Silnik spalinowy - Internal combustion engine

Schemat cylindra występującego w czterosuwowych silnikach benzynowych z krzywką górną.:
Schemat opisujący idealny cykl spalania autorstwa Carnot

Silnik spalinowy ( ICE ) jest silnik cieplny , w którym spalanie z paliwem następuje z utleniacza (zwykle powietrza), w komorze spalania , która stanowi integralną część cieczy roboczej układu przepływowego. W silniku spalinowym rozprężanie się gazów o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem wytwarzanych przez spalanie wywiera bezpośrednią siłę na niektóre elementy silnika. Siła jest przykładana typowo do tłoków , łopatek turbin , wirnika lub dyszy . Siła ta przemieszcza element na odległość, przekształcając energię chemiczną w użyteczną energię kinetyczną i jest wykorzystywana do napędzania, poruszania się lub napędzania tego, do czego silnik jest podłączony. Zastąpiło to silnik spalinowy w zastosowaniach, w których ważna jest masa lub rozmiar silnika.

Pierwszy komercyjnie udany silnik spalinowy został stworzony przez Étienne'a Lenoira około 1860 roku, a pierwszy nowoczesny silnik spalinowy został stworzony w 1876 roku przez Nicolausa Otto (patrz silnik Otto ).

Termin silnik spalinowy zwykle odnosi się do silnika, w którym spalanie jest przerywane , takiego jak bardziej znane czterosuwowe i dwusuwowe silniki tłokowe, a także warianty, takie jak sześciosuwowy silnik tłokowy i silnik obrotowy Wankla . Druga klasa silników spalinowych wykorzystuje spalanie ciągłe: turbiny gazowe , silniki odrzutowe i większość silników rakietowych , z których każdy jest silnikiem spalinowym na tej samej zasadzie, co opisano wcześniej. Broń palna jest również formą silnika spalinowego, choć tak wyspecjalizowanego, że jest powszechnie traktowana jako osobna kategoria.

Natomiast w silnikach spalinowych , takich jak silniki parowe lub Stirlinga , energia jest dostarczana do płynu roboczego, który nie składa się z produktów spalania, nie jest z nimi zmieszany ani nimi nie jest zanieczyszczony. Płyny robocze do silników spalinowych to powietrze, gorąca woda, woda pod ciśnieniem, a nawet płynny sód, podgrzewany w kotle .

ICE są zwykle zasilane paliwami o dużej gęstości energetycznej, takimi jak benzyna lub olej napędowy , płyny pochodzące z paliw kopalnych . Chociaż istnieje wiele zastosowań stacjonarnych, większość ICE jest wykorzystywana w aplikacjach mobilnych i stanowią dominujące źródło zasilania dla pojazdów, takich jak samochody, samoloty i łodzie.

Silniki ICE są zazwyczaj zasilane paliwami kopalnymi, takimi jak gaz ziemny lub produkty ropopochodne , takie jak benzyna , olej napędowy lub olej opałowy . Paliwa odnawialne, takie jak biodiesel, są stosowane w silnikach o zapłonie samoczynnym (CI), a bioetanol lub ETBE (eter etylo-tert-butylowy) produkowany z bioetanolu w silnikach o zapłonie iskrowym (SI). Paliwa odnawialne są zwykle mieszane z paliwami kopalnymi. Rzadko stosowany wodór można uzyskać z paliw kopalnych lub energii odnawialnej.

Historia

Różni naukowcy i inżynierowie przyczynili się do rozwoju silników spalinowych. W 1791 roku John Barber opracował turbinę gazową . W 1794 Thomas Mead opatentował silnik gazowy . Również w 1794 r. Robert Street opatentował silnik spalinowy, który jako pierwszy wykorzystywał paliwo płynne , i zbudował go mniej więcej w tym czasie. W 1798 roku John Stevens zbudował pierwszy amerykański silnik spalinowy. W 1807 francuscy inżynierowie Nicéphore Niépce (który wynaleźli fotografię ) i Claude Niépce uruchomili prototypowy silnik spalinowy, wykorzystujący kontrolowane eksplozje pyłu, Pyréolophore , który został opatentowany przez Napoleona Bonaparte . Ten silnik napędzał łódź na rzece Saona we Francji. W tym samym roku szwajcarski inżynier François Isaac de Rivaz wynalazł silnik spalinowy na bazie wodoru i napędzał go iskrą elektryczną. W 1808 roku De Rivaz zamontował swój wynalazek w prymitywnym, pracującym pojeździe – „pierwszym na świecie samochodziku o spalaniu wewnętrznym”. W 1823 roku Samuel Brown opatentował pierwszy silnik spalinowy do zastosowania przemysłowego.

W 1854 roku w Wielkiej Brytanii włoscy wynalazcy Eugenio Barsanti i Felice Matteucci otrzymali certyfikat: „Uzyskiwanie siły napędowej przez wybuch gazów”. W 1857 roku Urząd Patentowy Wielkiej Pieczęci przyznał im patent nr 1655 na wynalezienie „Ulepszonego urządzenia do pozyskiwania siły napędowej z gazów”. Barsanti i Matteucci uzyskali inne patenty na ten sam wynalazek we Francji, Belgii i Piemoncie w latach 1857-1859. W 1860 r. Belg Jean Joseph Etienne Lenoir wyprodukował silnik spalinowy opalany gazem. W 1864 roku Nicolaus Otto opatentował pierwszy silnik na gaz atmosferyczny. W 1872 roku Amerykanin George Brayton wynalazł pierwszy komercyjny silnik spalinowy na paliwo płynne. W 1876 roku Nicolaus Otto , współpracując z Gottliebem Daimlerem i Wilhelmem Maybachem , opatentował czterosuwowy silnik ze sprężonym ładunkiem. W 1879 roku Karl Benz opatentował niezawodny dwusuwowy silnik benzynowy. Później, w 1886 roku, Benz rozpoczął pierwszą komercyjną produkcję pojazdów silnikowych z silnikiem spalinowym, w którym trzykołowy, czterosuwowy silnik i podwozie stanowiły jedną całość. W 1892 roku Rudolf Diesel opracował pierwszy sprężony silnik o zapłonie samoczynnym. W 1926 r. Robert Goddard wystrzelił pierwszą rakietę na paliwo płynne. W 1939 roku Heinkel He 178 stał się pierwszym na świecie samolotem odrzutowym .

Etymologia

Kiedyś słowo maszyna (od starofrancuskiego , z łac. ingenium , „zdolność”) oznaczało każdy element maszynerii — sens, który utrzymuje się w wyrażeniach takich jak maszyna oblężnicza . „Silnik” (z łac. motor , „mover”) to każda maszyna, która wytwarza moc mechaniczną . Tradycyjnie silniki elektryczne nie są określane jako „silniki”; jednak silniki spalinowe są często określane jako „silniki”. (Silnik elektryczny odnosi się do lokomotywy napędzanej energią elektryczną.)

W łodziach silnik spalinowy, który jest zainstalowany w kadłubie, jest określany jako silnik, ale silniki umieszczone na pawęży są określane jako silniki.

Aplikacje

Silnik tłokowy samochodu
Generator diesla do zasilania awaryjnego

Silniki tłokowe tłokowe są zdecydowanie najczęstszym źródłem zasilania pojazdów lądowych i wodnych , w tym samochodów , motocykli , statków i w mniejszym stopniu lokomotyw (niektóre są elektryczne, ale większość wykorzystuje silniki Diesla). Silniki obrotowe konstrukcji Wankla są stosowane w niektórych samochodach, samolotach i motocyklach. Są one zbiorczo określane jako pojazdy z silnikiem spalinowym (ICEV).

Tam, gdzie wymagany jest wysoki stosunek mocy do masy, silniki spalinowe występują w postaci turbin spalinowych lub silników Wankla. Samolot z napędem zazwyczaj wykorzystuje ICE, który może być silnikiem tłokowym. Samoloty mogą zamiast tego używać silników odrzutowych, a helikoptery mogą zamiast nich używać turbowałów ; z których oba są typami turbin. Oprócz zapewnienia napędu, samoloty mogą wykorzystywać oddzielny ICE jako pomocniczy zespół napędowy . Silniki Wankla są montowane w wielu bezzałogowych statkach powietrznych .

ICE napędzają duże generatory elektryczne, które zasilają sieci elektryczne. Występują w postaci turbin spalinowych o typowej mocy elektrycznej w zakresie około 100 MW. Elektrownie o cyklu kombinowanym wykorzystują wysokotemperaturowe spaliny do gotowania i przegrzewania pary wodnej do napędzania turbiny parowej . Tak więc sprawność jest wyższa, ponieważ więcej energii jest pobierane z paliwa niż może być odebrane przez sam silnik spalinowy. Elektrownie o cyklu skojarzonym osiągają sprawność w zakresie od 50% do 60%. Na mniejszą skalę silniki stacjonarne, takie jak silniki gazowe lub generatory diesla, są wykorzystywane jako rezerwa lub dostarczanie energii elektrycznej do obszarów niepodłączonych do sieci elektrycznej .

Małe silniki (zwykle 2-suwowe silniki benzynowe/benzynowe) są powszechnym źródłem zasilania kosiarek , wykaszarek , pił łańcuchowych , dmuchaw do liści , myjek ciśnieniowych , skuterów śnieżnych , skuterów wodnych , silników zaburtowych , motorowerów i motocykli .

Klasyfikacja

Istnieje kilka możliwych sposobów klasyfikacji silników spalinowych.

