В двигателе внутреннего сгорания при его работе

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. ДВС: устройство, работа, КПД

В подавляющем большинстве автомобилей используются в качестве топлива для двигателей производные нефти. При сгорании этих веществ выделяются газы. В замкнутом пространстве они создают давление. Сложный механизм воспринимает эти нагрузки и трансформирует их сначала в поступательное движение, а затем — во вращательное. На этом основан принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Далее вращение уже передается на ведущие колеса.

Классификация ДВС

В ходе эволюции таких двигателей они разделились на несколько типов:

Поршневые ДВС

Для этих моторов свойственно расположение рабочей камеры в цилиндрах и преобразование тепловой энергии в работу с помощью механизма из кривошипов и шатуна. Этот механизм передаёт двигательную энергию на коленвал.

Существует деление поршневых двигателей:

• на карбюраторные (с формированием смеси воздуха с топливом внутри карбюратора, дальнейшим впрыскиванием внутрь цилиндра и воспламенении в нём от искры, создаваемой свечой зажигания):
• инжекторные, с подачей смеси непосредственно в коллектор впуска посредством форсунки под контролем управляющего блока на электронике, и тоже воспламенением от свечи:
• дизельные, где смесь воздуха и топлива воспламеняется при отсутствии свечи, от сжимания воздуха, нагревающегося от давления и температуры, которая превышает температуру горения, тогда как впрыск топлива внутрь цилиндров происходит посредством форсунок.

Роторно-поршневые ДВС

В таких двигателях тепловая энергия преобразуется в работу путём вращения ротора, который имеет специальные профиль и форму. Его вращают выхлопные газы.

Движение ротора осуществляется по так наз. планетарной траектории в камере, которая выполнена в форме «8», выполняя функционал и поршня, механизма для распределения газа, и коленвала.

Газотурбинные ДВС

Эти моторы отличаются тем, что тепловая энергия в них трансформируется в работу через роторное вращение. При этом имеет специальные лопатки клиновидной формы. Именно он движет турбинный вал.

Самые надёжные, неприхотливые и экономичные в вопросах расходования горючего и потребности в постоянном техническом обслуживании, — моторы поршневого типа.

По предназначению

• главные ДВС (к ним относятся, в частности, агрегаты в тракторах, машинах, а также самоходные шасси)
• ДВС вспомогательного назначения (служащие пусковыми устройствами для главных двигателей — дизелей).

По принципу функционирования

ДВС бывают дизельными и карбюраторными.

Карбюраторные двигатели. Топливно-воздушная смесь в них образуется в карбюраторе, которая воспламеняется от энергии электрического разряда.

В дизельных двигателях рабочая смесь получается непосредственно внутри цилиндров. Это называют внутренним смесеобразованием. Воспламенение топливной смеси происходит от высокой температуры воздуха, находящегося под высоким давлением в рабочей камере цилиндра.

По способу осуществления рабочего цикла

ДВС делятся на четырехтактные и двухтактные.

Для четырехтактных двигателей характерно последовательное чередование тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Это происходит в течение четырех ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала.

У двухтактных двигателей весь процесс протекает за два такта. Поэтому рабочий цикл у них протекает за два хода поршня и один оборот коленчатого вала.

По виду применяемого топлива

ДВС разделяются на:

• работающие на жидком топливе (дизельном, бензине)
• -работающие на газообразном топливе (генераторный, природный и другие газы).

По числу цилиндров

• одноцилиндровые (например, П-350)
• многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шести-, восьми-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые). Трех-, двенадцати- и шестнадцати-цилиндровые двигатели применяются редко.

По расположению цилиндров

• рядные или линейные, когда цилиндры расположены в один ряд;

https://zen.yandex.ru/media/id/5d2f518dcfcc8600ad6de3f3/principy-raboty-dvs-5d3075d9fe289100ace1cc8a

• двухрядные — V-образные, у которых два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу;

https://qriosity.ru/car-engine/index.html

• оппозитные, когда цилиндры одного ряда располагаются напротив (через 180°) второго ряда.

https://automotolife.com/

По назначению

По назначению двигатели делятся на:

• стационарные промышленного назначения —для установок на электростанциях, насосных станциях и т. д.;
• наземно-транспортные — тепловозные, автомобильные, тракторные, двигатели дорожных и транспортно-погрузочных машин и т. п.;
• судовые — главные двигатели (реверсивные и нереверсивные), вспомогательные (для привода вспомогательных механизмов судовой силовой установки);
• авиационные.

