Виды двигателей внутреннего сгорания
Виды двигателей внутреннего сгорания
Мало кто знает, что двигатель внутреннего сгорания был изобретён ещё 5 веков назад, легендарным инженером и конструктором Леонардо да Винчи. Но, после первого чертежа потребовалось ещё 300 лет, чтобы были созданы первые прототипы, которые могли полноценно работать.
Виды двигателей
Первый полноценный прототип двигателя внутреннего сгорания был сконструирован в далёком 1806 году, который принадлежал братьям Ньепсье. После этого важного исторического факта было недолгое затишье.
Но, в конце 19 века три легендарным немца положили старт автомобилестроению — Николас Отто, Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. После этого двигатели внутреннего сгорания получили много модификаций и вариантов, которые используются по сегодняшний день.
Рассмотрим, какие существуют виды автомобильных ДВС, а также укажем типы двигателей:
- Паровая машина
- Бензиновый двигатель
- Карбюраторная система впрыска
- Инжектор
- Дизельные двигатели
- Газовый двигатель
- Электрические моторы
- Роторно-поршневые ДВС
Паровая машина
Первым представителем полноценного двигателя внутреннего сгорания следует считать паровую машину, которая устанавливалась на все транспортные средства 19 века, до момента изобретения остальных видов моторов.
На то время паровыми движками оснащались паровозы, автомобили и даже примитивные трёхколёсные самоходные машины (напоминающие мотоциклы). Изобретение такого класса завоевало весь мир, но к концу 19 — начало 20 века стало неэффективное, поскольку транспортные средства на пару не могли развивать достаточно большую скорость.
Бензиновый двигатель
Бензиновый двигатель — это ДВС средством питания, которого является бензин. Горючее подаётся с топливного бака при помощи насоса (механического или электрического) на систему впрыска. Итак, рассмотрим, какие бывают типы бензиновых моторов:
- С карбюратором.
- Инжекторного типа.
Современный мир привык, что большинство автомобилей имеет электронную систему впрыска топлива (инжектор).
Карбюраторная система впрыска
Карбюратор — это тип впрыскового устройства горючего во впускной коллектор с дальнейшим распределением по цилиндрам. Первый примитивный карбюратор был разработан в Германии ещё в конце 19 века и имеет почти 100 летнюю историю развития.
Карбюраторы бывают — одно-, двух-, четырех- и шестикамерные. Кроме этого существует достаточно много прототипов.
Принцип работы карбюратора достаточно простой: бензонасос подаёт топливо в поплавковую камеру, где бензин проходит сквозь жиклёры механическим путём (количество впрыскиваемого топлива регулирует водитель при помощи педали акселератора), и подаётся во впускной коллектор. Недостатком карбюратора стало то, что он чувствительный к регулировкам, а также не соответствует экологическим международным нормам.
Инжектор
Инжекторный двигатель — это тип впрыскового устройства горючего в цилиндры двигателя. Инжекторный впрыск бывает моно и разделённым Данная система на сегодняшний день все больше совершенствуется, чтобы уменьшит выбросы СО2 в атмосферу. Для впрыска используются форсунки, которые ещё ранее начали использоваться на дизельных двигателях.
С переходом на данную систему транспортные средства стали оснащать электронными блоками управления двигателем, чтобы корректировать состав воздушно-топливной смеси, а также сигнализировать о неисправностях внутри системы.
Дизельные двигатели
Дизельный мотор — это вид двигателя, который расходует как горючее дизельное топливо. Основные системы и элементы движка идентичны бензиновому брату, различие состоит в системе впрыска и воспламенении смеси. В дизельном моторе отсутствуют свечи зажигания, поскольку воспламенение смеси от искры не нужно.
На моторах такого типа устанавливаются свечи накала, которые разогревают воздух в камере сгорания, который превышает температуру воспламенения. После этого через форсунки подаётся распылённое топливо, которое сгорает, чем создаёт достаточное давление для привода в движения поршня, который раскручивает коленчатый вал.
Дизель с турбонаддувом
Одним из подвидов дизельного ДВС считается турбодизель. На этом моторе установлена турбина, которая имеет вид улитки. При помощи турбины в мотор подаётся больше количество сжатого воздуха, который даёт больше детонационный эффект, за счёт чего движок можно быстрее разогнать.
