Двигатель внутреннего сгорания, ДВС – устройство, работа
В настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным видом автомобильного двигателя. Двигателем внутреннего сгорания (сокращенное наименование – ДВС) называется тепловая машина, преобразующая химическую энергию топлива в механическую работу.
Различают следующие основные типы двигателей внутреннего сгорания: поршневой, роторно-поршневой и газотурбинный. Из представленных типов двигателей самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы рассмотрены на его примере.
Достоинствами поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, являются: автономность, универсальность (сочетание с различными потребителями), невысокая стоимость, компактность, малая масса, возможность быстрого запуска, многотопливность.
Вместе с тем, двигатели внутреннего сгорания имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся: высокий уровень шума, большая частота вращения коленчатого вала, токсичность отработавших газов, невысокий ресурс, низкий коэффициент полезного действия.
В зависимости от вида применяемого топлива различают бензиновые и дизельные двигатели. Альтернативными видами топлива, используемыми в двигателях внутреннего сгорания, являются природный газ, спиртовые топлива – метанол и этанол, водород.
Водородный двигатель с точки зрения экологии является перспективным, т.к. не создает вредных выбросов. Наряду с ДВС водород используется для создания электрической энергии в топливных элементах автомобилей.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Поршневой двигатель внутреннего сгорания включает корпус, два механизма (кривошипно-шатунный и газораспределительный) и ряд систем (впускную, топливную, зажигания, смазки, охлаждения, выпускную и систему управления).
Корпус двигателя объединяет блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает своевременную подачу в цилиндры воздуха или топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.
Впускная система предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система питает двигатель топливом. Совместная работа данных систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.
Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях происходит самовоспламенение смеси.
Система смазки выполняет функцию снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в результате работы, обеспечивает система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности предписаны выпускной системе.
Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.
Работа двигателя внутреннего сгоранияПринцип работы ДВС основан на эффекте теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси и обеспечивающего перемещение поршня в цилиндре.
Работа поршневого ДВС осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель): впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Во время тактов впуск и рабочий ход происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы ДВС. В некоторых конструкциях двигателей внутреннего сгорания рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).
На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают образование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых двигателей, впрыск дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.
На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.
Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси (принудительное или самовоспламенение). В результате возгорания образуется большое количество газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для движения автомобиля.
При такте выпуск открываются выпускные клапаны газораспределительного механизма, и отработавшие газы удаляются из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума. Далее газы поступают в атмосферу.
Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия — порядка 40%. В конкретный момент времени как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.
Двигатель внутреннего сгорания | Физика
Двигатель внутреннего сгорания был изобретен в 1860 г. французским механиком Э. Ленуаром. Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя. Аппарат Ленуара имел несовершенную конструкцию, низкий КПД (около 3 %) и через несколько лет был вытеснен более совершенными двигателями.
Наибольшее распространение среди них получил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный в 1878 г. немецким изобретателем Н. Отто. Каждый рабочий цикл этого двигателя включал в себя четыре такта: впуск горючей смеси, ее сжатие, рабочий ход и выпуск продуктов сгорания. Отсюда и название двигателя — четырехтактный.
Двигатели Ленуара и Отто работали на смеси воздуха со светильным газом. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1885 г. немецким изобретателем Г. Даймлером. Примерно в это же время бензиновый двигатель был разработан и О. С. Костовичем в России.
Горючая смесь (смесь бензина с воздухом) приготовлялась в этом двигателе с помощью специального устройства, называемого карбюратором.
Современный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания изображен на рисунке 88. Поршни, находящиеся внутри цилиндров двигателя, соединены с коленчатым валом 1. На этом валу укреплен тяжелый маховик 2. В верхней части каждого цилиндра имеется два клапана: один из них называется впускным, другой — выпускным. Через первый из них горючая смесь попадает в цилиндр, а через второй продукты сгорания топлива уходят наружу.
Принцип действия одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания иллюстрирует рисунок 89.
1-й такт — впуск. Открывается клапан 1. Клапан 2 закрыт. Движущийся вниз поршень 3 засасывает в цилиндр горючую смесь.
2-й такт — сжатие. Оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.
3-й такт — рабочий ход. Оба клапана закрыты. Когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи 4.
В результате сгорания смеси образуются раскаленные газы, давление которых составляет 3—6 МПа, а температура достигает 1600—2200 °С. Сила давления этих газов толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик будет вращаться дальше по инерции, обеспечивая тем самым перемещение поршня и при последующих тактах.
4-й такт — выпуск. Открывается клапан 2. Клапан 1 закрыт. Поршень движется вверх. Продукты сгорания топлива уходят из цилиндра и через глушитель (на рисунке не показан) выбрасываются в атмосферу.
