En 1799, il reçut un brevet pour l'utilisation et la méthode de production de gaz d'éclairage par distillation sèche du bois ou du charbon, mais le gaz d'éclairage ne convenait pas seulement à l'éclairage.
L'honneur de créer un moteur à succès commercial combustion interne propriété du mécanicien belge Jean Etienne Lenoir. Alors qu'il travaillait dans une usine de galvanoplastie, Lenoir a eu l'idée que mélange air-carburant un moteur à gaz peut être allumé par une étincelle électrique et a décidé de construire un moteur basé sur cette idée. Après avoir résolu les problèmes survenus en cours de route (raideur et surchauffe du piston, entraînant un blocage) et réfléchi au système de refroidissement et de lubrification du moteur, Lenoir a créé un moteur à combustion interne fonctionnel. Plus de trois cents de ces moteurs furent produits en 1864. puissance différente. Devenu riche, Lenoir a cessé de travailler à l'amélioration de sa machine, ce qui a prédéterminé son sort : elle a été expulsée du marché par un moteur plus avancé créé par l'inventeur allemand August Otto et a reçu un brevet pour l'invention de son modèle de machine. moteur à gaz en 1864.
En 1864, l'inventeur allemand Augusto Otto conclut un accord avec le riche ingénieur Langen pour mettre en œuvre son invention : la société Otto and Company est créée. Ni Otto ni Langen n'avaient des connaissances suffisantes dans le domaine de l'électrotechnique et ont refusé allumage électrique. Ils ont procédé à l'allumage avec une flamme nue à travers un tube. Le cylindre du moteur Otto, contrairement au moteur Lenoir, était vertical. L'arbre rotatif était placé au-dessus du cylindre sur le côté. Principe de fonctionnement : l'arbre rotatif élève le piston à 1/10 de la hauteur du cylindre, ce qui entraîne la formation d'un espace raréfié sous le piston et l'aspiration d'un mélange d'air et de gaz. Le mélange s'est alors enflammé. Lors de l'explosion, la pression sous le piston a augmenté jusqu'à environ 4 atm. Sous l'influence de cette pression, le piston monte, le volume de gaz augmente et la pression chute. Le piston, d'abord sous la pression du gaz, puis par inertie, s'est élevé jusqu'à ce qu'un vide se crée en dessous. Ainsi, l'énergie du carburant brûlé était utilisée dans le moteur au maximum. Ce fut la principale découverte originale d’Otto. La course de travail vers le bas du piston a commencé sous l'influence de la pression atmosphérique, et une fois que la pression dans le cylindre a atteint la pression atmosphérique, la soupape d'échappement s'est ouverte et le piston avec sa masse a déplacé les gaz d'échappement. En raison d'une expansion plus complète des produits efficacité de combustion ce moteur était nettement supérieur au rendement du moteur Lenoir et atteignait 15%, c'est-à-dire qu'il dépassait le rendement du meilleur machines à vapeur ce temps. De plus, les moteurs d'Otto étaient presque cinq fois plus puissants plus économique que les moteurs Lenoir, ils ont immédiatement commencé à être très demandés. Au cours des années suivantes, environ cinq mille exemplaires furent produits. Malgré cela, Otto a travaillé dur pour améliorer leur conception. Bientôt, une transmission à manivelle fut utilisée. Cependant, la plus importante de ses inventions date de 1877, lorsqu'Otto reçut un brevet pour nouveau moteur avec un cycle à quatre temps. Ce cycle sous-tend encore aujourd’hui le fonctionnement de la plupart des moteurs à gaz et à essence.
Types de moteurs à combustion interne
Moteur à combustion interne à pistons
Moteur à combustion interne rotatif
Moteur à combustion interne à turbine à gaz
- Moteurs à pistons - la chambre de combustion est contenue dans un cylindre, où l'énergie thermique du carburant est convertie en énergie mécanique, qui de mouvement vers l'avant Le piston se transforme en piston rotatif à l'aide d'un mécanisme à manivelle.
Les ICE sont classés :
a) Par objectif - ils sont divisés en transports, stationnaires et spéciaux.
b) Par le type de carburant utilisé - liquide léger (essence, gaz), liquide lourd (carburant diesel, fioul marin).
c) Selon le mode de formation du mélange combustible - externe (carburateur, injecteur) et interne (dans le cylindre du moteur à combustion interne).
d) Par méthode d'allumage (allumage forcé, allumage par compression, calorifique).
e) Selon la disposition des cylindres, ils sont divisés en ligne, verticaux, opposés avec un et deux vilebrequins, en forme de V avec un vilebrequin supérieur et inférieur, en forme de VR et en forme de W, à une rangée et double -rangée en forme d'étoile, en forme de H, à double rangée avec vilebrequins parallèles, "double ventilateur", en forme de losange, à trois rayons et quelques autres.
De l'essence
Carburateur essence
Le cycle de travail des moteurs à combustion interne à quatre temps prend deux révolutions complètes manivelle, composée de quatre courses distinctes :
- admission,
- compression de charge,
- course de travail et
- libération (échappement).
Le changement des courses de travail est assuré par un mécanisme spécial de distribution de gaz, le plus souvent il est représenté par un ou deux arbres à cames, un système de poussoirs et de vannes qui assurent directement un changement de phase. Certains moteurs à combustion interne utilisaient à cet effet des manchons de bobine (Ricardo), dotés d'orifices d'admission et/ou d'échappement. La liaison entre la cavité du cylindre et les collecteurs était dans ce cas assurée par des liaisons radiales et mouvements de rotation manchon de bobine, avec fenêtres ouvrant le canal souhaité. En raison des particularités de la dynamique des gaz - l'inertie des gaz, le moment d'apparition du vent de gaz, les courses d'admission, de puissance et d'échappement dans un véritable chevauchement de cycle à quatre temps, c'est ce qu'on appelle calage des soupapes qui se chevauche. Plus le régime de fonctionnement du moteur est élevé, plus le chevauchement de phases est important et plus il est important, moins le couple du moteur à combustion interne par bas régime. Donc dans moteurs modernes Les dispositifs à combustion interne sont de plus en plus utilisés pour modifier le calage des soupapes pendant le fonctionnement. Les moteurs à commande électromagnétique (BMW, Mazda) sont particulièrement adaptés à cet effet. Il existe également des moteurs à taux de compression variable (SAAB), qui ont une plus grande flexibilité dans les caractéristiques.