Газовый двигатель
Газовые двигатели на сегодняшний день в автоиндустрии в чистом виде почти не используются, поскольку частые поломки моторов, стали причиной полного отказа от них. Вместо этого, газовые установки зачастую можно встретить на бензиновых автомобилях, что значительно экономит расход денег на горючее.
Газ с баллона подаётся на редуктор, который распределяет топливо по цилиндрам, а затем горючее попадает непосредственно в камеры сгорания. После этого с помощью свечей зажигания газ воспламеняется. Единственным недостатком использования газовой установки считается то, что мотор теряет 20% своего потенциального ресурса.
Электрические моторы
Николас Тесла впервые предложил использовать для автомобилей электроэнергию. Электрические моторы на сегодняшний день не распространены, поскольку заряда батареи хватает только до 200 км пути, а заправочных станций, которые могут предоставить услугу зарядки автомобиля — практически нет.
Известная мировая компания, производитель электрических автомобилей «Тесла» продолжает совершенствовать электродвигатели, и каждый год дарит потребителям новинки, которые имеют больший запас хода без дозарядки.
Гибриды
Наверное, самые желаемые двигатели на сегодняшний день. Это смесь бензинового двигателя внутреннего сгорания и электромотора. Существует несколько вариантов работы такого движка.
- Мотор может работать на попеременном питании. Сначала движение производится на бензине, пока генератор заряжает батарею, а затем водитель может переключиться на электропитание.
- Двигатель и электромотор работают одновременно, что помогает сэкономить расход горючего на одно, и тоже расстояние с другими типами ДВС.
Роторно-поршневые ДВС
Роторно-поршневой силовой агрегат в автомобилестроении не нашёл широкого распространения, хотя можно встретить модели автомобилей, которые используют такой тип ДВС. Предложил создание такого мотора — конструктор Ванкель.
Движение осуществляется за счёт вращения трёхзубчатого ротора, который позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Данный мотор активно использовался в 80-е годы 20 ст.
Водородный мотор
НОУ-ХАУ современного мира считается водородный двигатель. В автомобиль устанавливается установка водородного типа. Отличие от бензиновых моторов заключается в подаче топлива. Если у бензина топливо подаётся вовремя возврата поршня к ВТМ, то у водородного силового агрегата в момент, когда поршень возвращается к НТМ.
В будущем планируется создать водородный двигатель закрытого типа, когда не будет требоваться выброс отработанных газов, а также на 500 км автолюбитель сможет забить о заправке автомобиле.
Стоит понимать, что автомобили с таким мотором будут стоить весьма не дёшево, пока они полностью не вытеснят бензинового брата.
Вывод
Двигатели внутреннего сгорания имеют достаточно большое количество видов и типов, на любой вкус. Так, самыми популярными, по мировой статистике, считают бензиновые, дизельные и гибридные силовые агрегата. Но, все движется к тому, что человек хочет отойти от использования бензина и его аналогов и перейти полностью на электрику.
Принцип работы ДВС и его основные компоненты
У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая.
Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.
История разработки автомобильного двигателя
В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение». Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.
В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.
Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.
Типы автомобильных двигателей
Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.
Классификация двигателей автомобиля:
- Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
- Бензиновые двигатели. Они бывают карбюраторными и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и карбюраторов. Работают такие моторы на бензине.
- Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.
Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания
Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.
1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и головки блока цилиндров.
2. Поршень, являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.
3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.
4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.
Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала топливо попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем свеча зажигания выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).
Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.
Закат эпохи бензиновых и дизельных автомобилей
Чтобы изменение климата не привело к катастрофе, нужны срочные меры. Согласно докладу, который ООН выпустила в 2018 году, в ближайшие десять лет мы должны вдвое сократить выбросы парниковых газов.
К сожалению, наша цивилизация реагирует на эту угрозу слишком медленно, а в некоторых сферах мы даже усугубляем ситуацию. И одна из таких сфер — транспорт.
Около 15,55 % выбросов парниковых газов в мире связано с транспортом, а, к примеру, в Евросоюзе — целых 27 %. В России доля выбросов транспорта меньше — 12 %. Но последние десять лет объём транспортных выбросов в нашей стране непрерывно растёт. С 1990 года транспортные выбросы по всему миру выросли на 71 %, и три четверти из них приходятся на автотранспорт.