СИСТЕМА ПИТАНИЯ

Система питания является одной из ключевых систем двигателя внутреннего сгорания, поэтому от ее исправности и технического состояния, а также от качества используемого топлива напрямую зависит мощность и надежность двигателя, а также возможность его быстрого запуска.

Внимание!

Практически любая неисправность системы питания влечет за собой повышение расхода топлива и, как следствие, снижение экономичности автомобиля.

Среди наиболее характерных признаков, свидетельствующих о наличии неполадок в системе питания, можно отметить резкий запах топлива, а также наличие подтеканий из топливной системы. О неисправностях в топливной системе также может говорить трудный запуск двигателя, его нестабильная работа в разных режимах, а также слишком высокий расход топлива.

Состав выхлопных газов может рассказать о состоянии системы питания. Например, неполадки часто приводят к образованию слишком богатой либо наоборот — слишком бедной рабочей смеси, что в конечном счете отражается на содержимом выхлопных газов.

При диагностике системы питания следует учесть, что отклонения в показателях какого- либо параметра могут быть обусловлены сразу несколькими неполадками. В частности, повышенное потребление топлива случается из-за неисправностей в кривошипно¬шатунном либо газораспределительном механизме, из-за неполадок в системе зажигания, а также при наличии некоторых неисправностей подвески. Результаты диагностики в такой ситуации будут достоверными только тогда, когда точно известно техническое состояние каждого из названных узлов и агрегатов.

При диагностике системы питания работники автосервисов и СТО нередко «разводят на деньги» своих клиентов. Подобное мошенничество базируется на том, что кислородный датчик может оказывать существенное влияние на экономичность потребления топлива автомобилем. Исправность этого прибора водитель самостоятельно проверить не может, если только не является большим докой в устройстве современного автомобиля.

Когда клиент на СТО жалуется, что его автомобиль стал в последнее время слишком «прожорлив», ему сразу же предлагают пройти диагностику. Стоимость такой процедуры зависит от конкретной СТО, но в среднем она составляет порядка $15–20. Результат проверки почти всегда один и тот же: строгим тоном, не терпящим возражений, клиенту заявляют, что в его машине неисправен датчик кислорода. В наличии таких датчиков, само собой, сейчас нет, поэтому придется заказывать новый из-за границы. На робкий вопрос клиента относительно цены нового кислородного датчика механик авторитетно заявляет: «Вообще-то это дорого, но для вас сделаем всего за $350».

Расчет в данном случае простой: подавляющее большинство клиентов не пожелают выкладывать такую сумму за датчик кислорода и просто смирятся с возросшей «прожорливостью» своего автомобиля. Деньги, уплаченные за диагностику, разумеется, вам никто не вернет. На такой псевдо-диагностике в настоящее время делается очень неплохой «навар». Стоит ли говорить о том, что на самом деле неисправность, ставшая причиной высокого потребления топлива, может заключаться совершенно в другом, и устранить ее можно быстро и недорого. Вот только заниматься этим работники российских автосервисов не хотят: куда проще «содрать» с клиента $350, чем чинить его машину за меньшие деньги.

На вопрос клиента, что именно стало причиной выхода из строя кислородного датчика, может последовать много ответов: здесь и плохое качество российского топлива (об этом наши соотечественники знают чуть ли не с детского сада), и этилированный бензин, из-за которого датчик приходит в негодность практически сразу же, и морозные российские зимы и т. п. Практически все эти утверждения в большинстве случаев не имеют ничего общего с реальностью, иначе все автомобилисты в России ездили бы с неисправными датчиками либо меняли эти датчики едва ли не каждую неделю.

Конечно, никто не берется утверждать, что датчик кислорода не влияет на потребление топлива. Иногда он действительно является виновником его повышенного расхода, причем в исправном состоянии. Вот наиболее простой пример: в автомобиле поврежден воздухопровод и имеет место нештатный подсос воздуха. В таком случае кислородный датчик распознает лишний воздух как слишком бедную рабочую смесь и добавляет в нее топливо, чтобы довести до кондиции.

Как же определить, имеется ли в машине нештатный подсос воздуха?

Это несложно. Возьмите обыкновенный аэрозоль, содержащий горючую смесь (они обычно используются для промывки карбюратора), заведите мотор и направьте из баллончика струю в то место, в котором, как вы подозреваете, имеется нештатное проникновение воздуха. Если ваши подозрения подтвердятся, то у двигателя самопроизвольно повысятся обороты (поскольку через место, куда обычно попадает лишний воздух, сейчас проникает струя горючей смеси из аэрозоля).

