Двигатель внутреннего сгорания » Детская энциклопедия (первое издание)

Тепловые двигатели. Паровая машина

Паровая турбина

Двигатель внутреннего сгорания — другой тип поршневого двигателя. От паровой машины он отличается тем, что топливо сгорает у него не в топке парового котла, а непосредственно в цилиндре.

Теперь это самые распространенные тепловые двигатели в мире. Они более экономичны, чем паровые машины, не имеют тяжелого котла и поэтому находят применение в самых различных областях техники. Ценное свойство этих двигателей — небольшой их вес по отношению к единице развиваемой мощности. Так, автомобильный двигатель весит всего 1 кГ на 1 л. с.

Двигатели внутреннего сгорания приводят в действие автомобили, самолеты, тракторы, речные и морские суда, тепловозы и многие другие машины.

По способу заполнения цилиндра топливом двигатели внутреннего сгорания делятся на двухтактные и четырехтактные (подробнее о его работе см. стр. «Автомобили»).

У двигателей высокого сжатия — дизелей (двигателей с воспламенением от сжатия) — четыре такта, происходящих за два оборота вала, протекают несколько иначе, чем в карбюраторном двигателе. Поршень здесь засасывает и затем сильно сжимает не смесь топлива с воздухом, а чистый воздух. Когда на втором такте поршень достигнет своего верхнего положения, в полость двигателя вбрызгивается через форсунку жидкое топливо. От высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и толкает поршень вниз.

В отличие от паровой машины, у которой пар все время давит на поршень и толкает его то в одну, то в другую сторону, у четырехтактного двигателя внутреннего сгорания на четыре такта и два оборота вала приходится только один рабочий ход. Это снижает мощность такого двигателя.

У двухтактного двигателя рабочий ход приходится на каждый оборот вала. Однако краткий промежуток времени, пока поршень находится в нижнем положении, недостаточен для того, чтобы хорошо очистить полость двигателя от продуктов сгорания. Это препятствует широкому применению двухтактного двигателя.

И четырехтактный и двухтактный двигатели могут работать как на легком топливе, которое распыляется в карбюраторе и подается вместе с воздухом в цилиндр после продувки, так и на тяжелом моторном топливе, которое вбрызгивается в полость цилиндра в конце хода сжатия.

Так работает карбюраторный двигатель внутреннего сгорания: 1 — поршень; 2 — карбюратор; 3 — топливный бак; 4 — запальная свеча; 5 — магнето; 6 — труба для выхлопных газов; 7 — распределительный валик, управляющий всасывающим и выхлопным клапанами; 8 — валик, передающий движение масляному шестеренчатому насосу; 9 — водяная помпа; 10 — радиатор.

Широкое применение в современной технике двигателей внутреннего сгорания привело к довольно обширной их специализации. Помимо разделения на четырехтактные и двухтактные, они подразделяются:

1. По процессу сжигания топлива — на двигатели быстрого сгорания и двигатели постепенного сгорания. У первых смесь паров топлива с воздухом сгорает почти мгновенно. У вторых топливо подается отдельно от воздуха и сгорает по мере вбрызгивания его в цилиндр.
2. По способу зажигания горючего — на двигатели с электрическим зажиганием, двигатели с запальным шаром (калоризатором) и дизельные двигатели. У первых горючее воспламеняется от искры тока высокого напряжения. У вторых при запуске нагревается запальный шар, а затем за счет теплоты предыдущего рабочего хода зажигается вбрызгиваемое горючее. У дизельных же двигателей вбрызнутое в конце хода сжатия горючее воспламеняется благодаря высокой температуре сжатого воздуха.
3. По используемому виду топлива — на газовые, использующие естественный или искусственный, получаемый из твердого топлива (генераторный) газ; на двигатели легкого топлив а, или карбюраторные (бензиновые), и на двигатели моторного топлива (нефтяные).
4. По конструктивным особенностям — на вертикальные и горизонтальные, одно- и много-  цилиндровые, V-oбразные (цилиндры которых расположены под углом, как в латинской букве V) и звездообразные (цилиндры которых расположены вокруг вала, как спицы колеса).