Мы видим, что в одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается лишь во время третьего такта. В четырехцилиндровом двигателе (см. рис. 88) поршни укреплены таким образом, что во время каждого из четырех тактов один из них находится в стадии рабочего хода. Благодаря этому коленчатый вал получает энергию в 4 раза чаще. При этом увеличивается мощность двигателя и в лучшей степени обеспечивается равномерность вращения вала.
Частота вращения вала у большинства двигателей внутреннего сгорания лежит в пределах от 3000 до 7000 оборотов в минуту, а в некоторых случаях достигает 15 000 оборотов в минуту и более.
В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания, в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. В процессе этого сжатия температура воздуха поднималась настолько, что при попадании в него топлива оно самовозгоралось. Специального устройства для воспламенения топлива в этом двигателе уже не требовалось; не нужен был и карбюратор. Новые двигатели стали называть дизелями.
Двигатели Дизеля являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешевых видах топлива и имеют КПД 31—44 % (в то время как КПД карбюраторных двигателей составляет обычно 25-30 %). В настоящее время они применяются на тракторах, тепловозах, теплоходах, танках, грузовиках, передвижных электростанциях.
Судьба самого изобретателя нового двигателя оказалась трагической.
29 сентября 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Талантливый инженер бесследно исчез. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. Одновременно с этим Даймлер запатентовал установку своего двигателя на моторной лодке и мотоцикле. В том же году, но чуть позже появился трехколесный автомобиль К- Бенца. Громоздкие и трудноуправляемые паровые автомобили стали вытесняться новыми машинами. Последующие годы явились началом промышленного производства автомобилей.
В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд (США). Через 11 лет его автомобили (рис. 90) были запущены в массовое производство.
В 1908 г. автомобили начали производить на Русско-Балтийском заводе в Риге. Один из первых русских автомобилей «Руссо-Балт» показан на рисунке 91.
Важную роль в развитии и распространении нового вида транспорта сыграли автомобильные гонки, которые стали устраиваться с 1894 г. В первой из них средняя скорость автомобилей составляла лишь 24 км/ч. Однако уже через пять лет она достигла 70 км/ч, а еще через пять лет— 100 км/ч.
После 1900 г. началось производство специальных гоночных автомобилей. С каждым годом их скорость возрастала. В 60-х гг. скорость автомобилей с поршневым двигателем превысила 600 км/ч, а после установки на автомобиле газотурбинного двигателя она перевалила за 900 км/ч. Наконец, в 1997 г. Э. Грин (Великобритания) на своем ракетном автомобиле «Траст SSC» достиг скорости 1227,985 км/ч, что превысило скорость звука в воздухе!
1. Опишите принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Из каких тактов состоит каждый его рабочий цикл? 2. Какую роль в двигателе играет маховик? 3. Чем отличается дизельный двигатель внутреннего сгорания от карбюраторного? 4. Кто создал первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?
двигатель внутреннего сгорания | Определение и факты
двигатель внутреннего сгорания
Смотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Нисефор Ньепс Готлиб Даймлер Этьен Ленуар Карл Бенц Оле Эвинруд
- Похожие темы:
- бензиновый двигатель реактивный двигатель дизельный двигатель система контроля выбросов система зажигания
Посмотреть все материалы по теме →
двигатель внутреннего сгорания , любое из группы устройств, в которых рабочими телами двигателя служат реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания.
Такой двигатель получает энергию за счет тепла, выделяющегося при сгорании непрореагировавших рабочих тел, окислительно-топливной смеси. Этот процесс происходит внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства. Полезная работа, производимая двигателем внутреннего сгорания (ВС), является результатом действия горячих газообразных продуктов сгорания на движущиеся поверхности двигателя, такие как поверхность поршня, лопатка турбины или сопло.
Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее широко применяемыми и широко используемыми энергетическими устройствами, существующими в настоящее время. Примеры включают бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.
Викторина «Британника»
Изобретатели и изобретения
Наши первые человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение при вращении? Пусть крутятся колеса в вашей голове, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.
Двигатели внутреннего сгорания делятся на две группы: двигатели непрерывного сгорания и двигатели периодического сгорания. Двигатель непрерывного сгорания характеризуется постоянным поступлением топлива и окислителя в двигатель. В двигателе (например, реактивном двигателе) поддерживается стабильное пламя. Двигатель прерывистого сгорания характеризуется периодическим воспламенением воздуха и топлива и обычно называется поршневым двигателем. Дискретные объемы воздуха и топлива обрабатываются циклически. Бензиновые поршневые двигатели и дизельные двигатели являются примерами этой второй группы.
