Descubre la estructura de un motor de combustión interna.
El motor de combustión interna es un tipo de máquina eléctrica. Es un motor térmico que quema combustible en la máquina y convierte directamente la energía térmica liberada en energía.
En términos generales, los motores de combustión interna incluyen no sólo los motores de combustión interna de pistones alternativos, los motores de pistones rotativos y los motores de pistones libres, sino también las turbinas de gas de impulsor rotativo y los motores a reacción. , pero los motores de combustión interna suelen referirse a motores de combustión interna de pistón.
El pistón alternativo es el motor de combustión interna de pistón más común. Un motor de combustión interna de pistón mezcla combustible con aire y lo quema en su cilindro. La energía térmica liberada hace que el cilindro produzca gas a alta temperatura y alta presión. La expansión del gas empuja el pistón para realizar trabajo y luego genera trabajo mecánico a través del mecanismo de biela del cigüeñal u otros mecanismos, impulsando la maquinaria impulsada para realizar trabajo.
La historia del desarrollo de los motores de combustión interna
Desde su aparición en la década de 1960, el motor de combustión interna de pistón se ha convertido en una máquina relativamente completa después de una mejora y un desarrollo continuos. Se utiliza ampliamente debido a su alta eficiencia térmica, amplio rango de potencia y velocidad, combinación conveniente y buena maniobrabilidad. Varios automóviles, tractores, maquinaria agrícola, maquinaria de construcción, pequeñas centrales eléctricas móviles y vehículos de combate en todo el mundo funcionan con motores de combustión interna. Los barcos mercantes marítimos, los barcos fluviales interiores y los barcos convencionales, así como algunos aviones pequeños, también son propulsados por motores de combustión interna. El número de motores de combustión interna ocupa el primer lugar en la maquinaria eléctrica del mundo y ocupa una posición muy importante en las actividades humanas.
El motor de combustión interna de pistón se originó a partir de la explosión de pólvora para obtener energía, pero no tuvo éxito porque la combustión de la pólvora era difícil de controlar. En 1794, un ciudadano británico propuso obtener energía a partir de la combustión de combustible y propuso por primera vez el concepto de mezclar combustible y aire. En 1833, el inglés Wright propuso un diseño que utilizaba directamente la presión de combustión para empujar el pistón para realizar trabajo.
Se propusieron diversos planes de motores de combustión interna, pero no se implementaron hasta mediados del siglo XIX. No fue hasta 1860 que el francés Lenoir imitó la estructura de una máquina de vapor y diseñó y fabricó el primer motor de gas práctico. Se trata de un motor de combustión interna de encendido por gas, sin compresión y con encendido eléctrico. Lenoir fue el primero en utilizar anillos de pistón elásticos en motores de combustión interna. La eficiencia térmica de este motor de gas es de aproximadamente el 4%.
Barnett del Reino Unido abogó una vez por comprimir la mezcla combustible antes de la ignición. Más tarde, alguien escribió un artículo sobre el importante papel de comprimir la mezcla combustible y señaló que la compresión puede mejorar en gran medida la eficiencia del lenoir interno. motor de combustión. En 1862, el científico francés Rosa analizó teóricamente el proceso térmico del motor de combustión interna y propuso la necesidad de mejorar la eficiencia del motor de combustión interna. Este fue el primer ciclo de trabajo de cuatro tiempos.
En 1876, el inventor alemán Otto fabricó con éxito el primer motor de combustión interna de cuatro tiempos, monocilíndrico, horizontal, de pistón alternativo y de 3,2 kW (4,4 CV), que todavía utilizaba gas como combustible y utilizaba ignición por llama. , velocidad 156,7 rpm, relación de compresión 2,66, eficiencia térmica 14. En ese momento, tanto la potencia como la eficiencia térmica eran las más altas.
El motor de combustión interna Otto se ha popularizado y sus prestaciones están mejorando. En 1880, la potencia de una sola máquina alcanzaba los 11~15 kW (15~20hp), y en 1893 se aumentó a 150 kW. A medida que aumenta la relación de compresión, también aumenta la eficiencia térmica. La eficiencia térmica fue del 15,5% en 1886 y alcanzó entre el 20 y el 26% en 1897. En 1881, el ingeniero británico Clark desarrolló con éxito el primer motor de gas de dos tiempos y lo exhibió en la Exposición de París.