Основные механизмы дизельного двигателя внутреннего сгорания: 1 — поршень; 2 — топливный насос; з — топливный бак; 4 — воздухофильтр; 5 — клапаны; 6 — выхлопной патрубок; 7 — распределительный валик; 8 — валик масляного насоса; 9 — водяная помпа; 10 — радиатор.

Очень распространенный тип двигателя — четырехтактный карбюраторный. На нашей схеме показан такой двигатель с одним цилиндром (обычно их бывает 4, 6, 8 и даже 12).

Для бесперебойной работы в двигателе внутреннего сгорания есть ряд систем: распределения, зажигания, питания, охлаждения и смазки (подробнее см. стр. «Автомобили»).

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Тепловые двигатели. Паровая машина

Паровая турбина

Как работает двигатель внутреннего сгорания | Бери и Делай

28.01.2022

Представить современный мир без двигателя внутреннего сгорания невозможно. Именно он помогает нам добраться утром до работы или комфортно путешествовать по миру. Но несмотря на популярность этих двигателей далеко не все знают, как они работают.

«Бери и Делай» расскажет об устройстве и принципе работы двигателя внутреннего сгорания.

Что такое двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это своеобразная машина, преобразующая топливо в механическую энергию. Он относится к тепловым двигателям, то есть сжигает топливо для получения энергии, с помощью которой выполняется полезная работа. ДВС используют в воздушных, водных, железнодорожных, автомобильных и других транспортных средствах, а также в газонокосилках, цепных пилах, воздушных компрессорах и так далее. Двигатель внутреннего сгорания имеет такое название, потому что топливо воспламеняется и сгорает внутри него. В настоящее время ДВС самые популярные производящие энергию устройства в мире.

Бензиновый и дизельный ДВС

Самые распространенные двигатели внутреннего сгорания — бензиновые и дизельные. По своей сути они одинаковы. Оба двигателя работают благодаря топливу, воздуху и процессу горения. И все же разница между ними есть.

• В бензиновом двигателе топливо заранее смешивается с воздухом, затем сжимается поршнем внутри цилиндра и поджигается искрой от свечи зажигания.
• В дизельном двигателе поршень сначала сжимает воздух и только потом впрыскивается топливо. Свеча зажигания здесь не используется. Воздух сильно нагревается при сжатии, и топливо возгорается самостоятельно.

Как устроен двигатель внутреннего сгорания

Самый распространенный двигатель внутреннего сгорания — это 4-тактный бензиновый двигатель. Он состоит из следующих элементов:

1. Выпускной распределительный вал
2. Коромысло выпускного клапана
3. Свеча зажигания
4. Коромысло впускного клапана
5. Впускной распределительный вал
6. Выпускной клапан
7. Впускной клапан
8. Головка блока цилиндра
9. Поршень
10. Поршневой палец
11. Шатун
12. Блок двигателя
13. Коленчатый вал

• ВМТ — верхняя мертвая точка
• НМТ — нижняя мертвая точка

Некоторые детали ДВС неподвижны:

• головка блока цилиндра
• цилиндр

Другие составляющие двигаются:

• распределительный вал
• поршень
• коленчатый вал
• шатун
• клапан

Принцип работы ДВС

Выше мы рассмотрели составляющие 1-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания. В автомобильных двигателях зачастую используют 4–8 цилиндров. Существуют авто и с 16 цилиндрами. А у поршневых авиационных двигателей их целых 28. С увеличением числа цилиндров возрастает мощность двигателя. Цилиндр — это силовая единица двигателя. Как правило, двигатели с большим количеством цилиндров производят больше мощности, а с меньшим — лучше экономят топливо. В цилиндре не всегда 2 клапана. Для увеличения мощности двигателя зачастую используют по 4 клапана на цилиндр. Во всех двигателях внутреннего сгорания топливо сгорает внутри. Камера сгорания состоит из цилиндра, в котором ходит плотно прилегающий поршень. Он движется внутри цилиндра от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). Движение поршня между этими точками называется ходом. Поршень прикреплен к шатуну, который соединен с коленчатым валом. Посредством этого движения поршня вверх и вниз преобразуются во вращательные движения. Мощность ДВС получает за счет сжигания смеси топлива и воздуха в замкнутом пространстве. При сгорании топлива в воздухе образуется горячий газ, объем которого расширяется. Он толкает поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. Если говорить об автомобиле, то через трансмиссию это движение передается на колеса, которые и заставляют его двигаться.

