Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте (грузовые и легковые авто, спецтехника, моторные лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Двигатели внутреннего сгорания бывают бензиновыми и дизельными, также могут успешно работать на газу и даже на водороде (водородный двигатель внутреннего сгорания). Еще моторы отличаются по конструкции, компоновке, бывают двухтактными и четырехтактными.
Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл. Далее мы поговорим о том, что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.
Что такое 2 тактный мотор?
2-х тактный двигатель – разновидность поршневого двигателя, в котором рабочий процесс совершается за два хода поршня. У такого двигателя всего 2 такта, такт сжатия и такт рабочего хода. Причем очистка и наполнения цилиндра горючий смеси осуществляется не отдельными тактами, как в 4-х тактном двигателя, а совместными.
Интересные материалы:
Как на ноутбуке сделать арабские цифры? Как на самсунге м31 сделать запись экрана? Как на самсунге сделать блокировку только незнакомых номеров? Как на самсунге сделать поворот экрана? Как на сони иксперия сделать скриншот экрана? Как на телефоне Дексп сделать скриншот? Как на виндовс 10 сделать скриншот области экрана? Как на виндовс сделать экран ярче? Как на Xiaomi сделать вспышку при звонке? Как написать заявление чтобы сделали детскую площадку?
Что такое мертвые точки и такты ДВС
Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.
Мертвые точки и ход поршня ДВС
Существуют две мертвые точки:
- Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
- Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.
В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).
Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.
Первый такт — впуск.
Устройство современного двигателя
Устройство двигателя современного
автомобиля, устройство систем и механизмов
двигателя автомобиля
Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление 0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.
Это интересно: Замена помпы на «Шевроле-Нива»
Рабочий цикл ДВС: что нужно знать
Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).
Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов. Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу. Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.
Итак, рабочий цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда коленчатый вал делает один оборот, такой двигатель является двухтактным.
Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.
Как работает четырехтактный бензиновый двигатель
Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка. Теперь вернемся к тактам.
- На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент открыт впускной клапан, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
- Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота. В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
- К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на свече зажигания). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.
Далее от поршня через шатун энергия передается на КШМ, позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.
- После того, как поршень почти дойдет до НМТ в конце рабочего хода, происходит открытие выпускного клапана. После этого давление в цилиндре снижается, несколько падает и температура. Затем начинается такт выпуска. В это время коленчатый вал совершает последний полуоборот, при этом поршень снова поднимается из НМТ в ВМТ, буквально «выталкивая» отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в выпускной коллектор.
Работа четырехтактного дизельного ДВС
Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).
Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем, до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает солярку, затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.
С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.
Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны полностью закрыты, что позволяет поршню сильно сжать воздух.
Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине степень сжатия в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых. Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).
Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.
Для решения этой задачи многие системы питания дизельного двигателя имеют ТНВД (топливный насос высокого давления). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.
Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое крутящий момент и мощность двигателя. Из этой статьи вы подробно узнаете о данных характеристиках, в чем измеряется мощность и момент двигателя, как эти показатели зависят друг от друга и т.д.
После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в результате горения смеси повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ. Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.
Турбовентиляторный двигатель
Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.
Источники: www.animatedengines.com
- Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
- Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
- The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
- Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
- Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
- Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
- Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
- Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
- Toyota Web site Prius specifications
- Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
- Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
- Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
- An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
- An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993
UPD:
Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2:
Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.
Как работает четырехтактный двигатель
Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:
- цилиндр;
- поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
- клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
- клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
- свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
- коленчатый вал;
- распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
- ременной или цепной привод;
- кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.
Рабочий цикл четырехтактного двигателя
Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:
- Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
- Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
- Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
- Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.
В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.
Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.
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.
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.
Естествознание. 11 класс
Конспект урока
Естествознание, 11 класс
Урок 9. Устройство тепловых двигателей
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- На какие типы делятся реальные тепловые двигатели?
- Каковы основные узлы тепловых двигателей, и какие функции они выполняют?
- По каким критериям оцениваются тепловые двигатели?
Глоссарий по теме
:
Ве́рхняя мёртвая то́чка
(ВМТ) — положение поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, соответствующее максимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала (условно начальное положение коленчатого вала, ноль градусов поворота кривошипа).
Нижняя мёртвая то́чка
— положение поршня в цилиндре, соответствующее минимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала.
Ход поршня, при котором газ не совершает работы, называется холостым ходом
.
Рабочий ход
– ход поршня под давлением газов, образующихся при сгорании рабочей смеси, движущийся от В.М.Т. (верхней мертвой точки) к Н.М.Т. (нижней мертвой точке).
