Двигатель внутреннего сгорания устройство и принцип работы

Содержание

• 1 Двигатель внутреннего сгорания устройство и принцип работы
  • 1.1 Первый такт — такт впуска.
  • 1.2 Второй такт — такт сжатия.
  • 1.3 Третий такт — рабочий ход.
  • 1.4 Четвертый такт — такт выпуска.

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт — такт впуска.

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами.

Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии.

Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Первый такт

Второй такт — такт сжатия.

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера?

Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец.

Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже.

Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Второй такт

Третий такт — рабочий ход.

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется?

Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска.

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан.

Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его.

От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – 

работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска?

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Принцип работы двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. … Изображенный на рисунке двигатель имеет «тарельчатый» впускной клапан, который открывается за счет разряжения в картере. В это же время в камере сгорания происходит сжатие рабочей смеси.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Ноя 6 2014

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно.

Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части.

Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

Первый такт — такт впуска. Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки).

Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска.

Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии.

Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия. Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска.

Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания.

Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее.

Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход. Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно.

Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания.

Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз.

Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска. Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько.

Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска?

Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Двигатель внутреннего сгорания

— Everything2.com

Это особый вид теплового двигателя. Это, вероятно, самый полезный вид теплового двигателя, известный человеку, потому что он эффективно преобразует тепловую энергию в полезную механическую энергию в небольшой эффективной электростанции.

Примеры двигателей внутреннего сгорания (ВС) включают бензиновые двигатели, двухтактные двигатели, дизельные двигатели, роторные двигатели Ванкеля, ракетные двигатели и газовые турбины.

Паровые двигатели, топливные элементы, батареи и электродвигатели , а не двигателей внутреннего сгорания.

Есть как минимум три способа затронуть эту тему,

• Исторический обзор
• Термодинамическая теория
• Практическая механика

У всех есть свои идеи.

В начале промышленной революции Джеймс Уатт, Ричард Треветик и Томас Ньюкомен начали разработку своих паровых двигателей. Хотя они не были двигателями внутреннего сгорания, это были первые практические тепловые двигатели.

Паровой двигатель использует сжатый газ (пар), чтобы толкать поршень внутрь и наружу цилиндра. Высокое давление в газе создается кипением воды в замкнутом пространстве для получения пара высокого давления и температуры. Примерно в то же время, когда инженеры изобретали свои машины, в конце 1600 — начале 1700-х годов, Роберт Бойль выяснял, что происходит с газами при их сжатии. Постепенно, по мере того как конструкторы машин становились все более уверенными в себе, а шахтам и хлопчатобумажным фабрикам требовались двигатели большей мощности, инженеры задумались о том, как получить больше механической энергии от своих двигателей.

Они обнаружили, что максимальная энергия, которую можно получить от паровой машины, связана с максимальной температурой сырого пара. Это осознание положило начало науке термодинамики (буквальный перевод: движение от тепла). И оказывается, что это фундаментальное свойство всех тепловых двигателей. Тепловой КПД (так называемый) определяется разницей температур между самой горячей и самой холодной частями энергетического цикла и абсолютной температурой самой горячей части цикла. Не нужно беспокоиться о том, что это значит, но чтобы понять это, вам нужно осознать, что чем горячее вы можете сделать свою тепловую машину, тем больше энергии вы можете получить от нее.

Продвиньтесь на пару столетий, и мы придем к Рудольфу Дизелю в Германии конца 1800-х годов. К этому времени люди в значительной степени разработали лучший способ создания паровых двигателей и сделали их максимально эффективными и мощными. Ученые рассчитали цифры и знали, что температура и давление важны для получения максимальной мощности из небольшого объема. Проблема с паром заключалась в том, что мощному двигателю требовался пар высокой температуры и давления, а это означало большие, тяжелые трубы и сосуды под давлением, чтобы удерживать пар и доставлять его к цилиндрам.

Дизель задумался о способах создания высокого давления внутри цилиндра. Вместо того, чтобы генерировать пар высокого давления снаружи цилиндра и закачивать его в цилиндр для перемещения поршня, Дизель хотел ввести топливо и кислород в цилиндр, сжечь его очень быстро, чтобы вызвать значительное повышение температуры. и объем, который быстро вытолкнет поршень, без необходимости в огромном сосуде высокого давления для содержания пара. Радикальный!

В 1893 году он написал знаменитый патент, который был опубликован в 1894 году, а к 1897 году построил практичный двигатель, основанный на идее внутреннего сгорания.

Он был настолько умен, что сначала использовал поршень, чтобы сжать газ и поднять его температуру выше критической. Когда газ стал самым горячим, он впрыснул топливо в цилиндр, и с помощью раскаленного электрического провода воспламенилась топливно-воздушная смесь. Хлопнуть!

Смесь взорвалась, и поршень врезался в цилиндр, приводя в движение огромный маховик. Инерции маховика было более чем достаточно, чтобы сжать очередной заряд газа. Оставшуюся энергию можно использовать для привода шкива или генератора. Это был первый двигатель внутреннего сгорания, его тепловой КПД составлял около 25 процентов, что значительно выше, чем у конкурирующих двигателей, которые работали около 20 процентов.

Это было поистине радикальное изобретение, но в течение следующего столетия оно было модернизировано и усовершенствовано до двигателей, используемых почти во всех легковых и грузовых автомобилях. Двигатель внутреннего сгорания компактен, достаточно эффективен и очень надежен. Современные дизельные двигатели могут обеспечивать эффективность около 40 или 45 процентов при превосходной надежности. Хорошие системы управления и непосредственный впрыск топлива устранили необходимость в катушке или свече накаливания. Степень сжатия 15 или 20:1 обеспечивает достаточно высокую температуру воздуха для воспламенения топлива при впрыске.

