ᐉ Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) показан на рисунке, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к1, и выпускной к2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

Рис. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС и его принципиальная схема

При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впускной клапан к1 засасывается горючая смесь (кривая О—1′). Прямая a—а’ соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1’—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры p, v и Т при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.

На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т.е. без теплообмена.

Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0)у меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.

Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно. Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответствует работе за один цикл.

На рисунке показана индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.

ДВС, как это видно из рисунка, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамически ми процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

1. циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;
2. циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;
3. смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.

Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:

1. по условию и характеру работы двигатели строится индикаторная диаграмма цикла;
2. определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;
3. определяются теплота и работа цикла;
4. определяется термический КПД цикла по формуле:
   

   n = I — (q2/q1)

5. выявляются факторы, влияющие на термодинамический КПД, и определяются пути его повышения.

Устройство и теория двигателей внутреннего сгорания

В данной статье разберем устройство и теорию двигателей внутреннего сгорания, рассмотрим из чего они состоят и как работают. Вы найдете основные понятия и термины, описывается конструкция и работа двигателя.

Автомобильные двигатели различают:

• по способу приготовления горючей смеси — с внешним смесеобразованием (карбюраторные, инжекторные, газовые двигатели) и с внутренним смесеобразованием (дизели),
• по роду применяемого топлива — бензиновые (работающие на бензине), газовые (на горючем газе) и дизели (работающие на дизельном топливе),
• по способу охлаждения — с жидкостным и воздушным охлаждением,
• расположению цилиндров — рядные и V-образные,
• по способу воспламенения горючей (рабочей) смеси—с принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и инжекторные двигатели) или с самовоспламенением от сжатия (дизели).

Бензиновые – это двигатели, работающие на бензине, с принудительным зажиганием. Приготовление топливно-воздушной смеси, и её дозирование осуществляют карбюраторные и инжекторные системы питания. Смесь в цилиндре воспламеняется в конце такта сжатия, принудительно от электрической искры.

Дизельные — это двигатели, работающие на дизельном топливе с воспламенением от сжатия. В дизельных двигателях смесь приготавливается непосредственно в цилиндре из воздуха и топлива, подаваемых в цилиндр раздельно. Воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре происходит самопроизвольно от воздействия высокой температуры при сжатии. Исключением является система непосредственного впрыска бензина, где зажигание смеси осуществляется от электрической искры.

Газовые — это двигатели, которые работают на пропано-бутановом газе, с принудительным зажиганием. Перед подачей в цилиндры двигателя, газ смешивается с воздухом. По принципу работы такие двигатели практически не отличаются от бензиновых и мы не будем их рассматривать. Однако, если вы переоборудовали свой автомобиль «на газ», то советую изучить статью Газобаллонное оборудование. Схема ГБО.

Основные механизмы двигателя внутреннего сгорания:

• кривошипно-шатунный механизм,
• газораспределительный механизм,
• система питания (топливная),
• система выпуска отработавших газов,
• система зажигания,
• система охлаждения,
• система смазки.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Для начала, возьмем простейший одноцилиндровый двигатель и разберемся с его устройством и работой. Рассмотрим протекающие в нем процессы, и выясним откуда все-таки берется тот самый крутящий момент, который в конечном итоге приходит на ведущие колеса автомобиля.

Одна из основных деталей двигателя — цилиндр 6, в котором находится поршень 7, соединенный через шатун 9 с коленчатым валом 12. При перемещении поршня в цилиндре вверх и вниз его прямолинейное движение шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик 10, который необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой, в которой находятся впускной 5 и выпускной клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала 14 через передаточные детали 15. Распределительный вал приводится во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения.

Для нормальной работы двигателя в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Для уменьшения затрат работы на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Понятия и термины при работе двигателя

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — это крайнее верхнее положение поршня.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — это крайнее нижнее положение поршня.

Ход поршня — это расстояние, пройденное от одной мертвой точки до другой. За один ход поршня коленчатый вал повернется на полоборота.

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — это пространство, освобождаемое поршнем при перемещение его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигателя — это сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя. При малых объемах (до 1 л.) его выражают в кубических сантиметрах, а при больших — в литрах.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема.

Степень сжатия — это число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. В бензиновых двигателях степень сжатия бывает от 8 до 12, а в дизелях — от 14 до 18. Степень сжатия не стоит путать с компрессией, т.к. это два разных понятия.

Такт — процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания поршень совместно с верхней головкой шатуна движется в цилиндре поступательно (вверх – вниз), при этом коленчатый вал совместно с нижней головкой шатуна совершает вращательные движения. У подавляющего большинства двигателей, если смотреть на двигатель со стороны шкива, вращение коленчатого вала осуществляется по часовой стрелке. За один оборот коленчатого вала (360°) поршень в цилиндре совершает два хода (один ход вверх и один вниз).

При постоянной скорости вращения коленчатого вала двигателя, поршень в цилиндре движется с ускорением – замедлением. Наименьшие скорости движения поршня будут наблюдаться при его «крайних» положениях в цилиндре — в верхней (ВМТ) и нижней части (НМТ). В верхней и нижней части цилиндра поршень «вынужден» сделать остановку, чтобы поменять направление движения.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя: а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск.

Работа двигателя складывается из совокупности процессов, протекающих в цилиндрах двигателя с определённой последовательностью. Эти процессы называют рабочим циклом и состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Подробнее в статье Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя.

