Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3 %) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.

Наибольшее распространение среди них получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н. Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя — четырехтактный.

Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 г. немецким изобретателем Г. Даймлером. Примерно в это же время бензиновый двигатель был разработан и О. С. Костовичем в России. Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.

Современный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания изображен на рисунке 88. Поршни, находящиеся внутри цилиндров двигателя, соединены с коленчатым валом 1. На этом валу укреплен тяжелый маховик 2. В верхней части каждого цилиндра имеется два клапана: один из них называется впускным, другой — выпускным. Через первый из них горючая смесь попадает в цилиндр, а через второй продукты сгорания топлива уходят наружу.

Принцип действия одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания иллюстрирует рисунок 89.

1-й такт — впуск. Открывается клапан 1. Клапан 2 закрыт. Движущийся вниз поршень 3 засасывает в цилиндр горючую смесь.
2-й такт — сжатие. Оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
3-й такт — рабочий ход. Оба клапана закрыты. Когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи 4. В результате сгорания смеси образуются раскаленные газы, давление которых составляет 3—6 МПа, а температура достигает 1600—2200 °С. Сила давления этих газов толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше по инерции, обеспечивая тем самым перемещение поршня и при последующих тактах.
4-й такт — выпуск. Открывается клапан 2. Клапан 1 закрыт. Поршень движется вверх. Продукты сгорания топлива уходят из цилиндра и через глушитель (на рисунке не показан) выбрасываются в атмосферу.

Мы видим, что в одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается лишь во время третьего такта. В четырехцилиндровом двигателе (см. рис. 88) поршни укреплены таким образом, что во время каждого из четырех тактов один из них находится в стадии рабочего хода. Благодаря этому коленчатый вал получает энергию в 4 раза чаще. При этом увеличивается мощность двигателя и в лучшей степени обеспечивается равномерность вращения вала.

Частота вращения вала у большинства двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3000 до 7000 оборотов в минуту, а в некоторых случаях достигает 15 000 оборотов в минуту и более.

В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.

Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешевых видах топлива и имеют КПД 31—44 % (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30 %). В настоящее время они применяются на тракторах, тепловозах, теплоходах, танках, грузовиках, передвижных электростанциях.

Судьба самого изобретателя нового двигателя оказалась трагической. 29 сентября 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Талантливый инженер бесследно исчез. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К- Бенца. Громоздкие и трудноуправляемые паровые автомобили стали вытесняться новыми машинами. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.
В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд (США). Через 11 лет его автомобили (рис. 90) были запущены в массовое производство.

В 1908 г. автомобили начали производить на Русско-Балтийском заводе в Риге. Один из первых русских автомобилей «Руссо-Балт» показан на рисунке 91.

Важную роль в развитии и распространении нового вида транспорта сыграли автомобильные гонки, которые стали устраиваться с 1894 г. В первой из них средняя скорость автомобилей составляла лишь 24 км/ч. Однако уже через пять лет она достигла 70 км/ч, а еще через пять лет— 100 км/ч.

После 1900 г. началось производство специальных гоночных автомобилей. С каждым годом их скорость возрастала. В 60-х гг. скорость автомобилей с поршневым двигателем превысила 600 км/ч, а после установки на автомобиле газотурбинного двигателя она перевалила за 900 км/ч. Наконец, в 1997 г. Э. Грин (Великобритания) на своем ракетном автомобиле «Траст SSC» достиг скорости 1227,985 км/ч, что превысило скорость звука в воздухе!

1. Опишите принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Из каких тактов состоит каждый его рабочий цикл? 2. Какую роль в двигателе играет маховик? 3. Чем отличается дизельный двигатель внутреннего сгорания от карбюраторного? 4. Кто создал первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?

§ 22. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространённый вид теплового двигателя. Топливо в нём сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Тепловые двигатели такого типа обычно устанавливают на автомобили.

На рисунке 26 показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

Рис. 26. Двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединённый при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С. Давление на поршень при этом резко возрастает.

Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть внутренней энергии газов превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя. Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырёхтактными.

Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Рис. 27. Циклы работы двигателя внутреннего сгорания

При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз (рис. 27, а). Объём над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создаётся разрежение. В это время открывается клапан 2 и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рис. 27, б). В конце второго такта, когда поршень дойдёт до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Двигатель внутреннего сгорания:
а — мотоцикла; б — автомобиля; в — самолета

Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рис. 27, в). Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передаётся шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает скреплённый с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

Дизель Рудольф (1858—1913)
Немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания используемого по настоящее время.

В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвёртого такта, когда поршень движется вверх (рис. 27, г). В конце четвёртого такта клапан 2 закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырёх процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

В автомобилях используют чаще всего четырёхцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочерёдно происходит рабочий ход и коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Двигатель внутреннего сгорания

Конспект по физике для 8 класса «Двигатель внутреннего сгорания». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое двигатель внутреннего сгорания. Как устроен двигатель внутреннего сгорания и как он работает.

Двигатель внутреннего сгорания

Существует несколько видов тепловых двигателей, которые можно разделить на двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно рациональным. Сущность его состояла в уменьшении потерь энергии за счёт перенесения места сжигания топлива и нагрева рабочего тела внутрь цилиндра. Отсюда и происхождение названия «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС). Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Двигатель внутреннего сгорания — один из самых распространённых двигателей. Он приводит в движение автомобили, тракторы, тепловозы, теплоходы и т. д.

Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. КПД его двигателя был равен всего 3,3 %. Однако благодаря развитию инженерной мысли в короткие сроки он был значительно усовершенствован.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. В том же году появился трёхколёсный автомобиль К. Бенца. Их скорость достигала 18 км/ч. В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд.

УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рассмотрим простейший двигатель внутреннего сгорания. Он состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый с шатуном (шатун — деталь механизма, предназначенная для соединения с коленчатым валом).

Шатун насажен на коленчатый вал и приводит его во вращение при движении поршня в цилиндре. В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которые вставлены клапаны — впускной и выпускной.

При работе двигателя по мере необходимости клапаны открываются и закрываются.

Через них в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а также выходят отработанные газы.

ЧЕТЫРЕ ТАКТА РАБОТЫ ДВС

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками, а расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, — ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня — четыре такта, поэтому такие двигатели называют четырёхтактными. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

■ Первый такт — впуск. Поршень движется сверху вниз от верхней мёртвой точки в нижнюю. Объём над поршнем увеличивается, и давление газа в цилиндре над ним уменьшается. Впускной клапан открывается, и через него поступает горючая смесь (смесь паров бензина и воздуха). Выпускной клапан при этом закрыт. Когда поршень приходит в нижнюю мёртвую точку, впускной клапан закрывается.

■ Второй такт — сжатие. При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Оба клапана закрыты. Когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

■ Третий такт — рабочий ход. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество теплоты. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С. Давление на поршень при этом возрастает. Расширяясь, газ толкает поршень, а вместе с ним и коленчатый вал с насаженным на него массивным маховиком, совершая при этом механическую работу. При этом газ охлаждается, так как часть его внутренней энергии превращается в механическую. Получив сильный толчок, маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает, посредством коленчатого вала, поршень при последующих тактах.

■ Четвёртый такт — выпуск. Поршень движется вверх, выталкивая через открытый выпускной клапан отработанный газ. В конце четвёртого такта выпускной клапан закрывается. Затем цикл повторяется.

ДИЗЕЛЬНЫЕ И КАРБЮРАТОРНЫЕ ДВС

Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на дизельные и карбюраторные. Основное их отличие заключается в способе подачи топливо-воздушной смеси в цилиндр и способе её воспламенения. Дизельные двигатели являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешёвых видах топлива и имеют КПД 30—50 %. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания имеют довольно низкий КПД — 25—30 %.

В карбюраторном двигателе горючая смесь готовится вне двигателя в специальном устройстве — карбюраторе и из него поступает в двигатель, в необходимый момент поджигаясь свечой зажигания.

В дизельном двигателе воздух попадает в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия, когда воздух нагревается до температуры самовоспламенения дизельного топлива (700—800 °С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Двигатель внутреннего сгорания».