Что такое такт двигателя внутренего сгорания

5.6. Двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель — это периодически действующее устройство, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели разнообразны по конструкции и назначению. К ним относятся паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и т. д. (см. рис. 5.9).

Рис. 5.9. Тепловые двигатели: 1 — паровая машина; 2 — двигатель внутреннего сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — ракетный двигатель

Несмотря на многообразие, в основе практически всех тепловых двигателей лежит общий принцип — принцип циклического действия. Основными частями любого теплового двигателя являются: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Рассмотрим в качестве примера работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. В этом двигателе высокая температура достигается за счет сгорания рабочей смеси (бензина с воздухом) внутри цилиндра двигателя; воспламенение смеси происходит с помощью искрового зажигания. Перечислим основные стадии работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания:

Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим идеализированный процесс (цикл Отто), близкий к используемому в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. Цикл Отто изображен на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Идеализированный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (цикл Отто)

Как обычно, термодинамические параметры имеют индексом номер соответствующей точки на рисунке (в данном случае надо будет помнить, что V₃ = V₂; V₄ = V₁).

Изобара А—1. Первый такт цикла. Вследствие движения поршня в цилиндр всасывается горючее. Приближенно можно считать, что это происходит при атмосферном давлении p₁. Объем увеличивается от V₁ до V₂.

Адиабата 1—2. Второй такт цикла. Теплообмена со средой нет. Поршень движется в обратном направлении, адиабатно сжимая смесь от объема V₁ до объема V₂. При этом повышается давление, и температура растет от Т₁ до Т₂. Связь температур и объемов в начале и конце адиабатной части цикла дается соотношением

Изохора 2—3. Начало третьего такта. Под действием электрической искры горючая смесь взрывается: давление почти мгновенно возрастает до значения р₃, а объем еще не успевает измениться. Температура растет от T₂ до Т₃ за счет тепла, выделенного при взрыве. Работа не производится, а количество полученного тепла выражается формулой

Адиабата 3—4. Продолжение третьего такта. Теплообмена со средой нет. Газ адиабатно расширяется до максимального объема цилиндра V₁, падают температура и давление. Связь температур и объемов в начале и конце адиабаты дается уравнением

Изохора 4—l. Конец третьего такта. Открывается клапан, давление падает до атмосферного при постоянном объеме. Температура также падает до значения Т₁.

Изобара 1—А. Четвертый такт. Поршень выталкивает из цилиндра отработанные газы, система возвращается в начальное состояние. Поскольку участок А-1 проходится дважды в разных направлениях, соответствующие вклады в работу и в теплоту сокращаются и могут не приниматься во внимание.

Таким образом, получаем для КПД цикла

Из уравнений (1), (3) следует равенство отношений

Подставляя (6) в (5), приходим к окончательному выражению для КПД цикла

Оно получилось очень похожим на формулу для КПД цикла Карно, но обратим внимание, что максимальной температурой здесь является температура в точке 3 (Т_mах = Т₃), а минимальной — температура в точке 1 (T_min = T₁). Поэтому КПД цикла Карно, работающего между такими температурами, равнялся бы

Разность этих двух выражений отлична от нуля:

поскольку Т₄ > T₁. Мы воочию убедились, что КПД рассмотренного цикла меньше КПД цикла Карно. Заметим также, что КПД цикла Отто можно выразить через отношение объемов:

Величина V₁/V₂ называется сжатием. Получается, что КПД рассмотренного цикла определяется только величиной сжатия горючей смеси и показателем адиабаты.

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания: принцип работы

В основе принципа работы любого двигателя внутреннего сгорания лежит воспламенение небольшого количества топлива, обязательно высокоэнергетического, в небольшом замкнутом пространстве. При этом выделяется большое количество энергии, в виде теплового расширения нагретых газов. Так как давление под поршнем равно нормальному атмосферному, а компрессия в цилиндре намного превышает его, то под действием разницы давлений поршень совершает движение.

Для того чтобы двигатель внутреннего сгорания постоянно производил полезную механическую энергию, камеру сгорания цилиндра необходимо циклично заполнять новыми дозами воздушно-топливной смеси. В результате, поршень приводит в действие коленчатый вал, который и придает движение колесам автомобиля.

Двигатели почти всех современных автомобилей являются четырёхтактными по своему циклу работы, и энергия, полученная от сжигания бензина, почти полностью преобразовывается в полезную. Цикл Отто, так называется подобный принцип, по имени Николауса Отто, изобретателя двигателя внутреннего сгорания (1867 год).

Схема работы бензинового двигателя внутреннего сгорания:

Главным элементом двигателя внутреннего сгорания является поршень, который связан шатуном с коленчатым валом. Так называемый, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня в радиальное движение коленвала.

Ниже более подробно расписан рабочий цикл бензинового двигателя:

1. Такт впуска

2. Такт сжатия

3. Рабочий такт

4. Такт выпуска

Следующий такт необязательно должен начинаться после окончания предыдущего. Такая ситуация, когда одновременно открыты оба клапана (впуска и выпуска), называется перекрытием клапанов. Это необходимо для эффективного наполнения цилиндра воздушно-топливным соединением, а также для более результативной очистки цилиндров от выхлопных газов. После этого рабочий цикл повторяется.

Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что поршень двигается прямолинейно, а движение, осуществляющееся при сгорании топливной смеси, — вращательное. Линейный ход поршней преобразовывается в поворотное движение, необходимое для работы колес автомобиля, при помощи коленчатого вала.

Ниже рассмотрены основные элементы двигателя, которые принимают участие в преобразовании тепловой энергии в механическую.

1. Свеча зажигания

Искровая свеча вырабатывает электрическую искру, которая воспламеняет воздушно-топливную смесь. Для равномерной и бесперебойной работы поршня искра должна появляться в заданный момент времени.

2. Клапаны

Выпускные и впускные клапаны закрываются и открываются в заданный момент, впуская воздух в цилиндр и выпуская отработанные газы. Во время процесса горения топливной смеси оба клапана закрыты. Клапан выпуска открывается до достижения поршня крайней нижней точки и остается открытым до прохождения поршня к верхней крайней точке. К этому моменту впускной уже будет открыт.

3. Поршень

Образующиеся во время сгорания топливной смеси горячие газы выдавливают поршень, передавая энергию через шатун и палец коленвалу. Для сохранения компрессии в цилиндрах на поршень устанавливаются уплотняющие кольца, изготовленные из высокопрочного чугуна. Для повышения износостойкости поршневые кольца покрываются тонким слоем пористого хрома. К основным характеристикам колец относятся следующие показатели: высота, наружный диаметр, радиальная толщина, форма разреза в стыке и упругость. Внешний диаметр поршневого кольца должен соответствовать внутреннему диаметру цилиндра. В настоящее время применяются узкие кольца (высотой — 1,5-2 мм) и широкие (высотой — 2,5-3 мм). Первые более надежны при частом движении поршня. Радиальная толщина увеличивается с возрастанием диаметра цилиндра. Износ поршневых колец происходит, в среднем, через каждые 3 тысячи километров пробега.

4. Шатун

Шатун соединяет коленчатый вал с поршнем. Вращение шатуна является двухсторонним, это нужно для того, чтобы его угол мог изменяться в зависимости от местоположения поршня, обеспечивая движение коленвала. Обычно шатуны бывают стальными, иногда — алюминиевыми.

5. Коленчатый вал

Поворот коленчатого вала осуществляется вследствие вертикального хода поршня. Коленвал приводит в движение колеса автомобиля.

Современные двигатели внутреннего сгорания делятся на два типа: карбюраторные и инжекторные.

В карбюраторном двигателе процесс приготовления воздушно-топливной смеси происходит в специальном устройстве — карбюраторе. В нем, используя аэродинамическую силу, горючее смешивается с воздушным потоком, засасываемым двигателем.

В инжекторном типе двигателя топливо впрыскивается под давлением в поток воздуха при помощи специальных форсунок. Дозировка горючего происходит при помощи электронного блока управления, который открывает форсунку электрическими импульсами. В двигателях устаревшей конструкции, этот процесс происходит с использованием специфической механической системы. Последний тип почти полностью вытеснил устаревшие карбюраторные силовые агрегаты. Это произошло из-за современных экологических стандартов, которые устанавливают высокие нормы чистоты выхлопных газов. Что повлекло за собой внедрение новых эффективных нейтрализаторов выхлопа (каталитических конвертеров или катализаторов). Такие системы нейтрализации требуют постоянного состава отработанных газов, который могут обеспечить только инжекторные системы впрыска топлива, контролируемые электронным блоком управления. Нормальная работа катализатора обеспечивается исключительно при соблюдении стабильного состава выхлопных газов. Необходимостью этого является то, что он требует содержания определенных пропорций кислорода в отработанных газах. Для соблюдения подобных условий в таких системах катализации обязательно устанавливается кислородный датчик (лямбда-зонд), который анализирует процент содержания кислорода в выхлопных газах и контролирует точность пропорций оксида азота, несгоревших остатков топлива и углеводородов.

Основными вспомогательными системами являются:

Система зажигания. Отвечает за поджигание топливной смеси в нужный момент. Она бывает контактной, бесконтактной и микропроцессорной. Система контактного типа состоит из распределителя-прерывателя, катушки, выключателя зажигания и свечей. Бесконтактная система аналогична предыдущей, только вместо прерывателя стоит индукционный датчик. Управление системой зажигания микропроцессорного типа осуществляется специальным компьютерным блоком, в ее состав входит датчик положения коленвала, коммутатор, блок управления зажиганием, катушки, датчик температуры двигателя и свечи. В двигателях с инжекторной системой к ней добавляется еще датчик положения дроссельной заслонки и термоанемометрический датчик массового расхода воздуха.

Система запуска двигателя. Состоит из специального электромотора (стартера), подключенного к аккумулятору, или механического стартера, использующего физические усилия человека. Применение этой системы объясняется тем, что для запуска рабочего цикла двигателя необходимо, чтобы коленчатый вал произвел хотя бы один оборот.

Система выпуска выхлопных газов. Обеспечивает своевременное удаление продуктов горения топливной смеси из цилиндров. Включает в себя выпускной коллектор, катализатор и глушитель.

Система приготовления воздушно-топливной смеси. Предназначена для приготовления и впрыска смеси горючего с воздухом, в камеру сгорания цилиндров двигателя. Может быть карбюраторной или инжекторной.

Система охлаждения. Современная система состоит из вентилятора, радиатора, термостата, расширительного бачка, жидкостного насоса, датчика температуры, рубашки и головки охлаждения блока цилиндров. Предназначена для создания и поддержания приемлемого температурного режима работы ДВС. Обеспечивает отвод тепла от цилиндров клапанной системы и поршневой группы. Может быть воздушной, жидкостной или гибридной.

Система смазки. Состоит из масляного фильтра, маслонасоса с маслоприемником, каналов в блоке и головках цилиндров для впрыска масла под высоким давлением, поддона картера. Предназначена для подачи автомобильного масла с целью уменьшения трения и охлаждения, к взаимодействующим деталям двигателя. Также циркуляция масла смывает нагар и продукты механического износа.