Odwzajemniający się

Według liczby uderzeń:

Według rodzaju zapłonu:

W cyklu mechanicznym/termodynamicznym (te 2 cykle nie obejmują wszystkich silników tłokowych i są rzadko używane):

Obrotowy

Ciągłe spalanie

  • Silnik turbiny gazowej
    • Turbojet , przez dyszę napędową
    • Turbofan , przez wentylator kanałowy
    • Turbośmigłowy przez śmigło bez kanału wentylacyjnego, zwykle o zmiennym skoku
    • Turboshaft , turbina gazowa zoptymalizowana do wytwarzania mechanicznego momentu obrotowego zamiast ciągu
  • Ramjet , podobny do turboodrzutowego, ale wykorzystuje prędkość pojazdu do sprężania (taranowania) powietrza zamiast sprężarki.
  • Scramjet , wariant silnika strumieniowego wykorzystujący spalanie naddźwiękowe.
  • Silnik rakietowy

Silniki tłokowe

Struktura

Nagi blok cylindrów silnika V8
Tłok, pierścień tłokowy, sworzeń i korbowód

Podstawą tłokowego silnika spalinowego jest blok silnika , który zazwyczaj jest wykonany z żeliwa (ze względu na dobrą odporność na zużycie i niski koszt) lub aluminium . W tym ostatnim przypadku tuleje cylindrowe są wykonane z żeliwa lub stali lub powłoki, takiej jak nikasil lub alusil . Blok silnika zawiera cylindry . W silnikach z więcej niż jednym cylindrem są one zwykle rozmieszczone w 1 rzędzie ( silnik prosty ) lub 2 rzędach ( silnik bokser lub silnik V ); 3 rzędy są sporadycznie używane ( silnik W ) we współczesnych silnikach, a inne konfiguracje silników są możliwe i były używane. Silniki jednocylindrowe są powszechne w motocyklach iw małych silnikach maszyn. Po zewnętrznej stronie cylindra kanały zawierające płyn chłodzący odlewane do bloku silnika, podczas gdy w niektórych ciężkich silnikach są to rodzaje zdejmowanych tulei cylindrowych, które można wymieniać. Silniki chłodzone wodą posiadają kanały w bloku silnika, w których krąży płyn chłodzący ( płaszcz wodny ). Niektóre małe silniki są chłodzone powietrzem, a zamiast płaszcza wodnego blok cylindrów ma wystające z niego żebra, aby chłodziły się, przenosząc ciepło bezpośrednio do powietrza. Ściany cylindra są zwykle wykańczane przez honowanie w celu uzyskania kreskowania poprzecznego , które jest w stanie lepiej zatrzymywać olej. Zbyt szorstka powierzchnia szybko zaszkodziłaby silnikowi poprzez nadmierne zużycie tłoka.

Te tłoki są krótkie cylindryczne części, które uszczelniają jeden koniec cylindra od wysokiego ciśnienia sprężonego powietrza i produktów spalania i ślizgają się w sposób ciągły w tym czasie, gdy silnik pracuje. W mniejszych silnikach tłoki są wykonane z aluminium, a w większych z żeliwa. Górna ściana tłoka nazywana jest jego koroną i jest zazwyczaj płaska lub wklęsła. Niektóre silniki dwusuwowe wykorzystują tłoki z głowicą deflektora . Tłoki są otwarte na dole i wydrążone, z wyjątkiem zintegrowanej konstrukcji wzmacniającej (środek tłoka). Podczas pracy silnika ciśnienie gazu w komorze spalania wywiera siłę na denko tłoka, które poprzez jego środnik jest przenoszone na kołek rozporowy . Na obwodzie każdego tłoka znajdują się pierścienie, które w większości zapobiegają przedostawaniu się gazów do skrzyni korbowej lub oleju do komory spalania. System wentylacyjny usuwa ze skrzyni korbowej niewielką ilość gazu, który wydostaje się przez tłoki podczas normalnej pracy (gazy przedmuchujące), aby nie gromadził się, zanieczyszczając olej i powodując korozję. W dwusuwowych silnikach benzynowych skrzynia korbowa stanowi część drogi powietrzno-paliwowej i ze względu na jej ciągły przepływ nie wymaga oddzielnego systemu wentylacji skrzyni korbowej.

Mechanizm rozrządu nad głowicą silnika Diesla. Ten silnik wykorzystuje wahacze, ale bez popychaczy.

Głowica cylindra jest przymocowana do bloku silnika za pomocą licznych śrub lub kołków . Ma kilka funkcji. Głowica cylindra uszczelnia cylindry po stronie przeciwnej do tłoków; zawiera krótkie kanały ( porty ) do wlotu i wydechu oraz związane z nimi zawory wlotowe, które otwierają się, aby umożliwić napełnienie cylindra świeżym powietrzem i zawory wydechowe, które otwierają się, aby umożliwić ucieczkę gazów spalinowych. Jednak 2-suwowe silniki z przedmuchem skrzyni korbowej łączą porty gazowe bezpośrednio ze ścianą cylindra bez zaworów grzybkowych; zamiast tego tłok kontroluje ich otwieranie i zamykanie. Głowica cylindra utrzymuje również świecę zapłonową w przypadku silników o zapłonie iskrowym oraz wtryskiwacz w przypadku silników z wtryskiem bezpośrednim. Wszystkie silniki CI wykorzystują wtrysk paliwa, zwykle wtrysk bezpośredni, ale niektóre silniki zamiast tego używają wtrysku pośredniego . Silniki SI mogą używać gaźnika lub wtrysku paliwa jako wtrysku portu lub wtrysku bezpośredniego . Większość silników SI ma jedną świecę zapłonową na cylinder, ale niektóre mają 2 . Uszczelki głowicy zapobiega wyciekowi gazu między głowicą cylindra i blok silnika. Otwieranie i zamykanie zaworów jest kontrolowane przez jeden lub kilka wałków rozrządu i sprężyn – lub w niektórych silnikach – mechanizm desmodromiczny, który nie wykorzystuje sprężyn. Wałek rozrządu może naciskać bezpośrednio na trzpień zaworu lub może działać na wahacz , ponownie, bezpośrednio lub poprzez popychacz .

Blok silnika widziany od dołu. Wyraźnie widoczne są cylindry, dysza rozpylająca olej i połowa głównych łożysk.

Skrzynia korbowa jest uszczelniona na dole miską olejową, która zbiera spadający olej podczas normalnej pracy, aby można go było ponownie uruchomić. Wnęka utworzona między blokiem cylindrów a miską olejową mieści wał korbowy, który przekształca ruch posuwisto-zwrotny tłoków na ruch obrotowy. Wał korbowy jest utrzymywany w miejscu względem bloku silnika za pomocą głównych łożysk , które umożliwiają jego obrót. Przegrody w skrzyni korbowej stanowią połowę każdego łożyska głównego; druga połowa to odpinana czapka. W niektórych przypadkach zamiast kilku mniejszych pokryw stosuje się jedną główną platformę łożyskową . Korbowód jest połączony przesunięcia sekcji wału korbowego (to czopów korbowych ) na jednym końcu oraz do tłoka z drugiej strony za pośrednictwem sworznia Gudgeon i przenosi w ten sposób siłę i przekłada ruch postępowo-zwrotny tłoka na ruch kołowy wału korbowego . Koniec korbowodu przymocowany do kołka zębatego nazywa się jego małym końcem, a drugi koniec, gdzie jest połączony z wałem korbowym, dużym końcem. Duży koniec ma odłączaną połówkę, aby umożliwić montaż wokół wału korbowego. Jest utrzymywany razem z korbowodem za pomocą zdejmowanych śrub.

Głowica cylindrów ma kolektor dolotowy i kolektor wydechowy przymocowane do odpowiednich portów. Kolektor dolotowy łączy się bezpośrednio z filtrem powietrza lub z gaźnikiem, jeśli taki jest obecny, który następnie łączy się z filtrem powietrza . Rozprowadza powietrze napływające z tych urządzeń do poszczególnych butli. Kolektor wydechowy jest pierwszym elementem układu wydechowego . Zbiera spaliny z cylindrów i kieruje je do kolejnego elementu na ścieżce. Układ wydechowy ICE może również zawierać katalizator i tłumik . Ostatnim odcinkiem na drodze spalin jest rura wydechowa .

Silniki 4-suwowe

Schemat przedstawiający działanie 4-suwowego silnika ZI. Etykiety:
1 ‐ Indukcja
2 ‐ Sprężanie
3 ‐ Moc
4 ‐ Wylot

Górny martwy punkt (GMP) tłoka jest stanowisko, gdzie jest najbliższy zaworów; dolny martwy punkt (BDC) to przeciwna pozycja, w której jest najdalej od nich. Skok jest ruch tłoka z GMP do DMP lub odwrotnie, wraz z towarzyszącym procesie. Podczas pracy silnika wał korbowy obraca się w sposób ciągły z prawie stałą prędkością . W 4-suwowym silniku ICE każdy tłok wykonuje 2 skoki na obrót wału korbowego w następującej kolejności. Rozpoczynając opis w TDC, są to:

  1. Spożycie , indukcja lub ssania : Do wlotowe zawory są otwarte w wyniku płata cam naciskając na trzpień zaworu. Tłok porusza się w dół zwiększając objętość komory spalania i umożliwiając dopływ powietrza w przypadku silnika ZS lub mieszanki powietrzno-paliwowej w przypadku silników ZI, które nie stosują bezpośredniego wtrysku . Mieszanka powietrzna lub powietrzno-paliwowa nazywana jest w każdym przypadku ładunkiem .
  2. Kompresja : W tym suwie oba zawory są zamknięte, a tłok porusza się w górę, zmniejszając objętość komory spalania, która osiąga minimum, gdy tłok znajduje się w GMP. Tłok wykonuje pracę na ładunku podczas jego ściskania; w rezultacie wzrasta jego ciśnienie, temperatura i gęstość; przybliżenie tego zachowania dostarcza równanie stanu gazu doskonałego . Tuż przed tym, jak tłok dotrze do GMP, rozpoczyna się zapłon. W przypadku silnika ZI, świeca zapłonowa otrzymuje impuls wysokiego napięcia, który generuje iskrę, która nadaje jej nazwę i zapala ładunek. W przypadku silnika o zapłonie samoczynnym wtryskiwacz paliwa szybko wtryskuje paliwo do komory spalania w postaci sprayu; paliwo zapala się z powodu wysokiej temperatury.
  3. Moc lub skok roboczy : ciśnienie gazów spalinowych popycha tłok w dół, wytwarzając więcej energii kinetycznej niż jest to wymagane do sprężenia ładunku. Komplementarnie do suwu sprężania gazy spalinowe rozszerzają się, w wyniku czego spada ich temperatura, ciśnienie i gęstość. Gdy tłok znajduje się w pobliżu BDC, otwiera się zawór wydechowy. Gazy spalinowe rozszerzają się nieodwracalnie z powodu pozostałego ciśnienia — powyżej ciśnienia wstecznego , nadciśnienia na otworze wylotowym —; nazywa się to przedmuchem .
  4. Wydech : Zawór wydechowy pozostaje otwarty, podczas gdy tłok porusza się w górę, wyrzucając gazy spalinowe. W przypadku silników wolnossących niewielka część gazów spalinowych może pozostać w cylindrze podczas normalnej pracy, ponieważ tłok nie zamyka całkowicie komory spalania; gazy te rozpuszczają się w następnym ładowaniu. Pod koniec tego skoku zawór wydechowy zamyka się, zawór wlotowy otwiera się, a sekwencja powtarza się w następnym cyklu. Zawór wlotowy może otworzyć się przed zamknięciem zaworu wydechowego, aby umożliwić lepsze oczyszczanie.