Con el desarrollo del petróleo, la gasolina y el diésel, que son más fáciles de transportar y transportar que el gas, han atraído la atención de la gente. En primer lugar, se ha probado con gasolina volátil. En 1883, la empresa alemana Daimler fabricó con éxito el primer motor vertical de gasolina, que se caracterizaba por su peso ligero y su alta velocidad. En aquel momento, la velocidad de otros motores de combustión interna no superaba las 200 rpm, pero saltaba a 800 rpm, lo que era especialmente adecuado para las necesidades de la maquinaria de transporte. De 1885 a 1886, el motor de gasolina funcionó con éxito como fuente de energía para los automóviles, lo que impulsó en gran medida el desarrollo de los automóviles. Al mismo tiempo, el desarrollo de los automóviles ha impulsado el perfeccionamiento y perfeccionamiento de los motores de gasolina. Pronto, los motores de gasolina se utilizaron para impulsar los barcos.
En 1892, el ingeniero alemán Diesel se inspiró en las explosiones de polvo en los molinos harineros e imaginó comprimir fuertemente el aire aspirado en el cilindro para hacer que su temperatura excediera la temperatura de autoignición del combustible, y luego soplar el combustible en el cilindro con un cilindro de aire a alta presión, provocando que se encienda. Su primer motor de combustión interna de encendido por compresión (motor diésel) se desarrolló con éxito en 1897, abriendo un nuevo camino para el desarrollo de motores de combustión interna.
Los motores diésel comenzaron a intentar implementar el ciclo de Carnot en el motor de combustión interna para obtener la mayor eficiencia térmica, pero en realidad consiguieron una combustión aproximadamente isobárica con una eficiencia térmica del 26%. La aparición del motor de combustión interna de encendido por compresión ha despertado un gran interés en la industria de maquinaria mundial. El motor de combustión interna de encendido por compresión también recibe el nombre de motor diésel en honor a su inventor.
Este tipo de motor de combustión interna utilizará principalmente diésel como combustible en el futuro, por lo que también se le llama motor diésel. En 1898, el motor diésel se utilizó por primera vez en un grupo electrógeno estacionario. En 1903, se utilizó como fuente de energía para buques mercantes. En 1904, se instaló en barcos. Se fabricó una locomotora de combustión interna. Comenzó a utilizarse en automóviles y maquinaria agrícola hacia 1920.
Mucho antes del nacimiento del motor de combustión interna de pistón alternativo, la gente intentó construir un motor de combustión interna de pistón rotativo, pero todos fracasaron.
No fue hasta 1954 que Wankel, un ingeniero de la República Federal de Alemania, resolvió el problema del sellado y desarrolló un motor de pistón rotativo en 1957, llamado motor Wankel. Tiene un pistón giratorio aproximadamente triangular que gira dentro de un cilindro específicamente contorneado y funciona según el ciclo Otto. Este tipo de motor tiene las ventajas de alta potencia, tamaño pequeño, pequeña vibración, operación estable, estructura simple y fácil mantenimiento. Sin embargo, debido a su escasa economía de combustible, bajo par a baja velocidad y rendimiento de escape insatisfactorio, solo se utiliza en ciertos modelos.
Componentes de combustión interna
Los componentes del motor de combustión interna de pistón alternativo incluyen principalmente el mecanismo de biela del cigüeñal, el cuerpo y la culata del cilindro, el tren de válvulas, el sistema de suministro de aceite, el sistema de lubricación y la refrigeración. sistema y dispositivo de arranque.
Un cilindro es un componente metálico cilíndrico. El cilindro sellado es la fuente del ciclo de trabajo y la generación de energía. Cada cilindro con camisa está instalado en la carrocería y su extremo superior está cerrado con una culata. El pistón puede oscilar en la camisa del cilindro y sellar el cilindro desde la parte inferior del cilindro, formando así un espacio sellado con cambios regulares de volumen. En este espacio se quema combustible y la energía del gas generada impulsa el movimiento del pistón. El movimiento alternativo del pistón hace que el cigüeñal gire a través de la biela, y el cigüeñal genera potencia desde el extremo del volante. El mecanismo de biela del cigüeñal compuesto por un grupo de pistón, un grupo de biela, un cigüeñal y un volante es el componente principal del motor de combustión interna para transmitir potencia.
