Двигатель состоит из: Устройство современного двигателя внутреннего сгорания

Из чего состоит и как работает двигатель автомобиля?

У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая. 

Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.

История разработки автомобильного двигателя

В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение».

Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.

В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.

Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.

Типы автомобильных двигателей

Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.

Классификация двигателей автомобиля:

• Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
• Бензиновые двигатели. Они бывают карбюраторными и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и карбюраторов. Работают такие моторы на бензине.
• Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.

Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.

1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и головки блока цилиндров.

2. Поршень, являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.

3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.

4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.

Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала топливо попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем свеча зажигания выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).

Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.

P.S. Советуем обратить внимание на статью о том, как выполнять мойку двигателя своими руками – здесь.

Из чего состоит двигатель автомобиля?

Для ознакомления с главной и неотъемлемой частью любого транспортного средства рассмотрим из чего состоит двигатель? Для полноценного восприятия его важности, двигатель всегда сравнивают с сердцем человека. Пока сердце работает — человек живет. Аналогично и двигатель, как только он останавливается, или не запускается — автомобиль со всеми его системами и механизмами превращается в груду бесполезного железа.

За время модернизации и совершенствования автомобилей, двига­те­ли очень сильно изменились по своей конструкции в сторону компактности, экономичности, бесшумности, долговеч­нос­ти и т. д. Но принцип работы остался неизменным — на каждом автомобиле имеется двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Исключение составляют только электродвигатели как альтернативный способ получения энергии.

Устройство двигателя автомо­би­ля

представлено в разрезе на рисунке 2.

Название «двигатель внутреннего сгорания» произошло именно от принципа получения энергии. Топливно-воздушная смесь, сгорая внутри цилиндра двигателя, выделяет огромное количество энергии и заставляет через многочисленную цепочку узлов и механизмов в конечном итоге двигаться легковой автомобиль.

Именно пары топлива в смешивании с воздухом при воспламенении дают такой эффект в ограниченном пространстве.

Для наглядности на рисунке 3 показано устройство одноцилиндрового двигателя автомобиля.

Рабочий цилиндр изнутри представ­ля­ет собой замкнутое пространство. Поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом, является единственным подвижным элементом в цилиндре. Когда пары топлива и воздуха воспламеняются, вся высвобождаемая энергия давит на стенки цилиндра и поршень, заставляя его перемещаться вниз.

Конструкция коленча­то­го вала выполнена таким образом, что движением поршня через шатун создается крутящий момент, заставляя проворачи­вать­ся сам вал и получать вращательную энергию. Таким образом, высвобождаемая энергия от горения рабочей смеси преобразуется в механическую энергию.

Для приготовления топливно-воздушной смеси используются два способа: внутреннее или внешнее смесеобразование. Оба способа еще отличаются по составу рабочей смеси и методов ее воспламенения.

Чтобы иметь четкое понятие, стоит знать, что в двигателях применяют два вида топлива: бензин и дизельное топливо. Оба вида энергоносителей получаются на основе переработки нефти. Бензин очень хорошо испаряется на воздухе.

Поэтому для двигателей, работающих на бензине, для получения топливно-воздушной смеси применяется такое устройство как карбюратор.

В карбюраторе поток воздуха смешивается с капельками бензина и подается в цилиндр.

Там полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется при подаче искры через свечу зажигания.

Дизельное топливо (ДТ) обладает малой испаряемостью при обычной температуре, но при смешивании с воздухом под огромным давлением, полученная смесь самовоспламеняется. На этом и основан принцип работы дизельных двигателей.

ДТ впрыскивается в цилиндр отдельно от воздуха через форсунку. Узкие сопла форсунки в сочетании с большим давлением при впрыскивании в цилиндр превращают дизельное топливо в мелкие капли, которые смешиваются с воздухом.

Для визуального представления — это аналогично тому, когда вы давите на крышку баллончика с духами или одеколоном: выдавливаемая жидкость моментально смешивается с воздухом, образуя мелкодисперсионную смесь, которая тут же распыляется, оставляя приятный аромат. Тот же самый эффект распыления происходит и в цилиндре. Поршень, двигаясь вверх, сжимает воздушное пространство, увеличивая давление, и смесь самовозгорается, заставляя поршень двигаться в обратном направлении.