Moteurs à deux temps disposent de nombreuses options d'aménagement et d'une grande variété de systèmes structurels. Le principe de base de tout moteur à deux temps est que le piston remplit les fonctions d'un élément de distribution de gaz. Le cycle de travail se compose à proprement parler de trois temps : le temps moteur, qui dure à partir du point mort haut ( PMH) jusqu'à 20-30 degrés par rapport au point mort bas ( BDC), la purge, qui combine en fait l'admission et l'échappement, et la compression, d'une durée de 20 à 30 degrés après le PMB jusqu'au PMH. La purge, du point de vue de la dynamique des gaz, est le maillon faible du cycle deux temps. D'une part, il est impossible d'assurer une séparation complète de la nouvelle charge et les gaz d'échappement, par conséquent, soit la perte de mélange frais est inévitable, volant littéralement dans tuyau d'échappement(si le moteur à combustion interne est diesel, on parle de perte d'air), en revanche, la course motrice ne dure pas un demi-tour, mais moins, ce qui en soi réduit le rendement. En même temps, la durée est extrêmement processus important l'échange gazeux, qui dans un moteur à quatre temps occupe la moitié du cycle de travail, ne peut pas être augmenté. Les moteurs à deux temps peuvent ne pas avoir du tout de système de calage des soupapes. Cependant, si nous ne parlons pas de moteurs simplifiés bon marché, un moteur à deux temps est plus complexe et plus coûteux en raison de l'utilisation obligatoire d'une soufflante ou d'un système de suralimentation ; la contrainte thermique accrue du moteur cylindre-piston nécessite des matériaux plus coûteux pour pistons, segments et chemises de cylindre. Pour que le piston remplisse les fonctions d'un élément de distribution de gaz, sa hauteur ne doit pas être inférieure à la course du piston + la hauteur des fenêtres de purge, ce qui n'est pas critique dans un cyclomoteur, mais alourdit considérablement le piston même à une puissance relativement faible. Lorsque la puissance se mesure en centaines de chevaux, l’augmentation de la masse du piston devient un facteur très important. L'introduction de manchons de distribution à course verticale dans les moteurs Ricardo visait à permettre de réduire la taille et le poids du piston. Le système s'est avéré complexe et coûteux à mettre en œuvre ; à l'exception de l'aviation, de tels moteurs n'étaient utilisés nulle part ailleurs. Les soupapes d'échappement (avec purge de soupape à débit direct) ont une intensité thermique deux fois supérieure à celle des soupapes d'échappement des moteurs à quatre temps et des conditions d'évacuation de la chaleur pires, et leurs sièges ont un contact direct plus long avec les gaz d'échappement.
Le plus simple en termes de procédure de fonctionnement et le plus complexe en termes de conception est le système Fairbanks-Morse, présenté en URSS et en Russie, principalement par des moteurs diesel de locomotives diesel de la série D100. Un tel moteur est un système symétrique à deux arbres avec des pistons divergents, chacun étant relié à son propre vilebrequin. Ainsi, ce moteur comporte deux vilebrequins, mécaniquement synchronisés ; celui relié aux pistons d'échappement est 20 à 30 degrés en avance sur les pistons d'admission. Grâce à cette avance, la qualité de la purge, qui est ici à flux direct, s'améliore et le remplissage du cylindre s'améliore, puisqu'à la fin de la purge les lumières d'échappement sont déjà fermées. Dans les années 30 et 40 du XXe siècle, des schémas avec des paires de pistons divergents ont été proposés - en forme de losange, triangulaire ; Il y avait des moteurs diesel d'aviation avec trois pistons divergents en forme d'étoile, dont deux d'admission et un d'échappement. Dans les années 20, Junkers proposait un système mono-arbre avec de longues bielles reliées aux axes des pistons supérieurs par des culbuteurs spéciaux ; le piston supérieur transmettait les forces au vilebrequin via une paire de longues bielles, et il y avait trois coudes d'arbre par cylindre. Il y avait aussi des pistons carrés pour purger les cavités sur les culbuteurs. Les moteurs à deux temps avec des pistons divergents de tout système présentent principalement deux inconvénients : premièrement, ils sont très complexes et volumineux, et deuxièmement, les pistons d'échappement et les chemises au niveau des orifices d'échappement présentent des contraintes thermiques importantes et une tendance à surchauffer. . Les segments des pistons d'échappement sont également soumis à des contraintes thermiques et sont sujets à la cokéfaction et à la perte d'élasticité. Ces fonctionnalités font conception De tels moteurs constituent une tâche non triviale.
Les moteurs CV sont équipés d'un arbre à cames et de soupapes d'échappement. Cela réduit considérablement les exigences en matière de matériaux et de conception du CPG. L'admission se fait par les fenêtres de la chemise de cylindre, ouvertes par le piston. C'est exactement ainsi que sont configurés la plupart des moteurs diesel à deux temps modernes. La zone des fenêtres et le revêtement dans la partie inférieure sont dans de nombreux cas refroidis par l'air de suralimentation.
Dans les cas où l'une des principales exigences du moteur est de réduire son coût, ils sont utilisés différents types soufflage de fenêtre de contour de chambre de manivelle - boucle, boucle de retour (déflecteur) dans diverses modifications. Pour améliorer les paramètres du moteur, diverses techniques de conception sont utilisées - longueur variable des canaux d'admission et d'échappement, le nombre et l'emplacement des canaux de dérivation peuvent être variés, des distributeurs à tiroir, des vannes d'arrêt de gaz rotatives, des doublures et des rideaux sont utilisés pour modifier la hauteur. des fenêtres (et, par conséquent, le début de l'admission et de l'échappement). La plupart de ces moteurs sont refroidis passivement par air. Leurs inconvénients sont la qualité relativement faible des échanges gazeux et la perte du mélange combustible lors de la purge ; en présence de plusieurs cylindres, des sections des chambres de vilebrequin doivent être séparées et scellées, la conception du vilebrequin devient plus compliquée et plus coûteuse.
