Двигатель внутреннего сгорания – это устройство, применяемое в автомобиле для преобразования энергии топлива в механическую работу. Он является основным компонентом автомобиля и обеспечивает его движение. Узнать, как работает двигатель внутреннего сгорания, поможет понять все преимущества этого вида двигателей и его устройство.
Основное преимущество двигателя внутреннего сгорания заключается в его эффективности. Он преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию с высокой степенью эффективности. Это означает, что большая часть энергии топлива используется для создания движения автомобиля, а не теряется в виде тепла или звука.
Устройство двигателя внутреннего сгорания: двигатель внутреннего сгорания состоит из нескольких основных компонентов, таких как цилиндры, поршни, клапаны, свечи зажигания и коленвал. Когда автомобиль включает двигатель, в каждом цилиндре топливо и воздух смешивается и поджигается специальной свечой зажигания. Это вызывает взрыв, который двигает поршень вниз и приводит в движение коленчатый вал. Коленчатый вал, в свою очередь, передает механическую энергию на колеса автомобиля и обеспечивает движение.
Роль двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания отвечает за основное преобразование химической энергии внутри топлива в механическую энергию движения автомобиля. Это основной источник энергии для большинства автомобилей, лодок и некоторых конструкций.
Одна из основных ролей двигателя внутреннего сгорания - создание тяги, необходимой для перемещения транспортного средства. Топливо (обычно бензин или дизель) смешивается с воздухом внутри цилиндра, затем смесь воспламеняется запалом, и происходит взрыв, который вызывает движение поршня внутри цилиндра. Это движение поршня передается через шатун к коленчатому валу, который преобразует линейное движение поршня во вращательное движение.
Кроме создания тяги, двигатель внутреннего сгорания также отвечает за работу других систем автомобиля. Например, двигатель генерирует электроэнергию, которая питает аккумулятор и электрическое оборудование автомобиля. Он также участвует в работе системы охлаждения, предоставляя охлаждающую жидкость, которая перебирается через радиатор для регулирования температуры двигателя.
| Роль двигателя внутреннего сгорания: |
|---|
| 1. Создание тяги для передвижения автомобиля; |
| 2. Генерация электроэнергии; |
| 3. Поддержание оптимальной температуры двигателя; |
| 4. Приведение в действие системы выпуска отработанных газов. |
Принцип работы двигателя
Основной принцип работы двигателя основан на цикле четырех тактов: впуск, сжатие, работа и выпуск.
Впуск: Во время впуска поршень двигается от ВМТ (верхней мертвой точки) к НМТ (нижней мертвой точке), открывая впускной клапан и пуская воздух и топливо в цилиндр. Воздух смешивается с топливом, создавая легковоспламеняющуюся смесь.
Сжатие: Поршень движется обратно, от НМТ к ВМТ, закрывая впускной и открывая выпускной клапаны. Это сжимает воздух и топливо в цилиндре, повышая их давление и температуру.
Работа: При достижении ВМТ, свеча зажигания создает искру, которая воспламеняет сжатую смесь воздуха и топлива. Воспламенение приводит к быстрому расширению газов, создавая давление, которое заставляет поршень двигаться обратно к НМТ. Этот движущийся поршень передает силу через шатун и коленчатый вал, приводя в действие внешнее устройство, такое как колеса автомобиля.
| Такт | Движение поршня | Клапаны | Событие |
|---|---|---|---|
| 1 | Вверх (НМТ - ВМТ) | Впускной открыт, выпускной закрыт | Впуск воздуха и топлива |
| 2 | Вниз (ВМТ - НМТ) | Впускной закрыт, выпускной закрыт | Сжатие смеси |
| 3 | Вверх (НМТ - ВМТ) | Впускной закрыт, выпускной открыт | Воспламенение и сжигание смеси |
| 4 | Вниз (ВМТ - НМТ) | Впускной закрыт, выпускной закрыт | Выпуск отработанных газов |
Основные компоненты двигателя
Двигатель внутреннего сгорания состоит из нескольких основных компонентов, которые взаимодействуют между собой для обеспечения работы двигателя.