El grupo de pistones consta de un pistón, un segmento de pistón y un bulón de pistón. El pistón es cilíndrico y tiene anillos de pistón para sellar el cilindro cuando el pistón oscila. El anillo de pistón superior se llama anillo de gas y se utiliza para sellar el cilindro y evitar fugas de gas en el cilindro. El anillo inferior se llama anillo de aceite y se utiliza para raspar el exceso de aceite lubricante de la pared del cilindro para evitar que el aceite lubricante se escape al cilindro. El pasador del pistón es cilíndrico y penetra en los orificios del pasador en las cabezas pequeñas del pistón y la biela para conectar el pistón y la biela. El extremo grande de la biela está dividido en dos mitades, que están conectadas con el tornillo de la biela y el pasador del cigüeñal. Cuando la biela funciona, el extremo pequeño de la biela oscila con el pistón, el extremo grande de la biela gira alrededor del eje del cigüeñal con el pasador del cigüeñal y el cuerpo de la biela entre los extremos grande y pequeño de la biela funciona. movimientos de balanceo complejos.
La función del cigüeñal es convertir el movimiento alternativo del pistón en movimiento de rotación, y transferir el trabajo realizado por la carrera de expansión a través del volante instalado en el extremo trasero del cigüeñal. El volante puede almacenar energía para que las otras carreras del pistón funcionen normalmente y el cigüeñal gire a una velocidad constante. Para equilibrar la fuerza de inercia y reducir las vibraciones del motor de combustión interna, también se instala apropiadamente un contrapeso en el cigüeñal.
La culata está provista de una entrada y una salida de aire, y las válvulas de entrada y salida de aire están instaladas dentro de la culata. La carga nueva (aire o una mezcla de aire combustible y combustible) se carga en el cilindro a través del filtro de aire, el tubo de admisión, el conducto de admisión y la válvula de admisión. El gas expandido pasa a través de la válvula de escape, el tubo de escape, el tubo de escape y finalmente se descarga a la atmósfera a través del silenciador de escape. La apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape están controlados por las levas de admisión y escape en el árbol de levas a través de componentes de la transmisión como elevadores, varillas de empuje, balancines y resortes de válvula. Este conjunto de piezas se denomina tren de válvulas de un motor de combustión interna. Por lo general, el sistema de admisión y escape consta de un filtro de aire, un tubo de admisión, un tubo de escape y un silenciador de escape.
Para suministrar combustible a los cilindros, los motores de combustión interna están equipados con un sistema de suministro de combustible. El motor de gasolina mezcla aire y gasolina en una cierta proporción (relación aire-combustible) a través de un carburador instalado en el extremo de entrada del tubo de admisión, y luego lo envía al cilindro a través del tubo de admisión, donde se enciende mediante una chispa controlada. por el sistema de encendido del motor de gasolina a intervalos regulares. El combustible del motor diésel se inyecta en la cámara de combustión a través del sistema de inyección de combustible del motor diésel y se enciende espontáneamente a alta temperatura y presión.
La combustión de combustible en el cilindro de un motor de combustión interna hace que el pistón, la camisa del cilindro, la culata y la válvula generen calor y aumenten la temperatura. Para garantizar el funcionamiento normal del motor de combustión interna, los componentes anteriores deben funcionar a la temperatura permitida y no dañarse por sobrecalentamiento, por lo que se debe equipar un sistema de refrigeración.
El motor de combustión interna no puede cambiar automáticamente de un estado detenido a un estado en funcionamiento y debe depender de una fuerza externa para girar el cigüeñal y arrancar. Este dispositivo que genera fuerza externa se llama dispositivo de arranque. Los métodos comúnmente utilizados incluyen arranque eléctrico, arranque con aire comprimido, arranque de motor de gasolina y arranque manual.
El ciclo de trabajo de un motor de combustión interna consta de admisión, compresión, expansión de combustión, escape y otros procesos. Entre estos procesos, solo el proceso de expansión es un proceso de trabajo externo, y se necesitan otros procesos para realizar mejor el proceso de trabajo. Según el número de carreras para lograr un ciclo de trabajo, el ciclo de trabajo se puede dividir en dos categorías: cuatro tiempos y dos tiempos.
Cuatro tiempos se refiere a completar un ciclo de trabajo en los cuatro tiempos de admisión, compresión, expansión y escape, durante el cual el cigüeñal gira dos veces. Durante la carrera de admisión, la válvula de admisión se abre y la válvula de escape se cierra. El aire que fluye a través del filtro de aire, o la mezcla combustible formada por el carburador y la gasolina, ingresa al cilindro a través del tubo de admisión y la válvula de admisión durante la carrera de compresión, el gas en el cilindro se comprime, la presión aumenta y la temperatura; sube; la carrera de expansión es para inyectar combustible o encender antes del punto muerto superior de compresión para quemar la mezcla, generar alta temperatura y alta presión, y empujar el pistón hacia abajo para realizar el trabajo durante la carrera de escape, el pistón empuja el gas de escape; en el cilindro para ser descargado a través de la válvula de escape. Después de eso, el siguiente ciclo de trabajo comenzará desde la carrera de admisión.
