3. Двигатель внутреннего сгорания

Определения и обозначения

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри цилиндра, а энергия нагретого газа превращается в механическую работу. Проще говоря, горение происходит в самом устройстве, а не в отдельной топке. Это определение помогает отличить такой двигатель от других тепловых машин.

Такт — часть рабочего цикла двигателя, соответствующая одному ходу поршня между крайними положениями. За такт поршень перемещается в одну сторону: вверх или вниз. Понятие нужно, чтобы разбирать последовательность процессов в цилиндре.

Рабочий ход — такт, во время которого расширяющийся газ толкает поршень и совершает полезную работу. Газ давит на поршень после сгорания топлива, заставляя его двигаться. Термин помогает отличить полезный ход от остальных движений поршня.

Рабочий цикл — повторяющаяся последовательность процессов в цилиндре, обеспечивающая работу двигателя. В четырёхтактном двигателе это впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Цикл нужен для понимания того, как двигатель снова и снова получает свежий заряд и удаляет продукты сгорания.

Как это устроено

Поршень плотно движется внутри цилиндра, а шатун соединяет его с коленчатым валом. Когда поршень перемещается, шатун передаёт усилие валу и поворачивает его. Так поступательное движение поршня становится вращательным, которое удобно передавать колёсам или другим механизмам. Клапаны открывают и закрывают отверстия в цилиндре, чтобы заряд поступал внутрь, а отработавшие газы выходили наружу.

Для работы цилиндр должен получить топливо и воздух, необходимые для горения. В бензиновом двигателе внутрь поступает топливовоздушная смесь, которую поршень затем сжимает. В конце сжатия свеча создаёт искру и поджигает смесь. В дизеле сначала сжимается воздух; от сжатия он сильно нагревается, и впрыснутое топливо воспламеняется без искры. Различие связано именно со способом воспламенения топлива.

При сгорании образуются горячие газы, которые быстро расширяются и давят на стенки цилиндра. Поскольку поршень может двигаться, давление толкает его вниз. Шатун передаёт усилие коленчатому валу и заставляет его вращаться. Этот такт называется рабочим ходом: именно здесь газ непосредственно сообщает механизму полезную работу.

В четырёхтактном двигателе первый такт — впуск: поршень идёт вниз, впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает свежий заряд. Во время сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты, а заряд становится плотнее. Затем следует рабочий ход: заряд воспламеняется, газ расширяется и опускает поршень; клапаны закрыты. Наконец, при выпуске поршень идёт вверх, выпускной клапан открыт, и газы покидают цилиндр.

Одного сгорания недостаточно, чтобы двигатель работал долго: после него в цилиндре остаются отработавшие газы, а для нового рабочего хода нужен свежий заряд. Поэтому клапаны и движения поршня обеспечивают повторение всех четырёх тактов. Выпуск удаляет продукты сгорания, а впуск наполняет цилиндр топливом и воздухом. Кроме того, только один из четырёх тактов даёт газу возможность непосредственно толкнуть поршень, остальные подготавливают следующий рабочий ход.

Четыре такта двигателя внутреннего сгорания

Чтобы определить такт, сначала проследите за направлением движения поршня, а затем проверьте, какой клапан открыт. Например, движение вниз бывает и при впуске, и при рабочем ходе, но состояния клапанов и происходящие процессы у них разные. Таблица показывает полный цикл: после выпуска снова начинается впуск.

Разбор задач

Поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Определим такт и выясним, что попадает внутрь цилиндра.

1. Сопоставим движение поршня и клапаны с таблицей: при впуске поршень идёт вниз, а впускной клапан открыт.
2. Проверим выпускной клапан: он закрыт, поэтому отработавшие газы не выходят через него.
3. Значит, в цилиндр поступает свежий заряд. В бензиновом двигателе это топливовоздушная смесь, а в дизеле — воздух.

Ответ: происходит впуск; в цилиндр поступает свежий заряд — смесь в бензиновом двигателе или воздух в дизеле.

Четырёхтактный двигатель совершил 1200 оборотов коленчатого вала. Найдём число рабочих ходов в одном цилиндре, учитывая, сколько оборотов занимает цикл.

1. В четырёхтактном двигателе один полный цикл состоит из четырёх ходов поршня и занимает два оборота коленчатого вала.
2. За один такой цикл в каждом цилиндре происходит один рабочий ход. Поэтому число рабочих ходов равно числу циклов.
3. Разделим общее число оборотов на два: 1200 : 2 = 600. Значит, в одном цилиндре произошло 600 рабочих ходов.

Ответ: 600 рабочих ходов.

За цикл сгорание топлива передало газу 800 Дж энергии, а двигатель совершил полезную работу 240 Дж. Рассчитаем КПД — долю полученной энергии, которая пошла на полезную работу.

1. Запишем отношение полезной работы к полученной энергии: η = 240 Дж / 800 Дж.
2. Вычислим отношение: 240 / 800 = 0,3. Джоули сокращаются, поэтому КПД — безразмерная величина.
3. Переведём десятичную дробь в проценты: 0,3 × 100% = 30%. Это означает, что полезная работа составляет 30% переданной энергии.

Ответ: КПД двигателя равен 30%.

Типичные ошибки

Ошибка — считать рабочим ходом любое движение поршня. Поршень действительно движется на каждом такте, но непосредственно газ совершает полезную работу только при расширении после сгорания. Путаница возникает, если ориентироваться лишь на движение вверх или вниз. Проверка: спросите себя, толкает ли расширяющийся газ поршень именно сейчас.

Ошибка — путать впуск и выпуск. При впуске цилиндр наполняется свежим зарядом, а при выпуске из него удаляются отработавшие газы. Оба процесса связаны с движением поршня и открытым клапаном, поэтому их легко перепутать. Проверяйте, какой именно клапан открыт и что движется через него: свежий заряд внутрь или газы наружу.

Ошибка — ожидать рабочий ход при каждом обороте коленчатого вала. Четыре такта занимают два оборота, а рабочий ход происходит один раз за цикл в каждом цилиндре. Заблуждение появляется, если забыть, что поршень совершает и подготовительные ходы. Для проверки разделите число оборотов на два — так вы найдёте число циклов и рабочих ходов одного цилиндра.

Ошибка — считать, что вся энергия топлива превращается в полезную работу. Часть энергии рассеивается и уходит вместе с горячими отработавшими газами, поэтому КПД меньше 100%. Это можно упустить, если рассматривать только движение поршня. Проверка проста: сравните полезную работу с полученной энергией — первая не может быть больше второй.

Связь с другими темами

Для понимания работы двигателя нужно знать, как внутренняя энергия превращается в механическую работу: нагретый газ расширяется и перемещает поршень. Тема продолжает изучение тепловых двигателей и помогает разобраться в принципе работы транспорта и энергетических установок. Понятие КПД связывает устройство двигателя с оценкой потерь энергии. Оно пригодится, когда нужно сравнить, какая доля энергии топлива используется с пользой.

Что запомнить

• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндра.
• Расширяющийся газ действует на поршень и совершает работу.
• Поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал.
• Четырёхтактный цикл состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
• Один цикл четырёхтактного двигателя соответствует двум оборотам коленчатого вала.
• Рабочий ход — единственный такт, в котором газ непосредственно совершает полезную работу.