§ 12. Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Определения и обозначения

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а энергия нагретых газов совершает работу. Такой двигатель нужен, чтобы получать движение от энергии топлива, например для вращения колёс транспорта. Слово «внутреннего» указывает, где именно происходит горение: внутри двигателя, в цилиндре.

Цилиндр — часть двигателя, внутри которой перемещается поршень и происходят такты рабочего цикла. Его пространство меняется, когда поршень движется вверх или вниз. Это позволяет впускать смесь, сжимать её, а затем удалять отработавшие газы.

Поршень — подвижная деталь, которая под давлением газов движется внутри цилиндра. Он также меняет объём пространства, занятого рабочей смесью и газами. Без поршня давление расширяющихся газов не передавалось бы механизму двигателя.

Шатунно-кривошипный механизм — механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала. Шатун связывает поршень с кривошипом, закреплённым на валу. Благодаря этому детали двигателя могут передать вращение дальше — например, колёсам.

Как это устроено

На впуске поршень движется вниз, и объём цилиндра над ним увеличивается. Впускной клапан открыт, поэтому образовавшееся разрежение помогает втянуть внутрь рабочую смесь — топливо с воздухом. Выпускной клапан в это время закрыт, иначе часть поступающей смеси могла бы выйти наружу.

Далее поршень идёт вверх, а оба клапана закрыты — начинается сжатие. Смесь не может свободно выйти из цилиндра, поэтому при уменьшении объёма её давление и температура повышаются. Сжатая смесь легче воспламеняется и готова выделить энергию при горении.

Когда смесь воспламеняется, горячие газы быстро расширяются. Оба клапана остаются закрытыми, поэтому газ давит на поршень и перемещает его вниз. Именно на этом рабочем ходу расширяющийся газ совершает полезную работу, передавая движение деталям двигателя.

После рабочего хода поршень снова поднимается, а выпускной клапан открывается. Уменьшение объёма цилиндра выталкивает отработавшие газы через этот клапан наружу. Впускной клапан закрыт, чтобы свежая смесь не смешивалась с газами, которые нужно удалить.

Когда выпуск заканчивается, цикл начинается снова с впуска. Поршень меняет направление между тактами, а шатунно-кривошипный механизм передаёт его движение валу и заставляет вал вращаться. Вал помогает продолжать движение поршня и передаёт вращение другим частям машины.

Четыре такта поршневого двигателя

Чтобы разобраться в таблице, сначала найдите нужный такт, а затем проследите одновременно за движением поршня и положением клапанов. Последний столбец показывает, почему каждому движению соответствует своё изменение в цилиндре. Полный цикл включает все четыре строки по порядку.

Разбор задач

Задача 1

Опишите, что происходит в цилиндре на такте впуска и через какой клапан поступает рабочая смесь. Чтобы ответить, проследим, как движение поршня меняет объём цилиндра и куда может пройти смесь.

1. На такте впуска поршень движется вниз, поэтому пространство над ним увеличивается.
2. Впускной клапан открыт, и в цилиндр через него поступает рабочая смесь топлива с воздухом.
3. Выпускной клапан закрыт, чтобы смесь не уходила из цилиндра.

Ответ: при движении поршня вниз в цилиндр через открытый впускной клапан поступает рабочая смесь.

Задача 2

В четырёхтактном двигателе поршень совершил четыре такта. Сколько раз произошёл рабочий ход? Не нужно считать каждый такт отдельной полезной работой: в цикле есть этапы, которые подготавливают работу или очищают цилиндр.

1. Запишем порядок полного цикла: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
2. В этом перечне только один такт является рабочим ходом.
3. Четыре совершённых такта составляют один полный цикл, поэтому рабочий ход произошёл один раз.

Ответ: один раз.

Задача 3

Двигатель совершил полезную работу 12 кДж, получив от топлива 40 кДж энергии. Найдите КПД двигателя. КПД показывает, какая доля полученной энергии пошла на полезную работу, поэтому для вычисления нужно сравнить эти две величины.

1. Запишем формулу: η = Aполезн / Eполуч × 100%.
2. Подставим данные: η = 12 / 40 × 100%.
3. Вычислим отношение: 12 / 40 = 0,3, а 0,3 × 100% = 30%.

Ответ: КПД двигателя равен 30%.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что топливо сгорает снаружи цилиндра. Её допускают, путая поршневой двигатель с установками, где топливо горит отдельно от рабочего тела. Проверьте себя: если двигатель внутреннего сгорания, смесь сгорает внутри цилиндра.

Ошибка: путать сжатие с рабочим ходом. При сжатии поршень движется вверх и сжимает смесь, а газы ещё не толкают его вниз. Проверка простая: найдите такт по направлению поршня и тому, кто совершает работу.

Ошибка: считать, что во всех тактах поршень движется в одном направлении. Направление меняется: на впуске поршень идёт вниз, на сжатии вверх, на рабочем ходу вниз, на выпуске вверх. Сверяйтесь с порядком тактов, а не переносите движение из одного такта на следующий.

Ошибка: называть всю энергию топлива полезной работой. Часть энергии рассеивается, поэтому КПД двигателя меньше 100%. Проверить себя можно по смыслу КПД: полезная работа не может превышать всю полученную энергию.

Связь с другими темами

Для изучения двигателя нужно знать, как внутренняя энергия превращается в механическую работу, и понимать, что такое тепловой двигатель. Эти понятия объясняют, откуда берётся движение поршня и зачем нужно горение топлива. Позже устройство двигателя пригодится при изучении КПД тепловых двигателей, транспорта и способов уменьшения потерь энергии.

Что запомнить

• В двигателе внутреннего сгорания топливо горит внутри цилиндра.
• Поршень движется внутри цилиндра под действием газов.
• Шатунно-кривошипный механизм преобразует движение поршня во вращение вала.
• Полный цикл четырёхтактного двигателя состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
• Полезную работу непосредственно совершает расширяющийся газ на рабочем ходу.
• Часть энергии топлива неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя меньше 100%.