Silniki 2-suwowe

Charakterystyczną cechą tego rodzaju silnika jest to, że każdy tłok wykonuje cykl przy każdym obrocie wału korbowego. 4 procesy ssania, sprężania, zasilania i wydechu odbywają się tylko w 2 suwach, tak że nie jest możliwe przydzielenie suwu wyłącznie dla każdego z nich. Począwszy od TDC cykl składa się z:

  1. Moc : Podczas gdy tłok opada, gazy spalinowe wykonują na nim pracę, jak w silniku 4-suwowym. Obowiązują te same rozważania termodynamiczne dotyczące rozszerzania.
  2. Oczyszczanie : Około 75° obrotu wału korbowego przed BDC otwiera się zawór wydechowy lub port i następuje wydmuch. Wkrótce potem otwiera się zawór wlotowy lub port transferowy. Dopływający wsad wypiera pozostałe spaliny do układu wydechowego, a część wsadu może również dostać się do układu wydechowego. Tłok dociera do BDC i zmienia kierunek. Po przebyciu przez tłok niewielkiej odległości w górę do cylindra zawór wydechowy lub port zamyka się; wkrótce zamyka się również zawór wlotowy lub port transferowy.
  3. Kompresja : Przy zamkniętym wlocie i wydechu tłok kontynuuje ruch w górę, ściskając ładunek i wykonując na nim pracę. Podobnie jak w przypadku silnika 4-suwowego, zapłon rozpoczyna się tuż przed dojściem tłoka do GMP i to samo dotyczy termodynamiki sprężania na wsadu.

Podczas gdy silnik 4-suwowy wykorzystuje tłok jako pompę wyporową, aby przeprowadzić oczyszczanie przy 2 z 4 suwów, silnik 2-suwowy wykorzystuje ostatnią część suwu mocy i pierwszą część suwu sprężania do połączonego wlotu i wydechu . Praca wymagana do usunięcia gazów doładowania i wydechu pochodzi z skrzyni korbowej lub oddzielnej dmuchawy. W przypadku oczyszczania, wydalania spalonego gazu i wprowadzania świeżej mieszanki opisano dwa główne podejścia: oczyszczanie w pętli i oczyszczanie Uniflow. Wiadomości SAE opublikowane w 2010 roku, że „oczyszczanie pętli” jest lepsze w każdych okolicznościach niż oczyszczanie Uniflow.

Opróżniono skrzynię korbową

Schemat działania silnika dwusuwowego z przemytym skrzynią korbową

Niektóre silniki SI są oczyszczane ze skrzyni korbowej i nie używają zaworów grzybkowych. Zamiast tego skrzynia korbowa i część cylindra pod tłokiem służą jako pompa. Port wlotowy jest połączony ze skrzynią korbową za pomocą zaworu trzcinowego lub obrotowego zaworu tarczowego napędzanego silnikiem. Dla każdego cylindra port transferowy łączy się na jednym końcu ze skrzynią korbową, a na drugim końcu ze ścianą cylindra. Port wydechowy jest podłączony bezpośrednio do ściany cylindra. Port transferowy i wylotowy są otwierane i zamykane przez tłok. Zawór kontaktronowy otwiera się, gdy ciśnienie w skrzyni korbowej jest nieco niższe od ciśnienia wlotowego, aby umożliwić napełnienie go nowym ładunkiem; dzieje się tak, gdy tłok porusza się w górę. Gdy tłok porusza się w dół, ciśnienie w skrzyni korbowej wzrasta, a zawór kontaktronowy szybko się zamyka, a następnie ładunek w skrzyni korbowej zostaje sprężony. Kiedy tłok porusza się w górę, odsłania port wydechowy i port transferowy, a wyższe ciśnienie ładunku w skrzyni korbowej powoduje, że wchodzi do cylindra przez port transferowy, wydmuchując spaliny. Smarowanie odbywa się poprzez dodawanie do paliwa oleju do silników dwusuwowych w małych proporcjach. Petrol odnosi się do mieszanki benzyny z wymienionym olejem. Ten rodzaj silników dwusuwowych ma niższą sprawność niż porównywalne silniki czterosuwowe i emituje bardziej zanieczyszczające spaliny w następujących warunkach:

  • Wykorzystują system smarowania bez strat : cały olej smarujący jest ostatecznie spalany wraz z paliwem.
  • Istnieją sprzeczne wymagania dotyczące oczyszczania: z jednej strony w każdym cyklu należy wprowadzić wystarczającą ilość świeżego ładunku, aby wyprzeć prawie wszystkie gazy spalinowe, ale wprowadzenie go zbyt dużo oznacza, że ​​jego część dostaje się do wydechu.
  • Muszą używać portu (portów) transferu jako starannie zaprojektowanej i umieszczonej dyszy, aby prąd gazu był wytwarzany w taki sposób, że omiata on cały cylinder przed dotarciem do portu wydechowego, aby usunąć gazy spalinowe, ale zminimalizować ilość ładunek wyczerpany. Silniki 4-suwowe mają tę zaletę, że przymusowo usuwają prawie wszystkie spaliny, ponieważ podczas wydechu komora spalania jest redukowana do minimalnej objętości. W silnikach dwusuwowych z przedmuchanymi skrzyniami korbowymi wydech i ssanie odbywają się przeważnie jednocześnie i przy maksymalnej objętości komory spalania.

Główną zaletą silników dwusuwowych tego typu jest prostota mechaniczna i wyższy stosunek mocy do masy niż ich czterosuwowych odpowiedników. Pomimo dwukrotnie większej liczby skoków mocy na cykl, w praktyce osiągalna jest mniej niż dwukrotnie większa moc porównywalnego silnika 4-suwowego.

W USA silniki dwusuwowe zostały zakazane w pojazdach drogowych ze względu na zanieczyszczenie. Motocykle przeznaczone wyłącznie do jazdy terenowej są nadal często dwusuwowe, ale rzadko są dopuszczone do ruchu drogowego. Jednak w użyciu jest wiele tysięcy dwusuwowych silników do pielęgnacji trawników.

Opróżniono dmuchawę

Schemat oczyszczania jednokierunkowego

Zastosowanie oddzielnej dmuchawy pozwala uniknąć wielu niedociągnięć związanych z przedmuchiwaniem skrzyni korbowej, kosztem zwiększonej złożoności, co oznacza wyższe koszty i zwiększone wymagania konserwacyjne. Silnik tego typu wykorzystuje porty lub zawory do wlotu i zawory do wydechu, z wyjątkiem silników tłokowych przeciwstawnych , które mogą również wykorzystywać porty do wydechu. Dmuchawa jest zwykle typu Roots, ale stosowane są również inne typy. Taka konstrukcja jest powszechna w silnikach CI i była sporadycznie stosowana w silnikach ZI.

Silniki CI, w których stosuje się dmuchawę, zazwyczaj wykorzystują przedmuch jednokierunkowy . W tej konstrukcji ścianka cylindra zawiera kilka otworów wlotowych rozmieszczonych równomiernie na obwodzie tuż nad pozycją, którą osiąga denko tłoka w BDC. Stosowany jest zawór wydechowy lub kilka podobnych do silników 4-suwowych. Ostatnią częścią kolektora dolotowego jest tuleja powietrzna, która zasila porty dolotowe. Otwory wlotowe są umieszczone pod kątem poziomym do ścianki cylindra (tj. znajdują się w płaszczyźnie denka tłoka), aby nadać wsadowi zawirowanie i poprawić spalanie. Największymi tłokowymi IC są niskoobrotowe silniki CI tego typu; są wykorzystywane do napędu okrętowego (patrz okrętowy silnik wysokoprężny ) lub do wytwarzania energii elektrycznej i osiągają najwyższą sprawność cieplną wśród wszelkiego rodzaju silników spalinowych. Niektóre silniki lokomotyw spalinowo -elektrycznych pracują w cyklu dwusuwowym. Najpotężniejsze z nich mają moc hamowania około 4,5  MW lub 6000  KM . Przykładem są lokomotywy klasy EMD SD90MAC . Porównywalna klasa GE AC6000CW, której główne urządzenie poruszające ma prawie taką samą siłę hamowania, wykorzystuje silnik 4-suwowy.

Przykładem tego typu silnika jest turbodoładowany 2-suwowy Diesel Wärtsilä-Sulzer RT-flex96-C , stosowany w dużych kontenerowcach. Jest to najwydajniejszy i najmocniejszy tłokowy silnik spalinowy na świecie o sprawności cieplnej powyżej 50%. Dla porównania, najbardziej wydajne małe czterosuwowe silniki mają około 43% sprawności cieplnej (SAE 900648); wielkość jest zaletą dla wydajności ze względu na wzrost stosunku objętości do powierzchni.

Zobacz linki zewnętrzne, aby obejrzeć wideo dotyczące spalania w cylindrach w 2-suwowym, optycznie dostępnym silniku motocyklowym.

Projekt historyczny

Dugald Clerk opracował pierwszy silnik dwusuwowy w 1879 roku. Używał on oddzielnego cylindra, który działał jako pompa w celu przeniesienia mieszanki paliwowej do cylindra.