Unités supplémentaires requises pour les moteurs à combustion interne
L’inconvénient du moteur à combustion interne est qu’il ne produit sa puissance maximale que dans une plage de régime étroite. Par conséquent, la transmission fait partie intégrante d’un moteur à combustion interne. Ce n'est que dans certains cas (par exemple dans les avions) qu'on peut se passer d'une transmission complexe. L'idée d'une voiture hybride, dans laquelle le moteur fonctionne toujours en mode optimal, conquiert progressivement le monde.
De plus, un moteur à combustion interne nécessite un système d'alimentation (pour l'alimentation en carburant et en air - préparation d'un mélange air-carburant), un système d'échappement (pour éliminer les gaz d'échappement) et ne peut pas non plus se passer d'un système de lubrification (conçu pour réduire les forces de friction dans les mécanismes du moteur et protéger les pièces moteur de la corrosion, ainsi qu'avec le système de refroidissement pour maintenir des conditions thermiques optimales), les systèmes de refroidissement (pour maintenir des conditions thermiques optimales du moteur), le système de démarrage (des méthodes de démarrage sont utilisées : démarreur électrique, utilisant un moteur de démarrage auxiliaire, pneumatique, utilisant la force musculaire humaine), un système d'allumage (pour enflammer le mélange air-carburant, utilisé dans les moteurs à allumage forcé).
voir également
- Philippe Le Bon est un ingénieur français qui a obtenu un brevet en 1801 pour un moteur à combustion interne avec compression d'un mélange de gaz et d'air.
- Moteur rotatif : conceptions et classification
- Moteur à pistons rotatifs (moteur Wankel)
Remarques
Liens
- Ben Knight « Augmentation du kilométrage » // Article sur les technologies qui réduisent la consommation de carburant des moteurs à combustion interne des automobiles
Moteur à combustion interne - moteur, dans lequel le carburant brûle directement dans la chambre de travail ( à l'intérieur ) moteur. Le moteur à combustion interne convertit la pression de la combustion carburant dans travail mécanique.
- ne comporte pas d'éléments de transfert de chaleur supplémentaires - le carburant, lorsqu'il est brûlé, forme lui-même un fluide de travail.
- plus compact, car il ne dispose pas d'un certain nombre d'unités supplémentaires
- Plus facile
- plus économique
- consomme du gaz ou du liquide carburant, ayant des paramètres très strictement spécifiés (volatilité, point d'éclair des vapeurs, densité, pouvoir calorifique, octane ou indice de cétane), puisque les performances du moteur à combustion interne lui-même dépendent de ces propriétés.
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Principe de fonctionnement d'un moteur à combustion interne
Structure générale d'un moteur à combustion interne
Leçon 179. Moteur à combustion interne - 1
10 mini-voitures les plus étranges avec moteurs à combustion interne (ICE)
Les sous-titres
Histoire de la création
En 1807, l'inventeur franco-suisse François Isaac de Rivas * (François Isaac de Rivaz) construisit le premier moteur à pistons, souvent appelé moteur de Rivas. Le moteur fonctionnait à l'hydrogène gazeux et présentait des éléments de conception qui ont depuis été incorporés dans les prototypes ICE ultérieurs : groupe bielle et piston et allumage par étincelle. Le premier moteur à essence à deux temps pratique a été conçu par un mécanicien français Étienne Lenoir(1822-1900) en 1860. La puissance était de 8,8 kW (11,97 l. Avec.). Le moteur était une machine monocylindre horizontale à double effet, fonctionnant avec un mélange d'air et gaz d'éclairage avec allumage électrique par étincelle provenant d’une source externe. Efficacité le moteur n'a pas dépassé 4,65%. Malgré ses défauts, le moteur Lenoir a gagné en popularité. Utilisé comme moteur de bateau.
Ayant fait connaissance avec le moteur Lenoir, l'éminent designer allemand Nikolaus Août Otto(1832-1891) créa le deux temps en 1863 moteur atmosphérique combustion interne. Le moteur avait une disposition de cylindres verticaux, un allumage à flamme nue et Efficacité jusqu'à 15 %. Remplacement du moteur Lenoir.
En 1876, Nikolaus August Otto construisit un bâtiment plus avancé quatre temps moteur à combustion interne à gaz.
En 1885, des ingénieurs allemands Gottlieb Daimler Et Wilhelm Maybach développé une essence légère moteur à carburateur. Daimler et Maybach l'ont utilisé pour créer la première moto en 1885, et en 1886 la première automobile.
Le premier tracteur pratique propulsé par un moteur à combustion interne fut le tracteur américain à trois roues Ivel de Dan Alborn de 1902. Environ 500 de ces machines légères et puissantes ont été construites.
Presque simultanément en Allemagne, sur ordre de l'URSS et sur le projet du professeur Yu. V. Lomonosova sur commande personnelle V. I. Lénine V 1924 La locomotive diesel Eel2 (à l'origine Jue001) a été construite à l'usine allemande d'Esslingen (anciennement Kessler), près de Stuttgart.
Types de moteurs à combustion interne
Si le carburant est inflammable, un éclair se produit avant d'atteindre piston PMH. Ceci, à son tour, amènera le piston à faire tourner le vilebrequin dans la direction opposée – ce phénomène est appelé retour de flamme.
L'indice d'octane est une mesure du pourcentage d'isooctane dans un mélange heptane-octane et reflète la capacité du carburant à résister à l'auto-inflammation lorsqu'il est exposé à la température. Les carburants ayant un indice d'octane plus élevé permettent au moteur ratio de compression fonctionnent sans tendance à l’auto-inflammation et à la détonation et ont donc un taux de compression plus élevé et un rendement plus élevé.
