§ 46. Двигатель внутреннего сгорания

Определения и обозначения

Двигатель внутреннего сгорания — тепловая машина, в которой топливо сгорает внутри цилиндра, а энергия нагретых газов превращается в механическую работу. Иными словами, двигатель получает энергию от топлива и передаёт движение механизмам. Такие двигатели используют, например, в автомобилях.

Цилиндр — полая рабочая часть двигателя, внутри которой перемещается поршень и сгорает топливная смесь. Он образует пространство, где происходят основные процессы рабочего цикла. Благодаря этому давление газов действует на поршень в нужном направлении.

Поршень — подвижная деталь, воспринимающая давление газов и совершающая возвратно-поступательное движение. Это значит, что он ходит вверх и вниз внутри цилиндра. Поршень нужен, чтобы передать силу расширяющихся газов шатуну и дальше — валу.

Такт — часть рабочего цикла двигателя, соответствующая одному ходу поршня от одного крайнего положения до другого. Это понятие помогает разделить цикл на последовательные этапы и описать, что происходит в цилиндре. В четырёхтактном двигателе полный цикл включает четыре таких хода.

Как это устроено

В двигателе есть цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал, а также впускной и выпускной клапаны и свеча зажигания. Клапаны открывают и закрывают каналы для смеси и выхлопа, а свеча создаёт искру для воспламенения смеси. Детали выполняют разные задачи, поэтому цикл может повторяться: цилиндр служит рабочей полостью, поршень принимает давление, а механизм передаёт движение.

Поршень движется по прямой, но многим механизмам требуется вращение. Поэтому поршень соединён с шатуном, а тот — с коленчатым валом. Когда поршень перемещается, шатун поворачивает вал; форма и соединение деталей позволяют преобразовать возвратно-поступательное движение во вращение.

Для повторной работы цилиндр должен заполниться свежей смесью, а затем смесь нужно сжать. Сжатие подготавливает её к эффективному сгоранию, после которого расширяющиеся газы толкают поршень. Отработавшие газы необходимо удалить, иначе они помешают поступлению следующей порции смеси. Поэтому в двигателе предусмотрены впуск, сжатие, воспламенение и выпуск.

Четырёхтактный цикл начинается впуском: поршень идёт вниз, впускной клапан открыт, и смесь поступает в цилиндр. При сжатии поршень движется вверх, оба клапана закрыты, смесь сжимается. В конце сжатия свеча зажигает смесь, и начинается рабочий ход: газы расширяются и толкают поршень вниз. Наконец, при выпуске поршень идёт вверх, выпускной клапан открыт, и газы удаляются.

Двигатель называют двигателем внутреннего сгорания, потому что топливо сгорает внутри его цилиндра. При сгорании химическая энергия топлива становится внутренней энергией горячих газов, а их давление совершает работу над поршнем. Через шатун и вал эта энергия передаётся механизмам как механическая работа. Не вся энергия становится полезной: часть уходит с выхлопом, нагревает детали и расходуется на трение.

Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

В таблице сопоставлены движение поршня, клапаны и процессы в цилиндре. Чтобы определить такт, сначала проверьте, куда движется поршень, а затем — какой клапан открыт. При сжатии и рабочем ходе клапаны закрыты, поэтому различить эти такты помогает направление движения поршня.

Разбор задач

Определить такт по движению поршня и клапанам

Условие: поршень движется вниз, впускной клапан открыт, выпускной закрыт. Нужно определить такт. Сравним признаки из условия с таблицей рабочего цикла.

1. Поршень движется вниз — это может происходить при впуске или рабочем ходе.
2. При рабочем ходе оба клапана закрыты, а здесь открыт впускной.
3. Открытый впускной клапан позволяет смеси поступать в цилиндр, значит, идёт впуск.

Ответ: такт впуска. Для проверки достаточно убедиться, что смесь входит в цилиндр при движении поршня вниз.

Восстановить последовательность тактов

Условие: расположить такты четырёхтактного двигателя по порядку и указать момент воспламенения. Порядок определяется тем, какие процессы должны подготовить цилиндр к получению полезной работы и очистить его после неё.

1. Сначала смесь должна попасть в цилиндр — это впуск.
2. Затем закрытые клапаны позволяют поршню сжать смесь — это сжатие.
3. В конце сжатия смесь воспламеняется; расширяющиеся газы начинают толкать поршень, что запускает рабочий ход.
4. После рабочего хода поршень выталкивает газы наружу — это выпуск.

Ответ: впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск. Воспламенение происходит в конце сжатия и запускает рабочий ход, но отдельным тактом не является.

Вычислить КПД двигателя

Условие: двигатель получил от топлива Q = 200 кДж и совершил полезную работу Aпол = 60 кДж. Нужно определить коэффициент полезного действия — долю полученной энергии, которая пошла на полезную работу. Для этого сравним полезную работу с энергией топлива.

1. Записываем формулу: η = Aпол / Q × 100%.
2. Подставляем значения: η = 60 / 200 × 100%.
3. Выполняем деление: 60 / 200 = 0,3, затем умножаем на 100%.

Ответ: η = 30%. Это означает, что полезная работа составляет 30% энергии, полученной при сгорании топлива; остальная энергия не превращается в полезную работу двигателя.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что рабочий ход происходит при каждом движении поршня. Её допускают, потому что поршень перемещается во время всех четырёх тактов, но только один из них начинается после воспламенения и даёт полезную работу. Проверяйте, указан ли рабочий ход в условии цикла: в четырёхтактном двигателе он один на четыре такта.

Ошибка: путать впуск и выпуск, не учитывая клапаны и содержимое цилиндра. В обоих случаях газы проходят через открытый клапан, поэтому одного факта «клапан открыт» недостаточно. Проверьте, какой именно клапан открыт и что происходит: смесь входит при впуске, а продукты сгорания выходят при выпуске.

Ошибка: называть воспламенение отдельным тактом. Его часто выделяют отдельно, потому что оно запускает заметное событие — движение поршня под давлением газов. Но воспламенение происходит в конце сжатия и приводит к рабочему ходу; сверка с четырьмя названиями тактов помогает проверить ответ.

Ошибка: считать, что вся энергия топлива превращается в полезную работу. Так рассуждают, если учитывать только давление газов на поршень, забывая о нагревании деталей и выхлопе. Учитывайте также трение и потери с горячими газами: поэтому КПД меньше 100%, а полезная работа меньше энергии топлива.

Связь с другими темами

Для понимания работы двигателя нужны знания о превращении энергии, механической работе и мощности. Также важно представлять, что газ оказывает давление и может действовать силой на поршень. Эти понятия помогают проследить, как энергия топлива приводит механизм в движение.

Двигатель внутреннего сгорания — пример тепловой машины, поэтому для него рассматривают полезную работу и коэффициент полезного действия. КПД показывает, какая часть полученной энергии пошла на полезный результат. Такое сравнение позволяет обсуждать эффективность двигателя.

Знание устройства двигателя пригодится при изучении автомобилей и тракторов, а также тепловых электростанций. Тема связана и с экологическими последствиями сжигания топлива, и с поиском способов повысить КПД. Так можно оценивать не только работу механизма, но и её последствия.

Что запомнить

• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри рабочего цилиндра.
• Основные детали двигателя — цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал.
• Четырёхтактный цикл состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
• Рабочий ход начинается после воспламенения сжатой топливной смеси.
• Клапаны регулируют поступление смеси в цилиндр и удаление выхлопных газов.
• Поршень передаёт движение шатуну, а шатун вращает коленчатый вал.
• КПД двигателя меньше 100 процентов, потому что часть энергии теряется.