Inline κινητήρας: τύποι, συσκευή, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

2024 Συγγραφέας: Erin Ralphs | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-19 13:48

Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης είναι ένας από τους απλούστερους κινητήρες. Αυτές οι μονάδες ονομάζονται τέτοιες επειδή οι κύλινδροι είναι διατεταγμένοι σε μια σειρά. Τα έμβολα κάνουν έναν στροφαλοφόρο άξονα να περιστρέφεται όταν ο κινητήρας λειτουργεί. Ο εν σειρά κινητήρας ήταν ένας από τους πρώτους που εγκαταστάθηκαν σε αυτοκίνητα. Σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν στην αυγή της αυτοκινητοβιομηχανίας.

Πώς ξεκίνησαν όλα;

Ο πρόγονος του σύγχρονου εν σειρά κινητήρα εσωτερικής καύσης ήταν ένας μονοκύλινδρος κινητήρας. Σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τον Etienne Lenoir το 1860. Είναι γενικά αποδεκτό ότι αυτό είναι έτσι, αν και υπήρχαν προσπάθειες να αποκτηθεί δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτόν τον κινητήρα ακόμη και πριν από το Lenoir. Αλλά ακριβώς η ανάπτυξή του είναι όσο το δυνατόν πιο παρόμοια με εκείνα τα σχέδια που είναι επί του παρόντος εγκατεστημένα κάτω από το καπό των περισσότερων οικονομικά σειριακών επιβατικών αυτοκινήτων.

Ο κινητήρας είχε μόνο έναν κύλινδρο και η ισχύς του ήταν ίση με 1,23 ίππους, τεράστιος εκείνη την εποχή. Για σύγκριση, το σύγχρονο «Oka» 1111 έχει δύο κυλίνδρους και η ισχύς του είναι από 30 έως 53 ίππους.

Μεγαλύτερο και ισχυρότερο

Η ιδέα του Lenoir αποδείχθηκε εξαιρετική. Πολλοί μηχανικοί και εφευρέτεςξόδεψε χρόνια και προσπάθεια προσπαθώντας να βελτιώσει τον κινητήρα όσο το δυνατόν περισσότερο (φυσικά, στο επίπεδο των τεχνικών δυνατοτήτων που υπήρχαν εκείνη την εποχή). Η κύρια έμφαση δόθηκε στην αύξηση της ισχύος.

Στην αρχή, η προσοχή συγκεντρώθηκε σε έναν μόνο κύλινδρο - προσπάθησαν να αυξήσουν το μέγεθός του. Τότε φάνηκε σε όλους ότι αυξάνοντας το μέγεθος, μπορείτε να αποκτήσετε περισσότερη δύναμη. Και η αύξηση του όγκου ήταν τότε η πιο εύκολη. Όμως ένας κύλινδρος δεν ήταν αρκετός. Έπρεπε να αυξήσω πολύ τις υπόλοιπες λεπτομέρειες - μπιέλα, έμβολο, μπλοκ.

Όλοι αυτοί οι κινητήρες αποδείχτηκαν πολύ ασταθείς, είχαν μεγάλη μάζα. Κατά τη λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα, υπήρχε τεράστια διαφορά χρόνου μεταξύ των κύκλων ανάφλεξης του μείγματος. Κυριολεκτικά κάθε λεπτομέρεια σε μια τέτοια μονάδα έτρεμε και σείστηκε, κάτι που ανάγκασε τους μηχανικούς να σκεφτούν μια λύση. Και εξόπλισαν το σύστημα με έναν εξισορροπητή.

Αδιέξοδος δρόμος

Γρήγορα έγινε σαφές σε όλους ότι η έρευνα είχε φτάσει σε αδιέξοδο. Ο κινητήρας Lenoir δεν μπορούσε να λειτουργήσει κανονικά και σωστά, αφού η αναλογία ισχύος, βάρους και μεγέθους ήταν τρομερή. Χρειαζόταν πολλή επιπλέον ενέργεια για να αυξηθεί ξανά ο όγκος του κυλίνδρου. Πολλοί άρχισαν να θεωρούν την ιδέα της δημιουργίας ενός κινητήρα κατάρρευση. Και οι άνθρωποι θα εξακολουθούσαν να καβαλούν άλογα και καροτσάκια, αν όχι μια τεχνική λύση.