4 такта работы двигателя

Двигатель, который мы разбирали выше, называют 4-тактным, потому что 1 цикл работы в нем совершается за 4 такта.

1. Впуск
2. Сжатие
3. Рабочий ход (сгорание)
4. Выпуск

За 1 рабочий цикл поршень делает 2 полных прохода в цилиндре, а коленчатый вал, соответственно, 2 оборота.

Впуск

• В начале 1-го такта поршень находится рядом с ВМТ.
• Впускной клапан открывается, и поршень опускается вниз, к НМТ. В этот момент в цилиндр всасывается воздушно-топливная смесь или просто воздух, если речь идет о дизельном двигателе.

Такт впуска заканчивается, когда поршень доходит до НМТ. Во время 1-го такта двигатель потребляет энергию.

Сжатие

• В начале 2-го такта поршень находится в НМТ.
• Впускной и выпускной цилиндры во время этого такта закрыты.
• Поршень начинает движение вверх — к ВМТ. В этот момент он сжимает смесь воздуха и топлива в бензиновых двигателях или просто воздух в дизельных. Максимальное давление достигается, когда поршень находится близко к ВМТ. Примерно тогда же и происходит подача искры в бензиновом двигателе и впрыск топлива в дизельном.

В такте сжатия двигатель все еще потребляет энергию, причем даже больше, чем в такте впуска.

Рабочий ход

• В начале 3-го такта поршень находится в ВМТ.
• Впускной и выпускной клапаны закрыты.
• Сгорание топливовоздушной смеси начинается еще в конце такта сжатия. Этот процесс приводит к резкому повышению давления внутри цилиндра, которое толкает поршень вниз, к НМТ.

Именно в этот момент поршень через шатун заставляет вращаться коленчатый вал. Сила, которая действует на коленвал, называется крутящим моментом. Во время такта сгорания топлива (рабочего хода) двигатель производит энергию.

Выпуск

• Во время начала 4-го такта поршень находится в НМТ, куда его оттолкнуло повысившееся после сгорания топлива давление.
• Во время такта выхлопа выпускной клапан открыт.
• Поршень начинает движение от НМТ к ВМТ, выталкивая большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы.

В процессе такта выпуска двигатель снова потребляет энергию.

КПД двигателя внутреннего сгорания

Далеко не все получаемое двигателем топливо преобразуется в полезную энергию. Большая часть энергии превращается в тепло, которое нейтрализует система охлаждения. Коэффициент полезного действия (КПД) 4-тактных двигателей составляет 20–25 %. Только этот процент энергии топлива преобразуется в механическую энергию. Остальное уходит в систему охлаждения и выхлоп. У дизельных двигателей КПД выше. У крупных он доходит до 42 %, а у двигателей легковых и грузовых автомобилей держится на отметке в 25–30 %.

Немного истории

Первый коммерческий двигатель внутреннего сгорания изобрел инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар. В 1860 году Ленуар установил газовый 1-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания на 3-колесную повозку и запатентовал его. Первый двигатель внутреннего сгорания работал достаточно неплохо, но был слишком шумным и часто перегревался. Охлаждать его приходилось при помощи воды. К тому же изобретение Ленуара было совсем неэкономичным. В 1863 году инженер представил 3-колесную повозку, работавшую на бензине. Во время демонстрации в Париже она проехала 11,2 км за 3 часа. И хотя двигалась повозка очень медленно, она производила довольно сильное впечатление, ведь в движение ее приводили не лошади или мулы, а двигатель. Двигатели Ленуара были достаточно популярны. Всего их сделали около 500 штук. В 1876 году Николаус Отто изобрел эффективный газовый двигатель. Это был первый 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания. Двигатель сразу же встроили в мотоцикл. В двигателе Отто использовался принцип впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Точно так же сейчас работают большинство двигателей внутреннего сгорания в автомобилях или мотоциклах. В 1885 году Карл Бенц создал первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, работавшем на бензине, а в 1886 году он запатентовал его. Свой двигатель Бенц сделал на основе разработок Отто, а тот, в свою очередь, пользовался наработками Ленуара.