W 1899 roku John Day uprościł projekt Clerka do typu silnika dwusuwowego, który jest obecnie bardzo powszechnie stosowany. Silniki cyklu dziennego są przedmuchiwane ze skrzyni korbowej i synchronizowane w lewo. Skrzynia korbowa i część cylindra pod otworem wydechowym służą jako pompa. Działanie silnika w cyklu dziennym rozpoczyna się, gdy wał korbowy jest obrócony w taki sposób, że tłok porusza się od BDC w górę (w kierunku głowicy), tworząc podciśnienie w obszarze skrzyni korbowej/cylindra. Gaźnik następnie podaje mieszankę paliwową do skrzyni korbowej przez zawór trzcinowy lub obrotowy zawór tarczowy (napędzany przez silnik). Odlane są kanały ze skrzyni korbowej do portu w cylindrze, aby zapewnić wlot, a drugi z portu wydechowego do rury wydechowej. Wysokość portu w stosunku do długości cylindra nazywana jest „czasem portu”.

Podczas pierwszego skoku silnika do cylindra paliwo nie zostanie wprowadzone, ponieważ skrzynia korbowa była pusta. Podczas suwu w dół tłok ściska teraz mieszankę paliwową, która nasmarowała tłok w cylindrze i łożyska, ponieważ mieszanka paliwowa zawiera do niej olej. Gdy tłok porusza się w dół, najpierw odsłania spaliny, ale przy pierwszym skoku nie ma spalonego paliwa do spalin. Gdy tłok przesuwa się dalej w dół, odsłania otwór wlotowy, który ma kanał prowadzący do skrzyni korbowej. Ponieważ mieszanka paliwowa w skrzyni korbowej jest pod ciśnieniem, mieszanka przemieszcza się przez kanał do cylindra.

Ponieważ w cylindrze paliwa nie ma przeszkód, aby wysunąć się bezpośrednio z otworu wydechowego przed podniesieniem tłoka wystarczająco daleko, aby zamknąć otwór, wczesne silniki wykorzystywały tłok o wysokiej kopule, aby spowolnić przepływ paliwa. Później paliwo zostało „rezonowane” z powrotem do cylindra za pomocą konstrukcji komory rozprężnej. Gdy tłok unosi się blisko GMP, iskra zapala paliwo. Gdy tłok jest napędzany mocą w dół, najpierw odsłania otwór wylotowy, gdzie spalone paliwo jest wyrzucane pod wysokim ciśnieniem, a następnie otwór wlotowy, w którym proces został zakończony i będzie się powtarzał.

Późniejsze silniki wykorzystywały rodzaj portingu opracowanego przez firmę Deutz w celu poprawy wydajności. Nazywana była Schnurle rewersu systemu. DKW licencjonowało ten projekt dla wszystkich swoich motocykli. Ich DKW RT 125 był jednym z pierwszych pojazdów silnikowych, które w rezultacie osiągnęły ponad 100 mpg.

Zapłon

Silniki spalinowe wymagają zapłonu mieszanki, albo za pomocą zapłonu iskrowego (SI) albo zapłonu samoczynnego (CI) . Przed wynalezieniem niezawodnych metod elektrycznych stosowano metody gorącej rury i płomienia. Zbudowano eksperymentalne silniki z zapłonem laserowym .

Proces zapłonu iskrowego

Magneto Bosch
Punkty i zapłon cewki

Silnik o zapłonie iskrowym był udoskonaleniem wczesnych silników, które wykorzystywały zapłon Hot Tube. Kiedy Bosch opracował iskrownik , stał się głównym systemem do wytwarzania energii elektrycznej do zasilania świecy zapłonowej. Wiele małych silników nadal używa zapłonu magneto. Małe silniki uruchamia się ręczną korbą za pomocą rozrusznika ręcznego lub ręcznej korby. Przed Charlesem F. Ketteringiem z firmy Delco, który opracował rozrusznik samochodowy, wszystkie samochody z silnikiem benzynowym używały ręcznej korby.

Większe silniki zazwyczaj zasilają swoje silniki rozruchowe i układy zapłonowe przy użyciu energii elektrycznej zmagazynowanej w akumulatorze kwasowo-ołowiowym . Stan naładowania akumulatora jest utrzymywany przez alternator samochodowy lub (wcześniej) generator, który wykorzystuje moc silnika do magazynowania energii elektrycznej.

Akumulator dostarcza energię elektryczną do rozruchu, gdy silnik ma układ rozruchowy oraz dostarcza energię elektryczną, gdy silnik jest wyłączony. Akumulator dostarcza również energię elektryczną w rzadkich warunkach pracy, w których alternator nie może utrzymać napięcia wyższego niż 13,8 V (w przypadku powszechnego samochodowego układu elektrycznego 12 V). Gdy napięcie alternatora spada poniżej 13,8 V, akumulator kwasowo-ołowiowy w coraz większym stopniu przejmuje obciążenie elektryczne. Praktycznie we wszystkich warunkach pracy, w tym w normalnych warunkach pracy na biegu jałowym, alternator dostarcza pierwotne zasilanie elektryczne.

Niektóre systemy wyłączają zasilanie pola alternatora (wirnika) w warunkach całkowicie otwartej przepustnicy. Wyłączenie pola zmniejsza obciążenie mechaniczne koła pasowego alternatora prawie do zera, maksymalizując moc wału korbowego. W takim przypadku bateria dostarcza całą pierwotną energię elektryczną.

Silniki benzynowe pobierają mieszankę powietrza i benzyny i sprężają ją poprzez ruch tłoka od dolnego martwego punktu do górnego martwego punktu, gdy paliwo jest maksymalnie sprężone. Zmniejszenie wielkości omiatanej powierzchni cylindra i uwzględnienie objętości komory spalania jest opisane współczynnikiem. Wczesne silniki miały stopień sprężania 6 do 1. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania wzrosła również wydajność silnika.

We wczesnych układach indukcyjnych i zapłonowych współczynniki sprężania musiały być utrzymywane na niskim poziomie. Dzięki postępom w technologii paliwowej i zarządzaniu spalaniem, wysokowydajne silniki mogą pracować niezawodnie przy przełożeniu 12:1. W przypadku paliwa o niskiej liczbie oktanowej problem mógłby wystąpić, ponieważ stopień sprężania wzrastał w miarę zapłonu paliwa z powodu wzrostu temperatury. Charles Kettering opracował dodatek ołowiu, który umożliwiał wyższy stopień sprężania, który od lat 70. był stopniowo porzucany do użytku w motoryzacji , częściowo z powodu obaw o zatrucie ołowiem .

Mieszanka paliwowa jest zapalana przy różnych postępach tłoka w cylindrze. Przy niskich obrotach iskra pojawia się w pobliżu tłoka, osiągając górny martwy punkt. W celu uzyskania większej mocy, wraz ze wzrostem prędkości obrotowej iskra jest przesuwana szybciej podczas ruchu tłoka. Iskra pojawia się, gdy paliwo jest jeszcze bardziej sprężane wraz ze wzrostem obrotów.

Niezbędne wysokie napięcie, zwykle 10 000 woltów, jest dostarczane przez cewkę indukcyjną lub transformator. Cewka indukcyjna jest układem typu fly-back, wykorzystującym przerwanie prądu elektrycznego układu pierwotnego przez pewien rodzaj zsynchronizowanego przerywacza. Przerywacz może być albo stykami, albo tranzystorem mocy. Problem z tego typu zapłonem polega na tym, że wraz ze wzrostem obrotów zmniejsza się dostępność energii elektrycznej. Jest to szczególnie problem, ponieważ ilość energii potrzebna do zapalenia gęstszej mieszanki paliwowej jest wyższa. Rezultatem był często wypadanie zapłonu przy wysokich obrotach.

Opracowano zapłon wyładowania kondensatorów . Wytwarza rosnące napięcie, które jest przesyłane do świecy zapłonowej. Napięcia systemu CD mogą osiągnąć 60 000 woltów. Zapłonniki CD wykorzystują transformatory podwyższające napięcie . Transformator podwyższający napięcie wykorzystuje energię zmagazynowaną w pojemności do generowania iskry elektrycznej . W każdym z tych systemów mechaniczny lub elektryczny system sterowania dostarcza odpowiednio zsynchronizowane wysokie napięcie do właściwego cylindra. Ta iskra, poprzez świecę zapłonową, zapala mieszankę paliwowo-powietrzną w cylindrach silnika.

Chociaż benzynowe silniki spalinowe są znacznie łatwiejsze do uruchomienia w niskich temperaturach niż silniki Diesla, nadal mogą mieć problemy z rozruchem w niskich temperaturach w ekstremalnych warunkach. Przez lata rozwiązaniem było parkowanie samochodu w ogrzewanych miejscach. W niektórych częściach świata olej był spuszczany i podgrzewany przez noc, po czym wracał do silnika w celu rozruchu zimnego silnika. Na początku lat pięćdziesiątych opracowano jednostkę gazyfikatora benzyny, w której podczas zimnej pogody surowa benzyna była kierowana do jednostki, w której część paliwa została spalona, ​​powodując, że druga część stała się gorącą parą przesyłaną bezpośrednio do kolektora zaworu dolotowego. Jednostka ta była dość popularna, dopóki elektryczne podgrzewacze bloku silnika nie stały się standardem w silnikach benzynowych sprzedawanych w zimnym klimacie.

