Такты работы двигателя внутреннего сгорания: Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Двигатель внутреннего сгорания | 8 класс

Содержание

Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.

Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.

На данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.

На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

Рисунок 1. Устройство двигателя внутреннего сгорания

 

Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты. 

Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6. 

Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива  с воздухом (кислородом).

Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.

{"questions":[{"content":"В таком тепловом двигателе, как ДВС, топливо сгорает [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["внутри цилиндра двигателя","в специальном резервуаре","В ДВС не отмечается сгорание топлива, только его нагревание"],"explanations":["ДВС - двигатель внутреннего сгорания.  Ответ кроется в  самом названии.","",""],"answer":[0]}}}]}

Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.

Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться. 

Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя

Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.

Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.

Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.

Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.

{"questions":[{"content":"Когда при движении поршень достигает своего крайнего верхнего или крайнего нижнего положения в цилиндре, говорят, что он[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["находится в мертвой точке","совершает работу","Движется к мертвой точке"],"answer":[0]}}}]}

Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.

Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).

Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания: четыре такта

Теперь давайте подробно рассмотрим все четыре такта работы двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическое изображение работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт (рисунок 2, а):

• При повороте коленчатого вала в самом начале такта поршень начинает двигаться вниз 
• Объем над поршнем увеличивается 
• В цилиндре образуется разрежение 
• Открывается клапан 1. В цилиндр поступает горючая смесь
• Цилиндр заполняется горючей смесью. Клапан 1 закрывается 

Второй такт (рисунок 2, б):

• Вал продолжает поворачиваться, поршень теперь двигается вверх
• Таким образом поршень сжимает горючую смесь
• Поршень доходит до верхней мертвой точки
• Сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры (свеча 6) и сгорает

Третий такт (рисунок 2, в):

• При сгорания смеси образуются газы. Они давят на поршень — толкают его вниз
• Под действием этих расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Поэтому,

Третий такт двигателя — это рабочий ход.

• Поршень двигается вниз. Его движение передается шатуну и коленчатому валу
• Получив сильный толчок, коленчатый вал с маховиком продолжают вращение по инерции. При этом они приводят в движение поршень при последующих тактах

Заметьте, что на втором и третьем тактах двигателя клапаны закрыты.  

• В конце такта открывается клапан 2. Продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в окружающую среду

Четвертый такт (рисунок 2, г):

• Идет выход продуктов сгорания из цилиндра (клапан 2 открыт)
• Поршень движется вверх
• В конце этого такта клапан 2 закрывается

Итак,

Цикл двигателя состоит из четырех тактов:
впуск
сжатие
рабочий ход
выпуск

{"questions":[{"content":"На третьем такте двигателя внутреннего сгорания[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["расширяющиеся нагретые газы совершают механическую работу","Поршень движется вниз","Поршень движется вверх","Открыт клапан 2","В конце такта открывается клапан 2","в цилиндр поступает горючая смесь через клапан 1"],"answer":[0,1,4]}}}]}

Создание и применение двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).

Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 — 1913)

В 1893 году он получил патент на свой тепловой двигатель. В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» был построен первый двигатель Рудольфа Дизеля . Его мощность составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту. Весил этот двигатель пять тонн. Двигатель Дизеля был четырехтактным. 

В 1900 году, на «Всемирной выставке», Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).

Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.

В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.

Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем — выбрасываемые из оружия пули или снаряды.

Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки. 

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания в 4 такта

Двигатель внутреннего сгорания, который сейчас стоит едва ли не на каждом автомобиле в мире, был создан настолько давно, что сейчас это даже сложно представить. Ведь датой появления первого образца такого агрегата считается 1860 год.

То есть, механизм, который, пусть и претерпел ряд изменений, но остался всё тем же устройством, был создан ещё в девятнадцатом столетии. Причиной такой популярности стал простой и понятный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Проведём небольшой экскурс в историю. Уже упомянутое выше изобретение Ленуара, созданное в 1860 году, имело ряд конструктивных недоработок, что серьёзно его снижало КПД. Потому, широкого распространения этот двигатель не получил.

Зато стал плодом для размышлений другого конструктора, чьё имя так же вошло в историю. Им стал немец Николаус Отто, который смог доработать механизм, создав двухтактный двигатель.

В итоге работа двигателя внутреннего сгорания Отто показала КПД выше 15%, таким образом полностью вытеснив двигатели первооткрывателя. Конечно же, созданный в 1863 году двигатель не был верхом совершенства.

И спустя некоторое время, после значительных коррекций своего механизма, Отто выпускает четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания – предка тех моторов, работу которые мы каждый день видим, наблюдая за современным автотранспортом.

В разное время механизм, созданный Отто многократно улучшали. Но принцип работы двс существенно не изменился.

Четыре такта Отто — так происходит работа ДВС

Гениальный немец создал принцип, который никто не сумел не только превзойти, но и существенно улучшить так, чтобы вытеснить оригинал.

Работа ДВС это четыре повторяющихся действия, которые получили название «цикл Отто». Первым идёт такт впуска, затем – сжатие, рабочий ход, и, наконец – выпуск. Чтобы понять, как работает ДВС, рассмотрим каждый такт работы двигателя отдельно.