Повышенный расход топлива на современных автомобилях, оборудованных электронной системой зажигания, может быть обусловлен неправильным выставлением датчика положения дроссельной заслонки. В таком случае компьютер будет воспринимать ошибочную информацию как верную, что может повлечь за собой неправильное приготовление рабочей смеси, а также смещение угла опережения зажигания. В конечном счете это приведет к нарушению работы двигателя на холостом ходу (мотор может работать нестабильно, либо холостые обороты могут быть повышенными и др.).

Вышеописанная схема — крайне упрощена. Теперь рассмотрим все происходящее в ДВС подробнее. Классической схемой работы ДВС является разделение его на такты. Для того чтобы рассмотреть каждый такт работы двигателя нужно усвоить несколько определений:

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — самое верхнее положение поршня в цилиндре.

Нижняя мертвая точка (НМТ) — самое нижнее положение поршня в цилиндре.

Ход поршня — расстояние между ВМТ и НМТ.

Камера сгорания — объем в цилиндре над поршнем, когда он находится в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — объем над поршнем цилиндра, когда он находится в НМТ.

Рабочий объем двигателя — это суммарный рабочий объем всех цилиндров.

Степень сжатия ДВС — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Принцип работы бензинового двигателя

Работа бензинового двигателя, как и любого другого двигателя внутреннего сгорания заключается в сгорании топливной смеси в закрытом пространстве, в данном случае, в камере сгорания. При сгорании ТС выделяется большое количество тепловой энергии, которая запускает механическую работу основного механизма двигателя.

Для обеспечения постоянной механической работы ДВС, в камеру сгорания должна осуществляться бесперебойная (цикличная) подача ТС.

В большинстве случаев бензиновые двигатели являются четырехтактными, рабочий цикл которых состоит из четырех тактов:

• впуска;
• сжатия;
• рабочего хода;
• выпуска

Более подробно о каждом из 4-х тактов.

Впуск

Поршневое движение начинается с одной точки (нижней или верхней), при этом открывается клапан впуска и происходит подача топлива в камеру сгорания. После того как поршень останавливается в противоположной крайней точке, все впускные клапаны закрываются.

Сжатие

На данном такте поршень возвращается на исходную точку, сжимая поступившую топливную смесь, увеличивая ее температуру нагрева. После того как поршень достигает крайней точки, происходит воспламенение сжатой топливной смеси свечой зажигания.

Рабочий ход

При сгорании топливная смесь образует газы, при расширении которых происходит выталкивание поршня. Все клапаны во время рабочего хода остаются полностью закрытыми.

Выпуск

В то время как коленвал продолжает осуществлять вращательные движения, поршень движется в верхнюю крайнюю точку. Вместе с ним открывается клапан выпуска, при котором поршень выталкивает газы в газораспределительную систему. После завершения такта все выпускные клапаны закрываются.

Весь рабочий процесс носит цикличный характер, поэтому после завершения одного такта, начинается следующий такт.

Для чего нужен карбюратор

Карбюратор необходим для получения горючей смеси. Рассмотрим принцип действия этого устройства.

Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие в разряженное пространство атмосферное давление резко подает воздух. Поток воздуха с большой скоростью проходит мимо инжектора (карбюраторной трубки) и засасывает бензин. Таким образом получается горючая смесь (бензиновые пары и воздух). Искра от свечи поджигает смесь, получается микровзрыв, в результате которого раскаленные продукты сгорания (газы) расширяясь давят на поршень, и этим создается полезная работа. Внутренняя энергия газовой смеси преобразуется в механическую энергию поршня. Поршень через шатун передает усилие на коленчатый вал, который создает вращательный момент, передавая его на колеса (или на винт, пропеллер и т.д.).

Литература

1. Хрестоматия по физике: А. С. Енохович – М.: Просвещение, 1999
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: – М., Высшая школа., 1989.
3. Кабардин О. Ф. Физика: Справочные материалы: Просвещение 1991.
4. Интернет–ресурсы.

Авторы работы:
Кайгородов Илья,
Филипчук Евгений,
ученики 10 класса

Руководители работы:
Шаврова Т. Г. учитель физики,
Бачурин Д. Н. учитель информатики.

Муниципальное общеобразовательное учреждение
“Первомайская средняя общеобразовательная школа №2”
Бийского района Алтайского края