WO2009096763A1 — Поршневой двигатель внутреннего сгорания — Google Patents

Links

• Espacenet
• Global Dossier
• PatentScope
• Discuss

• 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 14
• 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 13
• 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 8
• 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 5
• 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims 1
• 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 5
• 238000007906 compression Methods 0.000 description 6
• 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 4
• 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
• 210000003127 Knee Anatomy 0.000 description 2
• 210000003739 Neck Anatomy 0.000 description 2
• 238000000034 method Methods 0.000 description 2
• 239000010754 BS 2869 Class F Substances 0.000 description 1
• 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 1
• 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 1
• 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 1
• 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
• 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
• 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
• 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
• 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
• 239000000463 material Substances 0.000 description 1
• 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
• 230000000452 restraining Effects 0.000 description 1
• 241000894007 species Species 0.000 description 1
• 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1

Classifications

• • F — MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
  • F01 — MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
  • F01B — MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
  • F01B9/00 — Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
• • F — MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
  • F02 — COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
  • F02B — INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
  • F02B75/00 — Other engines
  • F02B75/32 — Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups

Abstract

Description

2. Это значительно само по себе и дает эффект больший, чем идея переменной степени сжатия, реализуемая в двигателе WE — Widе Ехрапsiоп, «увеличенная степень расширения», так как в прелагаемом двигателе эксцентричное смещение основано на величине, равной диаметру, а не на вдвое меньшей величине, равной радиусу, как в двигателе WE, но приобретает еще большее • значение при сочетании с коэффициентом k 2 , так как входит в выражение 2k 2 в виде сомножителя.

Как работает двигатель внутреннего сгорания.

Для непосвящённых, двигатель выглядит как хитросплетение металлических трубок и проводов. Возможно, покупая автомобиль, вы слышали что-то типа “двигатель V-6, объёмом 3 литра”. В этой статье мы рассмотрим базовые принципы работы двигателя.
Бензиновый двигатель преобразует энергию бензина, в поступательное движение автомобиля. Бензиновый двигатель есть не что иное, как двигатель внутреннего сгорания. Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания: дизельные, роторные, хеми, двухтактные. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Также существуют двигатели внешнего сгорания. Паровой двигатель паровоза и парохода, является наглядным примером двигателя внешнего сгорания. Топливо в паровом двигателе сгорает не в двигателе, а пар создаёт движение уже внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания намного эффективнее двигателей внешнего сгорания, то есть расходуют меньше топлива при одинаковой работе. Плюс, двигатель внутреннего сгорания гораздо меньше, чем аналогичный по мощности, двигатель внешнего сгорания. Этот факт объясняет почему мы не увидим двигатель внешнего сгорания на автомобилях GM или Ford.

Принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем: если малое количество топлива, обладающего большой энергоёмкостью и находящегося в небольшом закрытом пространстве — поджечь, выделится огромное количество энергии в виде газа. Преобразовав эту энергию в поступательное или вращательное движение, можно использовать её для своих нужд.

Почти все современные автомобильные двигатели четырехтактные. Четырехтактный цикл сгорания так же известен как цикл Отто, в честь Nikolaus Otto, который предложил его в 1867 году.
Он состоит из следующих этапов:

• Впускной такт;
• Такт сжатия;
• Такт горения;
• Выпускной такт;

Рассмотрим подробнее каждый такт.

Впускной такт. Поршень из верхней точки начинает двигаться вниз, открывается впускной клапан и в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь. Эта смесь состоит примерно из 15 частей воздуха и одной части бензина.

Такт сжатия. Поршень перемещается вверх, чтобы сжать смесь. Сжатие делает взрыв более эффективным.

Такт горения. Когда поршень достигает верхней точки, в цилиндре проскакивает искра и смесь взрывается, толкая поршень вниз.

Выпускной такт. После того как поршень достигает нижней точки, открывается выпускной клапан и поршень выталкивает отработавшие газы в выхлопную трубу. Работа газов заключалась в толкании поршня вниз, а так, как свою работу они выполнили их называют отработавшими.

На анимации выше каждый такт окрашивает камеру сгорания своим цветом, расшифровка цветов указана правее. Коленвал через шатун приводит в движение поршень. Таким образом, вращательное движение коленвала преобразуется в поступательное движение поршня.
Выше мы рассмотрели как работает один цилиндр. Обычно количество цилиндров в двигателе начинается с четырёх, также может быть шесть и восемь.
Расположены цилиндры могут быть одним из трёх способов: в ряд, напротив друг друга и в виде буквы “V”. Теперь понятно откуда берутся названия типа: рядная четвёрка или “V”—образная шестёрка. Каждая конфигурации имеет свои преимущества и недостатки.