В 2018 году Greenpeace выпустил доклад о том, что для создания экологически устойчивой транспортной системы правительства европейских стран должны запретить продажу новых бензиновых и дизельных автомобилей к 2028 году.
А сегодня мы представляем вам карту, на которой можно узнать, насколько разные страны и отдельные города приблизились к отказу от машин с двигателем внутреннего сгорания.
Что это за карта?
Перед вами — визуализация данных, собранных в разных странах. Она наглядно показывает, власти каких стран и городов предпринимают меры, чтобы убрать машины с двигателем внутреннего сгорания со своих улиц, и что это за меры.
Мы постарались отразить на ней то, что меры могут быть самыми разными. В некоторых городах запрещены машины с определёнными типами двигателей (например, в Париже). В других — машинам запрещён въезд в определённые районы городов (как в британском Рединге).
Это не исчерпывающий список. Наша карта будет развиваться: она будет обновляться по мере того, как всё больше стран и городов будут предпринимать меры.
Как работает карта?
Страны на карте окрашены тремя цветами. Серым отмечены те, правительства которых вообще не объявили даты отказа от машин с двигателем внутреннего сгорания. Зелёным — страны, которые объявили дату раньше 2030 года. Жёлтым — позднее 2030 года.
Точками на карте отмечены все города, власти которых наложили ограничения на использование машин с двигателем внутреннего сгорания или объявили даты отказа, не связанные с решениями национальных правительств. В зависимости от цвета точки, это может быть ограничение по экологическому классу, платный въезд или даже запрет на передвижение автомобилей. Города, которые не планируют подобных мер, не представлены на этой карте.
К примеру, Великобритания объявила, что планирует отказаться от машин с двигателем внутреннего сгорания к 2040 году, поэтому вся страна окрашена в жёлтый цвет. Но на карте отмечены только те британские города, которые ввели локальные меры по ограничению бензиновых и дизельных машин, поэтому на ней нет, скажем, Манчестера.
Чтобы увидеть подробную информацию по стране или городу, нужно кликнуть по ним. Данные появятся во всплывающем окне.
Почему мы создали эту карту?
Бензиновые и дизельные двигатели угрожают не только климату. Их выбросы также опасны для здоровья людей: они значительно повышают шансы развития астмы и других респираторных заболеваний, особенно у детей и пожилых. По данным Университетской клиники Майнца, загрязнение воздуха убивает 8,8 млн человек в год (больше, чем курение табака).
«Безопасного» уровня загрязнения воздуха не существует, и любое повышение концентрации вредных веществ в воздухе увеличивает риск серьёзного вреда здоровью. Чтобы справиться с этой угрозой, власти городов по всему миру должны убрать с улиц машины с двигателем внутреннего сгорания, и это уже происходит во многих странах.
Наносить результаты их усилий на карту важно по двум причинам. Во-первых, это демонстрирует, насколько быстро мир вокруг нас избавляется от машин с двигателем внутреннего сгорания. Во-вторых, это подталкивает власти и жителей других городов ставить себе ещё более амбициозные цели.
Активисты Greenpeace призвали европейских транспортных министров, встреча которых проходила 6 июня в Люксембурге, не разрушать климат
Что дальше?
Чтобы решить проблему изменения климата и защитить здоровье людей от вредных выбросов, мы должны избавиться от бензиновых и дизельных машин. Но нельзя менять их на такое же количество электрических. По прогнозам правительства Великобритании, в таком случае загруженность дорог возрастёт на 51 %, так как более низкая стоимость использования электромобилей будет стимулировать людей чаще садиться за руль.
Вместо этого нужно развивать города так, чтобы у людей было меньше необходимости в личном автомобиле. Для этого нужны совершенствовать общественный транспорт, создавать инфраструктуру для пешеходов и велосипедистов, поощрять использование каршеринга. Нужно строить города для людей, а не для машин.
Эти меры хорошо известны и многие города движутся в этом направлении уже несколько десятилетий. Но в условиях климатического кризиса нужно действовать намного быстрее.