Двигатели внутреннего сгорания можно охарактеризовать с точки зрения ряда термодинамических явлений. В двигателе непрерывного сгорания термодинамические явления происходят одновременно, так как окислитель и топливо и продукты сгорания равномерно протекают через двигатель. Напротив, в двигателе с прерывистым сгоранием события происходят последовательно и повторяются для каждого полного цикла.
За исключением ракет (как твердотопливных, так и жидкостных ракетных двигателей), двигатели внутреннего сгорания всасывают воздух, затем либо сжимают воздух и вводят топливо в воздух, либо вводят топливо и сжимают воздушно-топливную смесь. Затем, как и во всех двигателях внутреннего сгорания, происходит сжигание топливно-воздушной смеси, извлечение работы за счет расширения горячих газообразных продуктов сгорания и, в конечном счете, продукты сгорания выбрасываются через выхлопную систему. Их работу можно противопоставить работе двигателей внешнего сгорания (например, паровых машин), в которых рабочее тело не вступает в химическую реакцию, а прирост энергии достигается исключительно за счет передачи тепла рабочему телу через теплообменник.
Наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный бензиновый двигатель с однородным зарядом и искровым зажиганием. Это связано с его выдающимися характеристиками в качестве основного двигателя в отрасли наземного транспорта.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Чарльз Лафайет Проктор
Кончина двигателя внутреннего сгорания
Энергия, устойчивость
Ford Model T не положил конец лошадям, но заменил их в качестве основного транспортного средства Америки.
Как люди по-прежнему любят лошадей и катаются на них, так и люди будут любить и кататься на своих старых драндулетах. Но начиная с 2035 года купить новый в Калифорнии будет нельзя. Правительство штата Калифорния прекращает их продажу. Как сообщили Корал Дэвенпорт, Лиза Фридман и Брэд Плумер в New York Times на прошлой неделе:
«Правило, изданное Калифорнийским советом по воздушным ресурсам, требует, чтобы все новые автомобили, продаваемые в штате, к 2035 году были свободны от выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ. Правило также устанавливает промежуточные цели, требуя, чтобы 35 процентов новых легковых автомобилей, проданных к 2026 году, производили нулевые выбросы. К 2030 году эта потребность вырастет до 68 процентов. Транспорт является главным источником выбросов парниковых газов, вызывающих потепление планеты».
Калифорнийское правило разрешено в соответствии с отказом от Закона о чистом воздухе, впервые установленным как часть исторического федерального закона о воздухе, принятого в 1970 году.
Способность Калифорнии в течение полувека превышать федеральные требования была устранена Дональдом Трампом, но недавно восстановлена Джо Байденом. Около дюжины штатов обычно следуют примеру Калифорнии, усиливая влияние этого захватывающего шага со стороны этого новаторского штата.
Как и следовало ожидать, есть противники этого ущемления свободы. Некоторые определили препятствия для реализации: электросеть будет перегружена, зарядных станций не хватает, электромобили слишком дороги, калифорнийцы просто поедут в Неваду покупать свои машины. Препятствия бесконечны.
Обязательно найдутся люди, которые не будут соблюдать это правило. Но все эти препятствия не имеют значения. На пути будут ухабы, но электромобили вытеснят современные автомобили, потому что они основаны на более совершенной технологии. Вот почему автомобиль заменил лошадь. Нельзя было просто поставить лошадь и уйти. Им нужна была еда, вода, чистое стойло, ласка и даже лекарства. Для содержания лошадей требовалось больше ресурсов, и они были не такими удобными и мощными, как двигатель внутреннего сгорания.
Изначально конюшен было больше, чем заправок, но со временем это изменилось. Мы увидим ту же трансформацию с зарядными станциями, заменяющими заправочные станции. Конечно, каждая проблема с электромобилями будет усугубляться социальными сетями и 24-часовым циклом новостей, фактом современной жизни, с которым Генри Форду не приходилось сталкиваться. (Срочные новости: у модели Т закончился бензин! Водитель жалеет, что не продал свою лошадь!)
Электромобили сейчас дороже, но со временем они станут конкурентоспособными по цене. За время своего существования они уже дешевле, но вскоре даже розничная или капитальная стоимость электромобиля будет такой же низкой, как у автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поскольку электромобиль питается от возобновляемых источников энергии, стоимость топлива будет низкой и предсказуемой. Электромобили требуют меньше обслуживания и имеют меньше движущихся частей. Самое главное, производители автомобилей видят огромные возможности для бизнеса в замене американского автопарка, и они уже сделали ставку на это.