- Цилиндр: это основной рабочий элемент двигателя, в котором происходит горение топлива.
- Поршень: помещается внутри цилиндра и движется вверх и вниз под воздействием горячих газов, создаваемых сгоранием топлива.
- Клапаны: открываются и закрываются для впуска свежего воздуха и выхлопных газов.
- Головка блока цилиндров: содержит клапаны и камеры сгорания топлива.
- Двигатель коленвала: преобразует вертикальное движение поршня во вращательное движение, которое передается на колеса.
- Система смазки: обеспечивает смазку механических элементов двигателя, снижая трение.
- Система охлаждения: предотвращает перегрев двигателя, охлаждающим его с помощью вентиляторов и жидкости.
- Система зажигания: отвечает за воспламенение смеси топлива и воздуха в цилиндре.
Все эти компоненты работают вместе, чтобы создать мощность и движение, необходимые для работы автомобиля. Правильное функционирование каждого компонента важно для эффективной работы двигателя внутреннего сгорания.
Зависимость работы двигателя от цикла
Цикл Отто применяется в бензиновых двигателях и состоит из четырех тактов:
- Впускной такт: в результате движения поршня вниз, через открытый впускной клапан в цилиндр попадает смесь воздуха и топлива;
- Сжатие: поршень поднимается вверх, что сжимает смесь в горящей камере;
- Рабочий такт: топливная смесь воспламеняется свечей зажигания, происходит взрыв и поршень движется вниз, создавая рабочий ход, который передается на коленчатый вал и далее на ведущие узлы;
- Выхлопной такт: открытый выхлопной клапан выпускает отработанные газы из цилиндра.
Цикл Дизеля используется в дизельных двигателях и имеет следующие этапы:
- Впуск: поршень движется вниз, в результате чего в цилиндр попадает только воздух;
- Сжатие: воздух приподнимает поршень, сжимая его в горящей камере;
- Впрыск топлива: перед верхней точкой поршня топливо впрыскивается в высококомпрессионную среду, запуская горение;
- Рабочий такт: горячие газы расширяются, двигая поршень вниз и передавая механическую энергию на коленчатый вал;
- Выхлоп: отработанные газы выходят через открытый выхлопной клапан.
Оба цикла обеспечивают конвертацию энергии, полученной от горения топлива, в механическую работу. Выбор цикла зависит от ряда факторов, таких как тип двигателя, технические требования и экономическая эффективность.
Цикл работы двигателя
Работа двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впускного, сжатия, рабочего и выпускного.
Итак, начинается цикл работы двигателя с впускного такта. В это время клапаны впуска и выпуска находятся в закрытом состоянии, а поршень двигается вниз, создавая под действием вращающего момента коленчатого вала разрежение в цилиндре. В результате воздух смешивается с топливом и попадает внутрь цилиндра через клапан впуска.
Затем наступает такт сжатия. В этот момент клапаны впуска и выпуска также закрыты. Поршень движется вверх и сжимает воздух с топливом, увеличивая его давление и температуру. Когда поршень достигает верхней точки хода, топливная смесь должна быть подготовлена к зажиганию.
Рабочий такт начинается с зажигания смеси. В это время клапаны впуска и выпуска все еще закрыты, и поршень двигается вниз под действием газовой силы, вызванной взрывом топлива. В результате происходит движение поршня и привод колес автомобиля.
Заканчивается цикл работы двигателя выпускным тактом. В этот момент клапан впуска закрыт, а клапан выпуска открыт. Поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан.