В обоих случаях качество приготовленной рабочей смеси сильно влияет на полноценную работу двигателя. Если идет недостаток в топливе или воздухе — рабочая смесь не полностью сгорает, а вырабатываемая мощность двигателя существенно уменьшается.

Как же и за счет чего подается рабочая смесь в цилиндр?

На рисунке 3 видно, что от цилиндра вверх выходят два стержня с большими шляпками. Это впускной и
выпускной клапаны, которые закрываются и открываются в определенные моменты времени, обеспечивая рабочие процессы в цилиндре. Они могут быть оба закрыты, но никогда оба не могут быть открыты. Об этом будет сказано чуть позже.

На бензиновом двигателе в цилиндре присутствует та самая свеча, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Это происходит за счет возникновения искры под воздействием электрического разряда. Принцип действия и работы будет рассмотрен при изучении

Впускной клапан обеспечивает своевременное поступление рабочей смеси в цилиндр, а выпускной клапан — своевременный выпуск отработавших газов, которые больше не нужны. Клапаны работают в определенный момент времени движения поршня. Весь процесс превращения энергии от сгорания в механическую энергию называется рабочим циклом, состоящим из четырех тактов: впуск рабочей смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск отработавших газов. Отсюда и название — четырехтактный двигатель.

Рассмотрим, как это происходит по рисунку 4.

Поршень в цилиндре совершает только возвратно-поступательные движе­ни­я, то есть вверх-вниз. Это называется ходом поршня. Крайние точки, между которыми двигается поршень, называ­ют­ся мертвыми точками: верхняя (ВМТ) и нижняя (НМТ). Название «мертвая» идет от того, что в определенный момент, поршень, меняя направление на 180 градусов, как бы «застывает» в нижнем или верхнем положении на тысячные доли секунды.

ВМТ находится на определенном расстоянии до верхней границы цилиндра. Эта область в цилиндре называется камерой сгорания. Область с ходом поршня носит название рабочего объема цилиндра. Это понятие вы, наверняка, слышали при перечислении характе­рис­тик любого двигателя автомобиля. Ну а сумма рабочего объема и камеры сгорания образует полный объем цилиндра.

Соотношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия рабочей смеси. Это
довольно важный показатель для любого двигателя автомобиля. Насколько сильно сжата смесь, настолько больше получается отдача при сгорании, которая преобразуется в механическую энергию.

С другой стороны, чрезмерное сжатие топливно-воздушной смеси приводит к ее взрыву, а не горению. Это явление носит название «детонация». Она ведет к потере мощности и разрушению или чрезмерному износу всего двигателя.

Для избегания современное топливное производство выпускает бензин, устойчивый к высокой степени сжатия. Каждый видел на АЗС надписи вроде АИ-92 или АИ-95. Цифра обозначает октановое число. Чем больше ее значение, тем больше устойчивость топлива к детонации, соответственно его можно применять с большей степенью сжатия.

Смотрите также:

Как проверить состояние глушителя автомобильного?

Раллийный шедевр

Как зимой заводить дизельный двигатель?

Как отремонтировать передний бампер?

Как сделать передний бампер своими руками?

Как сделать багги в домашних условиях?

Перышкин Физика ГДЗ § 22. – Рамблер/класс

Хай, там же в параграфе все написано, как вы читаете? или ленитесь? 
§ 22. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1. Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, топливо в котором сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя. 
2. Простейший двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный внизу шатуном с коленчатым валом. Два клапана в верхней части цилиндра открываются и закрываются автоматически в нужные моменты. Один клапан служит для подачи в цилиндр горючей смеси, воспламеняющейся от свечи, другой клапан выпускает отработавшие газы.
3. При сгорании горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания сначала значительно повышается температура до 1600°C-l800°C и давление на поршень возрастает, газы, расширяясь, толкают поршень и коленчатый вал, совершая механиче­скую работу. Газы при этом охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.
4. Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода (такта) поршня, при этом коленчатый вал делает два оборота.
5. Такты поршня имеют названия в соответствии с происходящими в них процессами: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Впуск — поршень движется вниз, в цилиндре создается разряжение, открывается клапан и в цилиндр поступает горючая смесь, клапан закрывается, коленчатый вал совершает пол-оборота. Сжатие — коленчатый вал продолжает поворот, поршень движется вверх и сжимает горючую смесь, она воспламеняется от искры и быстро сгорает. Рабочий ход — поршень под давлением газов опускается вниз, передавая толчок шатуну и коленчатому валу с маховиком при закрытых клапанах. В конце третьего такта открывается другой клапан для выпуска продуктов сгорания в атмосферу. Выпуск — поршень движется вверх, продукты сгорания выходят через клапан, в конце такта клапан закрывается.
6. Маховик, обладая значительной инерционностью, необходим для передачи движения поршню в следующих тактах.

