В настоящее время двигатели внутреннего сгорания встроены практически во все виды транспорта, которыми мы пользуемся. Они приводят в действие самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы и дизельные двигатели. Мощные двигатели внутреннего сгорания используются на реках и судах.
Двигатель внутреннего сгорания
Тепловой двигатель — это рабочая машина, в которой внутренняя энергия преобразуется в механическую. Простейшую модель такого двигателя можно представить как металлический цилиндр и неподвижный поршень, который может двигаться вдоль цилиндра.
Одним из наиболее распространенных типов тепловых двигателей, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Содержащееся в нем топливо сгорает непосредственно в цилиндре, в самом двигателе. Нетрудно догадаться, что именно отсюда и произошло название.
В этом уроке мы рассмотрим двигатель внутреннего сгорания и принцип его работы.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Тепловые двигатели этого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этими видами топлива могут быть нефть, бензин, парафин и различные горючие газы.
На рисунке 1 показан вид в поперечном сечении простейшего двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель представляет собой цельный металлический цилиндр. В этом цилиндре находится подвижный поршень 3, который соединен с коленчатым валом 5 при помощи шатуна 4.
В верхней части двигателя находятся два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они открываются и закрываются автоматически в определенное время.
Топливная смесь поступает в цилиндр двигателя через клапан 1. Он воспламеняется от свечи зажигания 6.
Топливная смесь представляет собой смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).
Отработанные газы выходят через клапан 2.
Сгорание топливной смеси происходит периодически в цилиндре. Например, горит смесь паров бензина и воздуха. Образуются продукты сгорания. Во время этого процесса их температура достигает высоких значений — 1600-1800 \degrees C$. Это резко увеличивает давление в поршне.
Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. Когда поршень движется, коленчатый вал также движется. Таким образом, газы совершают механическую работу. Другими словами, часть внутренней энергии газов преобразуется в механическую энергию. Это уменьшает внутреннюю энергию газов — они начинают охлаждаться.
Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя
Нам нужны новые определения, чтобы более пристально взглянуть на операционную систему двигателя.
Поршень может двигаться внутри цилиндра. В самом простом типе устройства, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.
Мертвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.
Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.
Двигатели внутреннего сгорания, которые мы рассматриваем, называются четырехтактными.
Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один такт мощности происходит за четыре такта.
Поршень представляет собой полый металлический цилиндр, окруженный пружинными кольцами, вставленными в канавки в поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — удерживать продукты сгорания от попадания в зазоры между поршнем и стенками цилиндра. К поршню прикреплен металлический стержень («палец»), который соединяет поршень с шатуном. Шатун используется для передачи вертикальной силы от поршня к коленчатому валу. В верхней части цилиндра находятся два клапанных отверстия. Топливная смесь (топливо с воздухом) поступает через одно отверстие, а продукты сгорания выводятся через другое, выпускное отверстие.
Основные принципы действия ДВС
Свеча зажигания расположена в верхней части цилиндра. В этой зоне топливная смесь воспламеняется от искры, образующейся между близко расположенными электродами свечи зажигания.
Первый поршневой двигатель был изобретен в 1807 году швейцарцем Франсуа Исааком де Ривазом.
Карбюратор необходим для получения топливной смеси. Давайте посмотрим, как это работает.
Когда открыт только впускной клапан цилиндра и поршень движется по направлению к коленчатому валу, атмосферное давление выталкивает воздух через отверстие в разреженное пространство. Воздушный поток с большой скоростью проходит через форсунку (трубу карбюратора) и всасывает бензин. В результате образуется горючая смесь (пары бензина и воздух). Искра от свечи зажигания воспламеняет смесь, создавая микровзрыв, в результате которого горячие продукты сгорания (газы) расширяются в поршне, создавая полезную работу. Внутренняя энергия газовой смеси преобразуется в механическую энергию поршня. Поршень передает мощность через шатун на коленчатый вал, который создает крутящий момент, передающийся на колеса (или гребной винт, морской винт и т.д.).
Одноцилиндровые двигатели встречаются в основном в мотоциклах. Автомобили, тракторы и т.д. имеют 4, 6, 8 или более цилиндров.
Для чего нужен карбюратор
Рабочий цикл цилиндра состоит из четырех фаз: впуск смеси, сжатие, сгорание и выхлоп. По этой причине двигатель был разработан с четырьмя цилиндрами, работающими попеременно, так что при каждом такте работает хотя бы один из цилиндров: проворачивается коленчатый вал.
