Dilatazione termica
Classificazione ICE
Principio di funzionamento
Bilancio termico del motore
Innovazione
introduzione
Una crescita significativa in tutti i settori dell’economia nazionale richiede il movimento di grandi quantità di merci e passeggeri. Elevata manovrabilità, manovrabilità e adattabilità al lavoro in varie condizioni rendono l'auto uno dei principali mezzi di trasporto di merci e passeggeri.
Il trasporto stradale svolge un ruolo importante nello sviluppo delle regioni orientali e non della Terra Nera del nostro Paese. La mancanza di una rete ferroviaria sviluppata e il limitato utilizzo dei fiumi per la navigazione fanno dell'auto il principale mezzo di trasporto in queste zone.
Il trasporto stradale in Russia serve tutti i settori dell'economia nazionale e occupa uno dei posti di primo piano nel sistema di trasporto unificato del paese. Il trasporto su strada rappresenta oltre l’80% delle merci trasportate da tutte le modalità di trasporto combinate e oltre il 70% del trasporto passeggeri.
Il trasporto stradale è stato creato come risultato dello sviluppo di un nuovo ramo dell'economia nazionale: l'industria automobilistica, che attualmente è uno degli anelli principali dell'ingegneria meccanica nazionale.
La creazione di un'auto è iniziata più di duecento anni fa (il nome "auto" deriva dalla parola greca autos - "sé" e dal latino mobilis - "mobile"), quando hanno iniziato a produrre carri "semoventi". Sono apparsi per la prima volta in Russia. Nel 1752, un meccanico russo autodidatta, il contadino L. Shamshurenkov, creò un "passeggino autoportante", perfetto per l'epoca, guidato dalla forza di due persone. Successivamente, l'inventore russo I.P. Kulibin creò un "carrello per scooter" con azionamento a pedali. Con l'avvento della macchina a vapore la realizzazione di carrozze semoventi avanzò rapidamente. Nel 1869-1870 J. Cugnot in Francia, e pochi anni dopo in Inghilterra, furono costruite automobili a vapore. L'uso diffuso dell'automobile come mezzo di trasporto iniziò con l'avvento del motore a combustione interna ad alta velocità. Nel 1885, G. Daimler (Germania) costruì una motocicletta con un motore a benzina e nel 1886 K. Benz - un carro a tre ruote. Nello stesso periodo nei paesi industrializzati (Francia, Gran Bretagna, Stati Uniti) furono create automobili con motore a combustione interna.
Alla fine del 19° secolo, l’industria automobilistica emerse in numerosi paesi. Nella Russia zarista furono fatti ripetutamente tentativi per organizzare la propria ingegneria meccanica. Nel 1908, la produzione automobilistica fu organizzata presso la Russian-Baltic Carriage Works di Riga. Per sei anni qui furono prodotte automobili, assemblate principalmente da parti importate. In totale, lo stabilimento ha costruito 451 autovetture e un piccolo numero di camion. Nel 1913 il parco automobilistico russo ammontava a circa 9.000 automobili, la maggior parte delle quali di fabbricazione straniera. Dopo la Grande Rivoluzione Socialista d’Ottobre, l’industria automobilistica nazionale dovette essere creata quasi di nuovo. L'inizio dello sviluppo dell'industria automobilistica russa risale al 1924, quando i primi camion AMO-F-15 furono costruiti a Mosca nello stabilimento AMO.
Nel periodo 1931-1941. viene creata la produzione su larga scala e di massa di automobili. Nel 1931 iniziò la produzione in serie di camion nello stabilimento AMO. Nel 1932 entrò in funzione l'impianto GAZ.
Nel 1940, lo stabilimento di piccole auto di Mosca iniziò la produzione di piccole auto. Un po' più tardi fu creato lo stabilimento automobilistico degli Urali. Durante gli anni dei piani quinquennali del dopoguerra entrarono in funzione gli stabilimenti automobilistici di Kutaisi, Kremenchug, Ulyanovsk e Minsk. Dalla fine degli anni '60 lo sviluppo dell'industria automobilistica è stato caratterizzato da un ritmo particolarmente rapido. Nel 1971, lo stabilimento automobilistico Volzhsky prende il nome. cinquantesimo anniversario dell'URSS.
Negli ultimi anni, le fabbriche dell'industria automobilistica hanno padroneggiato molti modelli di attrezzature automobilistiche nuove e modernizzate, comprese quelle per l'agricoltura, l'edilizia, il commercio, il petrolio e il gas e le industrie forestali.
Motori a combustione interna
Attualmente esiste un gran numero di dispositivi che utilizzano l'espansione termica dei gas. Tali dispositivi includono motori a carburatore, motori diesel, motori a turbogetto, ecc.
I motori termici possono essere suddivisi in due gruppi principali:
Motori a combustione esterna: motori a vapore, turbine a vapore, motori Stirling, ecc.
Motori a combustione interna. Le centrali elettriche più utilizzate per le automobili sono i motori a combustione interna, in cui il processo di combustione
I più economici sono i motori a pistone e a combustione interna combinati. Hanno una durata abbastanza lunga, dimensioni complessive e peso relativamente piccoli. Lo svantaggio principale di questi motori è da considerare il movimento alternativo del pistone, associato alla presenza di un manovellismo, che complica la progettazione e limita la possibilità di aumentare la velocità di rotazione, soprattutto con motori di notevoli dimensioni.
E ora qualcosa sui primi motori a combustione interna. Il primo motore a combustione interna (ICE) fu creato nel 1860 dall'ingegnere francese Etven Lenoir, ma questa macchina era ancora molto imperfetta.
Nel 1862, l'inventore francese Beau de Rochas propose di utilizzare un ciclo a quattro tempi in un motore a combustione interna:
aspirazione;
compressione;
combustione ed espansione;
scarico.
La rapida diffusione dei motori a combustione interna nell’industria, nei trasporti, nell’agricoltura e nell’energia stazionaria è dovuta a numerose caratteristiche positive.
L'implementazione del ciclo di funzionamento del motore a combustione interna in un cilindro con basse perdite e una significativa differenza di temperatura tra la fonte di calore e il frigorifero garantisce un'elevata efficienza di questi motori. L'alta efficienza è una delle qualità positive dei motori a combustione interna.
Tra i motori a combustione interna, il diesel è attualmente il motore che converte l’energia chimica del carburante in lavoro meccanico con la massima efficienza in un ampio intervallo di potenza. Questa qualità dei motori diesel è particolarmente importante considerando che le forniture di carburanti petroliferi sono limitate.
Un'altra caratteristica positiva dei motori a combustione interna è che possono essere collegati a quasi tutti i consumatori di energia. Ciò è spiegato dalle ampie possibilità di ottenere le caratteristiche appropriate dei cambiamenti di potenza e coppia di questi motori. I motori in questione vengono utilizzati con successo in automobili, trattori, macchine agricole, locomotive diesel, navi, centrali elettriche, ecc., ad es. Gli ICE sono caratterizzati da una buona adattabilità al consumatore.
Il costo iniziale relativamente basso, la compattezza e il peso ridotto dei motori a combustione interna hanno reso possibile il loro ampio utilizzo in centrali elettriche ampiamente utilizzate e dotate di un vano motore di piccole dimensioni.
Gli impianti con motori a scoppio hanno una grande autonomia. Anche gli aerei con motori a combustione interna possono volare per decine di ore senza fare rifornimento.
Un'importante qualità positiva dei motori a combustione interna è la capacità di avviarli rapidamente in condizioni normali. I motori funzionanti a basse temperature sono dotati di appositi dispositivi per facilitare e velocizzare l'avviamento. Dopo l'avviamento, i motori possono raggiungere il pieno carico in tempi relativamente brevi. Gli ICE hanno una coppia frenante significativa, che è molto importante quando li si utilizza nelle installazioni di trasporto.
Una qualità positiva dei motori diesel è la capacità di un motore di funzionare con più carburanti. È così che sono noti i progetti di motori automobilistici multicombustibile, nonché di motori marini ad alta potenza che funzionano con vari combustibili, dal diesel all'olio per caldaie.
Ma insieme alle qualità positive, i motori a combustione interna presentano una serie di svantaggi. Tra questi figurano la potenza aggregata limitata rispetto, ad esempio, alle turbine a vapore e a gas, l'elevato livello di rumore, la velocità di rotazione dell'albero motore relativamente elevata all'avvio e l'impossibilità di collegarlo direttamente alle ruote motrici del consumatore, la tossicità dei gas di scarico, il movimento alternativo del pistone, limitando la velocità di rotazione e provocando la comparsa di forze d'inerzia e momenti da esse sbilanciati.
Ma la creazione di motori a combustione interna, il loro sviluppo e utilizzo sarebbero stati impossibili se non fosse stato per l'effetto della dilatazione termica. Infatti, nel processo di espansione termica, i gas riscaldati ad alta temperatura svolgono un lavoro utile. A causa della rapida combustione della miscela nel cilindro di un motore a combustione interna, la pressione aumenta bruscamente, sotto l'influenza della quale il pistone si muove nel cilindro. E questa è la funzione tecnologica davvero necessaria, ad es. azione della forza, la creazione di alte pressioni, che avviene per espansione termica, e per il quale questo fenomeno viene utilizzato in varie tecnologie e in particolare nei motori a combustione interna.
Dilatazione termica
L'espansione termica è una variazione delle dimensioni di un corpo durante il suo riscaldamento isobarico (a pressione costante). Quantitativamente, l'espansione termica è caratterizzata dal coefficiente di temperatura dell'espansione volumetrica B=(1/V)*(dV/dT)p, dove V è il volume, T è la temperatura, p è la pressione. Per la maggior parte dei corpi B>0 (un'eccezione è, ad esempio, l'acqua, in cui nell'intervallo di temperatura da 0 C a 4 C B
Applicazioni della dilatazione termica.
L'espansione termica ha trovato la sua applicazione in vari moderni
tecnologie.
In particolare, possiamo dire dell'uso dell'espansione termica del gas nell'ingegneria del calore. Ad esempio, questo fenomeno viene utilizzato in vari motori termici, ad es. nei motori a combustione interna ed esterna: nei motori rotativi, nei motori a reazione, nei motori a turbogetto, nelle turbine a gas, nei motori Wankel, nei motori Stirling, nelle centrali nucleari. L'espansione termica dell'acqua viene utilizzata nelle turbine a vapore, ecc. Tutto ciò, a sua volta, ha trovato ampia diffusione in vari settori dell'economia nazionale.
Ad esempio, i motori a combustione interna sono ampiamente utilizzati negli impianti di trasporto e nelle macchine agricole. Nell'energia stazionaria, i motori a combustione interna sono ampiamente utilizzati in piccole centrali elettriche, gruppi motopropulsori e centrali elettriche di emergenza. Gli ICE si sono diffusi anche come azionamento di compressori e pompe per la fornitura di gas, petrolio, combustibile liquido, ecc. attraverso condotte, durante lavori di esplorazione, per azionare impianti di perforazione durante la perforazione di pozzi in giacimenti di gas e petrolio. I motori turbojet sono ampiamente utilizzati nell'aviazione. Le turbine a vapore sono il motore principale per l'azionamento dei generatori elettrici nelle centrali termoelettriche. Le turbine a vapore vengono utilizzate anche per azionare ventilatori centrifughi, compressori e pompe. Esistono anche automobili a vapore, ma non si sono diffuse a causa della loro complessità progettuale.
L'espansione termica viene utilizzata anche in vari relè termici,
il cui principio di funzionamento si basa sulla dilatazione lineare del tubo e
aste realizzate con materiali a diversa temperatura
coefficiente di dilatazione lineare.
Motori a combustione interna a pistoni
Come accennato in precedenza, l'espansione termica viene utilizzata nei motori a combustione interna. Ma
come viene utilizzato e quale funzione svolge vedremo
utilizzando l'esempio del funzionamento di un motore a combustione interna a pistoni.
Un motore è una macchina energetica che converte qualsiasi energia in lavoro meccanico. I motori in cui viene creato lavoro meccanico a seguito della conversione dell'energia termica sono detti termici. L'energia termica si ottiene bruciando qualsiasi combustibile. Un motore termico in cui parte dell'energia chimica del carburante che brucia nella cavità di lavoro viene convertita in energia meccanica è chiamato motore a combustione interna a pistoni. (Dizionario enciclopedico sovietico)
Classificazione ICE
Come accennato in precedenza, le centrali elettriche più utilizzate per le automobili sono i motori a combustione interna, in cui il processo di combustione del carburante con rilascio di calore e la sua conversione in lavoro meccanico avviene direttamente nei cilindri. Ma la maggior parte delle auto moderne ha motori a combustione interna, classificati in base a vari criteri:
Con il metodo di formazione della miscela - motori con formazione di miscela esterna, in cui la miscela combustibile viene preparata all'esterno dei cilindri (carburatore e gas), e motori con formazione di miscela interna (la miscela di lavoro si forma all'interno dei cilindri) - motori diesel;
Secondo il metodo di attuazione del ciclo di lavoro: a quattro tempi e a due tempi;
In base al numero di cilindri: monocilindrico, doppio cilindro e multicilindrico;
Secondo la disposizione dei cilindri: motori verticali o inclinati
disposizione dei cilindri su una fila, a forma di V con la disposizione dei cilindri ad angolo (con la disposizione dei cilindri ad angolo di 180, il motore è chiamato motore a cilindri contrapposti, o contrapposti);
Secondo il metodo di raffreddamento - per motori con liquido o aria
raffreddamento;
Per tipo di carburante utilizzato: benzina, diesel, gas e
multicombustibile;
Secondo il grado di compressione. A seconda del rapporto di compressione si distinguono motori ad alta (E=12...18) e a bassa compressione (E=4...9);
Secondo il metodo di riempimento del cilindro con carica fresca:
a) motori aspirati con aspirazione di aria o miscela di carburante
effettuata a causa della depressione presente nel cilindro durante la corsa di aspirazione
b) motori sovralimentati nei quali viene iniettata aria o una miscela combustibile
il cilindro di lavoro avviene sotto la pressione creata dal compressore, con
per aumentare la carica ed ottenere una maggiore potenza del motore;
Per velocità di rotazione: bassa velocità, alta velocità,
ad alta velocità;
In base allo scopo previsto, i motori sono suddivisi in fissi, per trattori automatici,
nave, locomotiva diesel, aviazione, ecc.