Двигатель внутреннего сгорания и турбина

Начиная с 17-го века широко используется свойство газа совершать работу при расширении. Устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию газа в механическую работу, называются тепловыми машинами. Труд таких известных инженеров и ученых, как Ползунов, Ньюкомен, Джеймс Уатт, Шарль, Мариотт, Авогадро, Бойль, Дальтон, Карно, Клапейрон и, другие, позволил изобрести различные виды тепловых машин. Благодаря экскаваторам, подъемным кранам, станкам и другим механическим устройствам, снабженным тепловыми машинами, за короткое время мы можем выполнить большие объемы работы.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Рис. 1. Расширяясь, горячий пар поднимает крышку, совершая работу

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Четыре вида тепловых двигателей

На сегодня известны такие типы тепловых двигателей (рис. 2):

1. двигатель внутреннего сгорания,
2. паровая турбина и газовая турбина,
3. паровая машина,
4. реактивный двигатель.

Рис. 2. Виды тепловых двигателей – ДВС, турбина, реактивный и паровой двигатели

Превращение энергии в тепловом двигателе

В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):

Рис. 3. В тепловом двигателе энергия топлива превращается в механическую энергию

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Чтобы представить простой тепловой двигатель, кастрюльку заменим цилиндром, а крышку – металлическим поршнем. Поршень должен плотно прилегать к стенкам отполированного цилиндра, так, чтобы двигаться по нему с минимальным трением. Если в пространство под поршнем поместить газ, то нагреваясь и расширяясь, он сможет сдвинуть поршень. Полученное устройство называется тепловым двигателем.

Поступательное движение поршня с помощью дополнительных механических частей можно преобразовать во вращательное движение рабочего вала.

На сегодняшний день ДВС – это самый распространенный вид тепловых двигателей. В таких двигателях используется жидкое или газообразное топливо – бензин, керосин, спирт, нефть, горючий газ. Топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра, поэтому его назвали двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Примечание: Паровая машина и, к примеру, двигатель Стирлинга, относятся к двигателям внешнего сгорания. Топливо в таких машинах сгорает за пределами рабочего цилиндра.

Существуют одноцилиндровые и многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

По количеству тактов работы двигателя, умещающихся в рабочий цикл, выделяют

• двухтактные и
• четырехтактные двигатели.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Рис. 4. Основные части двигателя внутреннего сгорания

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Что такое мертвая точка и ход поршня

Вначале познакомимся с понятиями мертвых точек и рабочего хода. Это поможет разобраться, из каких частей состоит рабочий цикл двигателя.

Две мертвые точки — это крайние положения поршня. В этих положениях поршень меняет направление движения на противоположное. Выделяют две мертвые точки – верхнюю и нижнюю (рис. 5). Расстояние между ними называют ходом поршня.

Расстояние между мертвыми точками образует ход поршня

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

Этапы работы четырехтактного ДВС

Теперь перейдем к рассмотрению рабочего цикла двигателя. Весь рабочий цикл состоит из четырех тактов — движений поршня. Двух движений вверх и двух — вниз. Поэтому двигатель называют четырехтактным. Каждому движению поршня вверх, или вниз соответствует половина оборота коленчатого вала (рис. 6).