Proces zapłonu kompresyjnego

Silniki Diesla, PPC i HCCI wykorzystują do zapłonu wyłącznie ciepło i ciśnienie wytwarzane przez silnik w procesie sprężania. Występujący poziom sprężania jest zwykle dwa razy lub więcej niż w przypadku silnika benzynowego. Silniki wysokoprężne pobierają tylko powietrze i na krótko przed szczytową kompresją wtryskują niewielką ilość oleju napędowego do cylindra za pomocą wtryskiwacza paliwa, który umożliwia natychmiastowy zapłon paliwa. Silniki typu HCCI pobierają zarówno powietrze, jak i paliwo, ale nadal opierają się na niewspomaganym procesie samospalania ze względu na wyższe ciśnienia i ciepło. Z tego powodu silniki wysokoprężne i HCCI są bardziej podatne na problemy z rozruchem na zimno, chociaż po uruchomieniu działają równie dobrze w chłodne dni. Lekkie silniki wysokoprężne z wtryskiem pośrednim w samochodach osobowych i lekkich ciężarówkach wykorzystują świece żarowe (lub inne podgrzewanie wstępne: patrz Cummins ISB#6BT ), które wstępnie podgrzewają komorę spalania tuż przed uruchomieniem, aby zredukować warunki braku rozruchu w niskich temperaturach. Większość diesli ma również akumulator i system ładowania; niemniej jednak ten system jest drugorzędny i jest dodawany przez producentów jako luksus ze względu na łatwość uruchamiania, włączania i wyłączania paliwa (co można również zrobić za pomocą przełącznika lub urządzenia mechanicznego) oraz do obsługi pomocniczych komponentów elektrycznych i akcesoriów. Większość nowych silników opiera się na elektrycznych i elektronicznych jednostkach sterujących silnika (ECU), które również dostosowują proces spalania w celu zwiększenia wydajności i zmniejszenia emisji.

Smarowanie

Schemat silnika wykorzystującego smarowanie ciśnieniowe

Powierzchnie stykające się i poruszające się względem innych powierzchni wymagają smarowania, aby zmniejszyć zużycie, hałas i zwiększyć wydajność poprzez zmniejszenie marnowania mocy na pokonanie tarcia lub aby mechanizm w ogóle działał. Zastosowany środek smarny może również zredukować nadmiar ciepła i zapewnić dodatkowe chłodzenie podzespołów. Silnik wymaga przynajmniej smarowania w następujących częściach:

  • Między tłokami a cylindrami
  • Małe łożyska
  • Łożyska z dużym końcem
  • Główne łożyska
  • Osprzęt zaworowy (mogą być nieobecne następujące elementy):
    • Popychacze
    • Ramiona wahadła
    • Popychacze
    • Łańcuch rozrządu lub koła zębate. Paski zębate nie wymagają smarowania.

W dwusuwowych silnikach z przedmuchaną skrzynią korbową wnętrze skrzyni korbowej, a tym samym wał korbowy, korbowód i spód tłoków są rozpylane przez olej do silników dwusuwowych w mieszaninie powietrzno-paliwowo-olejowej, która jest następnie spalana wraz z paliwem . Mechanizm rozrządu może być umieszczony w komorze zalanej smarem, dzięki czemu nie jest potrzebna pompa olejowa .

W układzie smarowania rozbryzgowego nie stosuje się pompy olejowej. Zamiast tego wał korbowy zanurza się w oleju w misce olejowej i ze względu na dużą prędkość rozpryskuje wał korbowy, korbowody i spód tłoków. Duże zaślepki korbowodu mogą mieć dołączony czerpak, aby wzmocnić ten efekt. Mechanizm rozrządu może być również uszczelniony w zalanym przedziale lub otwarty do wału korbowego w taki sposób, że przyjmuje rozpryskiwany olej i umożliwia jego spuszczenie z powrotem do miski. Smarowanie rozbryzgowe jest powszechne w przypadku małych silników 4-suwowych.

W wymuszonym (zwanym również ciśnieniowym ) układzie smarowania smarowanie odbywa się w pętli zamkniętej, która przenosi olej silnikowy na powierzchnie obsługiwane przez układ, a następnie zawraca go do zbiornika. Wyposażenie pomocnicze silnika zazwyczaj nie jest obsługiwane przez tę pętlę; na przykład alternator może wykorzystywać łożyska kulkowe uszczelnione własnym smarem. Zbiornikiem na olej jest zwykle miska olejowa, a w takim przypadku nazywa się to systemem mokrej miski olejowej . Gdy jest inny zbiornik oleju, skrzynia korbowa nadal go chwyta, ale jest stale opróżniana przez dedykowaną pompę; nazywa się to systemem suchej miski olejowej .

Na dnie miska olejowa zawiera wlot oleju przykryty filtrem siatkowym, który jest połączony z pompą olejową, a następnie z filtrem oleju na zewnątrz skrzyni korbowej, skąd jest kierowany do głównych łożysk wału korbowego i mechanizmu rozrządu zaworowego. Skrzynia korbowa zawiera co najmniej jeden kanał olejowy (przewód wewnątrz ścianki skrzyni korbowej), do którego olej jest wprowadzany z filtra oleju. Łożyska główne zawierają rowek na całym lub połowie jego obwodu; olej dostaje się do tych rowków z kanałów połączonych z galerią olejową. Wał korbowy ma otwory, które pobierają olej z tych rowków i dostarczają go do łożysk dużego końca. Wszystkie łożyska z dużymi końcami są smarowane w ten sposób. Pojedyncze łożysko główne może dostarczać olej do 0, 1 lub 2 łożysk z dużym końcem. Podobny system może być użyty do smarowania tłoka, jego sworznia i małego końca jego korbowodu; w tym układzie łeb korbowodu ma rowek wokół wału korbowego i otwór połączony z rowkiem, który stamtąd rozprowadza olej do dna tłoka, a stamtąd do cylindra.

Inne systemy są również używane do smarowania cylindra i tłoka. Korbowód może mieć dyszę do wyrzucania strumienia oleju do cylindra i dna tłoka. Dysza ta porusza się względem cylindra, który smaruje, ale zawsze jest skierowana w jej stronę lub w odpowiedni tłok.

Zazwyczaj systemy wymuszonego smarowania mają przepływ środka smarnego wyższy niż wymagany do zadowalającego smarowania, aby wspomóc chłodzenie. W szczególności system smarowania pomaga przenosić ciepło z gorących części silnika do płynu chłodzącego (w silnikach chłodzonych wodą) lub żeberek (w silnikach chłodzonych powietrzem), które następnie przekazują je do otoczenia. Smar musi być zaprojektowany tak, aby był stabilny chemicznie i utrzymywał odpowiednią lepkość w zakresie temperatur, jakie napotyka w silniku.

Konfiguracja butli

Typowe konfiguracje cylindrów obejmują konfigurację prostą lub rzędową , bardziej kompaktową konfigurację V oraz szerszą, ale gładszą konfigurację płaską lub bokserową . Silniki lotnicze mogą również przyjąć konfigurację promieniową , co pozwala na bardziej efektywne chłodzenie. Zastosowano również bardziej nietypowe konfiguracje, takie jak H , U , X i W .

Niektóre popularne konfiguracje cylindrów:
a – prosty
b – V
c – przeciwny
d – W

Silniki wielocylindrowe mają układ rozrządu i wał korbowy tak skonfigurowane, że tłoki znajdują się w różnych częściach cyklu. Pożądane jest, aby cykle tłoków były równomiernie rozmieszczone (nazywa się to równomiernym zapłonem ), zwłaszcza w silnikach wymuszonych; zmniejsza to pulsacje momentu obrotowego i sprawia, że silniki rzędowe z więcej niż 3 cylindrami są statycznie zrównoważone pod względem sił pierwotnych. Jednak niektóre konfiguracje silników wymagają nieparzystego strzelania, aby osiągnąć lepszą równowagę niż to, co jest możliwe przy równomiernym strzelaniu. Na przykład 4-suwowy silnik I2 ma lepszą równowagę, gdy kąt między czopami korbowymi wynosi 180 °, ponieważ tłoki poruszają się w przeciwnych kierunkach, a siły bezwładności częściowo znoszą, ale daje to dziwny schemat zapłonu, w którym jeden cylinder wystrzeliwuje 180 ° obrotu wału korbowego po drugim, wtedy żaden cylinder nie odpala przez 540°. Przy równomiernym odpalaniu tłoki poruszałyby się zgodnie, a związane z tym siły dodawałyby się.

Wielokrotne konfiguracje wału korbowego niekoniecznie wymagają głowicy cylindra, ponieważ zamiast tego mogą mieć tłok na każdym końcu cylindra, zwany przeciwną konstrukcją tłoka . Ponieważ wloty i wyloty paliwa są umieszczone na przeciwległych końcach cylindra, można uzyskać przedmuch jednokierunkowy, który, podobnie jak w silniku czterosuwowym, jest wydajny w szerokim zakresie prędkości obrotowych silnika. Sprawność cieplna jest poprawiona z powodu braku głowic cylindrów. Konstrukcja ta została zastosowana w dieslowskim silniku lotniczym Junkers Jumo 205 , wykorzystującym dwa wały korbowe na każdym końcu pojedynczego zespołu cylindrów, a co najważniejsze w silnikach wysokoprężnych Napier Deltic . Używały one trzech wałów korbowych do obsługi trzech rzędów cylindrów o podwójnych końcach ułożonych w równoboczny trójkąt z wałami korbowymi w rogach. Był on również stosowany w jednorzędowych silnikach lokomotyw i nadal jest stosowany w okrętowych silnikach napędowych i okrętowych pomocniczych generatorach.

Cykl diesla

Wykres PV dla idealnego cyklu Diesla. Cykl podąża za liczbami 1–4 w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara.

Większość silników Diesla do samochodów ciężarowych i samochodowych wykorzystuje cykl przypominający cykl czterosuwowy, ale z ogrzewaniem kompresyjnym powodującym zapłon, a nie wymaga oddzielnego układu zapłonowego. Ta odmiana nazywa się cyklem diesla. W cyklu diesla olej napędowy jest wtryskiwany bezpośrednio do cylindra, dzięki czemu spalanie odbywa się pod stałym ciśnieniem, gdy tłok porusza się.

Cykl Otto

Cykl Otto jest typowym cyklem dla większości samochodów z silnikami spalinowymi wykorzystującymi benzynę jako paliwo. Cykl Otto jest dokładnie tym samym, który został opisany dla silnika czterosuwowego. Składa się z tych samych głównych etapów: wlotu, sprężania, zapłonu, rozprężania i wydechu.