Οι σχεδιαστές άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι είναι δυνατή η περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα όχι μόνο με ένα έμβολο, αλλά με πολλά ταυτόχρονα. Το πιο απλό ήταν η κατασκευή ενός εν σειρά κινητήρα - πρόσθεσαν μερικούς ακόμη κυλίνδρους.

Ο κόσμος θα μπορούσε να δει την πρώτη τετρακύλινδρη μονάδα στα τέλη του 19ου αιώνα. Είναι αδύνατο να συγκριθεί η ισχύς του με έναν σύγχρονο κινητήρα. Ωστόσο, όσον αφορά την αποτελεσματικότητα, ήταν υψηλότερο από όλους τους άλλους προκατόχους του. Η ισχύς αυξήθηκε λόγω του αυξημένου όγκου εργασίας, δηλαδή με την προσθήκη κυλίνδρων. Πολύ γρήγορα, ειδικοί από διάφορες εταιρείες κατάφεραν να δημιουργήσουν πολυκύλινδρους κινητήρες έως και 12κύλινδρους τέρατα.

Αρχή λειτουργίας

Πώς λειτουργεί το ICE; Εκτός από το γεγονός ότι κάθε κινητήρας έχει διαφορετικό αριθμό κυλίνδρων, ένας εν σειρά κινητήρας με έξι ή τέσσερις κυλίνδρους λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο. Η αρχή βασίζεται στα παραδοσιακά χαρακτηριστικά κάθε κινητήρα εσωτερικής καύσης.

Όλοι οι κύλινδροι στο μπλοκ είναι διατεταγμένοι σε μία σειρά. Ο στροφαλοφόρος άξονας, που κινείται από έμβολα λόγω της ενέργειας της καύσης του καυσίμου, είναι ο μόνος για όλα τα μέρη της ομάδας κυλίνδρων-εμβόλων. Το ίδιο ισχύει και για την κυλινδροκεφαλή. Είναι το μοναδικό για όλους τους κυλίνδρους. Από όλους τους υπάρχοντες κινητήρες σε σειρά, διακρίνονται ισορροπημένα και μη ισορροπημένα σχέδια. Θα εξετάσουμε και τις δύο επιλογές παρακάτω.

Υπόλοιπο

Είναι σημαντικό λόγω της περίπλοκης σχεδίασης του στροφαλοφόρου άξονα. Η ανάγκη για ζυγοστάθμιση εξαρτάται από τον αριθμό των κυλίνδρων. Όσο περισσότερα από αυτά σε ένα συγκεκριμένο ICE, τόσο μεγαλύτερη θα πρέπει να είναι η ισορροπία.

Ένας μη ισορροπημένος κινητήρας μπορεί να είναι μόνο αυτός ο σχεδιασμός, όπου δεν υπάρχουν περισσότεροι από τέσσερις κύλινδροι. Διαφορετικά, θα εμφανιστούν κραδασμοί κατά τη λειτουργία, η δύναμη των οποίων θα μπορεί να καταστρέψει τον στροφαλοφόρο άξονα. Ακόμα και φτηνοί εξακύλινδροι κινητήρεςμε ένα εξισορροπητή θα είναι καλύτερο από τα ακριβά inline fours χωρίς άξονες εξισορρόπησης. Έτσι, για να βελτιωθεί η ισορροπία, ένας εν σειρά κινητήρας τεσσάρων εμβόλων μπορεί μερικές φορές να απαιτεί επίσης την εγκατάσταση αξόνων ηρεμίας.

Θέση κινητήρα

Οι παραδοσιακές τετρακύλινδρες μονάδες συνήθως τοποθετούνται κατά μήκος ή εγκάρσια κάτω από το καπό ενός αυτοκινήτου. Αλλά η εξακύλινδρη μονάδα μπορεί να εγκατασταθεί μόνο κατά μήκος και τίποτα περισσότερο (με εξαίρεση ορισμένα μοντέλα Volvo και αυτοκίνητα Chevrolet Epica).

Ο εν σειρά κινητήρας εσωτερικής καύσης, ο οποίος έχει ασύμμετρη σχεδίαση σε σχέση με τον στροφαλοφόρο άξονα, διαθέτει επίσης χαρακτηριστικά. Συχνά ο άξονας κατασκευάζεται με αντισταθμιστικά χυτά - αυτά τα χυτά πρέπει να μειώνουν τη δύναμη αδράνειας που προκύπτει από τη λειτουργία του συστήματος εμβόλου.

