Главная страница Статьи Карта сайта Регистрация
Реклама
Популярные статьи
Календарь
Реклама

Как работают автомобильные двигатели?

  1. Что такое машина?
  2. Как мы получаем энергию от нефти?
  3. Каковы основные части двигателя автомобиля?
  4. Сколько цилиндров нужно двигателю?
  5. Насколько большими должны быть цилиндры?
  6. Как мы можем сделать более чистые двигатели?
  7. Так почему же мы до сих пор используем бензин?

от   Крис Вудфорд   ,  Последнее обновление: 4 мая 2019 г

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 4 мая 2019 г.

Вспомните 100 лет назад мир, в котором люди обычно ходят пешком или на лошадях. Что изменило вещи? изобретение автомобиля , Колесам может быть 5500 лет, но автомобили, на которых мы ездим сегодня, дебютировали только в 1885 году. Именно тогда немецкий инженер Карл Бенц (1844–1929) прикрепил небольшой бензиновый (бензиновый) двигатель к трехколесной тележке и сделал первый примитивный, газовый автомобиль. Хотя Бенц разработал автомобиль, другой немецкий инженер, Николаус Отто (1832–1891), был, возможно, еще более важным, поскольку он был человеком, который изобрел бензиновый двигатель, в первую очередь, двумя десятилетиями ранее. Гений Отто свидетельствует о том, что практически каждый автомобильный двигатель, созданный с тех пор, вдохновлен его «четырехтактным» дизайном. Давайте посмотрим, как это работает!

Фото: автомобильные двигатели превращают энергию, запертую в жидком топливе, в высокая температура а также кинетическая энергия , Они полны труб и цилиндров, потому что они работают как мини-химические заводы. Это мощный двигатель V12 на великолепно восстановленном спортивном автомобиле Jaguar XJS конца 1970-х годов.

Что такое машина?

Что такое машина

Фото: восстановленный (и прекрасно отполированный!) Двигатель классического автомобиля начала 1970-х годов.

Это не такой очевидный вопрос, как кажется. Автомобиль представляет собой металлическую коробку с колеса в углах, которые доставляют вас от А до Б, да, но это больше, чем это. В научном плане автомобиль - это преобразователь энергии : машина, которая высвобождает энергия заперт в топливе, как бензин (бензин) или дизель и превращает его в механическую энергию в движущихся колесах и шестерни , Когда колеса приводят в движение автомобиль, механическая энергия превращается в кинетическую энергию: энергию, которую автомобиль и его обитатели получают по мере движения. Задача создания автомобильного двигателя состоит в том, чтобы получать как можно больше энергии из каждой капли топлива, чтобы автомобиль двигался как можно дальше и быстрее.

Как мы получаем энергию от нефти?

Автомобили, грузовики, поезда, корабли и самолеты - все это работает на топливе из нефти . Также известная как «сырая нефть», нефть - это густая, черная, богатая энергией жидкость, похороненная глубоко под землей, которая стала самым важным источником энергии в мире в 20-м веке. После откачки на поверхность нефть отправляется или перекачивается на нефтеперерабатывающий завод и разделяется на бензин, керосин и дизельное топливо, а также на целый ряд других продуктов нефтехимии, используемых для производства всего краски в пластики ,

Фото: нефть можно добывать из земли с помощью насосов типа «кивающий осел», подобных этому. Изображение предоставлено Министерство энергетики США ,

Нефтяное топливо производится из углеводородов : молекулы внутри состоят в основном из углерода и водорода атомы (с меньшим количеством других элементов, таких как кислород, прикрепленных для хорошей меры). Дерево , бумага и уголь также содержат углеводороды. Мы можем превратить углеводороды в полезную энергию, просто сжигая их. Когда вы сжигаете углеводороды в воздухе, их молекулы распадаются. Углерод и водород соединяются с кислородом из воздуха, образуя углекислый газ и воду, а энергия, удерживающая молекулы вместе, выделяется в виде тепла. Этот процесс, который называется сжиганием , выделяет огромное количество энергии. Когда вы сидите у костра, согреваясь возле огня, вы действительно впитываете энергию, производимую миллиардами молекул, распадающимися и распадающимися на части!