Contrairement aux idées reçues, les moteurs modernes, traditionnellement appelés moteurs diesel, ne fonctionnent pas selon Cycle diesel, et par Cycle Trinkler-Sabate avec apport de chaleur mixte.
Les inconvénients des moteurs diesel sont dus aux particularités du cycle de fonctionnement - des contraintes mécaniques plus élevées, nécessitant une résistance structurelle accrue et, par conséquent, une augmentation de ses dimensions, de son poids et une augmentation des coûts en raison d'une conception plus complexe et de l'utilisation de plus matériaux coûteux. Aussi moteurs diesel en raison de combustion hétérogène se caractérisent par des émissions de suie inévitables et une teneur accrue oxydes d'azote dans les gaz d'échappement.
Moteurs à gaz
Le moteur brûle comme carburant hydrocarbures, qui sont à l'état gazeux dans des conditions normales :
- mélanges de gaz liquéfiés - stockés dans une bouteille sous pression de vapeur saturée (jusqu'à 16 au m). Évaporé dans évaporateur la phase liquide ou phase vapeur du mélange perd progressivement de la pression dans le réducteur de gaz jusqu'à se rapprocher de la pression atmosphérique et est aspirée dans le moteur collecteur d'admissionà travers un mélangeur air-gaz ou injecté dans le collecteur d'admission via électrique injecteurs. L'allumage s'effectue à l'aide d'une étincelle qui saute entre les électrodes de la bougie.
- comprimé gaz naturels- stocké dans ballon sous pression 150-200 au m. La conception des systèmes électriques est similaire à celle des systèmes électriques au gaz liquéfié, la différence réside dans l'absence évaporateur.
- générateur de gaz- gaz obtenu transformation de combustible solide en gaz. Sont utilisés comme combustible solide :
Gaz-diesel
La partie principale du carburant est préparée comme dans l'une des variétés moteurs à gaz, mais il n'est pas allumé par une bougie d'allumage électrique, mais par une portion pilote de carburant diesel injectée dans le cylindre de la même manière qu'un moteur diesel.
Piston rotatif
Proposé par l'inventeur Wankel au début du XXe siècle. La base du moteur est un rotor triangulaire (piston), tournant dans une chambre spéciale en forme de 8, remplissant les fonctions de piston, de vilebrequin et de distributeur de gaz. Cette conception permet à n'importe quel 4 temps Cycle diesel , Stirling ou Othon sans l'utilisation d'un mécanisme de distribution de gaz spécial. En un tour, le moteur effectue trois cycles de puissance complets, ce qui équivaut au fonctionnement d'un moteur à pistons six cylindres. Construit en série par NSU en Allemagne (voiture RO-80), VAZ en URSS (VAZ-21018 «Zhiguli», VAZ-416 , VAZ-426 , VAZ-526), Mazda au Japon (Mazda RX-7, Mazda RX-8). Malgré sa simplicité fondamentale, il présente un certain nombre de difficultés de conception importantes qui rendent sa mise en œuvre à grande échelle très difficile. Les principales difficultés sont liées à la création d'étanchéités durables et efficaces entre le rotor et la chambre et à la construction d'un système de lubrification.
En Allemagne, à la fin des années 70 du XXe siècle, il y avait une blague: "Je vendrai la NSU, je donnerai en plus deux roues, un phare et 18 moteurs de rechange en bon état."
- RCV- un moteur à combustion interne dont le système de distribution de gaz est mis en œuvre grâce au mouvement d'un piston, qui effectue des mouvements alternatifs, passant alternativement dans les canalisations d'entrée et de sortie.
Moteur à combustion interne combiné
- - un moteur à combustion interne, qui est une combinaison de machines à pistons et à pales (turbine, compresseur), dans laquelle les deux machines participent dans une mesure comparable à la mise en œuvre du processus de travail. Un exemple de moteur à combustion interne combiné est un moteur à pistons avec suralimentation par turbine à gaz (turbocompression). L'ingénieur soviétique, le professeur A. N. Shelest, a apporté une grande contribution à la théorie des moteurs combinés.
Turbocompression
Le type de moteur combiné le plus courant est un piston avec turbocompresseur. Turbocompresseur ou un turbocompresseur (TK, TN) - c'est tel compresseur qui est entraîné les gaz d'échappement. Elle tire son nom du mot « turbine » (turbine française du latin turbo - vortex, rotation). Ce dispositif se compose de deux parties : une roue de rotor de turbine entraînée par les gaz d'échappement, et compresseur centrifuge, fixés aux extrémités opposées de l'arbre commun. Le jet du fluide de travail (dans ce cas, les gaz d'échappement) agit sur les aubes fixées autour de la circonférence du rotor et les met en mouvement avec l'arbre, qui est rendu solidaire du rotor de la turbine à partir d'un alliage proche du acier allié. Sur l'arbre, en plus du rotor de la turbine, est fixé un rotor de compresseur en alliages d'aluminium qui, lorsque l'arbre tourne, permet de « pomper » l'air sous pression dans les cylindres du moteur à combustion interne. Ainsi, suite à l’action les gaz d'échappement Le rotor de la turbine, l'arbre et le rotor du compresseur tournent simultanément sur les aubes de la turbine. L'utilisation d'un turbocompresseur en conjonction avec un refroidisseur intermédiaire (intercooler) permet de fournir de l'air plus dense aux cylindres du moteur à combustion interne (dans les moteurs turbocompressés modernes, c'est exactement le schéma utilisé). Souvent, lorsqu’un turbocompresseur est utilisé dans un moteur, on parle de turbine sans évoquer le compresseur. Un turbocompresseur est une unité. Il est impossible d'utiliser l'énergie des gaz d'échappement pour alimenter un mélange d'air sous pression dans les cylindres d'un moteur à combustion interne en utilisant uniquement une turbine. L’injection est assurée par la pièce du turbocompresseur appelée compresseur.