В январе 2019 года администрации Москвы и Санкт-Петербурга объявили о введении зон с ограничением движения транспорта с экологическим классом ниже «Евро-4». Данные меры, направленные на снижение загрязнения воздуха в крупных городах предложил президентский Совет по правам человека. Однако детальные планы пока не представлены.
Мы призываем администрации Москвы и Санкт-Петербурга ввести ограничения на неэкологичный транспорт с 2020 года и предоставить план расширения этой зоны (как по классам «Евро», так и по территории) и введения новых ограничительных мер. При этом внедрять ограничения нужно вместе с развитием общественного транспорта, пешеходной и велосипедной инфраструктуры. Это приведёт к значительному снижению загрязнения воздуха. По оценке Национального центра транспортных исследований (НИИ автомобильного транспорта), в Москве эти меры позволят к 2030 году снизить выбросы на треть.
Блог и карта подготовлены в рамках международного проекта Greenpeace Clean Air Now. Создание карты — Василий Яблоков и Адриан Фернандес, русская версия текста — Константин Фомин, экспертиза — Василий Яблоков и Рашид Алимов, инфографика — Елена Макурина.
«Мы на скорости сталкиваем автомобили и по фото разлетающихся обломков изучаем, как устроен двигатель»
Никита Казеев, кандидат компьютерных наук, PhD in Physics и научный сотрудник лаборатории LAMBDA, работает в ЦЕРН. Для портала Вышки он рассказал, как защитился в двойной аспирантуре (в НИУ ВШЭ и в итальянском Римском университете), на что похожа наука в Женеве и почему нужно непременно общаться с коллегами.
О двойной аспирантуре
С моим вышкинским научным руководителем Андреем Устюжаниным мы познакомились в Яндексе, когда я учился в Школе анализа данных. Меня пригласили на стажировку в его группу, которая занималась машинным обучением для физики высоких энергий в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). С моим научным руководителем в Риме я познакомился при достаточно необычных обстоятельствах. Коллайдер работает круглосуточно, и у ученых, приезжающих в ЦЕРН, бывают дежурства. Они проходят восьмичасовыми сменами, на которых ученые следят за тем, как проходят эксперименты. Во время одного такого дежурства мы с Барбарой Шашей и познакомились, а в дальнейшем она пригласила меня в лабораторию INFN Frascati.
В России я работаю в лаборатории LAMBDA. Ее основные направления исследований основываются на том, что за последние десять лет методы машинного обучения совершили качественный рывок. Их можно использовать не только для уже рутинных задач, например, чтобы отличать котов от собак на фотографиях в социальных сетях, но и для более нетривиальных: делать открытия в естественных науках. Флагманским направлением работы лаборатории является сотрудничество с экспериментом LHCb в ЦЕРНе, в рамках которого я и работал над диссертацией. Кроме этого, в лаборатории оптимизировали конструкцию детектора SHiP, строили маневры уклонения космических аппаратов, предложили новую оптимизацию черных ящиков на ведущей конференции NeurIPS, а с 2015-го года проводят регулярную летнюю школу по машинному обучению.
Конечно, процесс обучения на программе двойной аспирантуры не был беспроблемным: например, в Римском университете, в отличие от Вышки, не было возможности защищаться по статьям, и пришлось писать полноценную кандидатскую, дополненную по классическим стандартам методичкой по машинному обучению и устройству эксперимента LHCb. Они считают, что хороший исследователь должен уметь рассказывать о своих результатах максимально далекому от них читателю. Кроме того, во ВШЭ были свои особенности с документооборотом, и в итоге итальянским руководителям пришлось отправлять бумажные отзывы на диссертацию по почте. С другой стороны, в Риме детально ознакомились с моей работой, задавали правильные и интересные вопросы. А еще благодаря этой аспирантуре я увеличил свой запас итальянских слов с 5 до 15.
Пандемия на мою работу особенно не повлияла: в ЦЕРНе традиционно работают удаленно из-за большого количества сотрудников в разных странах. С итальянской группой я общался постоянно, когда работал над совместным с ними проектом, а до пандемии в Риме я пробыл в сумме меньше месяца, так основным местом работы для всех был ЦЕРН в Женеве. Планировалось, что на защиту в Москве соберутся все руководители и члены комиссии, но от этой идеи пришлось отказаться.