Inline-six σήμερα έχει ήδη λιγότερη δημοτικότητα - για όλα φταίει η σημαντική κατανάλωση καυσίμου και οι μεγάλες συνολικές διαστάσεις. Αλλά ακόμα και παρά το μακρύ μπλοκ κυλίνδρων, ο κινητήρας είναι τέλεια ισορροπημένος.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μονάδας

Εκτός από μερικές αποχρώσεις, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης σε σειρά έχουν τα ίδια πλεονεκτήματα και τα ίδια μειονεκτήματα με τους περισσότερους κινητήρες V και κινητήρες άλλων σχεδίων. Ο τετρακύλινδρος κινητήρας είναι ο πιο συνηθισμένος, είναι ο απλούστερος και πιο αξιόπιστος. Η μάζα είναι σχετικά ελαφριά, το κόστος επισκευής είναι σχετικά χαμηλό. Το μόνο μειονέκτημα είναι η έλλειψη αξόνων ισορροπίας στο σχέδιο. Αυτός είναι ο καλύτερος κινητήρας εσωτερικής καύσης για σύγχρονα αυτοκίνητα, ακόμη και για τη μεσαία κατηγορία. Υπάρχουν επίσης κινητήρες σε σειρά μικρού κυβισμού με λιγότερατον αριθμό των κυλίνδρων. Για παράδειγμα, το δικύλινδρο οικονομικό SeAZ Oka 1111.

Οι εξακύλινδρες μονάδες έχουν τέλεια ισορροπία και εδώ η έλλειψη «τεσσάρων» αντισταθμίζεται. Αλλά υπάρχει ένα τίμημα για την ισορροπία. Επομένως, παρά τα σημαντικά καλύτερα χαρακτηριστικά σε σύγκριση με τα «τέσσερα», αυτοί οι κινητήρες εσωτερικής καύσης με εν σειρά διάταξη κυλίνδρων στον κινητήρα είναι λιγότερο συνηθισμένοι. Ο στροφαλοφόρος άξονας είναι μακρύς, το κόστος παραγωγής είναι αρκετά υψηλό και οι διαστάσεις είναι σχετικά μεγάλες.

Τεχνικό όριο

Τώρα δεν είναι ο 19ος αιώνας, αλλά οι σύγχρονες μονάδες ισχύος απέχουν ακόμα πολύ από την τεχνική τελειότητα. Και εδώ ακόμη και οι σύγχρονες τουρμπίνες και τα καύσιμα υψηλών οκτανίων δεν θα βοηθήσουν. Η απόδοση ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι περίπου 20%, και όλη η άλλη ενέργεια δαπανάται για τριβή, αδράνεια και έκρηξη. Μόνο το ένα πέμπτο της βενζίνης ή του ντίζελ θα πάει σε χρήσιμη δουλειά.

Έχουν ήδη αναπτύξει τις βασικές ιδιότητες των κινητήρων με τη μεγαλύτερη απόδοση. Ταυτόχρονα, οι θάλαμοι καύσης και η ομάδα εμβόλων έχουν σημαντικά μικρότερους όγκους και διαστάσεις. Λόγω του συμπαγούς μεγέθους, τα εξαρτήματα έχουν μικρότερη αδράνεια - αυτό μειώνει την πιθανότητα ζημιάς λόγω έκρηξης.

Τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά των συμπαγών εμβόλων εισάγουν ορισμένους περιορισμούς. Με υψηλό βαθμό συμπίεσης, λόγω του μικρού μεγέθους, μειώνεται η μετάδοση της πίεσης του εμβόλου στη μπιέλα. Εάν τα έμβολα έχουν μεγαλύτερη διάμετρο, τότε είναι αδύνατο να επιτευχθεί μια ακριβής ισορροπημένη εργασία λόγω της τεράστιας πολυπλοκότητας. Ακόμα και ένας σύγχρονος κινητήρας BMW τα έχει αυτάελλείψεις, αν και αναπτύχθηκε από Γερμανούς μηχανικούς.

Συμπέρασμα

Δυστυχώς, η κατασκευή κινητήρων έχει φτάσει στο τεχνολογικό της όριο. Είναι απίθανο οι επιστήμονες να κάνουν σοβαρές τεχνικές ανακαλύψεις και να επιτύχουν μεγαλύτερη απόδοση από έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Όλοι ελπίζουμε λοιπόν ότι θα έρθει η εποχή των ηλεκτρικών οχημάτων.