Когда вы сидите у костра, согреваясь возле огня, вы действительно впитываете энергию, производимую миллиардами молекул, распадающимися и распадающимися на части

Фото: почему мир использует так много нефти? Сейчас на планете насчитывается около миллиарда автомобилей с бензиновым двигателем, и, как показывает этот график, даже самые энергоэффективные модели сжигают по меньшей мере 10 баррелей (420 галлонов) нефти в год. На основе оценок энергетического воздействия для моделей 2019 года, представленных в Министерстве энергетики США. Экономия топлива Веб-сайт.

Люди сжигали углеводороды для производства энергии более миллиона лет - вот почему был изобретен огонь. Но обычные пожары обычно довольно неэффективны. Когда вы готовите колбасу на костре, вы тратите огромное количество энергии. Тепло отстреливает во всех направлениях; едва ли кто-нибудь идет в кастрюлю - и даже меньше в еду. Автомобильные двигатели намного эффективнее: они тратят меньше энергии и заставляют больше работать. Что в них такого умного, так это то, что они сжигают топливо в закрытых контейнерах, улавливая большую часть тепловой энергии, выделяемой топливом, и превращая ее в механическую энергию, которая может вести автомобиль вперед.

Каковы основные части двигателя автомобиля?

Автомобильные двигатели построены вокруг набора "кастрюль", называемых цилиндрами (обычно от двух до двенадцати, но обычно четырех, шести или восьми), внутри которых сгорает топливо. Цилиндры сделаны из сверхпрочных металл и герметично закрыты, но на одном конце они открываются и закрываются, как велосипедные насосы: они имеют плотно прилегающие поршни (поршни), которые могут скользить вверх и вниз внутри них. В верхней части каждого цилиндра есть два клапаны (по сути, «ворота», позволяющие входить или выходить, что можно очень быстро открыть и закрыть). Впускной клапан позволяет топливу и воздуху поступать в цилиндр из карбюратор или электронный топливный инжектор; выпускной клапан выпускает выхлопные газы. В верхней части цилиндра также имеется свеча зажигания (или свеча зажигания), электрически управляемое устройство, которое зажигает искру, чтобы поджечь топливо. В нижней части цилиндра поршень прикреплен к постоянно вращающейся оси, называемой коленчатый вал , Коленчатый вал приводит в действие коробку передач автомобиля, которая, в свою очередь, приводит в движение колеса.

Сколько цилиндров нужно двигателю?

Одна проблема с четырехтактной конструкцией состоит в том, что коленчатый вал приводится в действие цилиндром только для одной ступени из четырех. Вот почему автомобили обычно имеют по крайней мере четыре цилиндра, расположенных так, что они стреляют не в ногу друг с другом. В любой момент один цилиндр всегда проходит через каждую из четырех ступеней, поэтому всегда есть один цилиндр, приводящий в движение коленчатый вал, и нет потери мощности. В 12-цилиндровом двигателе коленчатый вал обеспечивает по крайней мере три цилиндра, и именно поэтому эти двигатели используются в быстрых и мощных автомобилях.

Фото: больше цилиндров означает больше энергии. Вверху: 4-цилиндровый, 48 л.с. Моррис Минор двигатель с 1960-х годов. Этот двигатель невероятно крошечный, на самом деле кажется, что чего-то не хватает, но он по-прежнему может развивать максимальную скорость, близкую к 125 км / ч (80 миль в час). Внизу: огромный V12 Ягуар XJS двигатель спортивного автомобиля с середины / конца 1970-х годов развивает максимальную скорость около 240 км / ч (140 миль в час). Это что-то вроде 300 л.с. (примерно в шесть раз мощнее, чем двигатель Морриса). Помимо количества цилиндров, двигатели также отличаются по конструкции цилиндров. Двигатель Морриса «под квадратом», что означает, что он имеет довольно узкие (мелкокалиберные) цилиндры, которые толкают поршень на большое расстояние (ход). Двигатель Jaguar «квадратный», с более широкими цилиндрами, поршни которых пока не работают. Эти термины объясняются более подробно ниже.

Насколько большими должны быть цилиндры?