Рассмотрим основные части двигателя.

Свеча зажигания создаёт искру для поджига топливовоздушной смеси. Искра создаётся в цилиндре в строго определённое время.

Впускной и выпускной клапана открываются в строго заданное время, что бы поршень мог затянуть топливовоздушную смесь в цилиндр и выпустить отработавшие газы. Хотелось бы отметить, что во время рабочего такта, камера сгорания герметично закрыта клапанами.

Поршень представляет собой кусок металла, выполненный в форме цилиндра, который совершает поступательное движение внутри цилиндра.
Поршневые кольца выполняют несколько функций:

• Обеспечивают минимальный зазор между поршнем и кромкой цилиндра, обеспечивая максимальную герметичность.
• Через кольца происходит охлаждение поршня, так как кольца связывают цилиндр с водяной рубашкой.
• Уменьшают расход масла.

Часто среди автомобилистов можно услышать фразу ”двигатель ест масло”, это значит что кольца неплотно прилегают к стенкам цилиндра и масло попадает в цилиндр, а там ему ничего не остаётся как сгореть.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом.

Коленчатый вал, вращаясь, за счёт своей геометрии позволяет двигаться поршню вверх, вниз.

Почему не заводится двигатель.
Вы выходите утром на работу, а ваша машина не заводится. Где же искать причину?
Теперь когда вы знаете как работает двигатель, давайте определим три основные причины:

• отсутствие искры;
• не поступает топливная смесь в цилиндр или поступает, но не в том количестве, или не должного качества;
• отсутствие должной компрессии;

Если отсутствует искра или появляется не в то время, автомобиль не заведётся. Искра может отсутствовать по следующим причинам:

• неисправна свеча;
• обрыв высоковольтного провода;

Перейдём к топливной смеси, если воздухозаборник забит, топлива будет достаточно, но воздуха будет недостаточно. Если топливный насос не создаёт положенного давления, ситуация будет обратной. Примесь в топливетакая, как вода, не даст двигателю завестись.

Отсутствие положенной компрессии может быть по следующим причинам:

• изношены поршневые кольца;
• впускные и выпускные клапана не обеспечивают должной герметичности;
• прогар цилиндра;

Также существуют другие причины:

• сел аккумулятор, и стартер не может провернуть двигатель;
• заклинил подшипник коленчатого вала;
• сбились метки газораспределительного механизма;
• кто-то засунул в глушитель картошку, отработавшие газы не могут выйти из цилиндра и двигатель не заведётся;
• закончилось масло в двигателе;

Давайте рассмотрим подробнее как работает газораспределительный механизм(ГРМ).
Деталь, которая открывает и закрывает клапана, называется распределительным валом.
На распределительном валу можно увидеть кулачки, которые толкают клапана. Для того чтобы кулачки вовремя толкали клапана, распредвал соединён цепью или зубчатым ремнём с коленвалом. Таким образом, клапана синхронизированы с поршнями. Распределительный вал вращается со скоростью в два раза меньшей чем коленвал.

Система зажигания.
В системе зажигания генерируется высокое напряжение, которое потом передаётся через провода к свечам. Высокое напряжение подаётся на трамблёр, который определяет какой свече необходимо подать искру в данный момент. Увидеть это можно на анимации ниже.

Система охлаждения.
Система охлаждения в большинстве двигателей состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует вокруг цилиндров, забирая тепло, затем проходя через радиатор — охлаждается. В некоторых автомобилях (в первую очередь Volkswagen Жук), а также на большинстве мотоциклов и газонокосилок, применяется двигатель с воздушным охлаждением. Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но, как правило, ресурс и мощность двигателя снижаются.

В этой статье мы рассмотрели не все системы автомобиля, как это сделано в оригинале, а лишь те которые показались нам наиболее интересными.