Поделиться в социальных сетях

Вам может понравиться

Как работает ДВС в Турбо3 мы вам расскажем

Цилиндры

Момент зажигания цилиндров контролируется распределителем. Когда ток поступает в распределитель, он направляется к свечам зажигания по проводам, по одному на каждую свечу зажигания. Механические распределители представляют собой вращающиеся роторы, которые подают ток на каждый провод по одному. Точно так же электронные системы зажигания используют компьютерные компоненты для выполнения этой задачи.

Поршень

В двигателях меньшего размера используется аккумулятор, который при разрядке просто заменяется. Однако в большинстве двигателей предусмотрена возможность подзарядки аккумуляторной батареи за счет движения вращающегося коленчатого вала для создания обратного тока.

Поршень или поршни толкают коленчатый вал вниз и вверх, заставляя его вращаться. Такое преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала возможно потому, что на каждый поршень коленчатого вала приходится кривошип, то есть участок, образующий угол с движением вверх и вниз положения. На коленчатом валу с двумя или более цилиндрами эти кривошипы также расположены под углом друг к другу, что позволяет им работать вместе. Когда один поршень толкает кривошип вниз, второй кривошип толкает поршень вверх.

Рулевое колесо

К одному концу коленчатого вала прикреплено большое металлическое колесообразное устройство, называемое маховиком, которое обеспечивает постоянное движение коленчатого вала. Это необходимо в четырехтактном двигателе, потому что поршни выполняют рабочий ход только один раз за каждые четыре такта. Маховик обеспечивает импульс для перемещения коленчатого вала до тех пор, пока он не получит следующий такт мощности. Для этого он использует инерцию, то есть принцип, согласно которому движущийся объект стремится оставаться в движении. После того, как маховик придет в движение, коленчатый вал продолжит движение и будет вращать коленчатый вал. Однако чем больше цилиндров в двигателе, тем меньше ему нужно будет зависеть от движения маховика, поскольку большее количество поршней будет поддерживать вращение коленчатого вала.

Когда коленчатый вал вращается, его движение можно адаптировать для самых разных целей, включая шестерни, ремни или другие устройства. С помощью которого вы можете заставить вращаться как колеса, так и пропеллеры или двигатель для выработки электроэнергии.

Распределительный вал

Кроме того, к коленчатому валу прикреплен дополнительный вал, называемый распределительным валом, который открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра в последовательности четырехтактного цикла поршни. Кулачок представляет собой колесо примерно яйцевидной формы с длинным и коротким концами. К распределительному валу прикреплено несколько кулачков, в зависимости от количества цилиндров двигателя. В верхней части кулачков находятся толкатели, по два на каждый цилиндр, которые открывают и закрывают клапаны. Когда распределительный вал вращается, короткие концы позволяют снимать толкатели с клапана. Таким образом, он заставляет клапан открываться, длинные концы кулачков толкают штоки к клапану, снова закрывая его. В некоторых двигателях, называемых двигателями с распределительным валом, распределительный вал опирается непосредственно на клапаны, что устраняет необходимость в узле толкателя. Двухтактные двигатели, поскольку впуск и выпуск достигаются за счет перемещения поршня через порты или отверстия в стенке цилиндра, не требуют распределительного вала.

Коленчатый вал

Коленчатый вал может управлять еще двумя компонентами: системами охлаждения и смазки. Взрыв топлива создает сильное тепло, которое может быстро привести к перегреву двигателя и даже плавлению, если его не рассеять или не удалить должным образом. Охлаждение осуществляется двумя способами: через систему охлаждения и, в меньшей степени, через систему смазки.

Существует два типа систем охлаждения. В системе жидкостного охлаждения используется вода, которую часто смешивают с антифризом для предотвращения замерзания. Антифриз снижает температуру замерзания, а также повышает температуру кипения воды. Вода, которая очень хорошо аккумулирует тепло, прокачивается вокруг двигателя через серию проходов, содержащихся в рубашке. Затем вода циркулирует к радиатору, который содержит множество трубок и тонких металлических пластин, увеличивающих поверхность воды. Вентилятор, прикрепленный к радиатору, обдувает трубу воздухом, еще больше понижая температуру воды. И насос, и вентилятор приводятся в действие движением коленчатого вала.

