"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) превращает энергию топлива в механическую работу: топливо сгорает прямо внутри цилиндра, а расширившиеся горячие газы толкают поршень. Шатун и коленчатый вал преобразуют движение поршня во вращение, которое можно использовать для движения машины или работы механизма. В четырёхтактном двигателе цикл включает впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Основная полезная работа совершается только во время рабочего хода, а маховик помогает валу вращаться между такими ходами. Эффективность преобразования оценивают с помощью КПД.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а энергия расширяющихся газов превращается в механическую работу. Проще говоря, горение происходит непосредственно там, где газы могут толкать поршень. Это определение помогает отличить ДВС от двигателей, в которых топливо сгорает снаружи.
Рабочий цикл — последовательность процессов в двигателе, повторяющаяся для получения механической работы. В четырёхтактном двигателе в неё входят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Понятие цикла позволяет проследить, как цилиндр снова подготавливается к следующему толчку поршня.
Такт — часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня между двумя крайними положениями. За один такт поршень перемещается от одного края цилиндра к другому. Это понятие нужно, чтобы точно описывать отдельный этап работы двигателя и не путать его с полным циклом.
Четырёхтактный двигатель — двигатель, рабочий цикл которого состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. На весь цикл поршень совершает четыре хода, а коленчатый вал делает два оборота. Название сразу показывает, сколько этапов нужно пройти до повторения цикла.
Основные детали двигателя — цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, клапаны, свеча зажигания и маховик. Цилиндр задаёт путь поршню, а поршень отделяет объём газов от остальной части механизма. Шатун соединяет поршень с коленчатым валом, клапаны открывают и закрывают каналы, свеча зажигает смесь, а маховик помогает поддерживать вращение. Каждая деталь нужна для отдельной части цикла или передачи движения.
Перед сгоранием в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь — топливо, перемешанное с воздухом. Поршень сжимает её, уменьшая занимаемый объём; затем свеча зажигания воспламеняет смесь. При горении образуются горячие газы, которые расширяются и давят на поршень. Именно давление газов сообщает поршню движение и позволяет получить работу.
Поршень движется вверх и вниз, то есть совершает возвратно-поступательное движение. Но колёсам или другим механизмам обычно нужно вращение, поэтому поршень соединён с шатуном, а тот — с коленчатым валом. Шатун передаёт усилие на участок вала, расположенный не на его оси, и при движении поршня вал поворачивается. Так прямой толчок превращается во вращение, которое можно передать дальше.
Четыре такта идут в строгом порядке. При впуске поршень движется вниз, открывается впускной клапан, и смесь заполняет цилиндр; при сжатии поршень идёт вверх с закрытыми клапанами. Во время рабочего хода смесь воспламеняется, газы толкают поршень вниз, а оба клапана закрыты. При выпуске поршень поднимается, выпускной клапан открывается и отработавшие газы выходят из цилиндра.
Клапаны нужны, чтобы управлять поступлением смеси и удалением газов: впускной открывает вход в цилиндр, выпускной — выход. Если бы каналы оставались открытыми постоянно, газы и смесь перемещались бы не в нужные моменты, и цикл не работал бы как следует. Основной толчок поршень получает только при рабочем ходе, поэтому коленчатый вал должен продолжать вращаться на остальных этапах. Этому помогает маховик: запасая энергию вращения, он сглаживает движение вала между рабочими ходами.
| Параметр | Впуск | Сжатие | Рабочий ход | Выпуск |
|---|---|---|---|---|
| Направление движения поршня | Вниз | Вверх | Вниз | Вверх |
| Состояние впускного клапана | Открыт | Закрыт | Закрыт | Закрыт |
| Состояние выпускного клапана | Закрыт | Закрыт | Закрыт | Открыт |
| Процесс в цилиндре | Поступает смесь | Смесь сжимается | Смесь сгорает, газы расширяются | Удаляются отработавшие газы |
| Преобразование энергии | Подготовка смеси | Работа затрачивается на сжатие | Энергия газов превращается в механическую работу | Вал помогает переместить поршень |
Чтобы определить такт, сначала посмотрите, какой клапан открыт, а затем проверьте направление движения поршня. Например, открытый впускной клапан и движение поршня вниз указывают на впуск. В таблице также видно, что полезная работа связана с рабочим ходом, а остальные такты подготавливают или завершают цикл.