Из-за низкой эффективности и высокого расхода топлива двухтактных двигателей почти все современные двигатели строятся с четырехтактным циклом:
Четырехтактный ДВС
Отправной точкой является положение поршня в верхней точке (TDC — верхняя мертвая точка). В этот момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает двигаться вниз и всасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый ход цикла.
На втором такте поршень достигает своей нижней точки (ВМТ — нижней мертвой точки), впускное отверстие закрывается, и поршень начинает движение вверх, сжимая топливную смесь. Когда поршень достигает своего максимального
Принцип работы двигателя
Описанный выше метод является универсальным. Почти все бензиновые двигатели основаны на этом принципе. Дизельные двигатели характеризуются тем, что в них нет свечей зажигания для воспламенения топлива. Воспламенение в дизельном двигателе достигается за счет высокого сжатия топливной смеси. Во время цикла впуска в цилиндры дизельного двигателя поступает свежий воздух. Во время такта сжатия воздух нагревается до 600 ºC. В конце цикла в цилиндр впрыскивается определенное количество топлива, которое затем самопроизвольно воспламеняется.
- Впуск топлива;
- Сжатие топлива;
- Сгорание;
- Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.
Он представлен БЦ (блоком цилиндров) и ККМ (кривошипно-шатунным механизмом). Кроме того, современный двигатель внутреннего сгорания состоит из других вспомогательных систем, сгруппированных следующим образом:
Чтобы обеспечить поступление в цилиндр нужного количества топлива и воздуха и своевременное удаление продуктов сгорания из рабочей камеры, в ДВС имеется механизм, называемый газораспределительным механизмом. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые топливно-воздушная смесь поступает в цилиндры, а отработавшие газы выходят наружу. Компоненты ремня ГРМ включают в себя:
Ремень ГРМ приводится в движение коленчатым валом двигателя автомобиля. Привод передается на распределительный вал через цепь или ремень. Распределительные валы или кулачковые рычаги распределительного вала толкают впускной или выпускной клапан и поочередно открывают или закрывают клапан.
Двигатель имеет большое количество движущихся деталей, которые нуждаются в постоянной смазке для снижения потерь на трение и предотвращения повышенного износа и заедания. Для этого существует система смазки. Он также служит ряду других целей: Защита от коррозии компонентов двигателя внутреннего сгорания, дополнительное охлаждение двигателя и устранение износа в местах контакта движущихся частей. Система смазки двигателя транспортного средства включает в себя:
При работе двигателя его детали контактируют с горячими газами, образующимися при сгорании топливно-воздушной смеси. Детали двигателя внутреннего сгорания необходимо охлаждать, чтобы предотвратить их повреждение в результате чрезмерного расширения под воздействием тепла. Двигатель автомобиля может охлаждаться воздухом или жидкостью. Современные двигатели обычно охлаждаются жидкостной системой охлаждения, состоящей из следующих компонентов:
Системы двигателя
Системы привода двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и с воспламенением от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют некоторые общие элементы. Общими элементами являются:
- ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
- Система смазки;
- Система охлаждения;
- Система подачи топлива;
- Выхлопная система.
ГРМ — газораспределительный механизм
Обе системы имеют топливные насосы, топливопроводы и форсунки, а принцип подачи топлива одинаков: Топливо из бака через фильтры перекачивается в топливопровод, из которого поступает к форсунке. В большинстве бензиновых двигателей топливо выкачивается из топливопровода через фильтр.
- Распределительный вал;
- Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
- Детали привода клапанов;
- Элементы привода ГРМ.
Система смазки
- Масляный картер (поддон);
- Насос подачи масла;
- Масляный фильтр с редукционным клапаном;
- Маслопроводы;
- Масляный щуп (индикатор уровня масла);
- Указатель давления в системе;
- Маслоналивная горловина.
Система охлаждения
- Рубашка охлаждения двигателя;
- Насос (помпа);
- Термостат;
- Радиатор;
- Вентилятор;
- Расширительный бачок.
Система подачи топлива
- Топливный бак;
- Датчик уровня топлива;
- Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
- Топливные трубопроводы;
- Впускной коллектор;
- Воздушные патрубки;
- Воздушный фильтр.