Системы охлаждения

В системах с воздушным охлаждением вместо воды для отвода тепла от двигателя используется воздух с воздушным охлаждением. Большинство мотоциклов, многие небольшие самолеты и другие машины, в которых при движении создается большое количество ветра, используют системы с воздушным охлаждением. В них металлические ребра прикреплены к внешней стороне цилиндров, создавая большую площадь поверхности. Когда воздух проходит над ребрами, воздух переносит тепло от цилиндра к металлическим ребрам.

Смазка

Смазка двигателя жизненно важна для его работы. Движение деталей друг относительно друга вызывает сильное трение, что увеличивает нагрев и приводит к износу деталей. Смазочные материалы, как и масло, создают тонкий слой между движущимися частями. Прохождение масла через двигатель также способствует отводу части выделяемого тепла.

Коленчатый вал в нижней части двигателя упирается в картер. Он может быть заполнен маслом, или отдельный масляный поддон под картером служит резервуаром для масла. Насос подает масло через каналы и отверстия к различным частям двигателя. Поршень также оснащен резиновыми маслосъемными кольцами, в дополнение к компрессионным кольцам, для подачи масла вверх и вниз внутри цилиндра. В двухтактных двигателях масло используется как часть топливной смеси, что обеспечивает смазку двигателя и устраняет необходимость в отдельной системе.

Как на самом деле работает двигатель внутреннего сгорания? – Северо-западная автошкола

Каждый год около 222 миллионов человек в Соединенных Штатах управляют самыми разными транспортными средствами. Почти все эти автомобили оснащены двигателем внутреннего сгорания. Однако недавний опрос, проведенный AA, показал, что только 10% водителей могут в общих чертах описать, как работает двигатель внутреннего сгорания.

Если вы только сейчас осознали, что не входите в эти 10 %, не волнуйтесь, мы собрали краткое описание удивительного процесса, который использует ваша машина для движения.

Основы

Горение, также известное как горение, представляет собой основной химический процесс высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания воспламенение и сгорание топлива происходят внутри самого двигателя.

Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал. В конечном счете, через систему шестерен в трансмиссии это движение приводит в движение колеса автомобиля.

Различные типы двигателей внутреннего сгорания

Двумя наиболее распространенными типами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Эти двигатели специально разработаны для работы как с бензином, так и с дизельным топливом, поэтому использование неподходящего топлива в вашем автомобиле может привести к значительному повреждению двигателя.

В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом и затем всасывается в цилиндр в процессе впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая сгорание. Расширение продуктов сгорания толкает поршень во время рабочего такта.

В дизельном двигателе только воздух всасывается в двигатель и затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей, отмеренной скоростью, вызывая его воспламенение.

Большинство двигателей внутреннего сгорания являются четырехтактными двигателями, что означает, что для завершения цикла необходимо четыре хода поршня. Цикл двигателя состоит из четырех отдельных процессов. Это впуск, сжатие, сгорание и рабочий ход, а также выпуск.

Разработка двигателя внутреннего сгорания

Вместо одной существенной разработки двигатель внутреннего сгорания появился благодаря серии постепенных изменений в установленных патентах. Первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания был создан Этьеном Ленуаром примерно в 1860 году. 

Эксперименты Ленуара с электричеством привели его к разработке первого двигателя внутреннего сгорания, в котором сжигалась смесь угольного газа и воздуха, воспламеняемая системой зажигания «прыгающих искр» Румкорфа. катушка.

То, что мы могли бы считать первым современным двигателем внутреннего сгорания, было создано в 1876 году Николаусом Отто. Двигатель Отто представляет собой большой стационарный одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Первоначально двигатели использовались для стационарных установок, поскольку Отто не интересовался транспортом, и в конечном итоге Готлиб Даймлер разработал их для автомобилей.

На самом деле Отто создал свой двигатель на основе коммерческого жидкостного двигателя внутреннего сгорания 1872 года, изобретенного американцем Джорджем Брайтоном.

В то время как двигатели внутреннего сгорания чаще всего ассоциируются с транспортными средствами, термин двигатель внутреннего сгорания может также применяться к пушкам, ракетам или чему-либо, что использует силу взрыва для получения энергии или импульса.

В последние годы доминирование бензина и дизельного топлива в качестве основных видов топлива для двигателей транспортных средств уступило место более экологичным видам топлива, таким как биодизельное топливо, биоэтанол, водород и этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ).