"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания превращает энергию топлива в механическую работу. Топливо сгорает прямо внутри цилиндра, образовавшиеся горячие газы расширяются и перемещают поршень. Через специальный механизм движение поршня передаётся вращающемуся валу. Работа двигателя состоит из повторяющихся тактов: впуска смеси, её сжатия, рабочего хода и выпуска отработавших газов. Часть энергии при этом теряется, поэтому КПД двигателя всегда меньше 100%.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри цилиндра, а энергия нагретого газа приводит в движение поршень. Он нужен для превращения энергии топлива в механическую работу, например для вращения колёс автомобиля.
Цилиндр — камера, внутри которой перемещается поршень и происходит сгорание топливно-воздушной смеси. В цилиндре ограничен объём газа, поэтому его давление может совершать работу над поршнем.
Поршень — деталь, которая движется под действием расширяющихся газов и передаёт движение другим деталям двигателя. Он совершает возвратно-поступательное движение: перемещается то вверх, то вниз.
Четырёхтактный цикл — последовательность из четырёх ходов поршня, за которые в цилиндре повторяется рабочий процесс. Названия тактов показывают порядок операций: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Основные детали двигателя — цилиндр, поршень, клапаны, шатун и вал. Поршень соединён с шатуном, а шатун — с коленчатым валом, поэтому возвратно-поступательное движение превращается во вращательное. Это преобразование необходимо, например, для непрерывного вращения колёс или других механизмов.
Топливно-воздушная смесь образуется из топлива и воздуха и поступает к цилиндру через впускной канал. Впускной клапан открывается в начале нужного такта, а затем закрывается, чтобы смесь не вышла обратно. Выпускной клапан открывает путь наружу после сгорания, поэтому отработавшие газы удаляются из цилиндра и освобождают место для новой смеси.
Первый такт — впуск: поршень движется вниз, впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется смесью. Второй такт — сжатие: поршень идёт вверх при закрытых клапанах, поэтому объём смеси уменьшается, а её давление и температура растут. Сжатая смесь легче и эффективнее сгорает.
Третий такт — рабочий ход. Смесь воспламеняется, быстро сгорает, а расширяющиеся газы давят на поршень и перемещают его вниз, передавая энергию валу. Четвёртый такт — выпуск: поршень поднимается при открытом выпускном клапане и выталкивает отработавшие газы.
Только рабочий ход непосредственно выполняется расширяющимися газами. Впуск, сжатие и выпуск сами по себе не создают полезного движения от сгорания в данном цилиндре, поэтому их обеспечивают маховик и вал, связанные с поршнем, а также работа других цилиндров многоцилиндрового двигателя.
Сначала химическая энергия топлива превращается во внутреннюю энергию горячих газов. Затем газы совершают механическую работу, перемещая поршень и вращая вал. Не вся энергия становится полезной: часть уходит с отработавшими газами, передаётся деталям и окружающей среде в виде теплоты, а часть расходуется на трение.
| Такт | Движение поршня | Состояние клапанов | Что происходит в цилиндре |
|---|---|---|---|
| Впуск | Вниз | Впускной открыт, выпускной закрыт | Поступает топливно-воздушная смесь |
| Сжатие | Вверх | Оба закрыты | Смесь сжимается, растут давление и температура |
| Рабочий ход | Вниз | Оба закрыты | Смесь сгорает, газы расширяются и толкают поршень |
| Выпуск | Вверх | Впускной закрыт, выпускной открыт | Отработавшие газы удаляются из цилиндра |
Для определения такта сначала посмотрите на направление движения поршня, а затем на состояние клапанов. Особенно легко различить впуск и выпуск: при впуске открыт вход для смеси, а при выпуске — выход для отработавших газов.
В рабочем ходе оба клапана закрыты, чтобы расширяющиеся газы не вырывались из цилиндра и давили на поршень. При сжатии клапаны также закрыты, но поршень движется в противоположную сторону и затрачивает энергию.
Задача 1. Определите, какой такт происходит в цилиндре, если поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт.
Ответ: происходит такт впуска.
Задача 2. При сгорании топлива двигатель получил 20 кДж энергии, а полезная работа составила 5 кДж. Найдите КПД двигателя.
Ответ: КПД двигателя равен 25%.
Задача 3. Двигатель за цикл получил от топлива 60 кДж энергии и передал окружающей среде 45 кДж теплоты. Определите полезную работу и КПД.
Ответ: полезная работа равна 15 кДж, а КПД двигателя — 25%.
Один ход за полный цикл. Иногда считают, что поршень делает один ход, пока двигатель выполняет весь процесс. На самом деле четырёхтактный цикл включает четыре хода: два движения вниз и два вверх. Проверяйте себя по последовательности тактов.
Сжатие называют рабочим ходом. Ошибка возникает потому, что в обоих случаях движется поршень. При сжатии энергия затрачивается на уменьшение объёма смеси, а полезную работу газы совершают после воспламенения, расширяясь во время рабочего хода.
Впуск путают с выпуском. При впуске в цилиндр входит свежая смесь, а при выпуске из него выходят продукты сгорания. Состояние клапанов легко проверяет ответ: открыт вход — впуск, открыт выход — выпуск.
Всю энергию топлива считают полезной. Часть энергии нагревает детали и окружающую среду, уходит с газами и расходуется на трение. Поэтому полезная работа меньше полученной энергии, а КПД всегда ниже 100%.
Для понимания работы двигателя нужны знания о превращении внутренней энергии в механическую работу. Закон сохранения энергии объясняет, куда распределяется энергия топлива.
Понятие теплового двигателя и его КПД помогает сравнивать разные способы получения и передачи энергии. Формула КПД связывает полезную работу с количеством полученной теплоты.
Двигатели связаны с экологией: для их работы требуется топливо, а при сгорании образуются продукты, загрязняющие воздух. Снижение потерь энергии помогает уменьшать расход топлива.
Почему двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
Топливо сгорает внутри рабочего цилиндра двигателя, а не в отдельной топке. Энергия горячих газов непосредственно используется для перемещения поршня.
Что происходит в цилиндре во время каждого из четырёх тактов?
При впуске в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь, при сжатии она сжимается. Во время рабочего хода смесь сгорает и расширяющиеся газы толкают поршень, а при выпуске удаляются отработавшие газы.
Почему полезную работу газы совершают только во время рабочего хода?
Только в этот момент после сгорания газы расширяются и сами давят на поршень в направлении его движения. Остальные такты нужны для подготовки цилиндра или удаления продуктов сгорания и выполняются за счёт энергии вращающихся деталей.
Для чего нужны клапаны в двигателе?
Впускной клапан открывает путь топливно-воздушной смеси в цилиндр, а выпускной соединяет цилиндр с каналом для отвода газов. Клапаны открываются и закрываются в нужные моменты, чтобы потоки не смешивались.
Почему КПД двигателя не может быть равен 100%?
Часть энергии топлива передаётся охлаждающим деталям и окружающей среде. Кроме того, энергия расходуется на трение и движение вспомогательных механизмов, поэтому полезная работа меньше полученной энергии.
§ 27. Поршневые двигатели внутреннего сгорания