Важно не только количество цилиндров, которые есть у автомобиля, но и мощность, которую может развить каждый из них, когда он выталкивает поршень. Это зависит от размера цилиндра, который, в свою очередь, зависит от двух основных измерений: диаметра цилиндра (называемого его отверстием ) и того, насколько далеко поршень смещается (его ход ). Площадь круга равна π × радиус2, а поскольку диаметр отверстия в два раза больше радиуса, полезный объем автомобильного цилиндра составляет (π / 4) × диаметр × отверстие × ход. С точки зрения физики, объем цилиндра зависит от того, сколько работы выполняет топливо при его расширении, сколько энергии передает поршню и (если учесть, как часто это происходит), сколько энергии делает автомобиль. Таким образом, диаметр и ход очень важны, и именно поэтому они часто указываются в технических характеристиках автомобильных двигателей вместе с количеством цилиндров. Вы часто будете видеть эти измерения записанными в форме отверстие × ход (так, например, 90 × 86 мм означает отверстие 90 мм и ход 86 мм).

Вы также увидите общий объем цилиндров автомобиля, указанный в измерении, называемом смещением , которое представляет собой объем цилиндров автомобиля, умноженный на их количество. (Другими словами, это π / 4 × отверстие × отверстие × ход × количество цилиндров.) Поэтому, когда вы слышите автомобиль, описанный как имеющий «двухлитровый двигатель», это обычно означает, что у него четыре цилиндра по 0,5 литра или шесть баллоны по 0,33 л. Смещение является приблизительным указанием на то, сколько мощности может развить двигатель автомобиля, и вы обычно увидите его в литрах или кубических сантиметрах (кубических сантиметрах); 1 литр равен 1000 куб.

Смещение является приблизительным указанием на то, сколько мощности может развить двигатель автомобиля, и вы обычно увидите его в литрах или кубических сантиметрах (кубических сантиметрах);  1 литр равен 1000 куб

Фото: сделай свой собственный двухлитровый двигатель! Если вам трудно представить двухлитровый двигатель, попробуйте это. Средняя кофейная кружка вмещает около 0,3 литра и имеет примерно те же размеры, что и обычный автомобильный цилиндр. Шесть из этих кружек, выстроенных в ряд, дают вам объем около двух литров - общий объем двигателя в большом семейном салоне.

Типичные размеры отверстий и ходов составляют 70–100 мм (примерно 3–4 дюйма). Вы можете подумать, что сделать более мощный двигатель - это просто вопрос выбора большего диаметра цилиндра и рабочего хода, но это гораздо больше, чем это, и, безусловно, должны быть компромиссы (например, вы не можете делать маленькие машины с огромными цилиндрами). ). На практике, диаметр и ход влияют на ряд различных факторов: не только на то, насколько мощный и эффективный двигатель в целом, но и на то, сколько мощности он развивает на разных скоростях: оптимизирован ли он для высокой мощности на высокой скорости (как в гоночном автомобиле). ) или высокая мощность и экономия топлива на низких скоростях (как в дальнемагистральном грузовике). Если размеры отверстия и хода более или менее одинаковы, двигатель описывается как квадратный . Больший диаметр и более короткий ход дают нам то, что называется двигателем с квадратной (короткоходной) передачей . У него большие клапаны для перекачки большего количества газа через цилиндры на более высоких скоростях, поэтому он может развивать большую мощность при более высоких оборотах, и это хорошее устройство для гоночной машины или супербайка (мощный мотоцикл). Меньшее отверстие и более длинный ход, в так называемом двигателе с пониженным квадратом (длинным ходом), дает нам большую мощность на низких оборотах, что отлично подходит для медленного, тяжелого грузовика или более тяжелого мотоцикла.

Все это немного обобщает, потому что легко найти примеры автомобилей всех типов, которые используют квадратные, квадратные и квадратные двигатели, как ясно показывает следующая таблица двигателей прошлого и настоящего.

Диаметр (мм) Ход (мм) Дисп (см) Площадь Cyls Subaru BRZ 86 86 1998 4 Nissan Qashqai 72.2 73.2 1199 4 Lincoln Town Car 90.2 90 4601 8 Bugatti Chiron 86 86 7993 16 Под квадратом (длинный ход) Harley Davidson (велосипед) 99,9 111 1746 2 Morris Minor 57 90 918 4 Ford Model T 95 101 2878 4 Lamborghini Huracan 84,5 92,8 5204 10 Over square (короткий ход) Ducatti Panigale (байк) 116 60,8 1285 4 Saab 9000 90 78 1985 4 4 Land Rover Defender 88,9 71,1 3528 8 Jaguar XJS 90 70 5343 12

