vysokým teplotám generovaným během spalování musí být motor chlazen. Tyto doprovodné procesy neposkytuje samotný motor, proto spalovací motor pracuje ve spojení s pomocnými systémy.

📌Zapalovací systém

Tento pomocný systém je navržen pro včasné zapálení hořlavé směsi ve vhodné poloze pístu (TDC v kompresním zdvihu). Používá se v benzinových spalovacích motorech a skládá se z následujících prvků:

• Zdroj energie. Když je motor v klidu, tuto funkci provádí baterie (jak nastartovat auto, pokud je baterie vybitá, přečtěte si samostatný článek). Po nastartování motoru je zdrojem energie generátor.
• Zámek zapalování. Zařízení, které uzavírá elektrický obvod, aby jej napájelo ze zdroje energie.
• Úložné zařízení. Většina benzínových vozidel má zapalovací cívku. Existují také modely, ve kterých existuje několik takových prvků - jeden pro každou zapalovací svíčku. Převádějí nízké napětí z baterie na vysoké napětí potřebné k vytvoření vysoce kvalitní jiskry.
• Distributor - přerušovač zapalování. U automobilů s karburátorem je to distributor, ve většině ostatních je tento proces řízen ECU. Tato zařízení distribuují elektrické impulsy do příslušných zapalovacích svíček.

📌Úvodní systém

K vytvoření spalovacího procesu je nutná kombinace tří faktorů: paliva, kyslíku a zdroje vznícení. Pokud je použit elektrický výboj - úkol zapalovacího systému, potom sací systém dodává motoru kyslík, aby se palivo mohlo vznítit.

Tento systém se skládá z:

• Sání vzduchu - odbočka, kterou je nasáván čistý vzduch. Proces přijímání závisí na úpravě motoru. V atmosférických motorech je vzduch nasáván kvůli vytváření vakua, které se tvoří ve válci. U modelů s přeplňováním je tento proces vylepšen rotací lopatek kompresoru, což zvyšuje výkon motoru.
• Vzduchový filtr je určen k čištění proudu od prachu a malých částic.
• Škrtící ventil je ventil, který reguluje množství vzduchu vstupujícího do motoru. Reguluje se sešlápnutím plynového pedálu nebo elektronikou řídicí jednotky.
• Sací potrubí je systém trubek připojených k jedné společné trubce. U vstřikovacích spalovacích motorů je nahoře nainstalován škrticí ventil a vstřikovací ventil pro každý válec. Při úpravách karburátoru je na sacím potrubí instalován karburátor, ve kterém je vzduch smíchán s benzínem.

Kromě vzduchu musí být do válců dodáváno palivo. Za tímto účelem byl vyvinut palivový systém, který se skládá z:

• palivová nádrž;
• palivové potrubí - hadice a potrubí, kterými se benzínové nebo naftové palivo pohybuje z nádrže do motoru;
• karburátor nebo vstřikovač (systémy trysek stříkajících palivo);
• palivové čerpadločerpání paliva z nádrže do karburátoru nebo jiného zařízení pro směšování paliva a vzduchu;
• palivový filtr, který čistí benzín nebo motorovou naftu od nečistot.

Dnes existuje mnoho modifikací motorů, ve kterých je pracovní směs přiváděna do válců různými způsoby. Mezi takové systémy patří:

• jednoduché vstřikování (princip karburátoru, pouze s tryskou);
• distribuované vstřikování (pro každý válec je instalována samostatná tryska, směs vzduchu a paliva se vytváří v kanálu sacího potrubí);
• přímé vstřikování (tryska rozprašuje pracovní směs přímo do válce);
• kombinované vstřikování (kombinuje princip přímého a distribuovaného vstřikování)

📌 Mazací systém

Všechny třecí plochy kovových dílů musí být namazány, aby ochladily a snížily se opotřebení. Pro zajištění této ochrany je motor vybaven mazacím systémem. Chrání také kovové části před oxidací a odstraňuje uhlíkové usazeniny. Mazací systém se skládá z:

• jímka - nádrž, která obsahuje motorový olej;
• olejové čerpadlo, které vytváří tlak, díky kterému je mazivo dodáváno do všech částí motoru;
• olejový filtr, který zachycuje jakékoli částice vzniklé provozem motoru;
• některá auta jsou vybavena chladičem oleje pro další chlazení maziva motoru.

📌 Výfukový systém

Vysoce kvalitní výfukový systém zajišťuje odvod výfukových plynů z pracovních komor válců. Moderní vozy jsou vybaveny výfukovým systémem, který zahrnuje následující prvky:

• výfukové potrubí, které tlumí vibrace horkých výfukových plynů;
• přijímací potrubí, do kterého výfukové plyny přicházejí ze sběrného potrubí (stejně jako výfukové potrubí je vyrobeno z tepelně odolného kovu);
• katalyzátor, který čistí výfukové plyny od škodlivých prvků, což umožňuje vozidlu splňovat ekologické normy;
• rezonátor - kapacita o něco menší než hlavní tlumič výfuku, určená ke snížení rychlosti výfuku;
• hlavní tlumič výfuku, uvnitř kterého jsou přepážky, které mění směr výfukových plynů, aby se snížila jejich rychlost a hluk.