Шаг первый в работе двигателя внутреннего сгорания — впуск

В процессе этого такта топливо, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр, благодаря действию поршня.

Клапан впуска при этом находится в открытом состоянии. К слову, в наше время есть масса двигателей, где клапанов сразу несколько. И это делается с целью повышения мощности двигателя.

Ещё одним способом повышением мощности стали двигатели, в которых педалью газа можно регулировать количество топлива, попадающего в цилиндры, путём удержания клапанов в открытом состоянии.  На время ускорения машины это влияет весьма положительно.

Шаг второй в работе ДВС — сжатие

В ходе второго такта, поршень из нижней точки начинает постепенно подниматься. Благодаря этому, топливовоздушная смесь сжимается и попадает уже в таком состоянии в камеру сгорания. Движение поршня обеспечивается вращением коленчатого вала и шатуна.

Третий шаг в принципе работы двигателя внутреннего сгорания — рабочий ход

Такт сжатия завершается воспламенением горючей смеси в результате попадания искры зажигания. Полученные в результате сжигания газы имеют больший объём, потому двигают поршень вниз, и он через шатун двигает коленвал. Это называется рабочим циклом.

Четвертый шаг в работе двигателя внутреннего сгорания — выпуск

Четвёртый такт называется выпуском. При перемещении поршня в верхнее положение, происходит открытие впускного клапана. Теперь газы могут выйти наружу а цилиндр получает вентиляцию.

Современные двигатели внутреннего сгорания, типы и принципы работы

Автомобильный рынок предлагает очень много различных типов двигателей, созданных по знакомому нам принципу.

Сейчас мы привыкли считать классикой карбюраторный двигатель, который обычно устанавливается на ВАЗ 2106. Что примечательно, его создал наш соотечественник Огнеслав Костович. Произошло это в 1880, или чуть позже. Сейчас нет точной информации об этом. Тем не менее, это был первый шаг к появлению того, что мы привыкли считать стандартным карбюраторным ДВС.

Работа двигателя стала более производительной. Пользуясь этой разработкой, немцы Даймлер и Майбах (сейчас эти фамилии известны всем автолюбителям), создали облегчённую версию карбюраторного двигателя на бензине. Первым такой двигатель получил не автомобиль из Германии, а мотоцикл.

Дизельные двигатели

Казалось бы, всё, что можно было придумать, уже создано. Но, так не считал талантливый изобретатель из Германии Рудольф Дизель. Его интересовало, как можно ещё изменить и усовершенствовать принцип Отто. В результате его трудов, появился ещё один двигатель, который по сей день используется повсеместно, особенно – в грузовом автотранспорте.

В чём же принцип работы дизельного двигателя? В таких двигателях, дизельное топливо, или как его ещё называют, солярка, впрыскивается в нужное время под давлением. В результате, горючая смесь образуется непосредственно в двигателе, где частички сжатого топлива соединяются с воздухом и под давлением происходит возгорание.

Увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания можно здесь:

Также на эту тему вы можете почитать:

Поделитесь в социальных сетях

Alex S 8 октября, 2013

Опубликовано в: Полезные советы и устройство авто

Метки: Как устроен автомобиль

ступеней двигателя внутреннего сгорания

ступеней двигателя внутреннего сгорания

+ Только текстовый сайт + Версия без Flash + Свяжитесь с Гленном Чтобы двигать самолет по воздуху, тяга создается каким-либо двигательная система. Начиная с братьев Райт. первый полет, многие самолеты использовали двигатель внутреннего сгорания повернуть пропеллеры для создания тяги. Сегодня большинство самолетов авиации общего назначения или частных самолетов питание от двигатели внутреннего сгорания (IC) , очень похожие двигатель в вашем семейном автомобиле. При обсуждении двигателей мы должны учитывать как механическое действие машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный Двигатель IC . На рисунке показан внутренний вид Двигатель 1903 года братьев Райт в шесть раз, или стадий , во время термодинамический цикл. Двигатель Райта был выбран из-за его простоты, но те же шесть стадий происходят во всех четырехтактных 9Двигатели 0030IC . Этапы идут сверху слева к нижнему левому, затем от справа внизу вверх справа в непрерывном цикле. Мы обозначаем стадии по тем же причинам, что и станции из газотурбинный двигатель; чтобы лучше организовать нашу анализ производительности двигателя. Разработан термодинамический цикл для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. доктором Н. А. Отто в 1876 г. Цикл протекает следующим образом: Цикл начинается, когда впускной клапан открывается и смесь топлива и воздух поступает в цилиндр из впускной коллектор. Поршень оттягивается к коленчатому валу, слева на рисунке, при постоянном давлении, потому что клапан открыт. Движение поршень называется ход . Стадия 1 — начало такт впуска. В конце такта впуска впускной клапан закрывается, а поршень переместился обратно в камеру сгорания. Поскольку клапаны закрыты, давление и температура увеличиваются за счет адиабатическое сжатие. Этап 2 — начало такт сжатия. В конце такта сжатия давление в камере сгорания максимальное. Свеча зажигания в современном двигателе, или контактный переключатель двигателя Райта, затем генерирует электрическую искру, которая воспламеняет топливно-воздушной смеси. Этап 3 — начало процесс горения. Сгорание в двигателе внутреннего сгорания происходит очень быстро и происходит при постоянном объем в камере сгорания. Высокое давление толкает поршень назад по направлению к коленчатому валу. Стадия 4 — начало рабочий ход. В конце рабочего хода нагревать отбрасывается в окружающую среду, как того требует второй закон термодинамики. Этап 5 это начало теплоотдача. После отвода тепла выпускной клапан открывается, и остаточный газ вытесняется в окружающую среду для подготовки к следующему такт впуска. Этап 6 это начало такт выхлопа. В конце такта выпуска условия возвращаются к Этап 1 условия, и цикл повторяется. Вариация давление и цилиндр объем может отображаться на диаграмма p-V для Цикл Отто. Площадь участка равна полезной Работа вырабатывается одним цилиндром двигателя. Деятельность: Экскурсии с гидом Навигация . . Домашняя страница руководства для начинающих   + Горячая линия генерального инспектора + Данные о равных возможностях трудоустройства публикуются в соответствии с Законом об отсутствии страха + Бюджеты, стратегические планы и отчеты о подотчетности + Закон о свободе информации + Повестка дня президентского руководства + Заявление НАСА о конфиденциальности, отказ от ответственности, и сертификация доступности       Редактор: Нэнси Холл Официальный представитель НАСА: Нэнси Холл Последнее обновление: 13 мая 2021 г. + Связаться с Гленном

