Глава 1. Тепловые явления. § 24. Двигатель внутреннего сгорания — с. 92
§ 24. Вопрос 1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
Двигателем внутреннего сгорания называют тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри цилиндра, а образовавшиеся при сгорании нагретые газы расширяются и совершают работу, перемещая поршень. К таким двигателям относятся бензиновые (карбюраторные, инжекторные) и дизельные двигатели. Их применяют на наземном, воздушном и водном транспорте, в сельскохозяйственной и строительной технике, в электрогенераторах.
§ 24. Вопрос 2. Пользуясь моделью простейшего двигателя внутреннего сгорания (см. рис. 48), расскажите, из каких основных частей он состоит. (рис. 48)
Основной частью двигателя является цилиндр, в котором перемещается поршень 5. С помощью шатуна 7 поршень соединён с коленчатым валом 6. В верхней части цилиндра имеются два клапана — впускной 1 и выпускной 2, которые в нужные моменты автоматически открываются и закрываются. Через впускной канал 8 в цилиндр из карбюратора поступает горючая смесь, она воспламеняется с помощью свечи зажигания 3. Через выпускной канал 4 выпускаются отработанные газы. Кроме того, к валу присоединён маховик, выравнивающий вращение.
§ 24. Вопрос 3. За сколько тактов происходит один рабочий цикл двигателя?
Сколько оборотов делает при этом коленчатый вал двигателя?
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из четырёх тактов: впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска. Каждый такт совершается за пол-оборота коленчатого вала, поэтому за весь цикл коленчатый вал делает два полных оборота. Поршень за это время четыре раза проходит от одной крайней точки цилиндра до другой.
§ 24. Вопрос 4. Опишите процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания в течение каждого из четырёх тактов. Как называют эти такты?
1) Впуск. Поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает горючая смесь (в карбюраторных двигателях) или чистый воздух (в дизелях). Когда цилиндр заполнится, клапан закрывается.
2) Сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Рабочая смесь сжимается, её температура достигает 300–350 °C при давлении (6–10) · 10⁵ Па (в дизелях воздух нагревается до 500–600 °C при (30–36) · 10⁵ Па). К концу такта в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и смесь загорается; в дизеле впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.
3) Расширение (рабочий ход). Клапаны закрыты. При сгорании выделяется большое количество теплоты, температура газов повышается до 1800–2000 °C, давление — до (20–35) · 10⁵ Па (в дизелях — до (45–80) · 10⁵ Па). Газы толкают поршень вниз и вращают вал, совершая работу; газы при этом охлаждаются.
4) Выпуск. Поршень движется вверх, открыт выпускной клапан, и отработанные газы выталкиваются в атмосферу при давлении (1,05–1,15) · 10⁵ Па. Затем цикл повторяется.
2) Сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Рабочая смесь сжимается, её температура достигает 300–350 °C при давлении (6–10) · 10⁵ Па (в дизелях воздух нагревается до 500–600 °C при (30–36) · 10⁵ Па). К концу такта в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и смесь загорается; в дизеле впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется.
3) Расширение (рабочий ход). Клапаны закрыты. При сгорании выделяется большое количество теплоты, температура газов повышается до 1800–2000 °C, давление — до (20–35) · 10⁵ Па (в дизелях — до (45–80) · 10⁵ Па). Газы толкают поршень вниз и вращают вал, совершая работу; газы при этом охлаждаются.
4) Выпуск. Поршень движется вверх, открыт выпускной клапан, и отработанные газы выталкиваются в атмосферу при давлении (1,05–1,15) · 10⁵ Па. Затем цикл повторяется.
§ 24. Вопрос 5. Каковы различия в работе карбюраторного и дизельного двигателей?
В карбюраторном двигателе горючая смесь (бензин с воздухом) готовится вне цилиндра, в карбюраторе, и на такте впуска в цилиндр поступает именно она. Смесь сжимается до давления (6–10) · 10⁵ Па и нагревается до 300–350 °C и воспламеняется электрической искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе на такте впуска в цилиндр поступает чистый воздух, он сжимается намного сильнее — до (30–36) · 10⁵ Па и нагревается до 500–600 °C. В конце сжатия в цилиндр под давлением (120–125) · 10⁵ Па впрыскивается дизельное топливо, которое смешивается с воздухом и самовоспламеняется, без свечи. Поэтому дизелю свеча не нужна, но его детали должны быть прочнее и тяжелее; в рабочем ходе температура газов в дизеле ниже (1600–1800 °C), а давление выше ((45–80) · 10⁵ Па).
§ 24. Дополнительный вопрос 1. Почему в четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания лишь один такт называют рабочим ходом?
Рабочим ходом называют только такт расширения, потому что только в этом такте газы, образовавшиеся при сгорании топлива, совершают механическую работу: они толкают поршень и вращают коленчатый вал. В остальных трёх тактах (впуск, сжатие, выпуск) работу совершает не газ, а сам двигатель за счёт запасённой энергии вращения вала и маховика: поршень приходится перемещать, а в такте сжатия — ещё и преодолевать давление сжимаемой смеси. Поэтому полезная работа совершается только в одном такте из четырёх.
§ 24. Дополнительный вопрос 2. Какие энергетические преобразования происходят в процессе такта расширения?
При сгорании топливной смеси химическая (внутренняя) энергия топлива превращается во внутреннюю энергию нагретых газов: температура газов резко возрастает до 1800–2000 °C, давление увеличивается. Расширяясь, газы давят на поршень и совершают механическую работу, при этом часть внутренней энергии газов превращается в механическую энергию поршня и коленчатого вала, а газы охлаждаются. Другая часть энергии передаётся стенкам цилиндра и затем окружающей среде.
§ 24. Дополнительный вопрос 3. Зачем на ось коленчатого вала двигателя насаживают маховик (тяжёлый сплошной диск)?
Рабочий ход происходит лишь в одном такте из четырёх, поэтому вал получает энергию толчками. Маховик, обладая большой массой, по инерции продолжает вращаться: во время рабочего хода он запасает часть энергии, а в остальные такты отдаёт её, обеспечивая движение поршня при впуске, сжатии и выпуске. Благодаря маховику вращение вала становится равномерным и плавным, а двигатель не останавливается между рабочими ходами.
§ 24. Дополнительный вопрос 4. Во время образования горючей смеси в карбюраторе температура понижается. Какова причина?
В карбюраторе бензин распыляется в потоке воздуха на мельчайшие капли, которые быстро испаряются. Бензин — летучая жидкость, и на испарение он затрачивает энергию, которую получает за счёт внутренней энергии оставшейся жидкости, воздуха и стенок карбюратора. Поэтому они охлаждаются, и температура смеси понижается (в холодную влажную погоду на карбюраторе может даже образоваться иней).