📌Chladicí systém

Tento přídavný systém umožňuje běh motoru bez přehřátí. Podporuje provozní teplota motoruzatímco je navinutý. Aby tento indikátor nepřekročil kritické limity, i když je vůz v klidu, systém se skládá z následujících částí:

• chladičsestávající z trubek a desek určených pro rychlou výměnu tepla mezi chladicí kapalinou a okolním vzduchem;
• ventilátor, který zajišťuje vyšší průtok vzduchu, například když je vůz v dopravní zácpě a chladič není dostatečně vyfouknutý;
• vodní čerpadlo, díky kterému je zajištěna cirkulace chladicí kapaliny, která odvádí teplo z horkých stěn bloku válců;
• termostat - ventil, který se otevře po zahřátí motoru na provozní teplotu (před jeho spuštěním cirkuluje chladicí kapalina v malém kruhu, a když se otevře, kapalina se pohybuje chladičem).

Synchronní provoz každého pomocného systému zajišťuje plynulý provoz spalovacího motoru.

📌 Cykly motoru

Cyklus znamená akce, které se opakují v jednom válci. Čtyřtaktní motor je vybaven mechanismem, který spouští každý z těchto cyklů.

U spalovacího motoru provádí píst vratné pohyby (nahoru / dolů) podél válce. Ojnice a k ní připojená klika přeměňují tuto energii na rotaci. Během jedné akce - když píst dosáhne od nejnižšího bodu nahoru a dozadu - klikový hřídel provede jednu otáčku kolem své osy.

Aby tento proces probíhal neustále, musí do válce vstoupit směs vzduchu a paliva, musí být v něm stlačena a zapálena a musí být také odstraněny produkty spalování. Každý z těchto procesů probíhá v jedné revoluci klikového hřídele. Tyto akce se nazývají pruhy. Ve čtyřtaktu jsou čtyři:

1. Sání nebo sání. Při tomto zdvihu je směs vzduchu a paliva nasávána do dutiny válce. Vstupuje otevřeným sacím ventilem. V závislosti na typu palivového systému se benzín mísí se vzduchem v sacím potrubí nebo přímo ve válci, například u vznětových motorů;
2. Komprese. V tomto okamžiku jsou sací a výfukové ventily uzavřeny. Píst se pohybuje nahoru v důsledku natažení klikového hřídele a otáčí se v důsledku provádění dalších zdvihů v sousedních válcích. V benzínovém motoru je VTS stlačen na několik atmosfér (10-11) a v naftovém motoru - více než 20 atm;
3. Pracovní zdvih. V okamžiku, kdy se píst zastaví úplně nahoře, je stlačená směs zapálena pomocí jiskry ze zapalovací svíčky. U vznětového motoru je tento proces mírně odlišný. V něm je vzduch stlačen natolik, že jeho teplota vyskočí na hodnotu, při které se nafta sama vznítí. Jakmile dojde k výbuchu směsi paliva a vzduchu, uvolněná energie nemá kam jít a pohybuje pístem dolů;
4. Uvolňování spalovacích produktů. Aby se komora naplnila čerstvou částí hořlavé směsi, musí se odstranit plyny vytvořené v důsledku vznícení. K tomu dojde při příštím zdvihu, když se píst zvedne. V tomto okamžiku se otevře výstupní ventil. Když píst dosáhne horní úvrati, cyklus (nebo sada tahů) v samostatném válci se uzavře a postup se opakuje.

📌Výhody a nevýhody ICE

Dnes je nejlepší volbou motoru pro motorová vozidla ICE. Mezi výhody těchto jednotek patří:

• snadnost opravy;
• ekonomika pro dlouhé cesty (záleží na jeho objem);
• velký pracovní zdroj;
• dostupnost pro motoristy s průměrným příjmem.

Ideální motor ještě nebyl vytvořen, proto mají tyto jednotky také některé nevýhody:

• čím složitější je jednotka a související systémy, tím dražší je jejich údržba (například motory EcoBoost);
• vyžaduje jemné doladění systému dodávky paliva, rozdělování zapalování a dalších systémů, což vyžaduje určité dovednosti, jinak motor nebude fungovat efektivně (nebo vůbec nenastartuje);
• větší hmotnost (ve srovnání s elektromotory);
• opotřebení klikového mechanismu.

I přes vybavení mnoha vozidel jinými typy motorů („čistých“ vozů poháněných elektrickou trakcí) si ICE díky své dostupnosti po dlouhou dobu udrží konkurenční postavení. Hybridní a elektrická verze automobilů získávají na popularitě, avšak kvůli vysokým nákladům na tato vozidla a nákladům na jejich údržbu nejsou průměrnému motoristovi dosud k dispozici.

Časté otázky:

Co je to spalovací motor? Jedná se o typ pohonné jednotky, kde je v konstrukci zajištěna uzavřená spalovací komora, ve které je generována tepelná energie (v důsledku vznícení směsi palivo - vzduch) a přeměněna na mechanickou energii.

Kdo vynalezl spalovací motor? Vzorek prvního spalovacího motoru na světě objevil francouzský vynálezce Étven Lenoir v roce 1860. První čtyřtaktní spalovací motor, podle jehož schématu fungují naprosto všechny pohonné jednotky, vynalezl Nikolaus Otto.

Z čeho je motor vyroben? Nejjednodušší spalovací motor se skládá z bloku válců, ve kterém je systém klikové ojnice, skupina válců a pístů, blok je nahoře pokryt hlavou hlavy s mechanismem rozvodu plynu (vačkovým hřídelem a ventily), sáním a výfukový systém, palivový a zapalovací systém.