内燃機関装置
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内燃エンジンは一世紀の間、オートバイ、自動車、トラックで使用されてきました。 今までのところ、それは最も経済的なタイプのモーターのままです。 しかし、多くの人にとって、内燃機関の動作原理と装置は不明確なままです。 モーターの構造の主な複雑さと詳細を理解してみましょう。
📌定義と一般的な機能
内燃機関の重要な特徴は、外部媒体ではなく、作動チャンバー内で直接可燃性混合物を点火することです。 燃料が燃焼する瞬間に、結果として生じる熱エネルギーがモーターの機械部品の動作を引き起こします。
📌履歴の作成
内燃機関が登場する前は、自走車に外燃機関が搭載されていました。 そのようなユニットは、別のタンクで水を加熱することによって生成される蒸気圧から作動します。
そのようなエンジンの設計は特大で効果がありませんでした-設備の重量が大きいことに加えて、長距離輸送を克服するために、輸送機関は燃料（石炭または薪）を適切に供給する必要がありました。
この欠点を考慮して、エンジニアと発明者は重要な質問を解決しようとしました：燃料をパワーユニットの本体と組み合わせる方法。 ボイラー、水タンク、コンデンサー、蒸発器、ポンプなどの要素をシステムから削除する。 モーターの重量を大幅に削減できます。
現代の運転手になじみのある形の内燃機関の作成は徐々に行われました。 現代の内燃エンジンの出現につながった主なマイルストーンは次のとおりです。
- 1791 ジョンバーバーは、油、石炭、木材をレトルトで蒸留することによって機能するガスタービンを発明しました。 得られたガスは、空気と一緒に、コンプレッサーによって燃焼室に送り込まれた。 形成された加圧下の高温ガスをインペラのインペラに供給し、回転させた。
- 1794 ロバートストリートは液体燃料エンジンの特許を取得しています。
- 1799 油の熱分解の結果としてのフィリップルボンは発光ガスを受け取ります。 1801年、彼はそれをガスエンジンの燃料として使用することを提案しました。
- 1807 FrançoisIsaac de Rivaz-「エンジンのエネルギー源としての爆発性物質の使用」に関する特許。 開発を基に、「自走クルー」を作成。
- 1860 エティエンヌレノアは、照明用ガスと空気の混合を動力とする実行可能なモーターを作成することにより、初期の発明を開拓しました。 メカニズムは、外部電源からのスパークで動き始めました。 本発明は船に使用されたが、自走式車両には設置されなかった。
- 1861 アルフォンスボーデロシャは、点火前に燃料を圧縮することの重要性を明らかにしました。これは、XNUMXストローク内燃エンジンの動作理論（吸気、圧縮、膨張と放出を伴う燃焼）を作成するのに役立ちました。
- 1877 ニコラウスオットーが最初の12馬力XNUMXストローク内燃エンジンを製造。
- 1879 カールベンツはXNUMXストロークモーターの特許を取得しています。
- 1880年代。 Ogneslav Kostrovich、Wilhelm Maybach、およびGottlieb Daimlerは、内燃機関のキャブレターの改造を同時に開発し、大量生産に備えています。
ガソリン燃料エンジンに加えて、トリンクラーモーターは1899年に登場しました。 本発明は、ルドルフディーゼルの発明の原理に基づいて作動する別のタイプの内燃機関（非圧縮機高圧オイルエンジン）である。 長年にわたり、ガソリンとディーゼルの両方のパワーユニットが改善され、効率が向上しました。
📌内燃焼エンジンの種類
設計のタイプと内燃機関の動作の詳細によって、それらはいくつかの基準に従って分類されます。
- 使用される燃料の種類-ディーゼル、ガソリン、ガス。
- 冷却の原理によると-液体と空気。
- シリンダーの配置に応じて-インラインおよびV字型。
- 燃料混合物-キャブレター、ガス、インジェクション（混合気は内燃機関の外側の部分で形成されます）とディーゼル（内側の部分で）の調製方法によると。
- 混合燃料の着火の原理に基づく-強制着火と自己着火（ディーゼルユニットに典型的）。