Silnik pięciosuwowy

W 1879 r. Nicolaus Otto wyprodukował i sprzedał silnik podwójnego rozprężania (zasada podwójnego i potrójnego rozprężania była szeroko stosowana w silnikach parowych), z dwoma małymi cylindrami po obu stronach większego cylindra o niskim ciśnieniu, w którym nastąpiło drugie rozprężenie gazów wydechowych. odbyła się; właściciel zwrócił go, zarzucając słabą wydajność. W 1906 koncepcja została włączona do samochodu zbudowanego przez EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ); aw XXI wieku Ilmor zaprojektował i pomyślnie przetestował 5-suwowy silnik spalinowy z podwójnym rozprężaniem, o dużej mocy wyjściowej i niskim SFC (specyficzne zużycie paliwa).

Silnik sześciosuwowy

Silnik sześciosuwowy został wynaleziony w 1883 roku. Cztery rodzaje silników sześciosuwowych wykorzystują zwykły tłok w regularnym cylindrze (sześciosuwowy Griffin, sześciosuwowy Bajulaz, sześciosuwowy Velozeta i sześciosuwowy Crower), spalający co trzy wały korbowe rewolucje. Systemy te wychwytują tracone ciepło czterosuwowego cyklu Otto poprzez wstrzykiwanie powietrza lub wody.

Beare głowy i silniki tłokowe „ładowarka” działają jak silniki przeciwieństwie-tłokowe , dwa tłoki w jednym cylindrze, strzelając co dwa obroty raczej bardziej jak zwykły czterosuwowych.

Inne cykle

Już pierwsze silniki spalinowe nie kompresowały mieszanki. Pierwsza część suwu w dół tłoka wciągnęła mieszankę paliwowo-powietrzną, następnie zawór wlotowy zamknął się, aw pozostałej części suwu w dół wystrzelono mieszankę paliwowo-powietrzną. Zawór wydechowy otworzył się na skok tłoka w górę. Te próby naśladowania zasady działania silnika parowego były bardzo nieefektywne. Istnieje wiele odmian tych cykli, w szczególności cykle Atkinsona i Millera . Cykl diesla jest nieco inny.

Silniki rozdzielonego cyklu rozdzielają cztery suwy dolotu, sprężania, spalania i wydechu na dwa oddzielne, ale sparowane cylindry. Pierwszy cylinder służy do wlotu i kompresji. Sprężone powietrze jest następnie przenoszone przez przejście krzyżowe z cylindra sprężania do drugiego cylindra, gdzie następuje spalanie i spaliny. Silnik rozdzielonego cyklu to tak naprawdę sprężarka powietrza z jednej strony z komorą spalania z drugiej.

Poprzednie silniki rozdzielonego cyklu miały dwa główne problemy — słabe oddychanie (sprawność objętościowa) i niską sprawność cieplną. Jednak wprowadzane są nowe projekty, które starają się rozwiązać te problemy.

Scuderi silnika rozwiązuje problemy oddechowe, zmniejszając luz pomiędzy tłokiem i głowicy za pomocą różnych technik turbodoładowania. Konstrukcja Scuderi wymaga użycia zaworów otwierających się na zewnątrz, które umożliwiają ruch tłoka bardzo blisko głowicy cylindra bez ingerencji zaworów. Scuderi zajmuje się niską sprawnością cieplną poprzez wypalanie za górnym martwym punktem (ATDC).

Wypalanie ATDC można osiągnąć za pomocą powietrza pod wysokim ciśnieniem w kanale przesyłowym, aby wytworzyć przepływ dźwiękowy i wysokie turbulencje w cylindrze mocy.

Turbiny spalinowe

Silnik odrzutowy

Silnik odrzutowy turbowentylatorowy

Silniki odrzutowe wykorzystują szereg rzędów łopatek wentylatora do sprężania powietrza, które następnie wchodzi do komory spalania, gdzie jest mieszane z paliwem (zwykle paliwem JP), a następnie zapalane. Spalanie paliwa podnosi temperaturę powietrza, które jest następnie wydmuchiwane z silnika, tworząc ciąg. Nowoczesny silnik turbowentylatorowy może pracować ze sprawnością do 48%.

Silnik turbowentylatorowy składa się z sześciu sekcji:

  • Wentylator
  • Kompresor
  • Komornik
  • Turbina
  • Mikser
  • Dysza

Turbiny gazowe

Elektrownia turbinowa

Turbina gazowa spręża powietrze i wykorzystuje je do obracania turbiny . Jest to zasadniczo silnik odrzutowy, który kieruje swoją moc na wał. Turbina składa się z trzech etapów: 1) powietrze jest zasysane przez sprężarkę, w której temperatura wzrasta z powodu sprężania, 2) paliwo jest dodawane do komory spalania , 3) gorące powietrze jest wydmuchiwane przez łopatki turbiny, które obracają wał połączony z turbiną. kompresor.

Turbina gazowa jest maszyną rotacyjną podobną w zasadzie do turbiny parowej i składa się z trzech głównych elementów: sprężarki, komory spalania i turbiny. Powietrze po sprężeniu w sprężarce ogrzewa się spalając w nim paliwo. Ogrzane powietrze i produkty spalania rozprężają się w turbinie, wytwarzając wydajność pracy. O 2 / 3 napędów prac na Kompresor: reszta (około 1 / 3 ) jest dostępny jako użytecznej wydajności pracy.

Turbiny gazowe należą do najbardziej wydajnych silników spalinowych. Elektrownie o cyklu kombinowanym z turbinami General Electric 7HA i 9HA mają sprawność powyżej 61%.

Cykl Braytona

Cykl Braytona

Turbina gazowa jest maszyną obrotową, w zasadzie podobną do turbiny parowej. Składa się z trzech głównych elementów: sprężarki, komory spalania i turbiny. Powietrze jest sprężane przez sprężarkę, w której następuje wzrost temperatury. Sprężone powietrze jest dodatkowo podgrzewane poprzez spalanie wtryskiwanego paliwa w komorze spalania, które rozpręża powietrze. Energia ta obraca turbinę, która napędza sprężarkę poprzez sprzęgło mechaniczne. Gorące gazy są następnie wydmuchiwane, aby zapewnić ciąg.

Silniki z cyklem turbiny gazowej wykorzystują system ciągłego spalania, w którym sprężanie, spalanie i rozprężanie zachodzą jednocześnie w różnych miejscach silnika, zapewniając ciągłą moc. Warto zauważyć, że spalanie odbywa się przy stałym ciśnieniu, a nie w cyklu Otto, przy stałej objętości.

Silniki Wankla

Cykl rotacyjny Wankla. Wał obraca się trzy razy na każdy obrót wirnika wokół garbu i raz na każdy obrót orbitalny wokół wału mimośrodowego.

Silnik Wankla (silnik obrotowy) nie ma skoków tłoka. Działa z taką samą separacją faz jak silnik czterosuwowy, przy czym fazy odbywają się w oddzielnych miejscach w silniku. Pod względem termodynamicznym podąża za cyklem silnika Otto , więc może być uważany za silnik „czterofazowy”. Chociaż prawdą jest, że zwykle występują trzy suwy pracy na obrót wirnika, ze względu na stosunek obrotów wirnika do wału mimośrodowego 3:1, w rzeczywistości występuje tylko jeden suw mocy na obrót wału. Wał napędowy (mimośrodowy) obraca się raz podczas każdego suwu mocy, a nie dwa razy (wał korbowy), jak w cyklu Otto, co daje mu większy stosunek mocy do masy niż silniki tłokowe. Ten typ silnika był najczęściej stosowany w Mazdzie RX-8 , wcześniejszym RX-7 i innych modelach pojazdów. Silnik jest również stosowany w bezzałogowych statkach powietrznych, gdzie korzystne są małe rozmiary i waga oraz wysoki stosunek mocy do masy.

Wymuszona Indukcja

Indukcja wymuszona to proces dostarczania sprężonego powietrza do wlotu silnika spalinowego. Silnik indukcyjny z wymuszonym obiegiem wykorzystuje sprężarkę gazu do zwiększania ciśnienia, temperatury i gęstości powietrza . Silnik bez wymuszonego doładowania jest uważany za silnik wolnossący .

Wymuszona indukcja jest stosowana w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym w celu zwiększenia mocy i sprawności silnika. Szczególnie wspomaga silniki lotnicze, które muszą pracować na dużych wysokościach.

Doładowanie wymuszone uzyskuje się za pomocą doładowania , gdzie sprężarka jest zasilana bezpośrednio z wału silnika lub w turbosprężarce z turbiny napędzanej spalinami silnika.

Paliwa i utleniacze

Wszystkie silniki spalinowe są uzależnione od spalania z paliwem chemicznym , zwykle z tlenem z powietrza (choć możliwe jest, aby wstrzyknąć podtlenek azotu zrobić więcej to samo i zyskać impuls energii). Proces spalania zwykle powoduje wytwarzanie dużej ilości ciepła, a także wytwarzanie pary i dwutlenku węgla oraz innych chemikaliów w bardzo wysokiej temperaturze; osiągnięta temperatura zależy od składu chemicznego paliwa i utleniaczy (patrz stechiometria ), a także od sprężania i innych czynników.

Paliwa

Najpopularniejsze współczesne paliwa składają się z węglowodorów i pochodzą głównie z paliw kopalnych ( ropa naftowa ). Paliwa kopalne obejmują olej napędowy , benzynę i gaz naftowy oraz rzadsze stosowanie propanu . Z wyjątkiem elementów dostarczających paliwo, większość silników spalinowych wewnętrznego spalania, które są przeznaczone do stosowania na benzynę, może pracować na gazie ziemnym lub gazie płynnym bez większych modyfikacji. Duże diesle mogą pracować z powietrzem zmieszanym z gazami i pilotowym wtryskiem zapłonu oleju napędowego. Można również stosować biopaliwa płynne i gazowe , takie jak etanol i biodiesel (forma oleju napędowego wytwarzana z upraw, które dają trójglicerydy, takie jak olej sojowy ). Silniki z odpowiednimi modyfikacjami mogą również pracować na gazie wodorowym , gazie drzewnym lub gazie węglowym , a także na tzw. gazie generatorowym z innej dogodnej biomasy. Przeprowadzono również eksperymenty z użyciem sproszkowanych paliw stałych, takich jak cykl wtrysku magnezu .