Впуск
Процесс впуска начинается с открытия впускного клапана, который позволяет воздуху и топливу проникать в цилиндр. При этом поршень находится на вечерней ходе, то есть находится внизу своего хода.
| Фаза впуска: | Этапы процесса: |
| 1 | Открытие впускного клапана |
| 2 | Опускание поршня вниз |
| 3 | Перемешивание воздуха и топлива в цилиндре |
| 4 | Закрытие впускного клапана |
Впускной клапан открывается под воздействием распределительного вала, который управляется через ремень привода от коленчатого вала. Когда впускной клапан открывается, заранее подогнанные каналы впуска позволяют воздуху и топливу проникать в цилиндр двигателя. Это осуществляется при помощи впускного коллектора, представляющего собой сеть труб и каналов, расположенных на впускном плече двигателя.
Впускной процесс завершается закрытием впускного клапана, когда поршень достигает максимального нижнего положения своего хода. Закрытие клапана обеспечивает герметичную камеру для дальнейшего сжатия и горения рабочей смеси.
Сжатие
Процесс сжатия осуществляется благодаря движению поршня вверх во время такта сжатия. Когда поршень поднимается, клапаны впуска и выпуска остаются закрытыми, а кривошипно-шатунный механизм преобразует горизонтальное движение поршня в вертикальное движение.
В результате вертикального движения поршня объем воздушно-топливной смеси в цилиндре уменьшается, что ведет к ее сжатию. При этом, давление и температура смеси значительно повышаются.
Сжатие является важным этапом работы двигателя, так как он дает возможность достичь необходимых условий для дальнейшего воспламенения топлива. Благодаря высокому давлению и температуре, которые создаются в результате сжатия, топливо может быть поджжено и произойдет взрыв.
Рабочий ход
Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впускного, сжатия, рабочего и выпускного.
1. Впускной такт: Во время впускного такта поршень двигается от мертвой точки вниз. В это время клапан впускного канала открывается, позволяя смеси воздуха и топлива попасть в цилиндр. Клапан впускного канала закрывается перед началом следующего такта.
2. Сжатие: Поршень двигается от мертвой точки вверх, сжимая воздух и топливную смесь в цилиндре. Клапаны впускного и выпускного каналов закрыты. В результате сжатия происходит увеличение давления и температуры смеси.
3. Рабочий такт: После достижения максимального значения сжатия, смесь воздуха и топлива в цилиндре поджигается и начинается процесс сгорания. В результате сгорания горячих газов происходит быстрое расширение смеси. Поршень двигается от мертвой точки вниз, приводя в движение коленчатый вал и передающий механическую энергию на валы различных устройств (например, привод вентилятора, генератора или колеса автомобиля).
4. Выпускной такт: После окончания рабочего такта поршень двигается от мертвой точки вверх, выталкивая отработанные газы из цилиндра. Клапан выпускного канала открывается, позволяя газам покинуть цилиндр. Клапан закрывается, когда поршень подходит к верхней мертвой точке.
Таким образом, в результате четырех тактов двигателя внутреннего сгорания происходит последовательное впускание смеси воздуха и топлива, их сжатие, сгорание смеси и последующий выпуск отработанных газов.
Выпуск
После сгорания топлива и воздуха внутри цилиндра, отработавшие газы необходимо удалить из двигателя. За это отвечает система выпуска отработавших газов.
Выпускная система состоит из выхлопного коллектора, каталитического нейтрализатора (катализатора), глушителя и выхлопной трубы.
Выхлопной коллектор собирает отработавшие газы, выделившиеся после сгорания топлива. Он объединяет и направляет газы в каталитический нейтрализатор.
Каталитический нейтрализатор используется для преобразования вредных выбросов из отработавших газов. Он содержит металлическую сетку со специальными катализаторами, которые ускоряют химические реакции. В результате, оксиды азота превращаются в азотные газы, а угарный газ и углеводороды превращаются в более безвредные соединения.
Затем отработавшие газы проходят через глушитель, который сглаживает звуковые волны и снижает шум от работы двигателя. Глушитель содержит внутренние перегородки и перфорированные трубы, которые разрушают звуковые волны и снижают их интенсивность.