エンジンは、設計と効率によっても区別されます。
- 作動チャンバーがシリンダー内に配置されているピストン。 そのような内燃機関はいくつかの亜種に分けられることを考慮する価値があります：
- キャブレター（キャブレターは濃縮された作動混合物を作成する責任があります）;
- 噴射（混合物はノズルを介して吸気マニホールドに直接供給されます）;
- ディーゼル（チャンバー内に高圧が発生するため、混合物の発火が起こります）。
- 回転ピストンは、プロファイルとともにローターが回転することにより、熱エネルギーが機械エネルギーに変換されることを特徴としています。 ローターの働きは、その動きが8区に似ており、ピストン、タイミング、クランクシャフトの機能を完全に置き換えます。
- ガスタービン。モーターは、ブレードに似たブレードを備えたローターを回転させることによって得られる熱エネルギーによって駆動されます。 タービンシャフトを駆動します。
その理論は、一見すると、はっきりしているようです。 次に、パワートレインの主なコンポーネントを見てみましょう。
📌ICEデバイス
ボディデザインには、次のコンポーネントが含まれます。
- シリンダーブロック;
- クランク機構;
- ガス分配メカニズム;
- 可燃性混合物の供給と点火、および燃焼生成物（排気ガス）の除去のシステム。
各コンポーネントの場所を理解するために、モーター構造図を検討してください。
番号6は、シリンダーが配置されている場所を示します。 これは、内燃エンジンの主要コンポーネントの7つです。 シリンダーの内側には、番号9で示されるピストンがあります。ピストンは、コネクティングロッドとクランクシャフト（図ではそれぞれ番号12と10で示されます）に取り付けられています。 シリンダー内でピストンを上下に動かすと、クランクシャフトの回転運動が引き起こされます。 チラーの端には、図の番号5に示すフライホイールがあります。これは、シャフトを均一に回転させるために必要です。 シリンダーの上部には、吸気ガスと排気ガスの混合ガス用のバルブがある高密度ヘッドが装備されています。 それらは番号XNUMXの下に表示されます。
バルブの開放は、番号14で指定されたカムシャフトカム、またはむしろその伝達要素（番号15）により可能になります。 カムシャフトの回転は、番号 13 で示されるクランクシャフト ギアによって提供されます。ピストンがシリンダー内で自由に動くとき、ピストンは XNUMX つの極端な位置を取ることができます。
適切なタイミングで燃料混合物を均一に供給しなければ、内燃エンジンの正常な動作を確保できません。 放熱のためのモーターの運転コストを削減し、駆動部品の早期摩耗を防ぐために、それらはオイルで潤滑されています。
📌内燃焼エンジンの原理
現代の内燃機関は、シリンダーの内部で点火された燃料とそれから発生するエネルギーで動作します。 ガソリンと空気の混合気が吸気バルブから供給されます（多くのエンジンでは、シリンダーごとにXNUMXつあります）。 同じ場所で、それが形成する火花のために発火します スパークプラグ... 微爆発の瞬間、作業室内のガスが膨張し、圧力が発生します。 KShMに取り付けられたピストンを動かします。
ディーゼルも同様の原理で機能し、燃焼プロセスのみが少し異なって開始されます。 最初に、シリンダー内の空気が圧縮され、加熱されます。 ピストンが圧縮ストロークでTDCに到達する前に、インジェクターは燃料を噴霧します。 熱風により、燃料は火花なしで自然に発火します。 さらに、プロセスはガソリンエンジンの改造と同じです。
KShMはピストングループの往復運動を回転に変換します クランクシャフト... トルクはフライホイールに行き、次に 機械式または自動変速機 そして最後に-駆動輪に。
ピストンが上下する過程をストロークと呼びます。 繰り返されるまでのすべての測定は、サイクルと呼ばれます。
XNUMXつのサイクルには、生成されたガスの膨張、放出とともに、吸引、圧縮、点火のプロセスが含まれます。
モーターにはXNUMXつの変更があります。
- XNUMXストロークサイクルでは、クランクシャフトがサイクルごとにXNUMX回回転し、ピストンが上下に動きます。
- XNUMXストロークサイクルでは、クランクシャフトはサイクルごとにXNUMX回回転し、ピストンはXNUMXつの完全な動きをします-下降、上昇、下降、上昇します。
📌XNUMXストロークエンジンの動作原理
ドライバーがエンジンを始動すると、スターターがフライホイールを動かし、クランクシャフトが回転し、KShMがピストンを動かします。 それがBDCに達して上昇し始めると、作動チャンバーはすでに可燃性混合物で満たされています。
ピストンの上死点で点火し、ピストンを下降させます。 さらに換気が行われます-排気ガスは、作動している可燃性混合気の新しい部分によって置換されます。 パージは、モーターの設計によって異なる場合があります。 変更のXNUMXつは、上昇時にサブピストンスペースに燃料と空気の混合気を充填し、ピストンが下降すると、シリンダーの作動室に押し込まれ、燃焼生成物を移動させます。
このようなモーターの変更では、バルブタイミングシステムはありません。 ピストン自体が入口/出口を開閉します。
このようなモーターは、排気ガスを混合気の別の部分で置き換えることにより、モーター内でガス交換が行われるため、低出力技術で使用されます。 作動混合気は排気とともに部分的に除去されるため、この変更は、XNUMXストロークアナログと比較して、燃料消費量が増加し、出力が低下するという特徴があります。
このような内燃機関の利点のXNUMXつは、サイクルあたりの摩擦が少ないことですが、同時に、より多く加熱されます。
📌XNUMXストロークエンジンの動作原理
ほとんどの自動車やその他の自動車には、XNUMXストロークエンジンが搭載されています。 ガス分配メカニズムは、作動混合物を供給し、排気ガスを除去するために使用されます。 これは、ベルト、チェーン、またはギアドライブによってクランクシャフトプーリーに接続されたタイミングドライブを介して駆動されます。
紡績 カムシャフト シリンダーの上にある吸気/排気バルブを上げ下げします。 このメカニズムは、可燃性混合物を供給し、排気ガスを除去するための対応するバルブの開放の同期を確実にします。
このようなエンジンでは、サイクルは次のように発生します（ガソリンエンジンなど）。
- エンジンを始動する瞬間、スターターはフライホイールを回し、クランクシャフトを駆動します。 入口バルブが開きます。 クランク機構がピストンを下げ、シリンダー内を真空にします。 混合気の吸入行程があります。
- ピストンは下死点から上方に移動して、燃料混合気を圧縮します。 これはXNUMX番目の手段である圧縮です。
- ピストンが上死点にあるとき、点火プラグは混合物に点火する火花を作成します。 爆発により、ガスが膨張します。 シリンダー内の過剰な圧力により、ピストンが下に移動します。 これはXNUMX番目のサイクルです-点火と膨張（または作動ストローク）。
- 回転するクランクシャフトがピストンを上向きに動かします。 この時点で、カムシャフトは、上昇するピストンが排気ガスを排出する排気バルブを開きます。 これはXNUMX番目のバー-リリースです。
📌内燃焼エンジンの補助システム
現代の内燃機関は独立して動作することができません。 これは、燃料がガスタンクからエンジンに供給され、適切なタイミングで点火する必要があり、エンジンが排気ガスで「窒息」しないように、燃料を適時に取り除く必要があるためです。
回転部品には一定の潤滑が必要です。 燃焼中に発生する温度の上昇により、エンジンを冷却する必要があります。 これらの付随するプロセスはモーター自体では提供されないため、内燃エンジンは補助システムと連動して機能します。
📌点火システム
この補助システムは、適切なピストン位置（圧縮行程のTDC）で可燃性混合物を適時に点火するように設計されています。 ガソリン内燃機関で使用され、次の要素で構成されています。
- 電源。 エンジンが停止しているとき、この機能はバッテリーによって実行されます（バッテリーが切れている場合の車の始動方法、 別記事）。 エンジン始動後、エネルギー源は генератор.
- 点火ロック。 電源から電気回路に電力を供給するために電気回路を閉じる装置。
- ストレージデバイス。 ほとんどのガソリン車には点火コイルが付いています。 このような要素がいくつかあるモデルもあります-スパークプラグごとにXNUMXつです。 バッテリーからの低電圧を高品質の火花を発生させるのに必要な高電圧に変換します。
- 点火のディストリビューターインタラプター。 キャブレターカーでは、これはディストリビューターであり、他のほとんどでは、このプロセスはECUによって制御されます。 これらの装置は、電気インパルスを適切な点火プラグに分配します。
📌紹介システム
燃焼には、燃料、酸素、着火源というXNUMXつの要素の組み合わせが必要です。 放電が適用された場合-点火システムの役割は、吸気システムがエンジンに酸素を供給して、燃料を点火できるようにすることです。
このシステムは以下で構成されています：
- 空気取り入れ口-きれいな空気を取り込む分岐管。 承認プロセスは、エンジンの変更によって異なります。 大気中のエンジンでは、シリンダー内に真空が形成されるため、空気が吸い込まれます。 ターボチャージャー付きモデルでは、このプロセスは、過給機ブレードの回転によって強化され、エンジン出力が向上します。
- エアフィルターは、ほこりや小さな粒子から流れを取り除くように設計されています。
- スロットルバルブは、モーターに入る空気の量を調整するバルブです。 これは、アクセルペダルを押すか、コントロールユニットの電子回路によって調整されます。
- インテークマニホールドは、XNUMXつの共通パイプに接続されたパイプのシステムです。 噴射式内燃機関では、上部にスロットルバルブが、各気筒に燃料噴射装置が取り付けられています。 キャブレターの改造では、キャブレターが吸気マニホールドに取り付けられ、そこで空気がガソリンと混合されます。
空気に加えて、シリンダーに燃料を供給する必要があります。 この目的のために、以下で構成される燃料システムが開発されました。
- 燃料タンク;
- 燃料ライン-ガソリンまたはディーゼル燃料がタンクからエンジンに移動するホースとパイプ。
- キャブレターまたはインジェクター（燃料を噴霧するノズルシステム）;
- 燃料ポンプ燃料をタンクからキャブレターまたは燃料と空気を混合するための他の装置にポンプで送ります。
- 残骸からガソリンまたはディーゼル燃料をきれいにする燃料フィルター。
今日、作動混合物がさまざまな方法でシリンダーに供給されるエンジンの多くの変更があります。 このようなシステムには次のものがあります。
- シングルインジェクション（キャブレター原理、ノズルのみ）;
- 分散噴射（シリンダーごとに個別のノズルが設置され、混合気はインテークマニホールドチャネルで形成されます）;
- 直接噴射（ノズルが作動混合物をシリンダーに直接スプレーします）;
- 複合注射（直接および分散注射の原則を組み合わせたもの）
📌潤滑システム
金属部品のすべての摩擦面は、冷却して摩耗を減らすために潤滑する必要があります。 この保護を提供するために、モーターには潤滑システムが装備されています。 また、金属部品を酸化から保護し、炭素堆積物を除去します。 潤滑システムは以下で構成されています：
- サンプ-エンジンオイルを含むリザーバー。
- 潤滑油がモーターのすべての部分に流れ込むことにより、圧力を生み出すオイルポンプ。
- モーターの作動から生じる粒子を捕獲するオイルフィルター;
- 一部の車には、エンジンの潤滑油をさらに冷却するためのオイルクーラーが装備されています。
📌排気システム
高品質の排気システムにより、シリンダーの作動チャンバーから排気ガスを確実に除去します。 現代の車には、次の要素を含む排気システムが装備されています。
- 高温の排気ガスの振動を減衰させる排気マニホールド。
- 排気ガスがマニホールドから排出される受け取りパイプ（排気マニホールドと同様に、耐熱金属で作られています）;
- 有害な要素から排気ガスを浄化する触媒。これにより、車両は環境基準に準拠できます。
- 共振器-メインマフラーよりわずかに小さい容量で、排気速度を下げるように設計されています。
- メインマフラー、その中には排気ガスの方向を変えて速度と騒音を減らす仕切りがあります。
📌冷却システム
この追加のシステムにより、モーターは過熱することなく動作できます。 彼女はサポートしています エンジン作動温度それが巻き上げられている間。 車が停止している場合でも、このインジケーターが限界を超えないように、システムは次の部分で構成されています。
- 冷却ラジエータークーラントと周囲空気の間の迅速な熱交換のために設計されたチューブとプレートで構成されています。
- たとえば、機械が渋滞していて、ラジエーターが十分に吹き出されていない場合に、より高い風量を提供するファン。
- 水ポンプ。これにより、冷却剤の循環が確保され、シリンダーブロックの高温の壁から熱が取り除かれます。
- サーモスタット-エンジンが動作温度まで暖まった後、バルブが開きます（トリガーされる前に、クーラントは小さな円で循環し、開いたときに液体がラジエーターを通過します）。
各補助システムの同期運転は、内燃機関のスムーズな運転を保証します。
📌エンジンサイクル
サイクルとは、単一のシリンダーで繰り返されるアクションを指します。 XNUMXストロークモーターには、これらの各サイクルをトリガーするメカニズムが装備されています。
内燃焼エンジンでは、ピストンがシリンダーに沿って往復運動（上下）を行います。 接続ロッドとそれに取り付けられたクランクは、このエネルギーを回転に変換します。 XNUMX回の動作中（ピストンが最低点から上部および後方に到達するとき）、クランクシャフトはその軸を中心にXNUMX回転します。
このプロセスが絶えず発生するためには、空気と燃料の混合物がシリンダーに入り、圧縮されて点火され、燃焼生成物も除去される必要があります。 これらの各プロセスは、クランクシャフトのXNUMX回転で行われます。 これらのアクションはバーと呼ばれます。 XNUMXつのストロークでそれらのXNUMXつがあります：
- 摂取または吸引。 このストロークで、混合気がシリンダーキャビティに吸い込まれます。 開いた吸気バルブから入ります。 燃料システムのタイプに応じて、ガソリンは吸気マニホールド内で、またはディーゼルエンジンなどのシリンダー内で直接空気と混合されます。
- 圧縮。 この時点で、吸気バルブと排気バルブの両方が閉じています。 クランクシャフトのクランキングによりピストンが上昇し、隣接するシリンダーで他のストロークを行うことによりピストンが回転します。 ガソリンエンジンでは、VTSは数気圧（10〜11）に圧縮され、ディーゼルエンジンでは20気圧以上に圧縮されます。
- 作業ストローク。 ピストンが最上部で停止した瞬間に、圧縮された混合物はスパークプラグからのスパークを使用して点火されます。 ディーゼルエンジンでは、このプロセスは少し異なります。 その中で、空気は非常に圧縮されているので、その温度はディーゼル燃料がそれ自体で発火する値に跳ね上がります。 燃料と空気の混合物の爆発が発生するとすぐに、放出されたエネルギーは行き場を失い、ピストンを下に動かします。
- 燃焼製品のリリース。 可燃性混合物の新しい部分でチャンバーを満たすために、点火の結果として形成されたガスを除去しなければならない。 これは、次のストロークでピストンが上がるときに発生します。 このとき、アウトレットバルブが開きます。 ピストンが上死点に達すると、別のシリンダーのサイクル（または一連のストローク）が閉じられ、プロセスが繰り返されます。
📌ICEの長所と短所
今日、自動車に最適なエンジンオプションはICEです。 このようなユニットの利点には、次のものがあります。
- 修理が簡単;
- 長期旅行の経済性 そのボリューム);
- 大きな作業リソース。
- 平均所得の運転手のためのアクセシビリティ。
理想的なモーターはまだ作成されていないため、これらのユニットにはいくつかの欠点もあります。
- ユニットと関連システムが複雑になるほど、メンテナンスのコストが高くなります（EcoBoostモーターなど）。
- 燃料供給システム、点火分配およびその他のシステムの微調整が必要であり、特定のスキルが必要です。そうしないと、エンジンが効率的に動作しません（またはまったく起動しません）。
- より多くの重量（電気モーターと比較して）;
- クランク機構の摩耗。
多くの車両に他のタイプのモーター（電気牽引による「クリーン」な車）を装備しているにもかかわらず、内燃機関はその可用性のために長い間競争力を維持します。 自動車のハイブリッドおよび電気バージョンが人気を集めていますが、そのような車両のコストとメンテナンスのコストのために、平均的な運転手はまだそれらを利用できません。
よくある質問：
内燃機関とは何ですか？ これは、閉じた燃焼室が設計に設けられているタイプのパワーユニットであり、熱エネルギーが生成され（燃料と空気の混合物の点火により）、機械的エネルギーに変換されます。
内燃機関を発明したのは誰ですか？ 世界初の内燃機関のサンプルは、1860年にフランスの発明家EtvenLenoirによって発見されました。 最初のXNUMXストローク内燃エンジンは、すべてのパワーユニットが完全に機能するスキームに従って、ニコラウスオットーによって発明されました。
エンジンは何でできていますか？ 最も単純なICEは、クランクコネクティングロッドシステム、シリンダーピストングループが取り付けられたシリンダーブロックで構成され、ブロックはガス分配メカニズム（カムシャフトとバルブ）を備えたシリンダーヘッド、吸気および排気システムで覆われています。燃料および点火システム。
