Wewnątrz Silników Samochodowych: Jak Działają

Jako inżynier wiesz, że każdy imponujący wyczyn technologiczny jest możliwy dzięki skomplikowanemu systemowi doskonale współpracujących ze sobą części.

Najlepszym tego przykładem może być silnik samochodowy, który wykorzystuje paliwo do napędzania samochodów, samolotów, traktorów, autobusów i motocykli.

Niezależnie od tego, czy jesteś studentem inżynierii, czy doświadczonym profesjonalistą, dowiesz się czegoś nowego o tej ważnej technologii i genialnych umysłach, które ją umożliwiły.

Więc zapnij pasy i dołącz do nas w tej edukacyjnej przejażdżce przez serce silnika samochodowego!

Wprowadzenie do silników samochodowych

Formalna definicja:

Maszyna zużywająca paliwo, która zapewnia siłę napędową samochodom, samolotom, traktorom, autobusom i motocyklom i jest przewożona w pojeździe.

Tak więc, jeśli chcesz zaoszczędzić pieniądze na benzynie, najlepszą rzeczą, jaką możemy Ci powiedzieć, jest po prostu wyjęcie silnika samochodu. Żartuję!

Silnik to skomplikowana maszyna, która obraca koła samochodu, zamieniając ciepło ze spalania benzyny na siłę. Co daje prędkość czemuś.

Czterosuwowy cykl spalania służy do wprawiania benzyny w ruch w silniku spalinowym, który jest najpopularniejszym typem silnika.

Ten cykl składa się z czterech części: wlotu, sprężania, spalania i wydechu.

Rodzaje silników

Istnieją różne typy silników, takie jak silniki rzędowe z czterema cylindrami lub silniki widlaste z sześcioma lub ośmioma cylindrami.

Układ silnika określa, jak duży jest, jak dobrze działa i ile ma mocy.

Silniki rzędowe są mniejsze niż silniki widlaste, które są dłuższe i bardziej skomplikowane.

Główne składniki

Blok cylindrów, głowica cylindrów i skrzynia korbowa to najważniejsze części silnika samochodowego.

Sercem silnika jest blok cylindrów, który zwykle wykonany jest ze stopu żelaza lub aluminium. Ma cylindry, które utrzymują tłoki, które poruszają się w górę iw dół, aby wytworzyć energię.

Komora spalania znajduje się również w bloku cylindrów. To tam paliwo i powietrze mieszają się, aby spowodować spalanie.

Głowica cylindrów znajduje się na górze bloku cylindrów. Posiada świece zapłonowe, wałki rozrządu i zawory.

Wałki rozrządu sterują otwieraniem i zamykaniem zaworów, co kontroluje ilość paliwa, powietrza i spalin wchodzących i wychodzących z komory spalania.

Świeca zapłonowa zapala mieszankę paliwowo-powietrzną, umożliwiając spalanie.

Skrzynia korbowa jest zwykle wykonana z żeliwa i znajduje się na dole silnika.

Zawiera części takie jak tłoki, wał korbowy, wałki rozrządu, łańcuch rozrządu, miska olejowa, filtr oleju i tak dalej. Razem te części zamieniają paliwo w ruch.

Kiedy samochód jest wyłączony, rozrusznik daje tłokowi siłę potrzebną do ruchu w dół.

Ulepszenia w silnikach spalinowych

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpiły ulepszenia w technologii silników, takie jak bezpośredni wtrysk paliwa, turbodoładowanie i zmienne fazy rozrządu.

Dzięki tym zmianom samochód zużywa mniej paliwa, ma więcej mocy i emituje mniej zanieczyszczeń.

Wideo: Jak to działa?

Wskazówka: włącz przycisk napisów, jeśli go potrzebujesz. Wybierz „automatyczne tłumaczenie” w przycisku ustawień, jeśli nie znasz języka angielskiego. Może być konieczne kliknięcie najpierw języka filmu, zanim Twój ulubiony język będzie dostępny do tłumaczenia.

Rodzaje silników samochodowych

W samochodach stosowane są różne rodzaje silników, które można pogrupować ze względu na rodzaj paliwa i sposób ustawienia silnika (liczba cylindrów) (konfiguracja cylindrów).

Silniki benzynowe i wysokoprężne to najpowszechniejsze rodzaje silników samochodowych, ale są też inne rzeczy, które odróżniają jeden silnik od drugiego.

• Silniki proste lub rzędowe.

Wszystkie cylindry w silniku rzędowym/rzędowym są ustawione w jednej linii, skierowane do góry i zwykle prostopadłe do samochodu.