Sur Au ralenti, à bas régime, le turbocompresseur produit peu de puissance et est entraîné par une petite quantité de gaz d'échappement. Dans ce cas, le turbocompresseur est inefficace et le moteur fonctionne à peu près de la même manière que sans suralimentation. Lorsqu’une puissance beaucoup plus élevée est requise du moteur, sa vitesse, ainsi que le jeu de l’accélérateur, augmentent. Tant qu'il y a suffisamment de gaz d'échappement pour faire tourner la turbine, beaucoup plus d'air est fourni par le collecteur d'admission.
La turbocompression permet au moteur de fonctionner plus efficacement car le turbocompresseur utilise l'énergie des gaz d'échappement qui autrement serait (en grande partie) gaspillée.
Cependant, il existe une limitation technologique connue sous le nom de « turbojam » (« turbo lag ») (à l'exception des moteurs équipés de deux turbocompresseurs - petit et grand, lorsqu'un petit turbocompresseur fonctionne à bas régime et un grand à haut régime, conjointement assurant l'apport de la quantité requise de mélange d'air aux cylindres ou lors de l'utilisation d'une turbine à géométrie variable, en sport automobile, l'accélération forcée de la turbine à l'aide d'un système de récupération d'énergie est également utilisée). La puissance du moteur n'augmente pas instantanément du fait qu'un certain temps sera consacré au changement de la vitesse de rotation du moteur, qui présente une certaine inertie, et aussi du fait que plus la masse de la turbine est grande, plus le temps est long. il faudra le faire tourner et créer une pression suffisante pour augmenter la puissance du moteur. De plus, l'augmentation de la pression d'échappement amène les gaz d'échappement à transférer une partie de leur chaleur Parties mécaniques moteur (ce problème est partiellement résolu par les fabricants de moteurs à combustion interne japonais et coréens en installant un système de refroidissement supplémentaire pour le turbocompresseur antigel).
Cycles de fonctionnement des moteurs à combustion interne à pistons
Moteurs à pistons les moteurs à combustion interne sont classés selon le nombre de temps dans le cycle de travail par deux temps Et quatre temps.
Le cycle de fonctionnement des moteurs à combustion interne à quatre temps nécessite deux tours complets de manivelle ou 720 degrés de rotation. vilebrequin(PKV), composé de quatre mesures distinctes :
- admission,
- compression de charge,
- course de travail et
- libération (échappement).
Le changement des courses de fonctionnement est assuré par un mécanisme spécial de distribution de gaz, le plus souvent il est représenté par un ou deux arbres à cames, un système de poussoirs et de vannes qui assurent directement un changement de phase. Certains moteurs à combustion interne utilisaient à cet effet des manchons de bobine (Ricardo), dotés d'orifices d'admission et/ou d'échappement. Dans ce cas, la communication de la cavité du cylindre avec les collecteurs était assurée par les mouvements radiaux et de rotation du manchon de bobine, qui ouvrait le canal souhaité avec des fenêtres. En raison des particularités de la dynamique des gaz - l'inertie des gaz, le moment d'apparition du vent de gaz, les courses d'admission, de puissance et d'échappement dans un véritable chevauchement de cycle à quatre temps, c'est ce qu'on appelle calage des soupapes qui se chevauche. Plus le régime de fonctionnement du moteur est élevé, plus le chevauchement de phases est important et plus il est important, moins le moteur à combustion interne a de couple à bas régime. Par conséquent, dans les moteurs à combustion interne modernes, on utilise de plus en plus de dispositifs permettant de modifier le calage des soupapes pendant le fonctionnement. Moteurs avec commande par électrovanne ( BMW , Mazda). Il existe également des moteurs à taux de compression variable (SAAB AB), qui offrent une plus grande flexibilité en termes de performances.
Les moteurs à deux temps offrent de nombreuses options de configuration et une grande variété de systèmes de conception. Le principe de base de tout moteur à deux temps est que le piston remplit les fonctions d'un élément de distribution de gaz. Le cycle de travail se compose à proprement parler de trois temps : un temps de travail d'une durée de point mort haut (PMH) jusqu'à 20-30 degrés vers le bas point mort (BDC), la purge, qui combine en fait l'admission et l'échappement, et la compression, d'une durée de 20 à 30 degrés après le PMB jusqu'au PMH. La purge, du point de vue de la dynamique des gaz, est le maillon faible du cycle deux temps. D'une part, il est impossible d'assurer une séparation complète de la charge fraîche et des gaz d'échappement, donc soit la perte du mélange frais est inévitable, volant littéralement dans le pot d'échappement (si le moteur à combustion interne est diesel, on parle de perte d'air), en revanche, la course de travail ne dure pas la moitié du chiffre d'affaires, mais moins, ce qui en soi réduit Efficacité. Dans le même temps, la durée du processus d'échange gazeux extrêmement important, qui occupe la moitié du cycle de fonctionnement d'un moteur à quatre temps, ne peut pas être augmentée. Les moteurs à deux temps peuvent ne pas avoir du tout de système de calage des soupapes. Cependant, si nous ne parlons pas de moteurs simplifiés bon marché, un moteur à deux temps est plus complexe et plus coûteux en raison de l'utilisation obligatoire d'une soufflante ou d'un système de suralimentation ; la contrainte thermique accrue du moteur cylindre-piston nécessite des matériaux plus coûteux pour pistons, segments et chemises de cylindre. Pour que le piston remplisse les fonctions d'un élément de distribution de gaz, sa hauteur ne doit pas être inférieure à la course du piston + la hauteur des fenêtres de purge, ce qui n'est pas critique dans un cyclomoteur, mais alourdit considérablement le piston même à une puissance relativement faible. Quand la puissance se mesure en centaines Puissance en chevaux, l'augmentation de la masse du piston devient un facteur très important. L'introduction de manchons de distribution à course verticale dans les moteurs Ricardo visait à permettre de réduire la taille et le poids du piston. Le système s'est avéré complexe et coûteux à mettre en œuvre ; à l'exception de l'aviation, de tels moteurs n'étaient utilisés nulle part ailleurs. Les soupapes d'échappement (avec purge de soupape à débit direct) ont une intensité thermique deux fois supérieure à celle des soupapes d'échappement des moteurs à quatre temps et des conditions d'évacuation de la chaleur pires, et leurs sièges ont un contact direct plus long avec les gaz d'échappement.