О проектах
Если говорить грубо, то наука на Большом адронном коллайдере похожа на следующее: мы на огромной скорости сталкиваем автомобили и по фотографиям разлетающихся обломков изучаем, как устроен двигатель. Прежде чем начинать делать выводы о физике, необходимо определить типы деталей на фотографиях. Моя работа как раз посвящена определению типов частиц в детекторе с помощью машинного обучения. Всего в диссертацию вошли четыре задачи.
Первая – это глобальная идентификация частиц. Разные компоненты детектора собирают разную информацию о пролетающих через них частицах. Если возвращаться к примеру с автомобилями, то мы как будто используем камеры под разными ракурсами с разными светофильтрами для съемки «столкновения». Полученная информация дает нам возможность понять, какого типа была частица. Для решения этой задачи мы разработали алгоритм на основе машинного обучения (CatBoost), который справляется с этой задачей лучше, чем предыдущее решение, основанное на простой нейросети.
Вторая задача – это идентификация мюонов. Среди других заряженных частиц мюоны особенно интересны тем, что обладают большой проникающей способностью – они могут пройти через калориметры и железные листы поглотителей. Мы разработали алгоритм, который может быстро определять, была ли частица мюоном.
Еще один проект – использование машинного обучения на зашумленных данных. Во время работы над задачей мюонной идентификации мы столкнулись с некоторой проблемой. Наши алгоритмы обучались по реальным, не синтетическим, данным, и их разметка была неточной – не все частицы, которые идентифицировались как мюоны, на самом деле были мюонами. Но для каждой их них мы знали вероятность того, что разметка ошибочна. Мы разработали метод, позволяющий обучать алгоритмы машинного обучения на подобных данных. Так как зашумленные данные используются не только в физике, но и в большинстве применений машинного обучения в реальном мире, потому сейчас мы активно ищем, где еще приходится работать с подобной моделью шума – если вы это читаете и у вас есть подходящие данные, то напишите мне.
Кроме того, я занимаюсь задачей быстрой симуляции черенковских детекторов. Для того, чтобы создавать и валидировать алгоритмы, анализирующие данные с детектора, требуются симулированные данные. Для этого с помощью специальной компьютерной программы мы сталкиваем виртуальные частицы на виртуальном детекторе. В результате такого эксперимента мы имеем точную информацию о том, что на самом деле происходило. Проблема симулированных данных состоит в том, что они требуют больших вычислительных ресурсов – около одной секунды на одно событие, а требуется этих событий десятки миллионов. Я построил алгоритм на основе генеративно-состязательных сетей (GAN), который моделирует отклик детектора на пролетающие через него частицы: такой подход на два-три порядка быстрее описанной ранее симуляции.
Почти все эти проекты интересны тем, что они служат для фундаментальных исследований.
Заранее мы не знаем, какую новую физику откроем, как и когда она может пригодиться
Это может звучать немного грустно, но по факту все наоборот: из чистого научного любопытства человечество уже обрело электричество, радиоволны, полупроводники и многие другие достижения, которые нас окружают. Ну и из очевидной пользы, помимо применений в конкретном эксперименте LHCb, разработанные методы могут лечь в основу алгоритмов для других физических экспериментов.
О дистанционной защите
Изначально защита планировалась как большой праздник, на который съедутся иностранные члены комиссии и научные руководители, но из-за пандемии этого не получилось. С другой стороны, онлайн-формат дал возможность поприсутствовать большому количеству моих друзей, далеко не все из которых смогли бы лично приехать. Мы рассматривали вариант, при котором желающие смогут собраться очно, а остальные – подключиться онлайн, но так сделать не получилось. Также была даже идея провести защиту в посольстве Италии, но, опять же, пандемия внесла свои коррективы.
Сама защита прошла предсказуемо и по плану – все члены комиссии заранее прислали отзывы. Я был приятно удивлен качеством обсуждения, вопросов и предложений. Саму защиту отметили фуршетом и камерной ролевой игрой.
В заключение хотелось бы сказать, что главное – не опускать руки, когда планы нарушаются (спасибо пандемии), любить свою работу и не упускать общение с коллегами. Как знать, вдруг рядом с вами сейчас сидит ваш будущий научный руководитель?