Jest to najczęstszy układ dla rodzinnych hatchbacków i mniejszych samochodów.

• awarie.

Płaskie silniki mają dwa rzędy cylindrów po obu stronach pojedynczego wału korbowego.

• Silniki widlaste.

Cylindry w silniku widlastym są ustawione w dwóch oddzielnych rzędach, które tworzą literę V wokół wału korbowego.

• Silniki W.

Silniki W mają trzy rzędy cylindrów, które tworzą literę W wokół wału korbowego.

Sposób ustawienia cylindrów może być również inny.

Małe samochody mają trzycylindrowe silniki, ale turbosprężarki umożliwiły umieszczenie ich również w większych rodzinnych hatchbackach.

Sześciocylindrowe silniki są zwykle spotykane w wysokiej klasy samochodach sportowych i samochodach wyczynowych. Można je ustawić w literę V lub w linii prostej.

Supersamochody i luksusowe sedany mają silniki z ośmioma lub więcej cylindrami, takie jak V8, V10 i V12.

Niektóre z najwyższej klasy samochodów Grupy Volkswagen mają silniki W12.

Silniki benzynowe i Diesla

W zastosowaniach motoryzacyjnych główne różnice między silnikami benzynowymi i wysokoprężnymi dotyczą sposobu wytwarzania energii, rodzaju stosowanego paliwa, sprawności cieplnej, oczekiwanej żywotności, liczby obrotów na minutę (RPM) i momentu obrotowego.

• Silniki benzynowe.

Spalanie z zapłonem iskrowym jest stosowane w silnikach benzynowych do mieszania gazu z powietrzem przed jego sprężeniem i zapaleniem.

W większości przypadków silniki benzynowe mają wyższe obroty niż silniki wysokoprężne, ale mają mniejszy moment obrotowy.

• Silniki Diesla.

Silniki wysokoprężne przed wtryskiem paliwa do powietrza je wyciskają, co sprawia, że ​​silnik jest bardziej wydajny termicznie i prawdopodobnie ma dłuższą żywotność.

Ponieważ olej napędowy ma większą gęstość energii niż benzyna, silniki wysokoprężne zużywają mniej paliwa niż silniki benzynowe.

Sposób, w jaki te różne typy silników są używane w samochodach, zmieniał się z biegiem czasu i zależy od tego, jak samochód ma być używany, jak dobrze musi działać i ile paliwa potrzebuje.

Ekspansja branży motoryzacyjnej

Rozwój silnika samochodowego

Podczas rewolucji przemysłowej rozwój przemysłu samochodowego i zapotrzebowanie na silniki o większej mocy doprowadziły do ​​powstania silników spalinowych (ICE).

Silniki te były pierwotnie przystosowane do zasilania paliwem płynnym, ale zostały zmienione, aby mogły pracować na benzynie.

W XX wieku wyprodukowano silniki dwusuwowe i czterosuwowe, dzięki czemu możliwe stało się wyprodukowanie wielu samochodów jednocześnie.

Ulepszenia konwersji paliw płynnych i redukcji emisji

Inżynierowie wymyślili sposoby przekształcania paliw płynnych w opary, aby można je było wykorzystać. Poprawiło to oszczędność paliwa i moc silnika.

Aby rozwiązać problem zanieczyszczeń z samochodów, wykonano również skomputeryzowane systemy zarządzania silnikiem.

Dzięki działaniom badawczo-rozwojowym prowadzonym w ciągu ostatnich 30 lat emisje ICE zanieczyszczeń kryterialnych, takich jak tlenki azotu (Nox) i cząstki stałe (PM), zostały obniżone o ponad 99%.

Zaawansowane badania i rozwój silników spalinowych

Dzisiaj ludzie starają się, aby silniki spalinowe działały lepiej i były lepsze dla środowiska.

Prace badawczo-rozwojowe nad zaawansowanymi silnikami spalinowymi koncentrują się na nowych technologiach, takich jak jednorodny zapłon samoczynny (HCCI) i silniki tłokowe przeciwbieżne (OPE), a także na uczynieniu układów napędowych bardziej elektrycznymi i hybrydowymi.

Mimo że liczba pojazdów elektrycznych rośnie, ICE są nadal ważne dla branży transportowej i będą używane jeszcze przez długi czas.

Rozmiar silnika samochodowego i przepływ powietrza

Większość silników samochodowych jest mierzona w litrach, czyli całkowitej objętości wszystkich ich cylindrów.