Obecnie stosowane paliwa to:

Nawet fluidalne proszki metali i materiały wybuchowe mają pewne zastosowanie. Silniki, które wykorzystują gazy jako paliwo, nazywane są silnikami gazowymi, a te, które wykorzystują ciekłe węglowodory, nazywane są silnikami olejowymi; jednak silniki benzynowe są również często potocznie określane jako „silniki gazowe” („ silniki benzynowe ” poza Ameryką Północną).

Główne ograniczenia dotyczące paliw polegają na tym, że muszą być łatwo transportowane przez układ paliwowy do komory spalania oraz że paliwo uwalnia wystarczającą ilość energii w postaci ciepła podczas spalania, aby można było praktycznie wykorzystać silnik.

Silniki Diesla są na ogół cięższe, głośniejsze i mocniejsze przy niższych prędkościach niż silniki benzynowe . Są one również bardziej oszczędne w większości przypadków i są stosowane w ciężkich pojazdach drogowych, niektórych samochodach (coraz częściej ze względu na ich większą wydajność paliwową w porównaniu z silnikami benzynowymi), statkach, lokomotywach kolejowych i lekkich samolotach . Silniki benzynowe są używane w większości innych pojazdów drogowych, w tym w większości samochodów, motocykli i motorowerów . Należy zauważyć, że w Europie od lat 90. wyrafinowane samochody z silnikami wysokoprężnymi przejęły około 45% rynku. Istnieją również silniki napędzane wodorem , metanolem , etanolem , gazem płynnym (LPG), biodieslem , parafiną i olejem do odparowywania ciągników (TVO).

Wodór

Wodór mógłby ostatecznie zastąpić konwencjonalne paliwa kopalne w tradycyjnych silnikach spalinowych. Alternatywnie technologia ogniw paliwowych może spełnić swoją obietnicę, a stosowanie silników spalinowych może nawet zostać wycofane.

Chociaż istnieje wiele sposobów wytwarzania wolnego wodoru, metody te wymagają przekształcenia palnych cząsteczek w wodór lub zużycia energii elektrycznej. O ile energia elektryczna nie jest produkowana z odnawialnego źródła – i nie jest potrzebna do innych celów – wodór nie rozwiąże żadnego kryzysu energetycznego . W wielu sytuacjach wadą wodoru w stosunku do paliw węglowych jest jego magazynowanie . Ciekły wodór ma wyjątkowo niską gęstość (14 razy mniejszą niż woda) i wymaga rozległej izolacji, podczas gdy gazowy wodór wymaga ciężkiego tankowania. Nawet skroplony wodór ma wyższą energię właściwą, ale wolumetryczne magazynowanie energii jest nadal około pięć razy niższe niż w przypadku benzyny. Jednak gęstość energii wodoru jest znacznie wyższa niż w przypadku akumulatorów elektrycznych, co czyni go poważnym pretendentem do roli nośnika energii w zastępowaniu paliw kopalnych. Proces „Hydrogen on Demand” (patrz bezpośrednie ogniwo paliwowe z borowodorkiem ) wytwarza wodór w razie potrzeby, ale wiąże się z innymi problemami, takimi jak wysoka cena borowodorku sodu, który jest surowcem.

Utleniacze

Jeden silnik benzynowy, C.  1910

Ponieważ na powierzchni ziemi jest dużo powietrza, utleniaczem jest zazwyczaj tlen atmosferyczny, który ma tę zaletę, że nie jest przechowywany w pojeździe. Zwiększa to stosunek mocy do masy i mocy do objętości. Inne materiały są wykorzystywane do specjalnych celów, często w celu zwiększenia mocy wyjściowej lub umożliwienia pracy pod wodą lub w kosmosie.

  • Sprężone powietrze jest powszechnie stosowane w torpedach .
  • W japońskiej torpedzie Typ 93 zastosowano sprężony tlen , a także trochę sprężonego powietrza . Niektóre łodzie podwodne przewożą czysty tlen. Rakiety bardzo często wykorzystują ciekły tlen .
  • Nitrometan jest dodawany do niektórych paliw wyścigowych i modelowych w celu zwiększenia mocy i kontroli spalania.
  • Podtlenek azotu był używany – z dodatkową benzyną – w samolotach taktycznych oraz w specjalnie wyposażonych samochodach, aby umożliwić krótkie przypływy dodatkowej mocy z silników, które w przeciwnym razie działają na benzynę i powietrze. Jest również używany w statku kosmicznym Burt Rutan.
  • Energia nadtlenku wodoru była opracowywana dla niemieckich okrętów podwodnych z okresu II wojny światowej. Mógł być używany w niektórych niejądrowych okrętach podwodnych i był używany w niektórych silnikach rakietowych (w szczególności Black Arrow i myśliwcu rakietowym Messerschmitt Me 163 ).
  • Inne chemikalia, takie jak chlor lub fluor, były używane doświadczalnie, ale nie okazały się praktyczne.

Chłodzenie

Chłodzenie jest wymagane w celu usunięcia nadmiernego ciepła — przegrzanie może spowodować awarię silnika, zwykle spowodowaną zużyciem (z powodu awarii smarowania spowodowanej ciepłem), pękaniem lub wypaczeniem. Dwie najpopularniejsze formy chłodzenia silnika to chłodzony powietrzem i chłodzony wodą . Większość nowoczesnych silników samochodowych jest chłodzona zarówno wodą, jak i powietrzem, ponieważ ciecz chłodząca/woda jest doprowadzana do chłodzonych powietrzem żeber i/lub wentylatorów, podczas gdy większe silniki mogą być chłodzone pojedynczo wodą, ponieważ są stacjonarne i mają stały dopływ woda przez sieć wodociągową lub słodką, podczas gdy większość silników elektronarzędzi i innych małych silników jest chłodzona powietrzem. Niektóre silniki (chłodzone powietrzem lub wodą) mają również chłodnicę oleju . W niektórych silnikach, zwłaszcza w przypadku chłodzenia łopatek silników turbinowych i chłodzenia silników rakietowych cieczą , jako chłodziwo stosuje się paliwo, ponieważ jest ono jednocześnie wstępnie podgrzewane przed wtryśnięciem do komory spalania.

Startowy

Ręczna korba silnika wysokoprężnego łodzi w Inle Lake ( Myanmar ).
Rozrusznik elektryczny stosowany w samochodach

Silniki spalinowe muszą mieć uruchomione cykle. W silnikach tłokowych odbywa się to poprzez obracanie wału korbowego (Wankla Rotor Shaft), który indukuje cykle wlotu, sprężania, spalania i wydechu. Pierwsze silniki uruchamiano przez obrót koła zamachowego, natomiast pierwszy pojazd (Daimler Reitwagen) uruchamiano ręczną korbą. Wszystkie samochody z silnikami ICE były uruchamiane korbami ręcznymi, dopóki Charles Kettering nie opracował elektrycznego rozrusznika do samochodów. Ta metoda jest obecnie najszerzej stosowana, nawet wśród niesamochodowych.

Ponieważ silniki wysokoprężne stały się większe, a ich mechanizmy cięższe, pojawiły się rozruszniki pneumatyczne . Wynika to z braku momentu obrotowego w rozrusznikach elektrycznych. Rozruszniki pneumatyczne działają poprzez pompowanie sprężonego powietrza do cylindrów silnika, aby rozpocząć jego obrót.

Silniki pojazdów dwukołowych mogą być uruchamiane na cztery sposoby:

  • Pedałując, jak na rowerze
  • Pchając pojazd, a następnie włączając sprzęgło, znane jako „rozruch typu run-and-bump”
  • Kopiąc w dół jednym pedałem, znanym jako „rozpoczęcie kopnięcia”
  • Za pomocą rozrusznika elektrycznego, jak w samochodach

Istnieją również rozruszniki, w których sprężyna jest ściskana ruchem korby, a następnie używana do uruchamiania silnika.

Niektóre małe silniki wykorzystują mechanizm z linką, zwany „rozruchem odrzutowym”, ponieważ lina zwija się sama po wyciągnięciu w celu uruchomienia silnika. Ta metoda jest powszechnie stosowana w kosiarkach pchanych i innych ustawieniach, w których do obrócenia silnika potrzebny jest tylko niewielki moment obrotowy.

Silniki turbinowe są często uruchamiane silnikiem elektrycznym lub sprężonym powietrzem.

Miary wydajności silnika

Typy silników różnią się znacznie na wiele różnych sposobów:

Efektywności energetycznej

Po zapaleniu i spaleniu produkty spalania — gorące gazy — mają więcej dostępnej energii cieplnej niż oryginalna mieszanka sprężonego paliwa i powietrza (która miała wyższą energię chemiczną ). Dostępna energia przejawia się jako wysoka temperatura i ciśnienie, które silnik może przełożyć na energię kinetyczną . W silniku tłokowym gazy pod wysokim ciśnieniem wewnątrz cylindrów napędzają tłoki silnika.

Po usunięciu dostępnej energii pozostałe gorące gazy są odprowadzane (często przez otwarcie zaworu lub odsłonięcie wylotu spalin), co umożliwia powrót tłoka do poprzedniego położenia (górny martwy punkt lub GMP). Tłok może wtedy przejść do następnej fazy swojego cyklu, która różni się w zależności od silnika. Każde ciepło, które nie jest przekształcane w pracę, jest zwykle uważane za produkt odpadowy i jest usuwane z silnika za pomocą układu chłodzenia powietrzem lub cieczą.