Как только Дизель доказал, что внутреннее сгорание может работать, эпоха пара закончилась. В течение 20 лет паровые двигатели стали устаревшей технологией. Двигатели внутреннего сгорания произвели революцию в транспорте, поскольку эти небольшие и легкие двигатели имели отношение мощности к весу, намного превышающее самые сложные потоковые двигатели. Появились первые автомобили, за ними всего через несколько лет последовали первые самолеты с двигателями, а затем корабли и, наконец, поезда были преобразованы в энергию, получаемую от двигателей внутреннего сгорания.

Последними бастионами паровой энергетики являются железные дороги в Индии, Китае и других развивающихся частях мира, где паровые двигатели по-прежнему надежны и просты в обслуживании и предлагают источник энергии, зависящий от дешевого, легко добываемого угля, а не дорогая очищенная нефть.

В то время как большинство людей думают о двигателе внутреннего сгорания как о прерывистом двигателе, основанном на серии дискретных взрывов, происходящих в расположении поршней и цилиндров, есть один очень важный класс двигателей внутреннего сгорания, который основан на непрерывном процессе горения.

Это газовая турбина, наиболее часто используемая в качестве силовой установки в больших машинах, таких как самолеты, корабли и локомотивы, а также в коммерческих электростанциях.

Газовая турбина представляет собой двигатель внутреннего сгорания, поскольку топливо сгорает внутри двигателя. После сгорания топливно-воздушная смесь становится намного горячее и находится под более высоким давлением, чем ингредиенты. Таким образом, выхлопные газы давят на переднюю половину камеры сгорания и выходят сзади, вызывая движение вперед. На выходе они проходят через турбину, соединенную с компрессором в передней части двигателя, которая всасывает воздух, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания.

Температура в газовой турбине самая высокая, обычно достигаемая в любой тепловой машине на Земле, что делает их очень эффективными по стандартам других двигателей, и огромная выходная мощность большой газовой турбины объясняется этим высоким тепловым КПД в сочетании с простым и эффективным процессом. Тем не менее, постоянная высокая рабочая температура и большие усилия проверяют материалы, из которых изготовлена ​​машина, до предела.

Двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями. Их максимальная эффективность определяется эффективностью идеализированного цикла Карно. Кроме того, двигатель имеет собственную механическую неэффективность, что еще больше снижает общую эффективность. Тем не менее, с годами инженеры нашли способы максимизировать энергию, которую они извлекают из тепла (промежуточные охладители, турбонагнетатели и т. д.), и повысили эффективность работы до очень высокого уровня.

Эти циклы представлены линиями на диаграммах, представляющих характеристики рабочей жидкости. Графики могут отображать давление, объем, энтропию, энтальпию или несколько других параметров. В каждом случае рабочая жидкость (пар в паровой машине, воздух в большинстве двигателей внутреннего сгорания) движется по циклическому пути от горячего, высокого давления к более холодному. снизить давление и обратно. если оси выбраны правильно, то выход энергии соответствует площади, очерченной циклическим графиком. Задача разработчика двигателя — найти место на графике, где рабочий цикл обеспечивает наилучший компромисс между температурным перепадом и выходной мощностью.

смотрите также

• Цикл Аткинсона
• Цикл Карно
• Цикл Стирлинга
• Джоулев цикл
• Дизельный цикл

Двигатели внутреннего сгорания прошли долгий путь после взрыва 10-футового одноцилиндрового прототипа Diesel.

В настоящее время они производятся в любом количестве размеров и конфигураций. Типичная газовая турбина, используемая для вращения генератора на электростанции, может вырабатывать десятки мегаватт механической энергии. Немногие другие механические системы могут справиться с такой огромной мощностью. Тем не менее удельная мощность газовой турбины не намного лучше, чем, например, у дизельного двигателя. Промышленная турбина мощностью 27 МВт может весить 80 тонн, еще 20 тонн приходится на механизм управления и так далее, а еще 80 тонн приходится на генератор, в результате чего общий вес всей генераторной установки составляет около 180 тонн. Только для турбины выходная мощность составляет около 300 Вт на кг веса. Сравните это с современным дизельным двигателем, который может выдавать только 500 кВт или около того, но имеет вес 1000 кг: соотношение 500 Вт/кг. Оба они исключительно хороши по сравнению с современной миниатюрной паровой машиной мощностью 2 кВт, которая весит 30 кг (66 Вт/кг), даже без котла.

Эффективность тоже выросла как на дрожжах. Первый атмосферный двигатель Ньюкомена имеет тепловой КПД около 1 процента по сравнению с современным автомобильным дизельным двигателем, тепловой КПД которого может достигать 44 процентов. Производители двигателей предполагают, что большие дизельные двигатели, используемые в грузовиках, могут достичь 50-55-процентного теплового КПД в следующем десятилетии или около того, по мере развития использования турбонагнетателей и промежуточных охладителей, а также по мере развития науки о сжигании и завихрении жидкостей

Примечание. Эта статья написана, отформатирована и отредактирована в автономном блокноте Dann E2

Nissan работает над двигателем с 50-процентным тепловым КПД не все так эффективно, так как большая часть того, что они генерируют, — 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.