Посмотрите, как существуют быстрые спортивные автомобили, повседневные автомобили и легковые автомобили во всех трех категориях? Другими словами, вы не можете сделать простые выводы из размера цилиндров автомобиля в одиночку. У сверхскоростного Porsche 911 1980-х годов размеры цилиндров составляли 91 × 76,4 мм, но уравновешенный Saab 9000 той же эпохи использовал почти то же самое (90 × 78 мм). Если вы не разрабатываете автомобильные двигатели, вам не нужно беспокоиться о мелочах. Все, что вам нужно помнить, это практический результат - фундаментальная наука закон сохранения энергии : вы не можете получить больше энергии из машины, чем вкладываете в нее. Если вы хотите получить больше мощности от автомобильного двигателя, вам понадобится либо больше цилиндров, либо такое же количество цилиндров, создающих большую мощность (чего вы можете достичь различными способами в зависимости от того, когда и как вы хотите, чтобы эта мощность передавалась) ,

Как мы можем сделать более чистые двигатели?

Нет сомнений, что бензиновый двигатель Отто был гениальным изобретением, но теперь он стал жертвой собственного успеха. Около миллиарда автомобилей на планете, загрязнение Производство автомобилей - серьезная и все еще растущая проблема. Углекислый газ, выделяющийся при сжигании топлива, также является основной причиной глобальное потепление , Решение может быть электромобили которые получают энергию от более чистых источников энергии или гибридных автомобилей, которые используют комбинацию электричество и мощность бензина.

Так почему же мы до сих пор используем бензин?

Существует очень веская причина, по которой подавляющее большинство легковых, грузовых автомобилей и других транспортных средств на планете по-прежнему работают на топливе на масляной основе, таком как бензин и дизельное топливо: как показано на диаграмме, они накапливают больше энергии на каждый килограмм ( или литр), чем практически любое другое вещество. Батареи звучат великолепно в теории, но килограмм на килограмм, нефтяное топливо несет гораздо больше энергии!

Диаграмма: Почему мы все еще используем топливо на основе нефти: килограмм бензина, дизельного топлива или керосина содержит примерно в 100 раз больше энергии, чем килограмм батарей. Ученые говорят, что он имеет более высокую «плотность энергии» (упаковывает больше энергии на единицу объема); Проще говоря, это приведет вас еще дальше.

Это не значит, что машины (и их двигатели) идеальны или что-то в этом роде. Между цилиндрами (где выделяется энергия) и колесами (где энергия подается на дорогу) существует множество ступеней и ступеней, и на каждом этапе часть энергии расходуется впустую. По этой причине, в худших случаях, всего лишь 15 процентов энергии, которая изначально была в топливе, которое вы сжигаете, на самом деле приводит вас в движение. Или, другими словами, за каждый доллар, который вы кладете в свой бензобак, 85 центов тратятся впустую разными способами!

Или, другими словами, за каждый доллар, который вы кладете в свой бензобак, 85 центов тратятся впустую разными способами

Диаграмма: Автомобили тратят большую часть энергии, которую мы подаем им в виде топлива. Слева: в режиме остановки по городу только около 17 процентов энергии, содержащейся в бензине (зеленый ломтик), обеспечивает полезную мощность для движения по дороге. Остальные 83 процента тратятся впустую (красные кусочки) в двигателе, при паразитных потерях (в таких вещах, как генератор, который вырабатывает электричество) и в трансмиссии (между двигателем и колесами). Справа: на трассе дела обстоят немного лучше, где полезная мощность может подтолкнуть до 25 процентов или чуть больше. Несмотря на это, основная часть энергии все еще тратится впустую. Источник: Экономия топлива: куда идет энергия Министерство энергетики США Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии. [Последнее скачивание: май 2019 г.]

Что такое машина?
Как мы получаем энергию от нефти?
Каковы основные части двигателя автомобиля?
Сколько цилиндров нужно двигателю?
Насколько большими должны быть цилиндры?
Как мы можем сделать более чистые двигатели?
Так почему же мы до сих пор используем бензин?
Что изменило вещи?
Что такое машина?
Как мы получаем энергию от нефти?
Все права принадлежат сайту www.teamviewer64.ru