Об устройстве двигателя также рассказано в данных статьях:

• Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы
• Как работает двигатель (из цикла передачи ‘как это устроено’)

Nissan работает над двигателем с 50-процентным тепловым КПД

PHILIP FONGGetty Images

По большому счету, газовые двигатели внутреннего сгорания не так уж и эффективны, поскольку большая часть того, что они производят, — это отработанное тепло. Считается, что Toyota предлагает самый термически эффективный из производимых на сегодняшний день автомобильных двигателей внутреннего сгорания — 2,0-литровый безнаддувный четырехцилиндровый двигатель, который достигает 41-процентного теплового КПД. Другими словами, 41 процент работы этого двигателя преобразуется в питание автомобиля, 59процентов это просто бесполезное тепло.

Компания Nissan заявляет, что добилась прорыва в области теплового КПД внутреннего сгорания, разработав двигатель, который достигает 50-процентного теплового КПД. Но есть большая разница между этим новым двигателем Nissan и четырехцилиндровым двигателем Toyota — первый рассчитан на работу только в очень узком диапазоне. Nissan разрабатывает этот двигатель в качестве генератора для серийного гибридного автомобиля, в котором только электродвигатель приводит в движение колеса. Двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора, и этот аккумулятор питает двигатель. Механической связи между двигателем и колесами нет.

Этот двигатель будет использоваться в будущем поколении системы Nissan e-POWER, которая в настоящее время используется на японском рынке Note. Nissan смог достичь 50-процентного теплового КПД в ходе испытаний, по существу настроив двигатель для работы в очень определенном диапазоне скоростей и нагрузок. Поскольку двигатель не приводит в движение колеса, ему не приходится работать с такими широкими параметрами.

«В обычном двигателе существуют ограничения на контроль уровня разбавления топливовоздушной смеси в ответ на изменение нагрузки при вождении, с несколькими компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как поток газа в цилиндре, метод зажигания и компрессия. соотношение, которое может пожертвовать эффективностью в пользу выходной мощности», — говорится в пресс-релизе Nissan. «Тем не менее, специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне скорости и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить тепловую эффективность».

Nissan

Двигатель настроен на работу с очень разбавленной топливно-воздушной смесью и работает с высокой степенью сжатия. Nissan не стал раскрывать подробности о самом двигателе, отказавшись указать размер, количество цилиндров и степень сжатия. Фотографии, опубликованные Nissan, показывают макет одноцилиндрового двигателя на испытательном стенде, поэтому кажется, что компания еще не определилась с точной формой, которую примет этот двигатель.

Nissan стремится к 100-процентному углеродному нейтралитету к 2050 году, и для достижения этой цели компания вкладывает большие средства в электромобили и автомобили, использующие систему e-POWER. Эта система кажется отличной альтернативой электромобилю, особенно в местах, где отсутствует инфраструктура для зарядки.

На данный момент единственным известным нам газовым двигателем внутреннего сгорания, имеющим тепловой КПД более 50 процентов, является 1,6-литровый V-6 Mercedes-AMG Formula 1. Но в этом двигателе используются технологии, слишком дорогие и сложные для массовых дорожных автомобилей. Пока неясно, когда мы увидим этот новый двигатель от Nissan, но подобные разработки показывают, что во внутреннем сгорании еще может быть жизнь.

Крис Перкинс Главный редактор Крис Перкинс — веб-редактор журнала Road & Track.

Основы двигателей — Exploring.org

Исследователи познакомятся с основами двигателей внутреннего сгорания.

Категория

• Автотехника
• Двигатели

Задачи

К концу этого занятия участники смогут:

 

• Определить основные компоненты четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания.
• Объясните, как топливо воспламеняется или сжигается в двигателе для производства энергии, необходимой для движения транспортного средства.
• Объясните основные различия между бензиновым и дизельным двигателем.

Расходные материалы

Мероприятие 1

 

• Один шарик, пустой рулон бумажных полотенец и трубочка для питья на каждую команду из трех человек
• Часы или другое устройство для измерения времени, если используется одна дорожка (дополнительно)

 

Мероприятие 2

 

• Надлежащее защитное снаряжение для каждого участника (например, средства защиты глаз и ушей, перчатки)
• Маркированная схема двигателя или другая схема четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в разрезе (дополнительно, если имеется настоящий двигатель)
• Копия Немаркированной схемы двигателя для каждого Explorer
• Ручка или карандаш для каждого исследователя

Примечание консультанта

Текст, выделенный курсивом, следует прочитать участникам вслух. По мере того, как вы еженедельно участвуете в своих публикациях, добавляйте в группу комментарии, обсуждения и отзывы, касающиеся  Характер, Лидерство, и Этика . Это важные качества, от которых зависит успех молодежи на работе и в жизни.

Примечание консультанта

Некоторые примеры вопросов приведены ниже. Они разработаны, чтобы помочь участникам применить то, чему они научились, в своих собственных интересах. Вы можете использовать эти вопросы или разработать свои собственные вопросы, относящиеся к вашему посту или конкретной области.

Отражение

Фокусирующие вопросы

• Что нового вы узнали о двигателе внутреннего сгорания?
• Двигатель внутреннего сгорания более или менее сложен, чем вы себе представляли?

Аналитические вопросы

• Какие части двигателя, по вашему мнению, чаще всего вызывают проблемы или ломаются?
• Каким образом глубокое понимание теории, лежащей в основе работы двигателя, поможет вам стать лучшим техническим специалистом?

Обобщающие вопросы

• О каких аспектах конструкции двигателя вы хотели бы узнать больше?
• Какие школьные предметы, по вашему мнению, могут иметь отношение к разработке улучшенного двигателя?

 

 

ПРОЩАЛЬНАЯ МЫСЛЬ СОВЕТНИКА

 

Поделитесь следующей цитатой:

 

Тот факт, что автомобиль практически не достиг предела своего развития за последний год были введены.