Le plus simple en termes de mode opératoire et le plus complexe en termes de conception est le système Koreïvo, représenté en URSS et en Russie, principalement par des moteurs diesel de locomotives diesel de la série D100 et des moteurs diesel-citernes KhZTM. Un tel moteur est un système symétrique à deux arbres avec des pistons divergents, chacun étant relié à son propre vilebrequin. Ainsi, ce moteur comporte deux vilebrequins, mécaniquement synchronisés ; celui relié aux pistons d'échappement est 20 à 30 degrés en avance sur les pistons d'admission. Grâce à cette avance, la qualité de la purge, qui est ici à flux direct, s'améliore et le remplissage du cylindre s'améliore, puisqu'à la fin de la purge les lumières d'échappement sont déjà fermées. Dans les années 30 et 40 du XXe siècle, des schémas avec des paires de pistons divergents ont été proposés - en forme de losange, triangulaire ; Il y avait des moteurs diesel d'aviation avec trois pistons divergents en forme d'étoile, dont deux d'admission et un d'échappement. Dans les années 20 Junkers proposé un système à arbre unique avec de longues bielles reliées aux axes des pistons supérieurs par des culbuteurs spéciaux ; le piston supérieur transmettait les forces au vilebrequin via une paire de longues bielles, et il y avait trois coudes d'arbre par cylindre. Il y avait aussi des pistons carrés pour purger les cavités sur les culbuteurs. Les moteurs à deux temps avec des pistons divergents de tout système présentent principalement deux inconvénients : premièrement, ils sont très complexes et volumineux, et deuxièmement, les pistons d'échappement et les chemises au niveau des orifices d'échappement présentent des contraintes thermiques importantes et une tendance à surchauffer. . Les segments des pistons d'échappement sont également soumis à des contraintes thermiques et sont sujets à la cokéfaction et à la perte d'élasticité. Ces caractéristiques font de la conception de tels moteurs une tâche non triviale.
Les moteurs avec balayage par soupape à débit direct sont équipés de arbre à cames et les soupapes d'échappement. Cela réduit considérablement les exigences en matière de matériaux et de conception du CPG. L'admission se fait par les fenêtres de la chemise de cylindre, ouvertes par le piston. C'est exactement ainsi que sont configurés la plupart des moteurs diesel à deux temps modernes. La zone des fenêtres et le revêtement dans la partie inférieure sont dans de nombreux cas refroidis par l'air de suralimentation.
Dans les cas où l'une des principales exigences du moteur est de réduire son coût, différents types de soufflage de fenêtre à contour de chambre de manivelle sont utilisés - boucle, boucle de retour (déflecteur) dans diverses modifications. Pour améliorer les paramètres du moteur, diverses techniques de conception sont utilisées - longueur variable des canaux d'admission et d'échappement, le nombre et l'emplacement des canaux de dérivation peuvent être variés, des distributeurs à tiroir, des vannes d'arrêt de gaz rotatives, des doublures et des rideaux sont utilisés pour modifier la hauteur. des fenêtres (et, par conséquent, le début de l'admission et de l'échappement). La plupart de ces moteurs sont refroidis passivement par air. Leurs inconvénients sont la qualité relativement faible des échanges gazeux et la perte du mélange combustible lors de la purge ; en présence de plusieurs cylindres, des sections des chambres de vilebrequin doivent être séparées et scellées, la conception du vilebrequin devient plus compliquée et plus coûteuse.
Unités supplémentaires requises pour les moteurs à combustion interne
L'inconvénient du moteur à combustion interne est qu'il développe le plus haut pouvoir uniquement dans une plage de régime étroite. Par conséquent, un attribut essentiel d'un moteur à combustion interne est transmission. Seulement dans certains cas (par exemple, dans avions), vous pouvez vous passer d'une transmission complexe. Une idée conquiert peu à peu le monde voiture hybride, dans lequel le moteur fonctionne toujours en mode optimal.
De plus, un moteur à combustion interne nécessite un système d'alimentation électrique (pour l'alimentation en carburant et en air - préparation du mélange air-carburant), système d'échappement(pour éliminer les gaz d'échappement), vous ne pouvez pas non plus vous passer d'un système de lubrification (conçu pour réduire les forces de friction dans les mécanismes du moteur, protéger les pièces du moteur de la corrosion, et également avec le système de refroidissement pour maintenir des conditions thermiques optimales), un système de refroidissement (pour maintenir conditions thermiques optimales moteur), système de démarrage(des méthodes de démarrage sont utilisées : démarreur électrique, utilisant un moteur de démarrage auxiliaire, pneumatique, utilisant la force musculaire humaine), système de mise à feu(pour enflammer le mélange air-carburant, utilisé dans les moteurs à allumage forcé).
Caractéristiques technologiques de fabrication
Des exigences élevées sont imposées au traitement des trous dans diverses pièces, y compris les pièces de moteur (trous de culasse, chemises de cylindre, trous de tête de bielle de manivelle et de piston, trous d'engrenage), etc. Des technologies de haute précision sont utilisées affûtage Et honing.
voir également
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- Système de refroidissement du moteur à combustion interne
- Philippe Lebon - Français ingénieur, reçu en 1801 brevet pour un moteur à combustion interne avec compression d'un mélange de gaz et d'air.
- Moteur à pistons rotatifs(moteur Wankel)
GLACE est un moteur qui fonctionne sur le principe de la combustion divers carburants directement à l'intérieur de l'unité elle-même. Contrairement à d'autres types de moteurs, les moteurs à combustion interne sont dépourvus : de tout élément qui transfère la chaleur pour une conversion ultérieure en énergie mécanique, la conversion se produit directement à partir de la combustion du carburant ; beaucoup plus compact ; avoir un faible poids par rapport à d'autres types d'unités de puissance comparable ; exiger l'utilisation d'un carburant spécifique présentant des caractéristiques strictes de température de combustion, de degré de volatilité, indice d'octane etc.