Задача 1. Поршень движется вниз, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. Нужно определить такт. Сопоставим сразу оба признака с устройством цикла: при движении вниз и открытом впускном клапане смесь поступает в цилиндр.
Ответ: такт впуска.
Задача 2. При сгорании топлива выделилось Q = 2,4 МДж, полезная работа Aпол = 720 кДж. Найдём КПД двигателя. КПД показывает, какую долю энергии топлива составляет полезная работа, поэтому сначала приведём величины к одинаковым единицам.
Ответ: КПД двигателя равен 30%.
Задача 3. КПД двигателя η = 25%, удельная теплота сгорания q = 4,0·10⁷ Дж/кг, полезная работа Aпол = 2,0·10⁶ Дж. Найдём массу топлива. Связь работы с энергией топлива выражается формулой Aпол = ηqm; процентный КПД перед подстановкой переводим в долю.
Ответ: нужно сжечь 0,2 кг топлива.
Считать, что полезная работа совершается на каждом такте. Так можно подумать, потому что поршень движется на всех этапах цикла. Но основной рабочий толчок дают расширяющиеся газы только при рабочем ходе; остальные такты подготавливают цилиндр или удаляют газы. Проверьте себя: найдите в описании этапа, что именно толкает поршень.
Путать впуск и выпуск. Оба такта связаны с движением газа через клапан, поэтому одного направления поршня недостаточно. При впуске открывается впускной клапан и смесь входит в цилиндр, а при выпуске открывается выпускной и выходят отработавшие газы. Чтобы проверить ответ, назовите, какой газ куда перемещается.
Называть движение поршня вращательным. Поршень перемещается вдоль цилиндра вверх и вниз, а вращается коленчатый вал. Путаница возникает из-за того, что в механизме эти движения связаны. Проверьте себя: проследите движение каждой детали отдельно — поршень совершает возвратно-поступательное движение, вал вращается.
Вычислять КПД как Q/Aпол или забывать перевод в проценты. Если поменять местами величины, получится обратное отношение, которое не показывает долю полезной работы. Правильная запись: η = Aпол/Q; для ответа в процентах результат умножают на 100%. Проверка: КПД не должен быть больше 100%, ведь полезная работа меньше энергии топлива.
Чтобы понять работу ДВС, нужны знания о превращении энергии, работе силы, давлении газа и механических движениях. Давление расширяющихся газов помогает объяснить, почему они толкают поршень, а понятие работы — как этот толчок связан с передачей энергии. Тема также опирается на знания о тепловых явлениях, горении топлива и внутренней энергии.
ДВС помогает изучать тепловые машины и сравнивать их КПД: часть энергии топлива превращается в полезную работу, а часть теряется. Эти знания применяют при рассмотрении энергетики и транспорта, а также экологических последствий сжигания топлива. Так устройство одного двигателя связывает физику тепловых явлений с повседневной техникой и проблемами окружающей среды.
Почему двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
Топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а не в отдельной топке снаружи. Выделившаяся энергия нагревает газы, которые расширяются и перемещают поршень.
Зачем в двигателе нужны два клапана?
Впускной клапан открывает путь топливно-воздушной смеси в цилиндр, а выпускной позволяет удалить отработавшие газы. В нужные моменты клапаны открываются и закрываются, чтобы потоки не мешали друг другу.
Почему рабочий ход происходит только один раз за четыре такта?
Только при рабочем ходе горячие газы расширяются и толкают поршень, совершая полезную работу. Впуск, сжатие и выпуск нужны, чтобы подготовить смесь и освободить цилиндр для следующего цикла.
Как поршень заставляет вращаться коленчатый вал?
Поршень соединён с шатуном, а шатун — с коленчатым валом. Когда поршень движется, шатун поворачивает вал; его кривошипное устройство преобразует возвратно-поступательное движение во вращение.
Почему КПД двигателя меньше 100%?
Не вся энергия топлива превращается в полезную работу: часть уходит на нагрев деталей и отработавших газов, а также на преодоление трения. Поэтому полезная работа всегда меньше энергии, выделившейся при сгорании топлива.
17. Двигатель внутреннего сгорания