Современный двигатель внутреннего сгорания

Современный двигатель внутреннего сгорания


Джоаб Камарена

7 декабря 2015 г.

Представлено в качестве курсовой работы для Ph340,
Стэнфордский университет, осень 2015 г.

Введение

Рис. 1: Четырехтактный цикл. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) обеспечивает
большинство автомобилей сегодня и существует уже много лет. У ICE есть
подвергался многочисленным переделкам исключительно с целью улучшения
выходная мощность и минимизация потерь энергии. Как работает процесс
что есть впуск через портовые отверстия, который толкает поршень вниз
начиная свой цикл сжатия и декомпрессии, с энергией
от этого передается на коленчатый вал, позволяя движение
автомобиль. Более распространенный двигатель внутреннего сгорания полагается на четыре
ход поршня, чтобы завершить свой цикл и высвободить энергию для перемещения
средство передвижения. [1-3]

Как это работает

В этом цикле четыре этапа: 1) впуск, 2)
сжатие, 3) сгорание и рабочий ход, и, наконец, 4) выхлоп
(Рисунок 1). Процесс того, как это работает, приведен в списке:

1. Впуск: Топливно-воздушная смесь
   поступает в цилиндр при смещении поршня вниз и впускном
   открывается.

2. Сжатие: При закрытии
   на входе давление топливно-воздушной смеси увеличивается и
   температуры, когда поршень сжимает газ, двигаясь
   вверх.

3. Сгорание и рабочий ход: Энергия
   высвобождается в результате реакции горения, вызванной
   зажигание свечи зажигания, которая сжигает топливно-воздушную смесь
   и доводит до высокой температуры. По мере увеличения смеси
   при температуре и давлении он давит на поршень,
   следовательно, вызывая рабочий ход, который вращает
   коленчатый вал.

4. Выхлоп: Побочные продукты, образующиеся при
   реакция горения затем высвобождается через выхлоп
   труба, и цикл повторяется, как только впускное отверстие открывается, а выпускное
   клапан закрывается. [2,3]

Энергетический анализ

Хотя это обычно используемый двигатель в транспортных средствах
сегодня это не значит, что он самый эффективный. Горение
Неэффективность измеряет долю энергии, которая не используется из
топливо. Установлено, что тепловые потери охлаждающей жидкости и тепловые потери энергии выхлопных газов
являются самыми большими источниками тепловых потерь, что способствует отсутствию
энергетического оборота. Постоянно утверждается, что второй закон
Термодинамика ограничивает все двигатели от достижения максимального теплового
эффективность, но это не значит, что мы не можем улучшить конверсию
энергии. Постоянные инновации и модернизация внутреннего сгорания
двигатель позволил улучшить преобразование энергии топлива. [4]

Заключение

Знание того, как работает двигатель внутреннего сгорания и
где кроется его неэффективность, правильная технология и конструкция
двигатель внутреннего сгорания позволит нам лучше использовать энергию
внутри топлива. Хотя цены на газ постоянно колеблются,
наиболее вероятной тенденцией в будущем будет повышение цен на газ, что
только сделает движение за разработку высокоэффективных автомобилей
сильнее. Это возможно даже при продолжающемся диалоге о
отказ от ископаемого топлива и последствия изменения климата, что,
наряду с нашим нынешним технологическим бумом, мы больше не будем полагаться или использовать
двигатель внутреннего сгорания для автомобилей будущего.

© Джоаб Камарена. Автор дает разрешение
копировать, распространять и демонстрировать это произведение в неизмененном виде, с
ссылка на автора только в некоммерческих целях.