Nozioni di base sui motori a combustione interna a pistoni
I motori a combustione interna a pistoni sono costituiti da meccanismi e sistemi che eseguono le prestazioni specificate
hanno funzioni e interagiscono tra loro. Le parti principali di questo
Il motore è costituito da un meccanismo a manovella e da un meccanismo di distribuzione del gas, nonché da sistemi di alimentazione, raffreddamento, accensione e lubrificazione.
Il meccanismo a manovella converte il movimento alternativo lineare del pistone in movimento rotatorio dell'albero motore.
Il meccanismo di distribuzione del gas garantisce un'assunzione tempestiva di carburante
miscela nel cilindro e rimuovendo i prodotti della combustione dallo stesso.
Il sistema di alimentazione è progettato per la preparazione e la fornitura di carburante
miscela nel cilindro, nonché per la rimozione dei prodotti della combustione.
Il sistema di lubrificazione serve a fornire olio agli agenti interagenti
parti per ridurre la forza di attrito e raffreddarle parzialmente,
Insieme a questo, la circolazione dell'olio porta al lavaggio e alla rimozione dei depositi di carbonio
indossare prodotti.
Il sistema di raffreddamento mantiene condizioni di temperatura normali
funzionamento del motore, garantendo la rimozione del calore da ambienti altamente riscaldati
durante la combustione della miscela di lavoro di parti dei cilindri del gruppo pistone e
meccanismo della valvola.
Il sistema di accensione è progettato per accendere la miscela di lavoro
cilindro del motore.
Quindi, un motore a pistoni a quattro tempi è costituito da un cilindro e
basamento, che è chiuso dal basso con una coppa. All'interno del cilindro si muove un pistone con anelli di compressione (di tenuta) che ha la forma di un bicchiere con un fondo nella parte superiore. Il pistone è collegato tramite lo spinotto e la biella all'albero motore, che ruota nei cuscinetti di banco situati nel basamento. L'albero motore è costituito da perni principali, guance e un perno di biella. Il cilindro, il pistone, la biella e l'albero motore costituiscono il cosiddetto manovellismo. La parte superiore del cilindro è coperta
una testata dotata di valvole la cui apertura e chiusura è strettamente coordinata con la rotazione dell'albero motore, e quindi con il movimento del pistone.
Il movimento del pistone è limitato a due posizioni estreme, quando
cui la sua velocità è zero. Posizione più alta del pistone
chiamato punto morto superiore (TDC), la sua posizione più bassa
Punto morto inferiore (BDC).
È garantito il movimento continuo del pistone attraverso i punti morti
un volano a forma di disco con un bordo massiccio.
La distanza percorsa dal pistone dal PMS al PMI è chiamata corsa
pistone S, che è pari al doppio del raggio R della manovella: S=2R.
Viene chiamato lo spazio sopra il fondo del pistone quando è al PMS
Camera di combustione; il suo volume è indicato con Vс; Lo spazio del cilindro tra i due punti morti (PMI e PMS) è chiamato suo spostamento ed è indicato con Vh. La somma del volume della camera di combustione Vс e del volume di lavoro Vh è il volume totale del cilindro Va: Va=Vс+Vh. Il volume di lavoro del cilindro (si misura in centimetri cubi o metri): Vh=пД^3*S/4, dove D è il diametro del cilindro. La somma di tutti i volumi di lavoro dei cilindri di un motore multicilindrico è chiamata volume di lavoro del motore ed è determinata dalla formula: Vр=(пД^2*S)/4*i, dove i è il numero di cilindri . Il rapporto tra il volume totale del cilindro Va e il volume della camera di combustione Vc è chiamato rapporto di compressione: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Il rapporto di compressione è un parametro importante dei motori a combustione interna, perché... influisce notevolmente sulla sua efficienza e potenza.
Principio di funzionamento
Il funzionamento di un motore a combustione interna a pistoni si basa sull'utilizzo del lavoro di dilatazione termica dei gas riscaldati durante il movimento del pistone dal PMS al PMI. Il riscaldamento dei gas nella posizione PMS si ottiene a seguito della combustione del carburante miscelato con l'aria nel cilindro. Ciò aumenta la temperatura e la pressione del gas. Perché la pressione sotto il pistone è uguale alla pressione atmosferica, e nel cilindro è molto maggiore, quindi sotto l'influenza della differenza di pressione il pistone si sposterà verso il basso, mentre i gas si espanderanno, compiendo un lavoro utile. È qui che si fa sentire la dilatazione termica dei gas, ed è qui che risiede la sua funzione tecnologica: la pressione sul pistone. Affinché il motore produca costantemente energia meccanica, è necessario riempire periodicamente il cilindro con nuove porzioni di aria attraverso la valvola di aspirazione e carburante attraverso l'iniettore, oppure deve essere fornita una miscela di aria e carburante attraverso la valvola di aspirazione. I prodotti della combustione del carburante dopo la loro espansione vengono rimossi dal cilindro attraverso la valvola di ingresso. Questi compiti sono svolti dal meccanismo di distribuzione del gas, che controlla l'apertura e la chiusura delle valvole, e dal sistema di alimentazione del carburante.
Principio di funzionamento di un motore a carburatore a quattro tempi
Il ciclo operativo di un motore è una serie che si ripete periodicamente
processi sequenziali che si verificano in ciascun cilindro del motore e
provocando la conversione dell’energia termica in lavoro meccanico.
Se il ciclo di lavoro viene completato in due corse del pistone, cioè per giro dell'albero motore, tale motore è chiamato motore a due tempi.
I motori delle automobili di solito funzionano a quattro tempi
ciclo, che si completa in due giri dell'albero motore o quattro
corsa del pistone ed è composta da corse di aspirazione, compressione, espansione (lavoro
corsa) e rilasciare.
In un motore monocilindrico a quattro tempi con carburatore, il ciclo operativo avviene come segue:
1. Corsa di aspirazione. Mentre l'albero motore del motore compie la sua prima metà di giro, il pistone si sposta dal PMS al PMI, la valvola di aspirazione è aperta e la valvola di scarico è chiusa. Nel cilindro viene creato un vuoto di 0,07 - 0,095 MPa, a seguito del quale una nuova carica della miscela combustibile, costituita da vapori di benzina e aria, viene aspirata attraverso il gasdotto di ingresso nel cilindro e, mescolandosi con i gas di scarico residui , forma una miscela funzionante.
2. Corsa di compressione. Dopo aver riempito il cilindro con la miscela combustibile, con ulteriore rotazione dell'albero motore (secondo mezzo giro), il pistone si sposta dal PMI al PMS con le valvole chiuse. Al diminuire del volume, aumentano la temperatura e la pressione della miscela di lavoro.
3. Corsa di espansione o corsa di potenza. Alla fine della corsa di compressione, la miscela di lavoro viene accesa da una scintilla elettrica e brucia rapidamente, a seguito della quale la temperatura e la pressione dei gas risultanti aumentano bruscamente, mentre il pistone si sposta dal PMS al BDC.
Durante la corsa di espansione, una biella è collegata in modo girevole al pistone
fa un movimento complesso e provoca la rotazione attraverso la manovella
albero motore. Quando i gas si espandono, svolgono un lavoro utile, quindi
La corsa del pistone durante il terzo mezzo giro dell'albero motore è chiamata corsa di lavoro
Alla fine della corsa del pistone, quando è vicino al PMI
la valvola di scarico si apre, la pressione nel cilindro scende a 0,3 -
0,75 MPa e la temperatura arriva fino a 950 - 1200 C.
4. Rilasciare la corsa. Durante la quarta metà giro dell'albero motore, il pistone si sposta dal PMI al PMS. In questo caso, la valvola di scarico è aperta e i prodotti della combustione vengono espulsi dal cilindro nell'atmosfera attraverso la tubazione del gas di scarico.
Principio di funzionamento di un motore diesel a quattro tempi
In un motore a quattro tempi, i processi di lavoro si verificano come segue:
1. Corsa di aspirazione. Quando il pistone si sposta dal PMS al PMI, a causa del vuoto risultante, l'aria atmosferica entra nella cavità del cilindro attraverso la valvola di aspirazione aperta. La pressione dell'aria nel cilindro è 0,08 - 0,095 MPa e la temperatura è 40 - 60 C.
2. Corsa di compressione. Il pistone si sposta dal PMI al PMS; Le valvole di aspirazione e di scarico sono chiuse, per cui il pistone che si muove verso l'alto comprime l'aria in entrata. Perché il carburante si accenda, la temperatura dell'aria compressa deve essere superiore alla temperatura di autoaccensione del carburante. Quando il pistone si sposta al PMS, il gasolio viene iniettato nel cilindro attraverso l'ugello, fornito dalla pompa del carburante.
3. Colpo di espansione o colpo di potenza. Il carburante iniettato al termine della corsa di compressione, miscelato con aria riscaldata, si accende e ha inizio il processo di combustione, caratterizzato da un rapido aumento di temperatura e pressione. In questo caso, la pressione massima del gas raggiunge 6 - 9 MPa e la temperatura 1800 - 2000 C. Sotto l'influenza della pressione del gas, il pistone 2 si sposta dal PMS al PMI: si verifica una corsa di lavoro. Intorno al BDC la pressione scende a 0,3 - 0,5 MPa e la temperatura a 700 - 900 C.
4. Rilasciare la corsa. Il pistone si sposta dal PMI al PMS e attraverso la valvola di scarico aperta 6 i gas di scarico vengono espulsi dal cilindro. La pressione del gas diminuisce a 0,11 - 0,12 MPa e la temperatura a 500-700 C. Dopo la fine della corsa di scarico, con ulteriore rotazione dell'albero motore, il ciclo di lavoro viene ripetuto nella stessa sequenza.
Principio di funzionamento di un motore a due tempi
I motori a due tempi differiscono dai motori a quattro tempi in quanto all'inizio della corsa di compressione i cilindri vengono riempiti con una miscela combustibile o aria e alla fine della corsa di espansione i cilindri vengono puliti dai gas di scarico, ad es. i processi di scarico e aspirazione avvengono senza corse indipendenti dei pistoni. Il processo generale per tutti i tipi di motori a due tempi è lo spurgo, ovvero il processo di rimozione dei gas di scarico dal cilindro utilizzando un flusso di miscela combustibile o aria. Pertanto, questo tipo di motore è dotato di un compressore (pompa di spurgo). Consideriamo il funzionamento di un motore a due tempi a carburatore con spurgo della camera di manovella. Questo tipo di motore non ha valvole, il loro ruolo è svolto da un pistone che, quando si muove, chiude le finestre di aspirazione, scarico e spurgo. Attraverso queste finestre, il cilindro in determinati momenti comunica con le tubazioni di aspirazione e scarico e con la camera di manovella (carter), che non ha comunicazione diretta con l'atmosfera. Il cilindro nella parte centrale ha tre finestre: ingresso, uscita e scarico, che è collegato tramite una valvola alla camera di manovella del motore. Il ciclo di lavoro nel motore viene eseguito in due tempi:
1. Corsa di compressione. Il pistone si sposta dal PMI al PMS, chiudendo prima la finestra di spurgo e poi quella di scarico. Dopo che il pistone chiude la finestra di scarico nel cilindro, inizia la compressione della miscela combustibile precedentemente inserita. Allo stesso tempo, a causa della sua tenuta, viene creato un vuoto nella camera a manovella, sotto l'influenza del quale una miscela combustibile entra nella camera a manovella dal carburatore attraverso la finestra di ingresso aperta.
2. Colpo di potenza. Quando il pistone è vicino al PMS, viene compresso
la miscela di lavoro viene accesa da una scintilla elettrica proveniente da una candela, provocando un brusco aumento della temperatura e della pressione dei gas. Sotto l'influenza dell'espansione termica dei gas, il pistone si sposta al PMI, mentre i gas in espansione svolgono un lavoro utile. Allo stesso tempo, il pistone discendente chiude la finestra di ingresso e comprime la miscela combustibile nella camera della manovella.
Quando il pistone raggiunge la finestra di scarico, si apre e i gas di scarico iniziano a essere rilasciati nell'atmosfera, la pressione nel cilindro diminuisce. Con un ulteriore movimento, il pistone apre la finestra di spurgo e la miscela combustibile compressa nella camera di manovella scorre attraverso il canale, riempiendo il cilindro e spurgandolo dai residui dei gas di scarico.
Il ciclo operativo di un motore diesel a due tempi differisce dal ciclo operativo di un motore a carburatore a due tempi in quanto in un motore diesel l'aria entra nel cilindro, anziché una miscela combustibile, e il carburante finemente nebulizzato viene iniettato all'estremità del processo di compressione.
Potenza di un motore a due tempi con le stesse dimensioni dei cilindri e
la velocità di rotazione dell'albero è teoricamente doppia rispetto a quella di un quattro tempi
grazie ad un maggior numero di cicli di lavoro. Tuttavia, sottoutilizzo
corsa del pistone per espansione, peggioramento del rilascio del cilindro dai residui
gas e il dispendio di parte della potenza generata sull'azionamento di spurgo
compressore porta praticamente ad un aumento di potenza solo del
Ciclo di funzionamento del carburatore a quattro tempi
e motori diesel
Il ciclo operativo di un motore a quattro tempi è costituito da cinque processi:
aspirazione, compressione, combustione, espansione e scarico che avvengono durante
quattro tempi o due giri dell'albero motore.
Rappresentazione grafica della pressione del gas al variare del volume
cilindro del motore durante ciascuno dei quattro cicli
fornisce un diagramma indicatore. Può essere costruito sulla base dei dati
calcolo termico o rimosso durante il funzionamento del motore utilizzando
un dispositivo speciale: un indicatore.
Processo di assunzione. L'aspirazione della miscela combustibile viene effettuata dopo il rilascio da
bombole di gas di scarico del ciclo precedente. Valvola di ingresso
si apre con un certo anticipo rispetto al PMS per ottenere una maggiore area di flusso sulla valvola nel momento in cui il pistone raggiunge il PMS. L'aspirazione della miscela combustibile viene effettuata in due periodi. Nel primo periodo la miscela entra quando il pistone si sposta dal PMS al PMI per effetto della depressione creata nel cilindro. Nel secondo periodo, la miscela viene iniettata quando il pistone si sposta dal PMI al PMS per un certo tempo, corrispondente a 40 - 70 rotazioni dell'albero motore a causa della differenza di pressione (rotore) e della pressione di velocità della miscela. L'aspirazione della miscela combustibile termina con la chiusura della valvola di aspirazione. La miscela combustibile che entra nel cilindro si mescola con i gas residui del ciclo precedente e forma una miscela combustibile. La pressione della miscela nel cilindro durante il processo di aspirazione è di 70 - 90 kPa e dipende dalle perdite idrauliche nel sistema di aspirazione del motore. La temperatura della miscela al termine del processo di aspirazione sale a 340 - 350 K a causa del contatto con parti riscaldate del motore e della miscelazione con gas residui aventi una temperatura di 900 - 1000 K.
Processo di compressione. Compressione della miscela di lavoro nel cilindro
motore, si verifica quando le valvole sono chiuse e il pistone si muove dentro
PMS. Il processo di compressione avviene in presenza di scambio termico tra le lavorazioni
miscela e pareti (cilindro, testa e cielo pistone). All'inizio della compressione, la temperatura della miscela di lavoro è inferiore alla temperatura delle pareti, quindi il calore viene trasferito alla miscela dalle pareti. Man mano che la compressione continua, la temperatura della miscela aumenta e diventa superiore alla temperatura delle pareti, quindi il calore della miscela viene trasferito alle pareti. Pertanto, il processo di compressione viene eseguito secondo una tavolozza, la cui media è n=1,33...1,38. Il processo di compressione termina nel momento in cui la miscela di lavoro si accende. La pressione della miscela di lavoro nel cilindro alla fine della compressione è 0,8 - 1,5 MPa e la temperatura è 600 - 750 K.
Processo di combustione. La combustione della miscela di lavoro inizia prima dell'arrivo
pistone al PMS, cioè quando una miscela compressa viene accesa da una scintilla elettrica. Dopo l'accensione, il fronte di fiamma della candela accesa si diffonde attraverso l'intero volume della camera di combustione ad una velocità di 40 - 50 m/s. Nonostante una velocità di combustione così elevata, la miscela riesce a bruciarsi durante il tempo necessario affinché l'albero motore ruoti di 30-35 gradi. Durante la combustione della miscela di lavoro, nell'area corrispondente a 10-15 prima del PMS e 15-20 dopo il BDC viene rilasciata una grande quantità di calore, a seguito della quale la pressione e la temperatura dei gas formati nel cilindro aumentano rapidamente.
Al termine della combustione la pressione del gas raggiunge i 3 - 5 MPa e la temperatura i 2500 - 2800 K.
Processo di espansione. L'espansione termica dei gas nel cilindro del motore avviene dopo la fine del processo di combustione quando il pistone si sposta al PMI. Quando i gas si espandono, svolgono un lavoro utile. Il processo di dilatazione termica avviene con intenso scambio termico tra i gas e le pareti (cilindro, testa e fondo del pistone). All'inizio dell'espansione, la miscela di lavoro brucia, a seguito della quale i gas risultanti ricevono calore. I gas cedono calore alle pareti durante l'intero processo di dilatazione termica. La temperatura dei gas diminuisce durante il processo di espansione, quindi cambia la differenza di temperatura tra i gas e le pareti. Il processo di dilatazione termica avviene lungo una paletta, la cui media è n2 = 1,23...1,31. La pressione del gas nel cilindro alla fine dell'espansione è 0,35 - 0,5 MPa e la temperatura è 1200 - 1500 K.
Processo di rilascio. Il rilascio dei gas di scarico inizia quando la valvola di scarico si apre, cioè 40 - 60 prima che il pistone raggiunga il PMI. Il rilascio dei gas dalla bombola viene effettuato in due periodi. Nel primo periodo, i gas vengono rilasciati quando il pistone si muove a causa del fatto che la pressione del gas nel cilindro è molto superiore a quella atmosferica. Durante questo periodo, circa il 60% dei gas di scarico viene rimosso dal cilindro ad una velocità di 500 - 600 metri al secondo. Nel secondo periodo, i gas vengono rilasciati quando il pistone si muove (chiusura della valvola di scarico) a causa dell'azione di spinta del pistone e dell'inerzia dei gas in movimento. Il rilascio dei gas di scarico termina nel momento in cui la valvola di scarico si chiude, ovvero 10 - 20 dopo che il pistone ha raggiunto il PMS. La pressione del gas nel cilindro durante il processo di espulsione è 0,11 - 0,12 MPa, la temperatura del gas alla fine del processo di espulsione è 90 - 1100 K.
Ciclo di lavoro di un motore a quattro tempi
Il ciclo operativo del diesel è significativamente diverso dal ciclo operativo
motore a carburatore mediante il metodo di formazione e accensione del funzionamento
Processo di assunzione. L'aspirazione dell'aria inizia quando la valvola di aspirazione è aperta e termina quando si chiude. La valvola di ingresso si apre. Il processo di aspirazione dell'aria avviene allo stesso modo dell'aspirazione di una miscela combustibile in un motore a carburatore. La pressione dell'aria nel cilindro durante il processo di aspirazione è di 80 - 95 kPa e dipende dalle perdite idrauliche nel sistema di aspirazione del motore. La temperatura dell'aria alla fine del processo di scarico sale a 320 - 350 K a causa del contatto con le parti riscaldate del motore e della miscelazione con i gas residui.
Processo di compressione. La compressione dell'aria nel cilindro inizia dopo la chiusura della valvola di aspirazione e termina quando il carburante viene iniettato nella camera di combustione. Il processo di compressione è simile alla compressione della miscela di lavoro in un motore a carburatore. La pressione dell'aria nel cilindro alla fine della compressione è 3,5 - 6 MPa e la temperatura è 820 - 980 K.
Processo di combustione. La combustione del carburante inizia dal momento in cui il carburante viene fornito al cilindro, ad es. 15 - 30 prima che il pistone raggiunga il PMS. In questo momento la temperatura dell'aria compressa è di 150 - 200 C superiore alla temperatura di autoaccensione. Il carburante che entra nel cilindro in uno stato finemente nebulizzato non si accende istantaneamente, ma con un ritardo di tempo (0,001 - 0,003 s), chiamato periodo di ritardo dell'accensione. Durante questo periodo, il carburante si riscalda, si mescola con l'aria ed evapora, ad es. si forma una miscela di lavoro.
Il combustibile preparato si accende e brucia. Al termine della combustione la pressione del gas raggiunge 5,5 - 11 MPa e la temperatura 1800 - 2400 K.
Processo di espansione. L'espansione termica dei gas nel cilindro inizia al termine del processo di combustione e termina quando la valvola di scarico si chiude. All'inizio dell'espansione, il carburante si brucia. Il processo di espansione termica procede in modo simile al processo di espansione termica dei gas in un motore a carburatore. La pressione del gas nel cilindro alla fine dell'espansione è 0,3 - 0,5 MPa e la temperatura è 1000 - 1300 K.
Processo di rilascio. Il rilascio dei gas di scarico inizia all'apertura
valvola di scarico e termina quando la valvola di scarico si chiude. Il processo di rilascio dei gas di scarico avviene allo stesso modo del processo di rilascio dei gas in un motore a carburatore. La pressione del gas nel cilindro durante il processo di espulsione è 0,11 - 0,12 MPa, la temperatura del gas alla fine del processo di espulsione è 700 - 900 K.
Cicli di lavoro dei motori a due tempi
Il ciclo di lavoro di un motore a due tempi si completa in due tempi, ovvero un giro dell'albero motore.
Considera il ciclo di lavoro di un motore a carburatore a due tempi con
spurgo della camera a manovella.
Inizia il processo di compressione della miscela combustibile situata nel cilindro
nel momento in cui il pistone chiude le finestre del cilindro quando il pistone si sposta dal PMI al PMS. Il processo di compressione avviene allo stesso modo di un motore a carburatore a quattro tempi.
Il processo di combustione è simile al processo di combustione in un motore a carburatore a quattro tempi.
Il processo di espansione termica dei gas nel cilindro inizia dopo la fine del processo di combustione e termina con l'apertura delle finestre di scarico. Il processo di espansione termica avviene in modo simile al processo di espansione dei gas in un motore a carburatore a quattro tempi.
Il processo di scarico inizia quando il
finestre di scarico, ad es. 60 - 65 prima che il pistone raggiunga il PMI e termina 60 - 65 dopo che il pistone supera il PMI. Quando la finestra di scarico si apre, la pressione nel cilindro diminuisce bruscamente e 50 - 55 prima che il pistone raggiunga il PMI, le finestre di scarico si aprono e la miscela combustibile, che in precedenza era entrata nella camera di manovella ed era compressa dal pistone discendente, inizia ad entrare il cilindro. Il periodo durante il quale si verificano contemporaneamente due processi: l'aspirazione della miscela combustibile e lo scarico dei gas di scarico - è chiamato spurgo. Durante lo spurgo, la miscela combustibile sposta i gas di scarico e viene parzialmente trascinata con essi.
Con un ulteriore movimento verso il PMS, il pistone si chiude per primo
finestre di spurgo, che impediscono l'accesso della miscela combustibile nel cilindro dalla camera di manovella, quindi finestre di scarico e il processo di compressione inizia nel cilindro.
INDICATORI CHE CARATTERIZZANO IL FUNZIONAMENTO DEL MOTORE
Pressione media dell'indicatore e potenza dell'indicatore
La pressione media dell'indicatore Pi è intesa come tale condizionale
pressione costante che agisce sul pistone per uno
corsa di lavoro, esegue un lavoro pari al lavoro dell'indicatore dei gas in
cilindro per ciclo di lavoro.
Secondo la definizione, la pressione media dell'indicatore è il rapporto
indicatore lavoro dei gas per ciclo Li per unità di volume di lavoro
cilindro Vh, cioè Pi=Li/Vh.
Se è presente un diagramma indicatore prelevato dal motore, la pressione media dell'indicatore può essere determinata dall'altezza di un rettangolo costruito sulla base di Vh, la cui area è uguale all'area utile del diagramma indicatore, che rappresenta, su una certa scala, l'indicatore lavoro Li.
Utilizzando un planimetro determinare l'area utile F dell'indicatore
diagramma (m^2) e lunghezza l del diagramma indicatore (m), corrispondente
volume di lavoro del cilindro, trova il valore dell'indicatore medio
pressione Pi=F*m/l, dove m è la scala della pressione del diagramma dell'indicatore,
Le pressioni medie dell'indicatore al carico nominale per i motori a carburatore a quattro tempi sono 0,8 - 1,2 MPa, per i motori diesel a quattro tempi 0,7 - 1,1 MPa, per i motori diesel a due tempi 0,6 - 0,9 MPa.
La potenza dell'indicatore Ni è il lavoro svolto dai gas nei cilindri del motore per unità di tempo.
Lavoro indicatore (J) eseguito dai gas in un cilindro in un ciclo di lavoro, Li=Pi*Vh.
Poiché il numero di cicli operativi eseguiti dal motore al secondo è 2n/T, la potenza indicata (kW) di un cilindro è Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*10^-3, dove n è la velocità di rotazione dell'albero motore, 1/s, T - corsa del motore - il numero di corse per ciclo (T=4 - per motori a quattro tempi e T=2 - per motori a due tempi).
Potenza indicata di un motore multicilindrico al numero
cilindri i Ni=(2/T)*Pi*Vh*n*i*10^-3.
Potenza effettiva e pressioni effettive medie
La potenza effettiva Ne è la potenza rimossa dall'albero motore
albero motore per ottenere lavoro utile.
La potenza effettiva è inferiore all'indicatore Ni in termini di quantità di potenza
perdite meccaniche Nm, ovvero Ne=Ni-Nm.
La potenza delle perdite meccaniche viene spesa per l'attrito e l'avvicinamento
l'azione del manovellismo e del meccanismo di distribuzione del gas,
ventilatore, pompe del liquido, dell'olio e del carburante, generatore
meccanismi e dispositivi attuali e altri ausiliari.
Le perdite meccaniche nel motore sono stimate dall'efficienza meccanica nm,
che è il rapporto tra la potenza effettiva e la potenza indicatrice, ovvero Nm=Ne/Ni=(Ni-Nm)/Ni=1-Nm/Ni.
Per i motori moderni, l'efficienza meccanica è 0,72 - 0,9.
Conoscendo il valore del rendimento meccanico è possibile determinare la potenza effettiva
Analogamente al potere dell'indicatore, il potere della meccanica
perdite Nm=2/T*Pm*Vh*ni*10^-3, dove Pm è la pressione media delle resistenze meccaniche
perdite, cioè parte della pressione media dell'indicatore, che
viene speso per superare l'attrito e guidare gli ausiliari
meccanismi e dispositivi.
Secondo dati sperimentali per motori diesel Pm=1,13+0,1*st; Per
motori a carburatore Pm=0,35+0,12*st; dove st è la velocità media
pistone, m/s.
La differenza tra la pressione media dell'indicatore Pi e la pressione di perdita meccanica media Pm è chiamata pressione effettiva media Pe, cioè Pe=Pi-Pm.
Potenza effettiva del motore Ne=(2/T)*Pe*Vh*ni*10^-3, da cui la pressione effettiva media Pe=10^3*Ne*T/(2Vh*ni).
La pressione effettiva media a carico normale per i motori a carburatore a quattro tempi è 0,75 - 0,95 MPa, per i motori diesel a quattro tempi 0,6 - 0,8 MPa, per i motori a due tempi 0,5 - 0,75 MPa.
Efficienza indicata e consumo specifico di carburante indicato
L'efficienza del ciclo operativo effettivo del motore è determinata da
indicatore efficienza ni e indicatore specifico consumo carburante gi.
L’efficienza dell’indicatore valuta il grado di utilizzo del calore nel ciclo effettivo, tenendo conto di tutte le perdite di calore e rappresenta il rapporto tra il calore Qi, equivalente al lavoro utile dell’indicatore, e tutto il calore speso Q, cioè ni=Qi/Q(a).
Calore (kW) equivalente al lavoro dell'indicatore per 1 s, Qi=Ni. Calore (kW) speso per il funzionamento del motore per 1 s, Q=Gt*(Q^p)n, dove Gt è il consumo di carburante, kg/s; (Q^p)n - potere calorifico inferiore del carburante, kJ/kg. Sostituendo il valore di Qi e Q nell'uguaglianza (a), otteniamo ni=Ni/Gт*(Q^p)н (1).
L'indicatore specifico del consumo di carburante [kg/kW*h] è
rapporto tra il secondo consumo di carburante GT e la potenza indicata Ni,
quelli. gi=(Gt/Ni)*3600, oppure [g/(kW*h)] gi=(Gt/Ni)*3,6*10^6.
Efficienza effettiva e consumo specifico effettivo di carburante
Il funzionamento economico del motore nel suo insieme è determinato dall'efficienza effettiva
ni e consumo specifico effettivo di carburante ge. Efficienza effettiva
valuta il grado di utilizzo del calore del combustibile, tenendo conto di tutti i tipi di perdite, sia termiche che meccaniche, e rappresenta il rapporto tra il calore Qe, equivalente al lavoro utile efficace, e tutto il calore speso Gt*Q, cioè nm=Qe/(Gt*(Q^p)n)=Ne/(Gt*(Q^p)n) (2).
Poiché l'efficienza meccanica è uguale al rapporto tra Ne e Ni, quindi, sostituendo in
equazione che determina l'efficienza meccanica nm, i valori di Ne e Ni da
equazioni (1) e (2), si ottiene nm=Ne/Ni=ne/ni, da cui ne=ni/nM, cioè L'efficienza effettiva del motore è pari al prodotto dell'efficienza dell'indicatore e dell'efficienza meccanica.
Il consumo effettivo specifico di carburante [kg/(kW*h)] è il rapporto tra il secondo consumo di carburante Gt e la potenza effettiva Ne, ovvero ge=(Gt/Ne)*3600, oppure [g/(kW*h)] ge=(Gt/Ne)*3,6*10^6.
Bilancio termico del motore
Dall'analisi del ciclo di funzionamento del motore risulta che solo una parte del calore rilasciato durante la combustione del carburante viene utilizzata per lavoro utile, mentre il resto costituisce perdite di calore. La distribuzione del calore ottenuta durante la combustione del carburante introdotto nel cilindro è chiamata bilancio termico, che solitamente viene determinato sperimentalmente. L'equazione del bilancio termico ha la forma Q=Qe+Qg+Qn.s+Qrest, dove Q è il calore del carburante introdotto nel motore, Qe è il calore convertito in lavoro utile; Qcool - calore perso dall'agente refrigerante (acqua o aria); Qg - calore perso con i gas di scarico; Qn.s - calore perso a causa della combustione incompleta del carburante, Qres - il membro del saldo residuo, che è pari alla somma di tutte le perdite non contabilizzate.
Quantità di calore disponibile (immesso) (kW) Q=Gt*(Q^p)n. Calore (kW) convertito in lavoro utile, Qe=Ne. Calore (kW) perso con l'acqua di raffreddamento, Qcool = Gw*sv*(t2-t1), dove Gw è la quantità di acqua che passa attraverso il sistema, kg/s; sv – capacità termica dell'acqua, kJ/(kg*K) [sv=4,19 kJ/(kg*K)]; t2 e t1 - temperature dell'acqua all'ingresso del sistema e all'uscita da esso, C.
Calore (kW) perso con i gas di scarico,
Qg=Gt*(Vp*srg*tg-Vv*srv*tv), dove Gt è il consumo di carburante, kg/s; Vg e Vb - consumo di gas e aria, m^3/kg; срг e срв - capacità termiche volumetriche medie di gas e aria a pressione costante, kJ/(m^3*K); tр e tв - temperatura dei gas di scarico e dell'aria, C.
Il calore perso a causa della combustione incompleta del carburante viene determinato sperimentalmente.
Termine residuo del bilancio termico (kW) Qres=Q-(Qe+Qcool+Qg+Qn.s).
Il bilancio termico può essere calcolato come percentuale della quantità totale di calore introdotto, quindi l'equazione del bilancio assumerà la forma: 100%=qe+qcool+qg+qn.s+qresult, dove qe=(Qe/Q*100 %); qraff=(Qraff/Q)*100%;
qg=(Qg/Q)*100%, ecc.
Innovazione
Recentemente sono diventati sempre più utilizzati motori a pistoni con riempimento forzato del cilindro con aria a livelli maggiori.
pressione, cioè motori sovralimentati. E le prospettive per la costruzione di motori sono legate, secondo me, a motori di questo tipo, perché c'è un'enorme riserva di potenziale progettuale non sfruttato qui, e c'è qualcosa a cui pensare e, in secondo luogo, credo che questi motori abbiano grandi prospettive per il futuro. Dopotutto, la sovralimentazione consente di aumentare la carica d'aria del cilindro e, di conseguenza, la quantità di carburante compresso, aumentando così la potenza del motore.
Per azionare un compressore nei motori moderni, di solito usano
energia dei gas di scarico. In questo caso, i gas scaricati nel cilindro, la cui pressione nel collettore di scarico è aumentata, vengono diretti ad una turbina a gas che aziona il compressore.
Secondo lo schema di sovralimentazione della turbina a gas di un motore a quattro tempi, i gas di scarico provenienti dai cilindri del motore entrano nella turbina a gas, dopo di che vengono scaricati nell'atmosfera. Un compressore centrifugo, messo in rotazione da una turbina, aspira l'aria dall'atmosfera e la pompa nei cilindri sotto pressione: 0,130...0,250 MPa. Oltre all'utilizzo dell'energia dei gas di scarico, il vantaggio di un tale sistema di sovralimentazione rispetto all'azionamento del compressore dall'albero motore è l'autoregolazione, il che significa che con un aumento della potenza del motore, della pressione e della temperatura dei gas di scarico, e quindi la potenza del turbocompressore, aumentare di conseguenza. Allo stesso tempo, aumentano la pressione e la quantità di aria fornita.
Nei motori a due tempi il turbocompressore deve avere una potenza maggiore rispetto ai motori a quattro tempi perché Durante lo spurgo, parte dell'aria passa nelle finestre di scarico; l'aria di transito non viene utilizzata per caricare il cilindro e abbassa la temperatura dei gas di scarico. Di conseguenza, a carichi parziali l'energia dei gas di scarico non è sufficiente per azionare il compressore della turbina a gas. Inoltre, con la sovralimentazione della turbina a gas, è impossibile avviare un motore diesel. Tenendo conto di ciò, i motori a due tempi utilizzano solitamente un sistema di sovralimentazione combinato con un'installazione in serie o in parallelo di un compressore a turbina a gas e di un compressore azionato meccanicamente.
Con lo schema di ricarica combinata sequenziale più comune, un compressore con azionamento a turbina a gas produce solo una compressione parziale dell'aria, dopodiché viene pressurizzata da un compressore azionato dall'albero motore. Grazie all'utilizzo della sovralimentazione è possibile aumentare la potenza rispetto a quella di un motore aspirato dal 40% al 100% e oltre.
A mio parere, la principale direzione di sviluppo dei moderni motori a pistoni
i motori con accensione per compressione aumenteranno significativamente la loro potenza grazie all'uso di un boost elevato in combinazione con il raffreddamento dell'aria dopo il compressore.
Nei motori a quattro tempi, applicando una pressione di sovralimentazione fino a 3,1...3,2 MPa in combinazione con il raffreddamento dell'aria dopo il compressore, si ottiene una pressione effettiva media Pe = 18,2...20,2 MPa. L'azionamento del compressore in questi motori è una turbina a gas. La potenza della turbina raggiunge il 30% della potenza del motore, quindi aumentano i requisiti di efficienza della turbina e del compressore. Un elemento integrante del sistema di sovralimentazione di questi motori deve essere un refrigeratore d'aria installato dopo il compressore. L'aria viene raffreddata dall'acqua che circola utilizzando una pompa dell'acqua individuale lungo il circuito: raffreddatore d'aria - radiatore per il raffreddamento dell'acqua con l'aria atmosferica.
Una direzione promettente nello sviluppo dei motori a combustione interna a pistoni è un utilizzo più completo dell'energia dei gas di scarico nella turbina, che fornisce la potenza del compressore necessaria per raggiungere una determinata pressione di sovralimentazione. In questo caso, la potenza in eccesso viene trasferita all'albero motore diesel. L'implementazione di tale schema è più possibile per i motori a quattro tempi.
Conclusione
Quindi, vediamo che i motori a combustione interna sono un meccanismo molto complesso. E la funzione svolta dall'espansione termica nei motori a combustione interna non è così semplice come sembra a prima vista. E i motori a combustione interna non esisterebbero senza l’uso dell’espansione termica dei gas. E ne siamo facilmente convinti esaminando in dettaglio il principio di funzionamento dei motori a combustione interna, i loro cicli operativi: tutto il loro lavoro si basa sull'uso dell'espansione termica dei gas. Ma i motori a combustione interna sono solo una specifica applicazione della dilatazione termica. E a giudicare dai benefici che l'espansione termica apporta alle persone attraverso un motore a combustione interna, si possono giudicare i benefici di questo fenomeno in altri settori dell'attività umana.
E lascia che passi l'era del motore a combustione interna, che abbiano molte carenze, che appaiano nuovi motori che non inquinano l'ambiente interno e non utilizzano la funzione di espansione termica, ma i primi andranno a beneficio delle persone per molto tempo, e le persone ne parleranno gentilmente dopo molte centinaia di anni, perché hanno portato l'umanità a un nuovo livello di sviluppo e, dopo averlo superato, l'umanità è salita ancora più in alto.
Istituzione educativa comunale
Scuola secondaria n. 6
Abstract sulla fisica sull'argomento:
Motori a combustione interna. I loro vantaggi e svantaggi.
Studente 8 classe "A".
Butrinova Alessandra
Insegnante: Shulpina Taisiya Vladimirovna
1. Introduzione………………………….. Pagina 3
1.1.Scopo del lavoro
1.2.Attività
2. Parte principale.
2.1.Storia della creazione di motori a combustione interna………………. Pagina 4
2.2.Struttura generale dei motori a combustione interna……………… Pag. 7
2.2.1. Progettazione di motori a due e quattro tempi
combustione interna;……………….……………..Pagina 15
2.3.Motori moderni a combustione interna.
2.3.1. Nuove soluzioni progettuali introdotte nel motore a combustione interna;………………………………………………………………………Pag. 21
2.3.2. I compiti che i progettisti si trovano ad affrontare………………Pagina 22
2.4. Vantaggi e svantaggi rispetto ad altri tipi di motori a combustione interna……………..Pagina 23
2.5. Applicazione del motore a combustione interna.................................Pagina 25
3.Conclusione………………………..……………. Pagina 26
4. Riferimenti.................................................................. Pagina 27
5. Applicazioni…………………. Pagina 28
1. Introduzione.
1.1. Obiettivo del lavoro:
Analizzare le scoperte e i risultati degli scienziati sull'invenzione e l'uso del motore a combustione interna (ICE), parlare dei suoi vantaggi e svantaggi.
1.2. Compiti:
1. Studia la letteratura necessaria e fai pratica con il materiale
2. Condurre ricerche teoriche (D.V.S.)
3. Scopri quale tra (D.V.S.) è migliore.
2. Parte principale.
2.1 .Storia del motore a combustione interna .
Il progetto del primo motore a combustione interna (ICE) appartiene al famoso inventore dell'ancora Christian Huygens ed è stato proposto nel XVII secolo. È interessante notare che avrebbe dovuto utilizzare la polvere da sparo come combustibile e l'idea stessa è stata suggerita da un cannone di artiglieria. Tutti i tentativi di Denis Papen di costruire un'auto secondo questo principio non hanno avuto successo. Storicamente, il primo motore a combustione interna funzionante fu brevettato nel 1859 dall’inventore belga Jean Joseph Etienne Lenoir (Fig. N. 1).
Il motore Lenoir aveva una bassa efficienza termica e inoltre, rispetto ad altri motori a combustione interna a pistoni, aveva una potenza per unità di cilindrata estremamente bassa.
Il motore con un cilindro da 18 litri ha sviluppato una potenza di soli 2 cavalli. Queste carenze erano una conseguenza del fatto che il motore Lenoir non comprime la miscela di carburante prima dell'accensione. Il motore Otto di pari potenza (nel cui ciclo era prevista una speciale corsa di compressione) pesava parecchie volte meno ed era molto più compatto.
Anche gli ovvi vantaggi del motore Lenoir - rumore relativamente basso (una conseguenza dello scarico a pressione quasi atmosferica) e un basso livello di vibrazioni (una conseguenza di una distribuzione più uniforme delle corse di potenza durante il ciclo) non lo hanno aiutato a resistere alla concorrenza .
Tuttavia, durante il funzionamento dei motori, si è scoperto che il consumo di gas per potenza era di 3 metri cubi. all'ora in sostituzione dei previsti circa 0,5 metri cubi. L'efficienza del motore Lenoir era solo del 3,3%, mentre i motori a vapore dell'epoca raggiungevano un'efficienza del 10%.
Nel 1876 Otto e Langen presentarono alla seconda Esposizione mondiale di Parigi un nuovo motore con una potenza di 0,5 CV (Fig. N. 2)
Fig.2 Motore Otto
Nonostante la progettazione imperfetta di questo motore, che ricorda i primi motori a vapore-atmosferici, mostrava un'elevata efficienza per l'epoca; il consumo di gas è stato di 82 metri cubi. per potenza all'ora ed efficienza. ammontava al 14%. In 10 anni furono prodotti circa 10.000 motori di questo tipo per la piccola industria.
Nel 1878 Otto costruì un motore a quattro tempi basato sull'idea di Boudet-Roche. Contemporaneamente all'uso del gas come combustibile, iniziò a svilupparsi l'idea di utilizzare benzina, benzina, vapori di nafta come materiale per una miscela combustibile e, dagli anni '90, cherosene. Il consumo di carburante in questi motori era di circa 0,5 kg per cavallo all'ora.
Da allora, i motori a combustione interna (ICE) sono cambiati nel design, nel principio di funzionamento e nei materiali utilizzati nella produzione. I motori a combustione interna sono diventati più potenti, più compatti e più leggeri, ma ancora in un motore a combustione interna, su 10 litri di carburante, solo circa 2 litri vengono utilizzati per lavori utili, i restanti 8 litri vengono bruciati invano. Cioè, l'efficienza del motore a combustione interna è solo del 20%.
2. 2. Struttura generale del motore a combustione interna.
La base del lavoro di ogni D.V.S. risiede nel movimento del pistone nel cilindro sotto l'influenza della pressione del gas che si forma durante la combustione della miscela di carburante, di seguito denominata miscela di lavoro. Non è il carburante in sé a bruciare. Bruciano solo i suoi vapori, mescolati con l'aria, che è la miscela di lavoro per il motore a combustione interna. Se dai fuoco a questa miscela, brucia istantaneamente, aumentando di volume molte volte. E se metti la miscela in un volume chiuso e rendi mobile un muro, allora su questo muro
Verrà esercitata un'enorme pressione che sposterà il muro.
I D.V.S. utilizzati nelle autovetture sono costituiti da due meccanismi: manovella e distribuzione del gas, nonché dai seguenti sistemi:
· nutrizione;
· rilascio dei gas di scarico;
· accensione;
· raffreddamento;
· lubrificanti.
Parti principali del motore a combustione interna:
· testata;
· cilindri;
· pistoni;
· fasce elastiche;
· spinotti;
· bielle;
· albero motore;
· volano;
· albero a camme con camme;
· valvole;
· candela.
La maggior parte delle moderne auto di piccole e medie dimensioni sono dotate di motori a quattro cilindri. Esistono motori di volume maggiore - con otto e persino dodici cilindri (Fig. 3). Maggiore è la cilindrata del motore, più potente è e maggiore è il consumo di carburante.
Il principio di funzionamento di un motore a combustione interna può essere facilmente considerato utilizzando l'esempio di un motore a benzina monocilindrico. Un tale motore è costituito da un cilindro con una superficie interna a specchio, al quale è avvitata una testa rimovibile. Il cilindro contiene un pistone cilindrico: un bicchiere, costituito da una testa e una gonna (Fig. 4). Il pistone ha scanalature in cui sono installate le fasce elastiche. Garantiscono la tenuta dello spazio sopra il pistone, impedendo ai gas generati durante il funzionamento del motore di penetrare sotto il pistone. Inoltre, le fasce elastiche impediscono all'olio di entrare nello spazio sopra il pistone (l'olio è progettato per lubrificare la superficie interna del cilindro). In altre parole, questi anelli svolgono la funzione di guarnizioni e si dividono in due tipologie: a compressione (quelli che non lasciano passare i gas) e raschiaolio (quelli che impediscono all'olio di entrare nella camera di combustione) (Fig. 5).
Riso. 3. Disposizioni dei cilindri nei motori di varie disposizioni:
a - quattro cilindri; b - sei cilindri; c - dodici cilindri (α - angolo di campanatura)
Riso. 4. Pistone
Una miscela di benzina e aria, preparata da un carburatore o un iniettore, entra nel cilindro, dove viene compressa da un pistone e accesa dalla scintilla di una candela. Mentre brucia e si espande, costringe il pistone a spostarsi verso il basso.
Ecco come l'energia termica viene convertita in energia meccanica.
Riso. 5. Pistone con biella:
1 - gruppo biella; 2 - coperchio della biella; 3 - camicia della biella; 4 - dado del bullone; 5 - bullone del coperchio della biella; 6 - biella; 7 - boccola della biella; 8 - anelli di ritenzione; 9 - spinotto; 10 - pistone; 11 - anello raschiaolio; 12, 13 - anelli di compressione
Successivamente avviene la conversione della corsa del pistone in rotazione dell'albero. Per fare ciò, il pistone, tramite uno spinotto e una biella, è collegato in modo girevole alla manovella dell'albero motore, che ruota su cuscinetti installati nel basamento del motore (Fig. 6).
Riso. 6 Albero motore con volano:
1 - albero motore; 2 - guscio del cuscinetto di biella; 3 - semianelli persistenti; 4 - volano; 5 - rondella per bulloni di montaggio del volano; 6 - camicie del primo, secondo, quarto e quinto cuscinetto principale; 7 - inserimento del cuscinetto centrale (terzo).
Come risultato del movimento del pistone nel cilindro dall'alto verso il basso e indietro attraverso la biella, l'albero motore ruota.
Il punto morto superiore (PMS) è la posizione più alta del pistone nel cilindro (ovvero il punto in cui il pistone smette di muoversi verso l'alto ed è pronto per iniziare a scendere) (vedere Fig. 4).
La posizione più bassa del pistone nel cilindro (ovvero il punto in cui il pistone smette di abbassarsi ed è pronto per iniziare a salire) è chiamato punto morto inferiore (BDC) (vedere Fig. 4).
La distanza tra le posizioni estreme del pistone (dal PMS al PMI) è chiamata corsa del pistone.
Quando il pistone si sposta dall'alto verso il basso (dal PMS al PMI), il volume sopra di esso cambia dal minimo al massimo. Il volume minimo nel cilindro sopra il pistone quando è al PMS è la camera di combustione.
E il volume sopra il cilindro quando è al BDC è chiamato spostamento del cilindro. A sua volta, la cilindrata totale di tutti i cilindri del motore, espressa in litri, è chiamata cilindrata del motore. Il volume totale di un cilindro è la somma del suo volume di lavoro e del volume della camera di combustione nel momento in cui il pistone si trova al PMI.
Una caratteristica importante di un motore a combustione interna è il rapporto di compressione, che è definito come il rapporto tra il volume totale del cilindro e il volume della camera di combustione. Il rapporto di compressione mostra quante volte la miscela aria-carburante che entra nel cilindro viene compressa quando il pistone si sposta dal PMI al PMS. Per i motori a benzina, il rapporto di compressione è compreso tra 6 e 14, per i motori diesel - 14-24. Il rapporto di compressione determina in gran parte la potenza e l'efficienza del motore e influisce anche in modo significativo sulla tossicità dei gas di scarico.
La potenza del motore viene misurata in kilowatt o cavalli (usati più spesso). Allo stesso tempo 1 l. Con. pari a circa 0,735 kW. Come abbiamo già detto, il funzionamento di un motore a combustione interna si basa sull'utilizzo della forza di pressione dei gas formati durante la combustione della miscela aria-carburante nel cilindro.
Nei motori a benzina e gas, la miscela viene accesa da una candela (Fig. 7), nei motori diesel - per compressione.
Riso. 7 Candela
Quando un motore monocilindrico è in funzione, il suo albero motore ruota in modo non uniforme: al momento della combustione della miscela combustibile accelera bruscamente e nel resto del tempo rallenta. Per aumentare l'uniformità di rotazione, un disco massiccio - un volano - è fissato all'albero motore che si estende verso l'esterno dall'alloggiamento del motore (vedere Fig. 6). Quando il motore è in funzione, l'albero e il volano ruotano.
2.2.1. Dispositivo a due e quattro tempi
motori a combustione interna;
Un motore a due tempi è un motore a combustione interna a pistoni in cui il processo di lavoro in ciascuno dei cilindri viene completato in un giro dell'albero motore, cioè in due corse del pistone. La compressione e le corse di potenza in un motore a due tempi avvengono allo stesso modo di un motore a quattro tempi, ma i processi di pulizia e riempimento del cilindro sono combinati e vengono eseguiti non all'interno delle singole corse, ma in breve tempo quando il il pistone è vicino al punto morto inferiore (Fig. 8).
Fig.8 Motore a due tempi
A causa del fatto che in un motore a due tempi, con lo stesso numero di cilindri e velocità dell'albero motore, i colpi di potenza si verificano due volte più spesso, la potenza in litri dei motori a due tempi è superiore a quella dei motori a quattro tempi - teoricamente due volte, in pratica 1,5-1,7 volte, poiché parte della corsa utile del pistone è occupata dai processi di scambio di gas, e lo scambio di gas stesso è meno perfetto che nei motori a quattro tempi.
A differenza dei motori a quattro tempi, dove lo spostamento dei gas di scarico e l'assorbimento della miscela fresca è effettuato dal pistone stesso, nei motori a due tempi lo scambio di gas avviene immettendo la miscela di lavoro o aria (nei motori diesel) nel cilindro sotto pressione creato da una pompa di spurgo e il processo di scambio di gas stesso è chiamato spurgo. Durante il processo di spurgo, l'aria fresca (miscela) sposta i prodotti della combustione dal cilindro agli organi di scarico, prendendone il posto.
In base al metodo di organizzazione del movimento dei flussi d'aria di spurgo (miscela), si distinguono i motori a due tempi con spurgo a contorno e a flusso diretto.
Un motore a quattro tempi è un motore a combustione interna a pistoni in cui il processo di lavoro in ciascuno dei cilindri viene completato in due giri dell'albero motore, cioè in quattro corse del pistone (corsa). Queste misure sono:
Il primo colpo è l'aspirazione:
Durante questa corsa, il pistone si sposta dal PMS al PMI. In questo caso la valvola di ingresso è aperta e la valvola di uscita è chiusa. Attraverso la valvola di ingresso, il cilindro viene riempito con una miscela combustibile fino a quando il pistone si trova al PMI, ovvero il suo ulteriore movimento verso il basso diventa impossibile. Da quanto detto prima sappiamo già che il movimento del pistone nel cilindro comporta il movimento della manovella, e quindi la rotazione dell'albero motore e viceversa. Pertanto, durante la prima fase di funzionamento del motore (quando il pistone si sposta dal PMS al PMI), l'albero motore ruota di mezzo giro (Fig. 9).
Fig.9 Prima corsa - aspirazione
Secondo colpo: compressione .
Dopo che la miscela aria-carburante preparata dal carburatore o dall'iniettore entra nel cilindro, si mescola con i rimanenti gas di scarico e la valvola di aspirazione si chiude dietro di essa, diventa operativa. Ora è arrivato il momento in cui la miscela di lavoro ha riempito il cilindro e non c'è nessun posto dove possa andare: le valvole di aspirazione e di scarico sono chiuse saldamente. In questo momento, il pistone inizia a muoversi dal basso verso l'alto (dal PMI al PMS) e cerca di premere la miscela di lavoro nella testata. Tuttavia, come si suol dire, non sarà in grado di ridurre in polvere questa miscela, poiché il pistone attraverserà la linea del PMS
non può, ma lo spazio interno del cilindro è progettato in modo tale (e l'albero motore è posizionato di conseguenza e le dimensioni della manovella sono scelte) in modo che sopra il pistone, che è al PMS, ci sia sempre, anche se non molto spazio ampio ma libero: la camera di combustione. Alla fine della corsa di compressione, la pressione nel cilindro aumenta a 0,8–1,2 MPa e la temperatura raggiunge 450–500 °C. (Fig.10)
Fig. 10 Seconda corsa - compressione
Terzo colpo - colpo di potenza (principale)
Il terzo passaggio è il momento più cruciale in cui l'energia termica viene convertita in energia meccanica. All'inizio della terza corsa (e di fatto alla fine della corsa di compressione), la miscela combustibile viene accesa da una scintilla proveniente dalla candela (Fig. 11)
Fig. 11. Terzo colpo, colpo di potenza.
La quarta misura è il rilascio
Durante questo processo, la valvola di ingresso è chiusa e la valvola di uscita è aperta. Il pistone, muovendosi dal basso verso l'alto (dal PMI al PMS), spinge fuori i gas di scarico rimasti nel cilindro dopo la combustione e l'espansione attraverso la valvola di scarico aperta nel canale di scarico (Fig. 12)
Fig.12 Rilascio.
Tutte e quattro le fasi vengono ripetute periodicamente nel cilindro del motore, garantendone così il funzionamento continuo, e sono chiamate ciclo di lavoro.
2.3.Motori moderni a combustione interna.
2.3.1. Nuove soluzioni progettuali introdotte nel motore a combustione interna.
Dai tempi di Lenoir ai giorni nostri, il motore a combustione interna ha subito grandi cambiamenti. Il loro aspetto, design e potenza sono cambiati. Per molti anni, i progettisti di tutto il mondo hanno cercato di aumentare l'efficienza del motore a combustione interna, con un minor consumo di carburante, e di ottenere una maggiore potenza. Il primo passo verso questo obiettivo è stato lo sviluppo dell'industria, l'emergere di macchine più precise per la produzione di motori a combustione interna, attrezzature e la comparsa di nuovi metalli (leggeri). I passi successivi nella costruzione dei motori dipendevano dalla proprietà dei motori. L'automobile dell'edificio necessitava di motori potenti, economici, compatti, di facile manutenzione e durevoli. Nella costruzione navale e nella produzione di trattori sarebbero necessari motori di trazione con una grande riserva di potenza (soprattutto diesel)? Nell’aviazione, motori potenti, resistenti e durevoli.
Per ottenere i parametri di cui sopra, sono stati utilizzati quelli ad alta e bassa velocità. A loro volta, tutti i motori hanno modificato i rapporti di compressione, i volumi dei cilindri, la fasatura delle valvole, il numero di valvole di aspirazione e scarico per cilindro e i metodi di fornitura della miscela al cilindro. I primi motori avevano due valvole, la miscela veniva alimentata attraverso un carburatore costituito da una valvola a farfalla diffusore d'aria e da un getto di carburante calibrato. I carburatori furono rapidamente modernizzati, adattandosi ai nuovi motori e alle loro modalità operative. Il compito principale del carburatore è preparare una miscela combustibile e fornirla al collettore del motore. Inoltre, sono state utilizzate altre tecniche per aumentare la potenza e l'efficienza del motore a combustione interna.
2.3.2. Le sfide che i progettisti devono affrontare.
Il progresso tecnologico è avanzato così tanto che i motori a combustione interna sono cambiati quasi al di là del riconoscimento. Il rapporto di compressione nei cilindri di un motore a combustione interna è aumentato a 15 kg/cmq nei motori a benzina e a 29 kg/cmq nei motori diesel. Il numero di valvole è aumentato a 6 per cilindro, e dai motori di piccola cilindrata viene tolta la potenza che prima veniva prodotta da motori più grandi, ad esempio: da un motore di 1600 cc vengono tolti 120 CV, e da un motore di 2400 cc. fino a 200 cv Con tutto ciò, i requisiti per D.V.S. aumenta ogni anno. Ciò è dovuto ai gusti dei consumatori. Esistono requisiti per i motori relativi alla riduzione dei gas nocivi. Al giorno d'oggi, in Russia è stato introdotto lo standard EURO-3 e nei paesi europei lo standard EURO-4. Ciò ha costretto i progettisti di tutto il mondo a passare a un nuovo metodo di alimentazione del carburante, controllo e funzionamento del motore. Oggi, per il lavoro del D.V.S. controlli, controlli, microprocessore. I gas di scarico vengono bruciati con diversi tipi di catalizzatori. Il compito dei progettisti moderni è il seguente: soddisfare il consumatore creando motori con i parametri richiesti e rispettando gli standard EURO-3, EURO-4.
2.4. Vantaggi e svantaggi
rispetto ad altri tipi di motori a combustione interna.
Valutare i vantaggi e gli svantaggi del D.V.S. con altri tipi di motori è necessario confrontare tipi di motori specifici.
2.5. Applicazione di un motore a combustione interna.
D.V.S. utilizzato in molti veicoli e nell'industria. I motori a due tempi vengono utilizzati in applicazioni in cui le dimensioni ridotte sono importanti ma l'efficienza del carburante è relativamente poco importante, come nelle motociclette, nelle piccole imbarcazioni a motore, nelle motoseghe e negli utensili motorizzati. I motori a quattro tempi sono installati sulla stragrande maggioranza degli altri veicoli.
3. Conclusione.
Abbiamo analizzato le scoperte e i risultati degli scienziati sull'invenzione dei motori a combustione interna e abbiamo scoperto quali sono i loro vantaggi e svantaggi.
4. Elenco dei riferimenti.
1. Motori a combustione interna, volumi 1-3, Mosca, 1957.
2.Fisica 8a elementare. AV. Peryškin.
3.Wikipedia (enciclopedia libera)
4. Rivista "Dietro il volante"
5. Un grande libro di consultazione per gli scolari delle classi 5-11. Mosca. Casa editrice Bustard.
5. Applicazione
Fig. 1 http://images.yandex.ru
Fig.2 http://images.yandex.ru
Fig.3 http://images.yandex.ru
Fig.4 http://images.yandex.ru
Fig.5 http://images.yandex.ru
Fig.6 http://images.yandex.ru
Fig.7 http://images.yandex.ru
Fig.8 http://images.yandex.ru
Fig.9 http://images.yandex.ru
Fig.10 http://images.yandex.ru
Fig.11 http://images.yandex.ru
Fig.12 http://images.yandex.ru
Motore a combustione interna (ICE)- un meccanismo automobilistico, il cui funzionamento dipende dalla conversione di un tipo di energia (in particolare, una reazione chimica dalla combustione del carburante) in un altro tipo (energia meccanica per avviare l'auto).
COME vantaggi del motore a combustione interna, che ne determinano il più ampio utilizzo, si noti: autonomia, costo relativamente basso, possibilità di utilizzo su vari consumatori, multicarburante (i motori a combustione interna possono funzionare a benzina, gasolio, gas e persino alcool e olio di colza). I vantaggi includono anche l'affidabilità sufficientemente elevata del motore a combustione interna, la semplicità di funzionamento e la facilità di manutenzione.
In cui I motori a combustione interna presentano numerosi svantaggi: bassa efficienza, tossicità, rumore.
Tuttavia, in termini di combinazione di vantaggi e svantaggi, oggi nel settore dei trasporti (come i motori automobilistici) i motori a combustione interna non hanno concorrenti seri, e non si prevede che lo faranno nel prossimo futuro.
Gli ICE possono essere suddivisi in diverse categorie
Per tipo di conversione energetica:
- turbina;
- pistone;
- reattivo;
- combinato
Per tipologia di ciclo di lavoro:
- con 2 cicli di ciclo;
- con 4 cicli
Per tipo di carburante utilizzato:
- sulla benzina;
- sul diesel;
- a gas
Dispositivo ICE
Il motore a combustione interna è dotato di un dispositivo piuttosto complesso che può essere equipaggiato con:
- corpo (blocco e testata);
- meccanismi di funzionamento (manovella e distribuzione del gas);
- vari sistemi (carburante, aspirazione, scarico, lubrificazione, accensione, raffreddamento e controllo).
Il meccanismo a manovella (meccanismo a manovella) garantisce il movimento alternativo del pistone e il movimento rotatorio inverso dell'albero.
Il meccanismo di distribuzione del gas è progettato per fornire carburante e aria ai cilindri e per rimuovere la miscela di gas di scarico.
L'impianto di alimentazione è progettato per fornire carburante al motore di un'auto.
Il sistema di aspirazione è responsabile della fornitura tempestiva di aria al motore a combustione interna e il sistema di scarico è responsabile della rimozione dei gas di scarico, della riduzione del livello di rumore derivante dal funzionamento dei cilindri e della riduzione della loro tossicità.
Il sistema di iniezione garantisce la fornitura di TPS al motore dell'aereo.
Il sistema di accensione (accensione) svolge la funzione di accendere la miscela di aria e carburante che entra nel motore a combustione interna.
Il sistema di lubrificazione garantisce una lubrificazione tempestiva di tutte le parti interne e i componenti del motore.
Il sistema di raffreddamento fornisce un raffreddamento intensivo del sistema motore funzionante durante il funzionamento.
Il sistema di controllo è responsabile del monitoraggio del funzionamento coordinato di tutti i principali sistemi del motore a combustione interna.
Il principio di funzionamento del motore a combustione interna
Il motore funziona grazie all'energia termica dei gas generati durante la combustione del carburante utilizzato, che a sua volta innesca il movimento del pistone nel cilindro. Il motore a combustione interna funziona ciclicamente. Affinché ogni ciclo successivo possa essere ripetuto, la miscela esaurita viene rimossa e una nuova parte di carburante e aria entra nel pistone.
I modelli di auto moderne utilizzano motori a 4 tempi. Il funzionamento di un tale motore si basa su quattro parti uguali. Una corsa è un processo che viene eseguito nel cilindro del motore di un'auto in una corsa (sollevamento/abbassamento) del pistone.
Il pistone nel cilindro esegue quattro movimenti di corsa: due verso l'alto e due verso il basso. Il movimento della corsa inizia dal punto estremo (inferiore o superiore) e attraversa le seguenti fasi: aspirazione, compressione, movimento e scarico.
Diamo uno sguardo più da vicino alle caratteristiche del motore a combustione interna ad ogni ciclo.
Corsa di aspirazione
L'aspirazione inizia nel punto estremo (MT - punto morto). Non importa da quale punto inizia il movimento, dal MT superiore o dal MT inferiore. Iniziando il suo movimento nel cilindro, il pistone cattura la miscela aria-carburante in entrata con la valvola di aspirazione aperta. In questo caso, si possono formare gruppi di carburante sia nel collettore di aspirazione che nella camera di combustione.
Corsa di compressione
Durante la compressione, le valvole di aspirazione sono completamente chiuse e il gruppo carburante inizia a comprimersi direttamente nei cilindri. Ciò si verifica a causa del movimento inverso del pistone da un MT all'altro. In questo caso, il gruppo combustibile viene compresso alla dimensione della camera di combustione stessa. La forte compressione garantisce un funzionamento più produttivo del VDS.
Corsa di movimento (corsa di potenza)
A questo punto, la miscela aria-carburante viene accesa. Questa può avvenire tramite autoaccensione (per motori diesel) o accensione forzata (per motori a benzina). Come risultato della combustione del VTS, si verifica una rapida formazione di gas, la cui energia agisce sul pistone, provocandone il movimento. L'albero motore trasforma i movimenti traslazionali del pistone in alberi rotanti. Le valvole del sistema nella corsa di movimento, così come nella corsa di compressione, devono essere completamente chiuse.
Corsa di rilascio
All'ultima corsa di scarico, tutte le valvole di scarico si aprono, dopodiché il meccanismo di distribuzione del gas rimuove i gas di scarico dal motore a combustione interna nel sistema di scarico, dove avvengono la pulizia, il raffreddamento e la riduzione del rumore. Alla fine i gas vengono completamente rilasciati nell'atmosfera.
Dopo aver completato la corsa di scarico, i cicli vengono ripetuti, iniziando con la corsa di aspirazione.
Video che mostra chiaramente la struttura e il funzionamento di un motore a combustione interna:
Dilatazione termica
Motori a combustione interna a pistoni
Classificazione ICE
Nozioni di base sui motori a combustione interna a pistoni
Principio di funzionamento
Principio di funzionamento di un motore a carburatore a quattro tempi
Principio di funzionamento di un motore diesel a quattro tempi
Principio di funzionamento di un motore a due tempi
Ciclo di lavoro di un motore a quattro tempi
Cicli di lavoro dei motori a due tempi
INDICATORI CHE CARATTERIZZANO IL FUNZIONAMENTO DEL MOTORE
Pressione media dell'indicatore e potenza dell'indicatore
Potenza effettiva e pressioni effettive medie
Efficienza indicata e consumo specifico di carburante indicato
Efficienza effettiva e consumo specifico effettivo di carburante
Bilancio termico del motore
Innovazione
introduzione
Una crescita significativa in tutti i settori dell’economia nazionale richiede il movimento di grandi quantità di merci e passeggeri. Elevata manovrabilità, manovrabilità e adattabilità al lavoro in varie condizioni rendono l'auto uno dei principali mezzi di trasporto di merci e passeggeri.