Les moteurs à quatre temps sont utilisés dans l'industrie automobile :
1. Entrée ;
2. Compression;
3. Course de travail ;
4.
Libérer.
Mais il existe aussi des versions à deux temps de moteurs à combustion interne, mais en monde moderne, leur utilisation est limitée.
Cet article ne considérera que les moteurs installés sur les voitures.
Types de moteurs en fonction du carburant utilisé
Moteurs à essence, comme leur nom l'indique, ils utilisent de l'essence avec des indices d'octane différents comme carburant pour le travail et disposent d'un système d'allumage forcé mélange de carburantà l'aide d'une étincelle électrique.Ils peuvent être divisés selon le type d'admission en carburateur et injection. Les moteurs à carburateur disparaissent déjà de la production en raison de la difficulté de réglage fin, consommation élevée l'essence, l'inefficacité du mélange du mélange carburé et l'insuffisance des rigides modernes Exigences environnementales. Dans de tels moteurs, le mélange du mélange combustible commence dans les chambres du carburateur et se termine en cours de route dans le collecteur d'admission.
Les unités d'injection se développent à un rythme rapide et le système d'injection de carburant s'améliore à chaque génération. Les premiers injecteurs avaient une « mono-injection » avec une seule buse. Il s’agissait essentiellement d’une modernisation des moteurs à carburateur. Au fil du temps, la plupart des unités ont commencé à utiliser des systèmes avec des injecteurs séparés pour chaque cylindre. L'utilisation d'injecteurs dans le système d'admission a permis de contrôler plus précisément les proportions de carburant et d'air dans différents modes de fonctionnement de l'unité, de réduire la consommation de carburant, d'augmenter la qualité du mélange carburé, d'augmenter la puissance et le respect de l'environnement des groupes motopropulseurs. .
Injecteurs modernes installés sur les unités de puissance avec le système injection directe carburant dans les cylindres, capable de produire plusieurs injections de carburant séparées en un seul temps. Cela vous permet d'améliorer encore la qualité du mélange de carburant et d'obtenir une efficacité énergétique maximale grâce à la quantité d'essence utilisée. C'est-à-dire que l'économie et les performances des moteurs ont encore augmenté.
Unités diesel- utiliser le principe d'allumage du mélange Gas-oil et l'air lorsqu'il est chauffé par une forte compression. Dans le même temps, les systèmes d'allumage forcé ne sont pas utilisés dans les unités diesel. Ces moteurs présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux moteurs à essence, tout d'abord, ils sont économes en carburant (jusqu'à 20 %), avec une puissance comparative. Moins de carburant est consommé grâce à dans une plus grande mesure compression dans les cylindres, ce qui améliore les caractéristiques de combustion et la libération d'énergie du mélange carburé, et donc moins de carburant est nécessaire pour obtenir les mêmes résultats. De plus, les unités diesel ne sont pas utilisées papillons des gaz, ce qui améliore le flux d'air dans le groupe motopropulseur, ce qui réduit encore la consommation de carburant. Les moteurs diesel développent plus de couple et à des régimes de vilebrequin inférieurs.
Il y avait quelques lacunes. En raison de la charge accrue sur les parois des cylindres, les concepteurs ont dû utiliser des matériaux plus fiables et augmenter la taille de la structure (augmentation du poids et augmentation des coûts de production). De plus, le fonctionnement du diesel Unité de puissance- fort en raison des caractéristiques d'inflammation du carburant. Et l'augmentation de la masse des pièces ne permet pas au moteur de se développer haut régimeà la même vitesse que les moteurs à essence, et la vitesse maximale du vilebrequin est inférieure à celle des moteurs à essence.
Type de moteur à combustion interne par conception
Groupe motopropulseur hybride
Ce type de voiture a commencé à gagner en popularité en dernières années. En raison de son efficacité en termes d'économie de carburant et d'augmentation de la puissance globale du véhicule en combinant deux types d'unités. Essentiellement, cette conception se compose de deux unités distinctes : un petit moteur à combustion interne (le plus souvent diesel) et un moteur électrique (ou plusieurs moteurs électriques) avec batterie grande capacité.
Les avantages de la combinaison s'expriment dans la possibilité de combiner l'énergie de deux unités lors de l'accélération, ou dans l'utilisation de chaque type de moteur séparément, selon les besoins. Par exemple, lorsque vous conduisez dans un embouteillage en ville, seul le moteur électrique peut fonctionner, économisant ainsi du carburant diesel. Lors de la conduite sur des routes de campagne, le moteur à combustion interne fonctionne comme une unité plus durable et plus puissante avec une plus grande réserve de marche.
Dans le même temps, une batterie spéciale pour moteurs électriques peut être rechargée à partir d'un générateur ou à l'aide d'un système de récupération de freinage, ce qui permet d'économiser non seulement du carburant, mais également l'électricité nécessaire pour charger la batterie.
Moteur à piston rotatif
Le moteur à piston rotatif est construit selon design unique le mouvement du piston-rotor, qui se déplace à l'intérieur du cylindre non pas selon un chemin alternatif, mais autour de son axe. Ceci est obtenu grâce à la conception triangulaire spéciale du piston et à la disposition spéciale des orifices d'entrée et de sortie dans le cylindre.
Grâce à cette conception, le moteur prend rapidement de la vitesse, ce qui augmente caractéristiques dynamiques voiture. Mais avec le développement de la conception classique des moteurs à combustion interne, le moteur Wankel a commencé à perdre de sa pertinence en raison de limitations de conception. Le principe du mouvement du piston ne permet pas d'atteindre un degré élevé de compression du mélange carburé, ce qui exclut l'utilisation de carburant diesel. Et une petite ressource, une complexité d'entretien et de réparation, ainsi qu'une faible indicateurs environnementaux ne permettent pas aux constructeurs automobiles de développer cette direction.
