§ 35. Двигатель внутреннего сгорания

Определения и обозначения

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а энергия расширяющихся газов превращается в механическую работу. В отличие от двигателя, где топливо сжигают снаружи, здесь горячие газы сразу действуют на поршень. Это определение помогает понять, откуда двигатель получает энергию и как она передаётся его деталям.

Рабочее тело — нагретые при сгорании топлива газы, которые давят на поршень и совершают работу. Они расширяются и перемещают поршень внутри цилиндра. Понятие нужно, чтобы различать топливо, которое выделяет энергию при горении, и газы, которые непосредственно передают усилие механизму.

Такт — часть рабочего цикла двигателя, происходящая за один ход поршня. Ходом называют перемещение поршня от одного крайнего положения к другому. Термин позволяет описывать цикл по отдельным этапам и связывать каждый этап с движением поршня и работой клапанов.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя — последовательность впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, повторяющаяся за два оборота коленчатого вала. Каждый из четырёх этапов занимает один ход поршня. Это определение показывает порядок процессов и объясняет, почему полный цикл не укладывается в один оборот вала.

Как это устроено

Основные детали двигателя — цилиндр, поршень, клапаны, свеча зажигания и коленчатый вал. В цилиндре движется поршень, а клапаны по очереди открывают или перекрывают каналы для газов; свеча поджигает смесь. Поршень соединён с шатуном, а шатун — с коленчатым валом. Поэтому возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращение вала, которое можно передать механизмам машины.

Для наполнения цилиндра и удаления газов нужны отдельные каналы, поэтому используются впускной и выпускной клапаны. При впуске открывают первый: через него поступает горючая смесь — топливо, смешанное с воздухом. При выпуске открывают второй, чтобы продукты сгорания вышли из цилиндра. Если клапаны работают не в нужный момент, смесь и отработавшие газы не смогут правильно сменять друг друга.

Во время впуска поршень движется вниз, а впускной клапан открыт; выпускной в это время закрыт. Увеличивающийся объём цилиндра помогает втянуть внутрь горючую смесь. В результате цилиндр наполняется зарядом, который затем можно сжать и подготовить к воспламенению. Направление движения поршня здесь важно: вниз он идёт потому, что объём пространства над ним увеличивается.

При сжатии поршень движется вверх, оба клапана закрыты, и смесь занимает всё меньший объём. Из-за сжатия растут её давление и температура. Затем свеча зажигания воспламеняет смесь; горячие газы быстро расширяются и давят на поршень, толкая его вниз. Этот этап называют рабочим ходом: именно газы передают поршню энергию сгорания, а тот через шатун приводит в движение вал.

При выпуске поршень движется вверх, впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень вытесняет отработавшие газы из цилиндра, освобождая место для новой порции смеси. После этого цикл может начаться снова. За четыре такта поршень проходит четыре хода, а коленчатый вал делает два оборота; полезный рабочий ход при этом только один, остальные этапы подготавливают его или завершают цикл.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Чтобы определить такт, сопоставь направление движения поршня, положение клапанов и процесс в цилиндре. Впуск и рабочий ход оба сопровождаются движением поршня вниз, поэтому одного направления недостаточно: проверь клапаны и то, что происходит с газами. Полезная работа соответствует только строке «Рабочий ход».

Разбор задач

Задача 1. Назовите такт двигателя, если поршень движется вниз, оба клапана закрыты, а газы после воспламенения толкают поршень. Нужно определить процесс не только по направлению движения, но и по состоянию клапанов и газов. Закрытые клапаны исключают впуск и выпуск. Воспламенение и расширение газов указывают на этап, который передаёт поршню энергию топлива.

1. Сравниваем направление: поршень движется вниз, значит возможны впуск или рабочий ход. Само по себе направление такт не определяет. Нужно проверить остальные признаки.
2. Смотрим на клапаны: оба закрыты, следовательно, смесь не поступает и газы не выходят. Это соответствует сжатию или рабочему ходу.
3. Учитываем, что газы после воспламенения расширяются и толкают поршень. Это признак рабочего хода, а не сжатия.

Ответ: рабочий ход. Здесь полезная работа возникает потому, что расширяющиеся газы перемещают поршень вниз.

Задача 2. Расположите процессы в правильной последовательности: выпуск газов, сжатие смеси, поступление смеси, расширение газов. Все перечисленные процессы относятся к четырём тактам двигателя, но в условии они даны не по порядку. Удобно начать с наполнения цилиндра, затем определить, что должно произойти перед воспламенением, а после него — что удаляют из цилиндра.