Они инвестируют миллиарды в электромобили. Согласно Давенпорту, Фридману и Плюмеру:
«Несколько автопроизводителей заявили, что их стратегии соответствуют цели Калифорнии по продвижению автомобилей без выбросов. General Motors заявила, что все еще пересматривает правило, но у компании также есть цель продавать только электромобили к 2035 году. «У General Motors и Калифорнии есть общее видение полностью электрического будущего», — сказала Элизабет Винтер, представитель G.M. Директор Ford по устойчивому развитию Боб Холикросс заявил, что к 2026 году компания планирует инвестировать более 50 миллиардов долларов в электромобили и аккумуляторы, и сказал, что это правило «подаст пример Соединенным Штатам». Представитель Stellantis, которой принадлежат Chrysler, Fiat, Dodge и другие бренды, заявил, что к 2030 году компания намерена представить 25 новых электрических моделей, чтобы поддержать цели Калифорнии».
На самом деле, автомобильные компании рады тому, что риск, на который они шли, инвестируя в электромобили, теперь выглядит гораздо более надежной ставкой, чем до того, как Калифорния приняла меры.
Я вижу в этом шаблон для перехода к экономике, основанной на возобновляемых ресурсах: используйте технологии, чтобы смягчить наихудшее воздействие потребительских технологий на планету, но продолжайте развивать и продавать функции, которые нужны людям. Материалы, используемые в автомобиле, в конечном итоге должны быть переработаны, когда срок службы автомобиля закончится. Мы уже видим это на примере редкоземельных минералов, используемых в батареях, шинах и алюминии. Самое главное — изменить образ устойчивого развития с унылой жертвы на захватывающие новые продукты, функции и услуги. Автомобильные компании, кажется, делают именно это.
Другой примечательной особенностью шага Калифорнии является положительное влияние регулирования на развитие технологий. Эти новые правила не «работа- убивает », а работа- создает стимул . Мы наблюдали это на протяжении десятилетий с автомобилями. Автоматическое регулирование сначала было сосредоточено на безопасности, требуя ремней безопасности, а затем и подушек безопасности. Затем регулирование было сосредоточено на борьбе с загрязнением окружающей среды с помощью каталитических нейтрализаторов и улучшенного расхода бензина. Что случилось? Как только инженеры поняли, как соблюдать правила, у них появилось время, и они начали улучшать автомобили. Они использовали более легкие материалы, заменили механические части электроникой, они превратили наши автомобили в мобильные компьютеры с невероятным набором функций от датчиков, которые не позволяли вам врезаться в другие автомобили, до сигналов тревоги, которые напоминали вам о том, что на борту находится ребенок.
Аккумуляторы и время зарядки, необходимые для электромобилей первого поколения, в конечном итоге будут заменены аккумуляторами с большим запасом хода и более быстрой перезарядкой. Мы уже видели, как эти улучшения начинаются.
Федеральная политика, подобная той, что создала систему автомагистралей между штатами, застраховала жилищную ипотеку и сделала проценты по ипотечным кредитам и налоги на недвижимость вычитаемыми, стимулировала модели развития землепользования в основном в пригородах Америки. Частный сектор построил пригороды в ответ на государственную политику в виде федеральных стимулов. Несмотря на то, что есть некоторые шаги по строительству пешеходных городов и заселению городов, наша общая схема освоения земель требует использования личного транспорта. Это не исчезнет, и многие американцы предпочитают такой образ жизни. Как житель Манхэттена, я предпочитаю что-то другое, но для многих американцев то, как живут люди в моем районе, кажется загадкой. Я помню, как однажды брал интервью у кандидата на должность преподавателя, которому было искренне любопытно, как я добираюсь домой из магазина с продуктами и химчисткой без машины и подъездной дороги.
В дни перед Amazon Prime я указал на человека, который ехал на велосипеде с корзиной для доставки, и сказал: «Вот чьи-то продукты».
Нам необходимо строить экологическую устойчивость на той базе, которая у нас есть, и признать привлекательность образа жизни, который предпочитают многие люди. Калифорния построена на автомобилях, пригородах и автострадах. Я могу найти 12-полосное шоссе ужасающим, но калифорнийцы относятся к нему спокойно. Но за последние полвека именно это государство лидирует в очистке нашего воздуха. Они делают это снова с изменением климата и с электромобилями. Еще до этого нового правила в прошлом году 12% всех новых автомобилей, проданных в Калифорнии, были электрическими, а в этом году этот процент превышает 16%. Около миллиона домохозяйств в Калифорнии имеют солнечные батареи. Электромобиль — это один из элементов системы домашнего хозяйства и транспорта, который когда-нибудь будет менее разрушительным для окружающей среды, чем сегодняшняя система. Калифорния доберется туда первой, и ей нужно будет научить мир тому, как выполнять эту работу.