Jeśli zwiększysz silnik, czasami może on uzyskać większą moc i moment obrotowy, ale nie zawsze tak jest.

Czujniki przepływu powietrza w silnikach samochodowych

Miernik łopatkowy i gorący drut to dwa najczęstsze sposoby pomiaru ilości powietrza w silniku.

Sprężynowa łopatka powietrzna podłączona do zmiennego rezystora jest używana przez miernik łopatkowy do pomiaru ilości powietrza wchodzącego do silnika.

Z drugiej strony czujnik masowego przepływu powietrza z gorącym drutem wykorzystuje drut oporowy, który zwisa w strumieniu powietrza i jest podgrzewany do określonej temperatury

Napływające powietrze następnie chłodzi drut, co powoduje zmianę prądu elektrycznego w sposób proporcjonalny do ilości przepływającego powietrza.

Z drugiej strony czujnik wirowy Kármán nie jest sposobem pomiaru przepływu powietrza dopływającego do silnika samochodowego.

Zamiast tego jest to sposób na pomiar prędkości przepływu powietrza poprzez wywołanie wirów w przepływie powietrza, a następnie pomiar zmian ciśnienia spowodowanych przez wiry.

Konserwacja silnika samochodowego

Filtry oleju silnikowego

Filtry oleju silnikowego są ważnym elementem zapewniającym dobrą pracę silnika samochodu.

Działają w celu usunięcia brudu, oleju i cząstek metalu z oleju. Pozwala to na płynny przepływ oleju, oczyszcza olej i chroni metalowe części.

Cena, projekt, konstrukcja i dbałość o szczegóły to ważne rzeczy, o których należy pomyśleć przy wyborze filtra oleju silnikowego.

Systemy zarządzania silnikiem samochodowym

Istnieje wiele sposobów na dostrojenie i zmianę systemu zarządzania silnikiem w celu poprawy jego wydajności.

Niektóre sposoby zmiany systemów to ponowna kalibracja fabrycznych ECM, dostrojenie za pomocą piggybacków, przechwytywaczy i innych dodatkowych części oraz zaprojektowanie, modyfikacja i zbudowanie kolektorów dolotowych.

Oddzielnie programowalne systemy zarządzania silnikiem mogą być również wykorzystywane do zmiany działania silnika.

Aby uzyskać najlepszą wydajność, ważne jest, aby wprowadzać zmiany w bezpieczny i niezawodny sposób.

Przed wprowadzeniem zmian w systemie zarządzania silnikiem należy porozmawiać z ekspertem lub poczytać na ten temat.

Godziny pracy silnika

Godziny pracy silnika to liczba godzin pracy silnika od momentu jego wyprodukowania, nawet gdy pojazd się nie porusza.

Ta miara jest przydatna do pomiaru zużycia pojazdów użytkowych, zwłaszcza do śledzenia czasu pracy na biegu jałowym, ponieważ licznik kilometrów nie rejestruje przebiegu, gdy pojazd codziennie przez wiele godzin stoi nieruchomo z przystawką odbioru mocy.

Godziny pracy silnika można również wykorzystać do zaplanowania konserwacji zapobiegawczej i ustalenia, jak często pojazd był używany.

Zależność między godzinami pracy silnika a przebiegami można wykorzystać do stworzenia kompletnego planu wymiany pojazdów, usprawnienia harmonogramów konserwacji i śledzenia, jak dobrze radzi sobie flota.

Nowoczesne silniki mają część zwaną modułem sterującym silnika (ECM), która zlicza liczbę obrotów silnika i czas trwania każdego obrotu.

Moduły sterowania silnikiem samochodowym

Moduły sterujące silnika samochodowego (ECM) wykorzystują szereg środków bezpieczeństwa, aby upewnić się, że działają prawidłowo i uniemożliwić ludziom majstrowanie przy nich.

Na przykład osadzają sprzęt weryfikacyjny i mechanizmy bezpieczeństwa, stosują samochodowe standardy bezpieczeństwa, takie jak SAE J3061 i ISO/SAE 21434, oraz przechodzą przez procesy weryfikacji.

ECM można również chronić za pomocą kontroli wiarygodności w celu znalezienia sygnałów, które zostały sfałszowane lub zmienione.

Odbywa się to poprzez porównanie wartości czujnika z wartościami wprowadzonymi na stałe, aby upewnić się, że są one prawidłowe. Utrudnia to złym ludziom wprowadzanie zmian w ECM.