Silniki spalinowe są silnikami cieplnymi i jako takie ich teoretyczną sprawność można przybliżyć za pomocą wyidealizowanych cykli termodynamicznych . Sprawność cieplna obiegu teoretycznego nie może przekroczyć sprawności obiegu Carnota , którego sprawność określa różnica pomiędzy dolną i górną temperaturą pracy silnika. Górna temperatura pracy silnika jest ograniczona dwoma głównymi czynnikami; termiczne granice eksploatacyjne materiałów i odporność paliwa na samozapłon. Wszystkie metale i stopy mają ograniczenia termiczne i prowadzone są znaczące badania nad materiałami ceramicznymi , które można wytwarzać z większą stabilnością termiczną i pożądanymi właściwościami strukturalnymi. Wyższa stabilność termiczna pozwala na większą różnicę temperatur pomiędzy dolną (otoczenia) a górną temperaturą pracy, a tym samym większą sprawność termodynamiczną. Ponadto wraz ze wzrostem temperatury cylindra silnik staje się bardziej podatny na samozapłon. Dzieje się tak, gdy temperatura zasobnika zbliża się do temperatury zapłonu ładunku. W tym momencie zapłon może nastąpić samoistnie przed zapłonem świecy zapłonowej, powodując nadmierne ciśnienie w cylindrze. Samozapłon można złagodzić stosując paliwa o wysokiej odporności na samozapłon (liczba oktanowa ), jednak nadal stawia górną granicę dopuszczalnej szczytowej temperatury cylindra.

W termodynamiczne limity zakładają, że silnik pracuje w idealnych warunkach: a tarcia świata idealnych gazów idealnych izolatorów i eksploatacji dla nieskończonego czasu. Zastosowania w świecie rzeczywistym wprowadzają złożoność, która zmniejsza wydajność. Na przykład prawdziwy silnik działa najlepiej przy określonym obciążeniu, określanym jako jego zakres mocy . Silnik w samochodzie poruszającym się po autostradzie zwykle pracuje znacznie poniżej swojego idealnego obciążenia, ponieważ jest przeznaczony do większych obciążeń wymaganych do gwałtownego przyspieszania. Ponadto czynniki takie jak opór wiatru zmniejszają ogólną wydajność systemu. Zużycie paliwa przez silnik jest mierzone w milach na galon lub w litrach na 100 kilometrów. Objętość węglowodoru przyjmuje standardową wartość energetyczną.

Większość silników żelaznych ma granicę termodynamiczną wynoszącą 37%. Nawet przy wspomaganiu turbosprężarkami i zapasowymi środkami pomocniczymi większość silników zachowuje średnią sprawność około 18-20%. Jednak najnowsze technologie w silnikach Formuły 1 odnotowały wzrost wydajności cieplnej o ponad 50%. Istnieje wiele wynalazków mających na celu zwiększenie sprawności silników spalinowych. Ogólnie rzecz biorąc, praktyczne silniki są zawsze zagrożone kompromisami między różnymi właściwościami, takimi jak wydajność, waga, moc, ciepło, reakcja, emisja spalin lub hałas. Czasami ekonomia odgrywa również rolę nie tylko w kosztach produkcji samego silnika, ale także produkcji i dystrybucji paliwa. Zwiększenie sprawności silnika zapewnia lepszą oszczędność paliwa, ale tylko wtedy, gdy koszt paliwa w przeliczeniu na zawartość energii jest taki sam.

Miary efektywności paliwowej i efektywności paliwowej

W przypadku silników stacjonarnych i wałowych, w tym silników śmigłowych, zużycie paliwa mierzy się, obliczając jednostkowe zużycie paliwa w układzie hamulcowym , które mierzy masowe natężenie przepływu zużycia paliwa podzielone przez wytworzoną moc.

W przypadku silników spalinowych wewnętrznego spalania w postaci silników odrzutowych moc wyjściowa zmienia się drastycznie wraz z prędkością lotu i stosuje się mniej zmienną miarę: jednostkowe zużycie paliwa (TSFC), czyli masa paliwa potrzebnego do wytworzenia impulsów , mierzona w każdym funcie godzina siły lub gramy paliwa potrzebne do wygenerowania impulsu o długości jednej kiloniutonsekundy.

W przypadku rakiet można zastosować TSFC, ale zwykle stosuje się inne równoważne miary, takie jak impuls właściwy i efektywna prędkość spalin .

Zanieczyszczenie powietrza i hałas

Zanieczyszczenie powietrza

Silniki spalinowe, takie jak tłokowe silniki spalinowe, wytwarzają emisje zanieczyszczeń powietrza z powodu niecałkowitego spalania paliwa węglowego . Głównymi pochodnymi procesu są dwutlenek węgla CO
2
, woda i trochę sadzy — zwane także cząstkami stałymi (PM). Skutki wdychania cząstek stałych badano na ludziach i zwierzętach i obejmują astmę, raka płuc, problemy sercowo-naczyniowe i przedwczesną śmierć. Istnieją jednak dodatkowe produkty procesu spalania, takie jak tlenki azotu i siarka oraz niektóre niespalone węglowodory, w zależności od warunków pracy i stosunku paliwo-powietrze.

Nie całe paliwo jest całkowicie zużywane w procesie spalania. Po spaleniu obecna jest niewielka ilość paliwa, a część z nich reaguje, tworząc związki utleniające, takie jak formaldehyd lub aldehyd octowy , lub węglowodory nieobecne pierwotnie w wejściowej mieszance paliwowej. Niepełne spalanie zwykle wynika z niewystarczającej ilości tlenu do osiągnięcia idealnego stosunku stechiometrycznego . Płomień jest „gaszony” przez stosunkowo chłodne ścianki cylindra, pozostawiając nieprzereagowane paliwo, które jest wyrzucane wraz ze spalinami. Podczas pracy z niższymi prędkościami gaszenie jest powszechnie obserwowane w silnikach wysokoprężnych (z zapłonem samoczynnym), które są zasilane gazem ziemnym. Gaszenie zmniejsza wydajność i zwiększa stukanie, czasami powodując zgaśnięcie silnika. Niepełne spalanie prowadzi również do wytwarzania tlenku węgla (CO). Inne uwalniane chemikalia to benzen i 1,3-butadien , które również są niebezpiecznymi zanieczyszczeniami powietrza .

Zwiększenie ilości powietrza w silniku zmniejsza emisje produktów niepełnego spalania, ale także sprzyja reakcji między tlenem a azotem w powietrzu w celu wytworzenia tlenków azotu ( NO
x
). NIE
x
jest niebezpieczny dla zdrowia roślin i zwierząt oraz prowadzi do wytwarzania ozonu (O 3 ). Ozon nie jest emitowany bezpośrednio; jest raczej wtórnym zanieczyszczeniem powietrza, wytwarzanym w atmosferze w wyniku reakcji NO
x
oraz lotne związki organiczne w obecności światła słonecznego. Ozon w warstwie przyziemnej jest szkodliwy dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Chociaż jest to ta sama substancja chemiczna, ozon przyziemny nie powinien być mylony z ozonem stratosferycznym lub warstwą ozonową , która chroni Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym.

Paliwa węglowe zawierają siarkę i zanieczyszczenia, które ostatecznie wytwarzają tlenki siarki (SO) i dwutlenek siarki (SO 2 ) w spalinach, co sprzyja kwaśnym deszczom .

W Stanach Zjednoczonych tlenki azotu, PM, tlenek węgla, dwutlenek siarki i ozon są regulowane jako kryteria zanieczyszczenia powietrza zgodnie z ustawą o czystym powietrzu do poziomów, które chronią zdrowie i dobrostan ludzi. Inne zanieczyszczenia, takie jak benzen i 1,3-butadien, są uznawane za niebezpieczne zanieczyszczenia powietrza, których emisje muszą być maksymalnie obniżone w zależności od uwarunkowań technologicznych i praktycznych.

NIE
x
, tlenek węgla i inne zanieczyszczenia są często kontrolowane przez recyrkulację spalin, która zawraca część spalin z powrotem do wlotu silnika, oraz katalizatory , które przekształcają chemikalia zawarte w spalinach w nieszkodliwe chemikalia.

Silniki niedrogowe

Normy emisji stosowane w wielu krajach mają specjalne wymagania dla silników nieporuszających się po drogach, które są używane w sprzęcie i pojazdach, które nie poruszają się po drogach publicznych. Normy są oddzielone od pojazdów drogowych.

Zanieczyszczenie hałasem

Znaczący wkład w zanieczyszczenie hałasem mają silniki spalinowe. Ruch samochodowy i ciężarowy działający na autostradach i systemach ulicznych powoduje hałas, podobnie jak loty samolotów z powodu hałasu odrzutowców, zwłaszcza samolotów zdolnych do naddźwięków. Silniki rakietowe wytwarzają najbardziej intensywny hałas.

Na biegu jałowym

Silniki spalinowe na biegu jałowym nadal zużywają paliwo i emitują zanieczyszczenia, dlatego pożądane jest skrócenie czasu pracy na biegu jałowym do minimum. Wiele firm autobusowych poleca teraz kierowcom wyłączanie silnika, gdy autobus czeka na terminalu.

W Anglii przepisy dotyczące emisji z pojazdów drogowych z 2002 r. ( Instrument Ustawowy 2002 nr 1808) wprowadziły pojęcie „ wykroczenia na biegu jałowym podczas postoju ”. Oznacza to, że kierowca może nakazać „ przez osobę upoważnioną … po przedstawieniu dowodu jego upoważnienia, zażądać od niego zatrzymania silnika tego pojazdu ”, a „ osoba, która nie zastosuje się do tego … musi być winny wykroczenia i podlega karze w trybie uproszczonym karą grzywny nieprzekraczającą poziomu 3 skali standardowej ”. Tylko kilka władz lokalnych wdrożyło przepisy, jednym z nich jest Rada Miejska Oksfordu .

W wielu krajach europejskich bieg jałowy jest domyślnie wyłączany przez systemy stop-start .

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Piosenkarz, Karol Józef; Raper Richard (1978). Karol, piosenkarz; i in. (wyd.). Historia technologii: silnik spalinowy . Prasa Clarendona. s. 157-176. Numer ISBN 978-0-19-858155-0.
  • Setright, LJK (1975). Niektóre nietypowe silniki . Londyn: Instytucja Inżynierów Mechanicznych. Numer ISBN 978-0-85298-208-2.
  • Suzuki, Takashi (1997). Romans silników . USA: Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacyjnych. Numer ISBN 978-1-56091-911-7.
  • Hardenberg, Horst O. (1999). Średniowiecze silnik spalinowy . USA: Stowarzyszenie Inżynierów Motoryzacyjnych.
  • Gunston, Bill (1999). Rozwój tłokowych silników lotniczych . PSL. Numer ISBN 978-1-85260-619-0.

Zewnętrzne linki