Il trasporto stradale svolge un ruolo importante nello sviluppo delle regioni orientali e non della Terra Nera del nostro Paese. La mancanza di una rete ferroviaria sviluppata e il limitato utilizzo dei fiumi per la navigazione fanno dell'auto il principale mezzo di trasporto in queste zone.
Il trasporto stradale in Russia serve tutti i settori dell'economia nazionale e occupa uno dei posti di primo piano nel sistema di trasporto unificato del paese. Il trasporto su strada rappresenta oltre l’80% delle merci trasportate da tutte le modalità di trasporto combinate e oltre il 70% del trasporto passeggeri.
Il trasporto stradale è stato creato come risultato dello sviluppo di un nuovo ramo dell'economia nazionale: l'industria automobilistica, che attualmente è uno degli anelli principali dell'ingegneria meccanica nazionale.
La creazione di un'auto è iniziata più di duecento anni fa (il nome "auto" deriva dalla parola greca autos - "sé" e dal latino mobilis - "mobile"), quando hanno iniziato a produrre carri "semoventi". Sono apparsi per la prima volta in Russia. Nel 1752, un meccanico russo autodidatta, il contadino L. Shamshurenkov, creò un "passeggino autoportante", perfetto per l'epoca, guidato dalla forza di due persone. Successivamente, l'inventore russo I.P. Kulibin creò un "carrello per scooter" con azionamento a pedali. Con l'avvento della macchina a vapore la realizzazione di carrozze semoventi avanzò rapidamente. Nel 1869-1870 J. Cugnot in Francia, e pochi anni dopo in Inghilterra, furono costruite automobili a vapore. L'uso diffuso dell'automobile come mezzo di trasporto iniziò con l'avvento del motore a combustione interna ad alta velocità. Nel 1885, G. Daimler (Germania) costruì una motocicletta con un motore a benzina e nel 1886 K. Benz - un carro a tre ruote. Nello stesso periodo nei paesi industrializzati (Francia, Gran Bretagna, Stati Uniti) furono create automobili con motore a combustione interna.
Alla fine del 19° secolo, l’industria automobilistica emerse in numerosi paesi. Nella Russia zarista furono fatti ripetutamente tentativi per organizzare la propria ingegneria meccanica. Nel 1908, la produzione automobilistica fu organizzata presso la Russian-Baltic Carriage Works di Riga. Per sei anni qui furono prodotte automobili, assemblate principalmente da parti importate. In totale, lo stabilimento ha costruito 451 autovetture e un piccolo numero di camion. Nel 1913 il parco automobilistico russo ammontava a circa 9.000 automobili, la maggior parte delle quali di fabbricazione straniera. Dopo la Grande Rivoluzione Socialista d’Ottobre, l’industria automobilistica nazionale dovette essere creata quasi di nuovo. L'inizio dello sviluppo dell'industria automobilistica russa risale al 1924, quando i primi camion AMO-F-15 furono costruiti a Mosca nello stabilimento AMO.
Nel periodo 1931-1941. viene creata la produzione su larga scala e di massa di automobili. Nel 1931 iniziò la produzione in serie di camion nello stabilimento AMO. Nel 1932 entrò in funzione l'impianto GAZ.
Nel 1940, lo stabilimento di piccole auto di Mosca iniziò la produzione di piccole auto. Un po' più tardi fu creato lo stabilimento automobilistico degli Urali. Durante gli anni dei piani quinquennali del dopoguerra entrarono in funzione gli stabilimenti automobilistici di Kutaisi, Kremenchug, Ulyanovsk e Minsk. Dalla fine degli anni '60 lo sviluppo dell'industria automobilistica è stato caratterizzato da un ritmo particolarmente rapido. Nel 1971, lo stabilimento automobilistico Volzhsky prende il nome. cinquantesimo anniversario dell'URSS.
Negli ultimi anni, le fabbriche dell'industria automobilistica hanno padroneggiato molti modelli di attrezzature automobilistiche nuove e modernizzate, comprese quelle per l'agricoltura, l'edilizia, il commercio, il petrolio e il gas e le industrie forestali.
Motori a combustione interna
Attualmente esiste un gran numero di dispositivi che utilizzano l'espansione termica dei gas. Tali dispositivi includono motori a carburatore, motori diesel, motori a turbogetto, ecc.
I motori termici possono essere suddivisi in due gruppi principali:
1. Motori a combustione esterna: motori a vapore, turbine a vapore, motori Stirling, ecc.
2. Motori a combustione interna. Le centrali elettriche più utilizzate per le automobili sono i motori a combustione interna, in cui il processo di combustione
il combustibile con rilascio di calore e la sua conversione in lavoro meccanico avviene direttamente nei cilindri. La maggior parte delle auto moderne ha motori a combustione interna.
I più economici sono i motori a pistone e a combustione interna combinati. Hanno una durata abbastanza lunga, dimensioni complessive e peso relativamente piccoli. Lo svantaggio principale di questi motori è da considerare il movimento alternativo del pistone, associato alla presenza di un manovellismo, che complica la progettazione e limita la possibilità di aumentare la velocità di rotazione, soprattutto con motori di notevoli dimensioni.
E ora qualcosa sui primi motori a combustione interna. Il primo motore a combustione interna (ICE) fu creato nel 1860 dall'ingegnere francese Etven Lenoir, ma questa macchina era ancora molto imperfetta.
Nel 1862, l'inventore francese Beau de Rochas propose di utilizzare un ciclo a quattro tempi in un motore a combustione interna:
1. aspirazione;
2. compressione;
3. combustione ed espansione;
4. scarico.
Questa idea fu utilizzata dall'inventore tedesco N. Otto, che costruì il primo motore a combustione interna a quattro tempi nel 1878. L'efficienza di un tale motore ha raggiunto il 22%, superando i valori ottenuti utilizzando motori di tutti i tipi precedenti.
La rapida diffusione dei motori a combustione interna nell’industria, nei trasporti, nell’agricoltura e nell’energia stazionaria è dovuta a numerose caratteristiche positive.
L'implementazione del ciclo di funzionamento del motore a combustione interna in un cilindro con basse perdite e una significativa differenza di temperatura tra la fonte di calore e il frigorifero garantisce un'elevata efficienza di questi motori. L'alta efficienza è una delle qualità positive dei motori a combustione interna.
Tra i motori a combustione interna, il diesel è attualmente il motore che converte l’energia chimica del carburante in lavoro meccanico con la massima efficienza in un ampio intervallo di potenza. Questa qualità dei motori diesel è particolarmente importante considerando che le forniture di carburanti petroliferi sono limitate.
Un'altra caratteristica positiva dei motori a combustione interna è che possono essere collegati a quasi tutti i consumatori di energia. Ciò è spiegato dalle ampie possibilità di ottenere le caratteristiche appropriate dei cambiamenti di potenza e coppia di questi motori. I motori in questione vengono utilizzati con successo in automobili, trattori, macchine agricole, locomotive diesel, navi, centrali elettriche, ecc., ad es. Gli ICE sono caratterizzati da una buona adattabilità al consumatore.
Il costo iniziale relativamente basso, la compattezza e il peso ridotto dei motori a combustione interna hanno reso possibile il loro ampio utilizzo in centrali elettriche ampiamente utilizzate e dotate di un vano motore di piccole dimensioni.
Gli impianti con motori a scoppio hanno una grande autonomia. Anche gli aerei con motori a combustione interna possono volare per decine di ore senza fare rifornimento.
Un'importante qualità positiva dei motori a combustione interna è la capacità di avviarli rapidamente in condizioni normali. I motori funzionanti a basse temperature sono dotati di appositi dispositivi per facilitare e velocizzare l'avviamento. Dopo l'avviamento, i motori possono raggiungere il pieno carico in tempi relativamente brevi. Gli ICE hanno una coppia frenante significativa, che è molto importante quando li si utilizza nelle installazioni di trasporto.
Una qualità positiva dei motori diesel è la capacità di un motore di funzionare con più carburanti. È così che sono noti i progetti di motori automobilistici multicombustibile, nonché di motori marini ad alta potenza che funzionano con vari combustibili, dal diesel all'olio per caldaie.
Ma insieme alle qualità positive, i motori a combustione interna presentano una serie di svantaggi. Tra questi figurano la potenza aggregata limitata rispetto, ad esempio, alle turbine a vapore e a gas, l'elevato livello di rumore, la velocità di rotazione dell'albero motore relativamente elevata all'avvio e l'impossibilità di collegarlo direttamente alle ruote motrici del consumatore, la tossicità dei gas di scarico, il movimento alternativo del pistone, limitando la velocità di rotazione e provocando la comparsa di forze d'inerzia e momenti da esse sbilanciati.
Ma la creazione di motori a combustione interna, il loro sviluppo e utilizzo sarebbero stati impossibili se non fosse stato per l'effetto della dilatazione termica. Infatti, nel processo di espansione termica, i gas riscaldati ad alta temperatura svolgono un lavoro utile. A causa della rapida combustione della miscela nel cilindro di un motore a combustione interna, la pressione aumenta bruscamente, sotto l'influenza della quale il pistone si muove nel cilindro. E questa è la funzione tecnologica davvero necessaria, ad es. azione della forza, la creazione di alte pressioni, che avviene per espansione termica, e per il quale questo fenomeno viene utilizzato in varie tecnologie e in particolare nei motori a combustione interna.
Attualmente i veicoli utilizzano principalmente motori a combustione interna a pistoni a quattro tempi.
Un motore monocilindrico (figura a) è composto dalle seguenti parti principali: cilindro 4, basamento 2, pistone 6, biella 3, albero motore 1 e volano 14. Un'estremità della biella è collegata in modo girevole al pistone tramite lo spinotto. 5, e l'altra estremità è anch'essa collegata articolata con la manovella dell'albero motore.
Quando l'albero motore ruota, il pistone si muove avanti e indietro nel cilindro. Per un giro dell'albero motore, il pistone esegue una corsa verso il basso e una verso l'alto. Un cambiamento nella direzione del movimento del pistone avviene nei punti morti: superiore (TDC) e inferiore (BDC).
Il punto morto superiore è la posizione del pistone più lontano dall'albero motore (la posizione più alta con un motore verticale), mentre il punto morto inferiore è la posizione del pistone più vicino all'albero motore (il più basso con un motore verticale).
Riso. Diagramma schematico (a) di un motore a combustione interna a pistone monocilindrico a quattro tempi e relativo diagramma (b) per determinare i parametri:
1 - albero motore; 2 - basamento; 3 - biella; 4 - cilindro; 5 - spinotto; 6 - pistone; 7 - valvola di ingresso; 8 - tubazione di ingresso; 9 - albero a camme; 10 - candela (motori a benzina e gas) o iniettore di carburante (diesel); 11 - tubazione di scarico; 12 - valvola di scarico; 13 - fasce elastiche; 14 - volano; D - diametro del cilindro; r - raggio della pedivella; S - corsa del pistone
La distanza S (Fig. b) tra PMS e PMI è chiamata corsa del pistone. Si calcola utilizzando la formula:
S = 2r,
dove r è il raggio della manovella dell'albero motore.
La corsa del pistone e il diametro del cilindro D determinano le dimensioni principali del motore. Nei motori da trasporto il rapporto S/D è 0,7 -1,5. Con S/D< 1 двигатель называется короткоходным, а при S/D >1 - corsa lunga.
Quando il pistone scende dal PMS al PMI, il volume sopra di esso cambia dal minimo al massimo. Il volume minimo del cilindro sopra il pistone quando è al PMS è chiamato camera di combustione. Il volume del cilindro rilasciato dal pistone quando si sposta dal PMS al PMI è chiamato volume di lavoro. La somma delle cilindrate di tutti i cilindri rappresenta la cilindrata del motore. Espressa in litri si chiama cilindrata del motore. Il volume totale di un cilindro è determinato dalla somma del suo volume di lavoro e del volume della camera di combustione. Questo volume è racchiuso sopra il pistone quando è al PMI.
Una caratteristica importante del motore è il rapporto di compressione, determinato dal rapporto tra il volume totale del cilindro e il volume della camera di combustione. Il rapporto di compressione mostra quante volte la carica che entra nel cilindro (aria o miscela aria-carburante) viene compressa quando il pistone si sposta dal PMI al PMS. Per i motori a benzina, il rapporto di compressione è 6 - 14 e per i motori diesel - 14 - 24. Il rapporto di compressione adottato determina in gran parte la potenza del motore e la sua efficienza e influisce in modo significativo anche sulla tossicità dei gas di scarico.
Il funzionamento di un motore a combustione interna a pistone si basa sull'uso della pressione sul pistone dei gas formati durante la combustione delle miscele di carburante e aria nel cilindro. Nei motori a benzina e gas, la miscela viene accesa dalla candela 10 e nei motori diesel, a causa della compressione. Esistono concetti di miscele combustibili e funzionanti. La miscela combustibile è costituita da carburante e aria pulita e la miscela di lavoro comprende anche i gas di scarico rimasti nel cilindro.
Un insieme di processi sequenziali che si ripetono periodicamente in ciascun cilindro di un motore e ne garantiscono il funzionamento continuo è chiamato ciclo di lavoro. Il ciclo di lavoro di un motore a quattro tempi è costituito da quattro processi, ciascuno dei quali avviene in una corsa del pistone (corsa) o in mezzo giro dell'albero motore. Un ciclo di lavoro completo viene eseguito in due giri dell'albero motore. Va notato che nel caso generale i concetti di “processo di lavoro” e “corsa” non sono sinonimi, sebbene per un motore a pistoni a quattro tempi siano quasi la stessa cosa.