Wreszcie, nowoczesne ECM są wykonane z części komputerowych, takich jak mikroprocesory, które mogą szybko odbierać, interpretować i działać na wejściach czujników. Pomaga to upewnić się, że system działa prawidłowo.

Agencja Ochrony Środowiska ma wdrożoną politykę, która zapewnia przestrzeganie zakazów ustawy o czystym powietrzu dotyczących manipulacji i urządzeń oszukujących na rynku wtórnym.

Zakazy te obowiązują przez cały okres eksploatacji pojazdu, uniemożliwiają dealerom sprzedaż uszkodzonych pojazdów, które już są na drogach, i wymagają regularnych przeglądów pojazdów, aby upewnić się, że pokładowe systemy diagnostyczne działają prawidłowo.

Tunery, które są produktami zmieniającymi ECU, mogą być nielegalnymi urządzeniami oszukującymi na rynku wtórnym, a używanie ich lub umieszczanie ich może być nielegalną manipulacją.

Przypadków użycia

Zadanie:	Opis:
Samochody i inne pojazdy	Samochody, ciężarówki i autobusy to najczęstsze miejsca, w których stosowane są silniki samochodowe. Silniki te zapewniają pojazdowi moc potrzebną do poruszania się do przodu. Są ważną częścią nowoczesnego transportu.
Napęd Samolotów	Innym ważnym miejscem zastosowania silników samochodowych są samoloty, gdzie zapewniają one ciąg potrzebny do startu i lotu. Większość silników lotniczych jest mocniejsza i wydajniejsza niż silniki samochodowe, ponieważ muszą być w stanie wytworzyć większą siłę nośną i pokonać opór powietrza.
Sprzęt rolniczy	Silniki z samochodów są często stosowane w traktorach i innego rodzaju sprzęcie rolniczym. Silniki te muszą być mocne i wystarczająco trwałe, aby poradzić sobie z dużymi obciążeniami i ciężką pracą związaną z rolnictwem.
Wytwarzanie energii	Są chwile, kiedy silniki samochodowe mogą być również wykorzystywane do wytwarzania energii. W większości przypadków silniki te są używane w agregatach prądotwórczych, które służą do zasilania domów i firm, gdy zabraknie prądu.
Napęd morski	Łodzie i inne rodzaje jednostek pływających mogą być również napędzane silnikami samochodowymi. Silniki okrętowe są zwykle budowane tak, aby działały dłużej i były bardziej odporne na korozję niż silniki samochodowe, ponieważ muszą pracować w trudnych warunkach morskich.
Wyścigi	Innym sposobem wykorzystania silników samochodowych są wyścigi, w których napędzają samochody o wysokich osiągach, które mogą jechać bardzo szybko. Większość silników wyścigowych jest modyfikowana, aby wydobyć z nich jak najwięcej i mogą one wytwarzać o wiele więcej mocy niż zwykły silnik samochodowy.
Kosiarki i inne drobne narzędzia	Wreszcie, silniki samochodowe mogą być również wykorzystywane do napędzania kosiarek, pił łańcuchowych i innych małych narzędzi. W większości przypadków silniki te nie są tak mocne, jak ich większe odpowiedniki, ale nadal muszą być wystarczająco niezawodne i wydajne, aby poradzić sobie z codziennym użytkowaniem.

Bibliografia:

https://en.wikipedia.org/wiki/Automotive_engine

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0080431526000863

Wniosek

Podsumowując, silnik samochodowy to niesamowita technologia, która zmieniła sposób, w jaki podróżujemy i żyjemy.

Inżynierowie byli na czele tworzenia tych niesamowitych maszyn, od pierwszych silników spalinowych po najbardziej zaawansowane obecnie hybrydowe i elektryczne układy napędowe.

Ale silnik samochodu to także symbol czegoś głębszego: naszego naturalnego pragnienia przekraczania granic tego, co możliwe, przełamywania barier i marzenia o lepszym jutrze.

Kiedy patrzymy w przyszłość, jasne jest, że silnik samochodowy nadal będzie ważną częścią naszego życia

To silnik napędzający samochody, którymi dojeżdżamy do pracy, szkoły i innych miejsc.

Ale jest to również przypomnienie, jak potężna jest ludzka kreatywność, jak ludzie są chętni do próbowania nowych rzeczy i jak wiele może zdziałać ludzki umysł.

Dlatego następnym razem, gdy uruchomisz samochód, pomyśl przez chwilę o niesamowitej inżynierii, dzięki której to wszystko jest możliwe, i pamiętaj, że możliwości są naprawdę nieograniczone.