1. Сначала в цилиндр поступает горючая смесь: это впуск. Без неё нечего сжимать и воспламенять.
2. Затем клапаны закрываются, поршень сжимает смесь, а её давление и температура повышаются. Значит, следующим идёт сжатие.
3. После воспламенения смесь сгорает, газы расширяются и толкают поршень. Это рабочий ход.
4. В конце отработавшие газы удаляются через выпускной клапан. Выпуск завершает цикл и подготавливает цилиндр к новому впуску.

Ответ: поступление смеси → сжатие смеси → расширение газов → выпуск газов. Расширение газов соответствует рабочему ходу.

Задача 3. Сколько рабочих ходов совершит четырёхтактный двигатель за 20 оборотов коленчатого вала? Известно, что полный цикл занимает два оборота, а рабочий ход за этот цикл происходит один раз. Значит, нужно определить число полных циклов за заданное число оборотов. Каждый цикл даст ровно один рабочий ход.

1. Находим число циклов: 20 оборотов ÷ 2 оборота на цикл = 10 циклов. Деление показывает, сколько раз двигатель успеет пройти всю последовательность тактов.
2. В каждом цикле есть один рабочий ход. Поэтому число рабочих ходов совпадает с числом циклов.
3. Проверяем смысл результата: за чётное число оборотов циклы укладываются целое число раз. 20 оборотов — это десять пар оборотов.

Ответ: 10 рабочих ходов. Нельзя считать каждый оборот отдельным рабочим ходом: на один рабочий ход нужны два оборота вала.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что топливо сгорает снаружи двигателя. Такое представление может возникнуть из-за сравнения с другими тепловыми двигателями, где источник нагрева расположен отдельно. Проверь себя: у двигателя внутреннего сгорания топливо воспламеняется в рабочем цилиндре, а образовавшиеся газы непосредственно давят на поршень. Если горение происходит вне цилиндра, это уже не описанный здесь принцип работы.

Впуск и выпуск иногда путают, потому что оба процесса связаны с движением газов через клапаны. При впуске в цилиндр поступает горючая смесь, а при выпуске из него удаляются отработавшие газы. Чтобы проверить себя, задай вопрос: цилиндр наполняется топливно-воздушной смесью или освобождается от продуктов сгорания? Ответ сразу подскажет нужный такт.

Не каждый ход поршня является рабочим ходом: три других хода нужны для впуска, сжатия и выпуска. Путаница появляется, если считать любое движение поршня полезной работой двигателя. Проверь себя по причине движения: газы после воспламенения толкают поршень только во время рабочего хода. В остальных тактах поршень выполняет вспомогательные действия цикла.

Полный четырёхтактный цикл занимает не один, а два оборота коленчатого вала. Ошибка возникает, если забыть, что за один оборот поршень проходит два хода, а цикл включает четыре. Для проверки сгруппируй ходы попарно: четыре хода — это два оборота. Значит, при подсчёте рабочих ходов число оборотов нужно делить на два.

Связь с другими темами

Чтобы понять работу двигателя, нужно знать, что внутренняя энергия топлива может превращаться в механическую работу. При сгорании нагретый газ расширяется и давит на поршень — так проявляются свойства газа и работа теплового двигателя. Эти знания помогают связать процессы внутри цилиндра с движением деталей.

Тема опирается на понятие давления газа: именно давление расширяющихся газов действует на поршень. Передача движения от поршня через шатун к коленчатому валу показывает, как механизмы изменяют характер движения. Поэтому для понимания двигателя полезны знания и о газах, и о механической передаче движения.

Двигатели внутреннего сгорания — пример тепловых двигателей, поэтому их работу можно сравнивать по тому, как они используют энергию топлива. Позже эти знания пригодятся при изучении коэффициента полезного действия, который показывает, какая часть энергии превращается в полезную работу. Тот же принцип важен для автомобилей и других энергетических установок.

Что запомнить

• Двигатель внутреннего сгорания превращает энергию топлива в механическую работу.
• Топливо сгорает внутри рабочего цилиндра.
• Полный цикл четырёхтактного двигателя состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
• Впускной клапан пропускает смесь в цилиндр, а выпускной удаляет отработавшие газы.
• Полезная работа совершается во время рабочего хода.
• Один рабочий цикл занимает два оборота коленчатого вала.
• Поршень передаёт движение через шатун коленчатому валу.