Бери и делай
Бери и делай

Как работает двигатель внутреннего сгорания

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.

Бери и делай/Технологии/Как работает двигатель внутреннего сгорания
Поделиться этой статьёй
Возможно, вам понравятся эти статьи