Considera il ciclo operativo di un motore a benzina.
La prima fase del ciclo operativo è l'aspirazione. Il pistone si sposta dal PMS al PMI, mentre la valvola di aspirazione 7 è aperta e la valvola di scarico 12 è chiusa e la miscela combustibile entra nel cilindro sotto vuoto. Quando il pistone raggiunge il PMI, la valvola di aspirazione si chiude e il cilindro viene riempito con la miscela di lavoro. Nella maggior parte dei motori a benzina, la miscela combustibile si forma all'esterno del cilindro (nel carburatore o nel collettore di aspirazione 8).
Il passo successivo è la compressione. Il pistone ritorna dal PMI al PMS, comprimendo la miscela di lavoro. Ciò è necessario per una combustione più rapida e completa. Le valvole di ingresso e uscita sono chiuse. Il grado di compressione della miscela di lavoro durante la corsa di compressione dipende dalle proprietà della benzina utilizzata, e principalmente dalla sua resistenza antidetonante, caratterizzata dal numero di ottano (per la benzina è 76 - 98). Più alto è il numero di ottano, maggiore è la resistenza antidetonante del carburante. Se il rapporto di compressione è eccessivamente alto o la resistenza antidetonante della benzina è bassa, potrebbe verificarsi un'accensione per detonazione (come risultato della compressione) della miscela e il normale funzionamento del motore potrebbe essere interrotto. Alla fine della corsa di compressione, la pressione nel cilindro aumenta a 0,8...1,2 MPa e la temperatura raggiunge 450...500°C.
La corsa di compressione è seguita dall'espansione (corsa di potenza) mentre il pistone si sposta indietro dal PMS. All'inizio di questa corsa, anche con un certo anticipo, la miscela combustibile viene accesa dalla candela 10. In questo caso le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse. La miscela brucia molto rapidamente, rilasciando una grande quantità di calore. La pressione nel cilindro aumenta bruscamente e il pistone si sposta verso il baricentro, facendo ruotare l'albero motore 1 attraverso la biella 3. Al momento della combustione della miscela, la temperatura nel cilindro sale a 1800 ... 2.000 ° C, e la pressione - a 2,5 ... 3,0 MPa .
L'ultimo colpo del ciclo di lavoro è il rilascio. Durante questa corsa, la valvola di aspirazione è chiusa e la valvola di scarico è aperta. Il pistone, muovendosi verso l'alto dal PMI al PMS, spinge fuori i gas di scarico rimasti nel cilindro dopo la combustione e l'espansione attraverso la valvola di scarico aperta nel tubo di scarico 11. Quindi il ciclo di lavoro viene ripetuto.
Il ciclo operativo di un motore diesel presenta alcune differenze rispetto al ciclo considerato di un motore a benzina. Durante la corsa di aspirazione, attraverso la tubazione 8, non una miscela combustibile, ma aria pulita entra nel cilindro, che viene compressa durante la corsa successiva. Alla fine della corsa di compressione, quando il pistone si avvicina al PMS, il gasolio finemente nebulizzato viene iniettato nel cilindro ad alta pressione attraverso un dispositivo speciale: un iniettore avvitato nella parte superiore della testata. A contatto con l'aria, che ha una temperatura elevata a causa della compressione, le particelle di carburante bruciano rapidamente. Viene rilasciata una grande quantità di calore, per cui la temperatura nel cilindro sale a 1700...2000 °C e la pressione a 7...8 MPa. Sotto l'influenza della pressione del gas, il pistone si sposta verso il basso: si verifica una corsa di lavoro. Le corse di scarico dei motori diesel e benzina sono simili.
Affinché il ciclo di funzionamento del motore avvenga correttamente, è necessario coordinare i momenti di apertura e chiusura delle sue valvole con la velocità dell'albero motore. Questo viene fatto come segue. L'albero motore, utilizzando una trasmissione a ingranaggi, catena o cinghia, fa ruotare un altro albero motore: l'albero a camme 9, che deve ruotare due volte più lentamente dell'albero motore. L'albero a camme è dotato di risalti profilati (camme) che direttamente o attraverso organi intermedi (spintori, aste, bilancieri) muovono le valvole di aspirazione e scarico. Durante due giri dell'albero motore, ciascuna valvola, di aspirazione e di scarico, si apre e si chiude una sola volta: rispettivamente durante la corsa di aspirazione e di scarico.
La tenuta tra il pistone e il cilindro, nonché la rimozione dell'olio in eccesso dalle pareti del cilindro, sono garantite da speciali fasce elastiche 13.
L'albero motore di un motore monocilindrico ruota in modo non uniforme: con accelerazione durante la fase di potenza e decelerazione durante le restanti corse ausiliarie (aspirazione, compressione e scarico). Per aumentare l'uniformità di rotazione dell'albero motore, alla sua estremità è installato un enorme disco: il volano 14, che accumula energia cinetica durante la corsa di potenza e la rilascia durante le corse rimanenti, continuando a ruotare per inerzia.
Tuttavia, nonostante la presenza di un volano, l'albero motore di un motore monocilindrico non ruota in modo sufficientemente uniforme. Quando la miscela di lavoro si accende, vengono trasmessi shock significativi al basamento del motore, che danneggiano rapidamente il motore stesso e le sue parti di montaggio. Pertanto, i motori monocilindrici vengono utilizzati raramente, principalmente sui veicoli a due ruote. Su altre macchine sono installati motori multicilindrici che garantiscono una rotazione più uniforme dell'albero motore grazie al fatto che la corsa del pistone in cilindri diversi non avviene contemporaneamente. I motori più utilizzati sono quelli a quattro, sei, otto e dodici cilindri, sebbene alcuni veicoli utilizzino anche motori a tre e cinque cilindri.
I motori multicilindrici hanno solitamente una disposizione dei cilindri in linea o a forma di V. Nel primo caso, i cilindri sono installati su una linea e nel secondo su due file con un certo angolo l'uno rispetto all'altro. Questo angolo per vari modelli è 60...120°; per i motori a quattro e sei cilindri solitamente è 90°. Rispetto ai motori bicilindrici a V in linea di pari potenza, sono più corti in lunghezza, altezza e peso. La numerazione dei cilindri viene eseguita in sequenza: prima, dalla parte anteriore (punta), vengono numerati i cilindri della metà destra (nel senso di movimento della vettura) del motore, quindi, sempre partendo dalla parte anteriore parte, la metà sinistra.
Il funzionamento uniforme di un motore multicilindrico si ottiene se l'alternanza della corsa di potenza nei suoi cilindri avviene attraverso angoli di rotazione uguali dell'albero motore. L'intervallo angolare attraverso il quale corse identiche verranno ripetute uniformemente in cilindri diversi può essere determinato dividendo 720° (l'angolo di rotazione dell'albero motore al quale viene completato un ciclo di lavoro completo) per il numero di cilindri del motore. Ad esempio, un motore a otto cilindri ha un intervallo angolare di 90°.
La sequenza di corse alternate con lo stesso nome in cilindri diversi è chiamata ordine di funzionamento del motore. La procedura operativa deve essere tale da ridurre al massimo l'impatto negativo sul funzionamento del motore delle forze e dei momenti d'inerzia derivanti dal movimento irregolare dei pistoni nei cilindri e dalla variazione della loro accelerazione in grandezza e direzione. Per i motori a quattro cilindri in linea e a V l'ordine di funzionamento può essere il seguente: 1 - 2 - 4 - 3 oppure 1 - 3 - 4-2, per i motori a sei cilindri in linea e a V - 1 - 5—3 - 6 - 2- rispettivamente 4 e 1 - 4 - 2 - 5 - 3 - 6, e per i motori a V a otto cilindri - 1 - 5 - 4 - 2- 6 - 3 - 7 - 8.
Per utilizzare in modo più efficiente il volume di lavoro dei cilindri e aumentarne la potenza, alcuni modelli di motori a pistoni vengono pressurizzati con aria con un corrispondente aumento della quantità di carburante iniettato. Per fornire spinta, ovvero creare una pressione eccessiva all'ingresso del cilindro, vengono spesso utilizzati compressori a turbina a gas (turbocompressori). In questo caso, l'energia dei gas di scarico viene utilizzata per pompare aria che, uscendo dai cilindri ad alta velocità, fa ruotare la girante del turbocompressore, montata sullo stesso albero della girante della pompa. Oltre ai turbocompressori vengono utilizzati anche compressori meccanici, le cui parti funzionanti (ruote della pompa) vengono portate in rotazione dall'albero motore mediante una trasmissione meccanica.
Per riempire meglio i cilindri con una miscela combustibile (motori a benzina) o aria pulita (motori diesel), nonché per pulirli più completamente dai gas di scarico, le valvole dovrebbero aprirsi e chiudersi non quando i pistoni sono al PMS e al PMI, ma con qualche anticipo o ritardo. I momenti di apertura e chiusura delle valvole, espressi in gradi attraverso gli angoli di rotazione dell'albero motore rispetto al PMS e al PMI, sono chiamati fasatura delle valvole e possono essere rappresentati sotto forma di un grafico a torta.
La valvola di aspirazione inizia ad aprirsi durante la corsa di scarico del ciclo operativo precedente, quando il pistone non ha ancora raggiunto il PMS. In questo momento, i gas di scarico escono attraverso il tubo di scarico e, a causa dell'inerzia del flusso, portano con sé particelle di carica fresca dal tubo di aspirazione aperto, che iniziano a riempire il cilindro anche in assenza di vuoto al suo interno. Nel momento in cui il pistone raggiunge il PMS e inizia il suo movimento verso il basso, la valvola di aspirazione è già aperta in modo significativo e il cilindro viene rapidamente riempito con nuova carica. L'angolo di anticipo dell'apertura della valvola di aspirazione per diversi motori varia tra 9 e 33°. La valvola di aspirazione si chiuderà quando il pistone supera il PMI e inizia a spostarsi verso l'alto durante la corsa di compressione. Fino a quel momento, una nuova carica riempie il cilindro per inerzia. L'angolo di ritardo p della chiusura della valvola di aspirazione dipende dal modello di motore ed è di 40...85°.
Riso. Schema circolare della fasatura delle valvole di un motore a quattro tempi:
a è l'angolo di anticipo dell'apertura della valvola di aspirazione; p è l'angolo di ritardo della chiusura della valvola di aspirazione; y è l'angolo di anticipo dell'apertura della valvola di scarico; b - angolo di ritardo della chiusura della valvola di scarico
La valvola di scarico si apre durante la corsa di potenza, quando il pistone non ha ancora raggiunto il PMI. In questo caso, il lavoro del pistone necessario per spostare i gas di scarico viene ridotto, compensando una certa perdita di lavoro del gas dovuta all'apertura anticipata della valvola di scarico. L'angolo Y di anticipo dell'apertura della valvola di scarico è 40...70°. La valvola di scarico si chiude leggermente più tardi rispetto al punto morto superiore del pistone, ovvero durante la corsa di aspirazione del ciclo operativo successivo. Quando il pistone inizia a scendere, i gas rimanenti lasceranno comunque il cilindro per inerzia. L'angolo 5 del ritardo nella chiusura della valvola di scarico è 9...50°.
L'angolo a + 5, al quale le valvole di aspirazione e di scarico sono contemporaneamente leggermente aperte, è chiamato angolo di sovrapposizione delle valvole. Dato che questo angolo e gli spazi tra le valvole e le loro sedi sono piccoli, in questo caso non vi è praticamente alcuna perdita di carica dal cilindro. Inoltre, il riempimento del cilindro con carica fresca risulta migliorato grazie all'elevata portata dei gas di scarico attraverso la valvola di scarico.
Gli angoli di anticipo e ritardo, e quindi la durata dell'apertura della valvola, dovrebbero essere maggiori quanto maggiore è la velocità dell'albero motore. Ciò è dovuto al fatto che nei motori ad alta velocità tutti i processi di scambio di gas avvengono più velocemente e l'inerzia della carica e dei gas di scarico non cambia.
Riso. Schema schematico di un motore a turbina a gas:
1 - compressore; 2 - camera di combustione; 3 - turbina del compressore; 4 - turbina di potenza; M - coppia trasmessa alla trasmissione della macchina
Il principio di funzionamento di un motore a turbina a gas (GTE) è illustrato in figura. L'aria dall'atmosfera viene aspirata dal compressore 2, compressa al suo interno e fornita alla camera di combustione 2, dove attraverso l'ugello viene alimentato anche il carburante. In questa camera, il processo di combustione del carburante avviene a pressione costante. I prodotti gassosi della combustione entrano nella turbina e nel compressore 3, dove parte della loro energia viene spesa per azionare il compressore che pompa l'aria. La parte rimanente dell'energia dei gas viene convertita in lavoro meccanico di rotazione della turbina libera o di potenza 4, che è collegata tramite un cambio alla trasmissione della macchina. In questo caso, l'espansione del gas avviene nella turbina del compressore e nella turbina libera con una diminuzione della pressione dal valore massimo (nella camera di combustione) alla pressione atmosferica.
Le parti funzionanti di un motore a turbina a gas, a differenza di elementi simili di un motore a pistoni, sono costantemente esposte a temperature elevate. Pertanto, per ridurlo, è necessario fornire nella camera di combustione di un motore a turbina a gas una quantità di aria significativamente maggiore di quella necessaria per il processo di combustione.