Dos tiempos se refiere a completar un ciclo de trabajo en dos tiempos, durante los cuales el cigüeñal gira una vez. Primero, cuando el pistón está en el punto muerto inferior, se abren tanto la entrada como la salida de aire, se carga nueva carga en el cilindro desde la entrada de aire y los gases de escape del cilindro se barren y descargan del aire. salida, luego el pistón se mueve hacia arriba y se aspira aire. El puerto y el puerto de escape se cierran y la carga en el cilindro comienza a comprimirse hasta que el pistón se acerca al punto muerto superior, lo que provoca que se queme la mezcla combustible en el cilindro.
Luego, la expansión del gas en el cilindro empuja el pistón hacia abajo para realizar el trabajo; cuando se abre el puerto de escape del movimiento descendente del pistón, los gases de escape se descargarán del pistón y continuarán hacia abajo hasta el punto muerto inferior, completando un ciclo de trabajo. .
El proceso de escape y el proceso de entrada de aire del motor de combustión interna se denominan colectivamente proceso de ventilación. La función principal de la ventilación es eliminar al máximo los gases de escape del ciclo anterior, de modo que se pueda proporcionar la mayor cantidad de carga nueva posible a este ciclo, de modo que se pueda quemar completamente la mayor cantidad de combustible posible en el cilindro. generando así más energía. La calidad del proceso de ventilación afecta directamente el rendimiento del motor de combustión interna. Por tanto, además de reducir la resistencia al flujo de los sistemas de admisión y escape, lo principal es abrir y cerrar las válvulas de admisión y escape en el momento más adecuado.
De hecho, la válvula de admisión se abre antes del punto muerto superior para garantizar que la válvula de admisión tenga una apertura más grande cuando el pistón se mueve hacia abajo. Esto puede reducir la resistencia al flujo al comienzo del proceso de admisión y reducir. La entrada de aire consume más trabajo y al mismo tiempo carga más carga fresca. Cuando el pistón alcanza el punto muerto inferior durante la carrera de admisión, aún se puede cargar carga nueva en el cilindro debido a la inercia del flujo de aire, por lo que la válvula de admisión se retrasa para cerrar después del punto muerto inferior.
La válvula de escape también se abre con antelación antes del punto muerto inferior, es decir, el escape comienza después de la carrera de expansión. Esto utiliza la presión de gas más alta en el cilindro para fluir automáticamente fuera del cilindro, de modo que cuando el pistón se mueve desde el punto muerto inferior al punto muerto superior, la presión del gas en el cilindro es baja para reducir el trabajo consumido por el pistón al apretar. el gas residual fuera del cilindro. El propósito de cerrar la válvula de escape después del punto muerto superior es utilizar la inercia del flujo de escape para hacer que el gas de escape restante en el cilindro sea más limpio.
El rendimiento de los motores de combustión interna incluye principalmente rendimiento energético y rendimiento económico. El rendimiento de potencia se refiere a la potencia (par) emitida por el motor de combustión interna, que representa la cantidad de conversión de energía realizada por el motor de combustión interna. Los parámetros que marcan el rendimiento dinámico incluyen el par y la potencia. El desempeño económico se refiere al consumo de combustible al producir una determinada potencia, indicando la calidad de la conversión de energía. Los parámetros que marcan el desempeño económico son la eficiencia térmica y el índice de consumo de combustible.
El desarrollo futuro de los motores de combustión interna se centrará en mejorar el proceso de combustión, aumentar la eficiencia mecánica, reducir la pérdida de calor y reducir el consumo de combustible; desarrollar y utilizar combustibles no derivados del petróleo para ampliar los recursos de combustible; componentes en los gases de escape y reducción del ruido y la vibración, reducir la contaminación ambiental; adoptar alta tecnología de sobrealimentación para fortalecer aún más el motor de combustión interna y aumentar la potencia de un solo motor; desarrollar motores compuestos, motores compuestos de turbina adiabática, etc. Los microprocesadores se utilizan para controlar el motor de combustión interna para que funcione en condiciones óptimas de funcionamiento. Fortalecer la investigación sobre resistencia estructural, mejorar la confiabilidad del trabajo y la vida útil y crear continuamente nuevos motores de combustión interna.