Types d'unités de puissance par disposition
En raison de la nécessité de réduire le poids et les dimensions, ainsi que de placer un plus grand nombre de pistons dans une seule unité, cela a conduit à l'émergence de différents types de moteurs en fonction de leur disposition.Moteurs en ligne
Le moteur en ligne est la version la plus classique du groupe motopropulseur. Dans lequel tous les pistons et cylindres sont disposés sur une seule rangée. Dans le même temps, les moteurs en ligne modernes ne contiennent pas plus de six cylindres. Mais ce sont les six cylindres moteurs en ligne, ont les meilleures performances en matière d’équilibrage des vibrations pendant le fonctionnement. Le seul point négatif est la longueur importante du moteur par rapport aux autres configurations.
Moteurs bicylindres en V
Ces moteurs sont apparus à la suite de la volonté des concepteurs de réduire la taille des moteurs et de la nécessité de placer plus de six pistons dans un seul bloc. Dans ces moteurs, les cylindres sont situés dans des plans différents. Visuellement, la disposition des cylindres forme la lettre « V », d'où le nom. L'angle entre les deux rangées est appelé angle de cambrure et varie selon large éventail, diviser ce type moteurs en sous-groupes.
Moteurs Boxer
Moteur Boxer, j'ai angle maximal cambrure de 180 degrés. Cela a permis aux concepteurs de réduire la hauteur de l'unité à tailles minimales, et répartissez la charge sur vilebrequin, augmentant sa ressource.
Moteurs VR
Il s'agit d'une combinaison des propriétés des unités en ligne et en forme de V. L'angle de carrossage de ces moteurs atteint 15 degrés, ce qui permet l'utilisation d'une seule culasse avec un seul mécanisme de distribution de gaz.
Moteurs W
L’un des plus puissants et « extrêmes » conceptions de moteurs à combustion interne. Ils peuvent avoir trois rangées de cylindres avec un grand angle de cambrure, ou deux blocs VR combinés. Aujourd'hui, les moteurs à huit et douze cylindres se sont répandus, mais leur conception permet l'utilisation d'un plus grand nombre de cylindres.
Caractéristiques d'un moteur à combustion interne
Après avoir parcouru de nombreuses informations sur diverses voitures, toute personne intéressée verra certains paramètres de base du moteur :La puissance du groupe motopropulseur, mesurée en ch. (ou kWh);
Le couple maximal développé par le groupe motopropulseur, mesuré en N/m ;
La plupart des passionnés de voitures divisent les groupes motopropulseurs uniquement par puissance. Mais cette division n'est pas tout à fait correcte. Bien sûr, une unité de 200 « chevaux », préférable au moteur 100 "chevaux" sur un crossover lourd. Et pour une berline citadine légère, un moteur de 100 chevaux suffit. Mais il y a quelques nuances.
Puissance maximum, spécifié dans documentation technique, est atteint à certaines vitesses de vilebrequin. Mais lorsqu'il utilise une voiture en conditions urbaines, le conducteur fait rarement tourner le moteur au-dessus de 2 500 tr/min. Par conséquent, plus la machine fonctionne longtemps, seule une partie de la puissance potentielle est utilisée.
Mais il y a souvent des cas sur la route. Lorsqu'il est nécessaire d'augmenter fortement la vitesse pour dépasser ou pour éviter situation d'urgence. C'est le couple maximum qui affecte la capacité de l'unité à atteindre rapidement la vitesse et la puissance requises. Pour faire simple, le couple affecte la dynamique de la voiture.
Il convient de noter la légère différence entre les moteurs essence et diesel. Le moteur fonctionne à l'essence - produit un couple maximal à des régimes de vilebrequin de 3 500 à 6 000 par minute, et moteurs diesel peut atteindre des paramètres maximaux à des vitesses inférieures. C'est pourquoi cela semble à beaucoup. Que les unités diesel sont plus puissantes et tirent mieux. Mais la plupart des unités les plus puissantes utilisent carburant essence, car ils sont capables de développer un nombre de tours par minute plus élevé.
Et pour une compréhension détaillée du terme couple, vous devriez regarder ses unités de mesure : Newtons multipliés par mètres. En d’autres termes, le couple détermine la force avec laquelle le piston pousse sur le vilebrequin, qui à son tour transmet la puissance à la transmission, et finalement aux roues.
Nous pouvons également mentionner la technologie puissante, dans laquelle le couple maximal peut être atteint à une vitesse de 1 500 tours par minute. Il s’agit principalement de tracteurs, de puissants camions-bennes et de certains véhicules tout-terrain diesel. Naturellement, ces machines n'ont pas besoin de faire tourner le moteur jusqu'aux valeurs de vitesse maximales.
Sur la base des informations fournies, nous pouvons conclure que le couple dépend du volume du groupe motopropulseur, de ses dimensions, des dimensions des pièces et de leur poids. Plus tous ces éléments sont lourds, plus le couple est dominant à bas régime. Les unités diesel ont un couple plus élevé et des régimes de vilebrequin plus faibles (la plus grande inertie du vilebrequin lourd et des autres éléments ne permet pas le développement de régimes élevés).
Puissance du moteur de voiture
Il convient de reconnaître que la puissance et le couple sont des paramètres interdépendants qui dépendent l’un de l’autre. La puissance est une certaine quantité de travail produit par un moteur au fil du temps. À son tour, le travail du moteur est le couple. Par conséquent, la puissance est caractérisée comme la quantité de couple par unité de temps.Il existe une formule bien connue caractérisant le rapport puissance/couple :
Puissance = couple * tr/min / 9549
En conséquence, nous obtenons la valeur de puissance en kilowatts. Mais naturellement, lorsqu'on regarde les caractéristiques des voitures, on est plus habitué à voir des indicateurs en « ch ». Pour convertir des kilowatts en chevaux. vous devez multiplier la valeur résultante par 1,36.