Рис. 8. Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт – впрыск топлива

Сначала поршень движется вниз (рис. 6а). При этом между поршнем и клапанами создается область пониженного давления. Поэтому, когда открывается впускной клапан, пары топлива и воздух засасываются внутрь цилиндра. Сдвигаясь, поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал, снабженный утяжеляющим его маховиком. Первый такт заканчивается в момент достижения поршнем нижней мертвой точки.

Второй такт – сжатие топливовоздушной смеси

Коленчатый вал продолжает вращение по инерции и увлекает поршень с помощью шатуна.  Теперь поршень движется вверх (рис. 6б). Он сжимает смесь топлива и воздуха, находящуюся в объеме над ним. Давление над поршнем повышается и газ разогревается. Процесс сжатия заканчивается в верхней мертвой точке.

Третий такт – рабочий ход

В момент, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз (рис. 6в), на свечу зажигания подается высокое электрическое напряжение. Между рабочими электродами свечи проскакивает искра. Эта искра поджигает смесь паров топлива и воздуха. Температура газов поднимается почти до двух тысяч градусов. Давление раскаленного газа на стенки цилиндра и поршень возрастает в тысячи раз. Сила давления толкает поршень, он движется к нижней мертвой точке. Раскаленные газы расширяются и охлаждаются. При этом, они двигают поршень вниз, то есть, совершают механическую работу. Отсюда и название такта – рабочий ход.

Четвертый такт – выброс отработавших газов в окружающую среду

В момент, когда поршень минует нижнюю мертвую точку и, вращение коленчатого вала с помощью шатуна увлекает его вверх (рис. 6г), открывается выпускной клапан. Отработанные газы покидают цилиндр. Это продолжается до момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. В этот момент полный цикл работы завершается. Двигатель готов к началу нового четырехтактного процесса.

Во время второго и третьего тактов впускной и выпускной клапаны закрыты. Впускной клапан открыт во время первого такта, выпускной – во время четвертого.

Двухтактные ДВС и их особенности

Двигатель называют двухтактным, когда полный цикл его работы совершается за два хода поршня – такта. Пока поршень совершает два хода, коленчатый вал совершает один оборот.

Сжатие и рабочий ход происходят аналогично четырехтактному двигателю. Отличие заключается в процессах впрыска и выпуска отработанных газов. Эти процессы происходят совместно и в течение короткого времени, покуда поршень проходит нижнюю мертвую точку.

Впрыск топливовоздушной смеси и выпуск отработанных газов называется продувкой цилиндра.

Изобрел двухтактный двигатель инженер из Шотландии Д. Клерк в 1881 году.  Джозеф Дей и Ф. Кок спустя десять лет в Англии усовершенствовали конструкцию. Двумя годами ранее — в 1879 году, свой двухтактный двигатель независимо от них построил Карл Бенц.

Количество нерабочих ходов поршня в два раза меньше, по сравнению с четырехтактным двигателем. Поэтому потери на трение сократились в два раза.

Но главное преимущество двухтактного двигателя в том, что он обладает в полтора раза большей мощностью при одинаковых с четырехтактным двигателем объемом цилиндра и оборотах двигателя.

Благодаря этому двухтактные двигатели используются на средних и тяжелых морских судах и в авиации. Вал двигателя с валом гребного винта, или воздушным винтом, соединяется без редуктора. В судостроении используют тяжелые малооборотные двигатели. А в конструкциях самолетов, в основном двухтактные роторные двигатели.

Некоторые модели мотоциклов, малолитражных автомобилей, грузовиков и автобусов, так же, оснащаются двухтактными двигателями внутреннего сгорания.

Основной недостаток таких двигателей заключается в том, что их детали работают при более высоких температурах. Это вызывает сокращение срока службы. А в мощных двигателях требует дополнительного охлаждения поршней.

Еще один недостаток заключается в одновременном впрыске топлива и выпуска отработанных газов. При этом пары топлива смешиваются с отработанными газами, полностью исключить такое смешивание не получается. Из-за этого снижается эффективность сжигания топлива в цилиндрах таких двигателей.

Преимущества многоцилиндровых двигателей и их устройство

В многоцилиндровых двигателях топливо воспламеняется в различные моменты времени последовательно в нескольких цилиндрах. При этом рабочий вал двигателя вращается более равномерно, ему передается больше энергии. Это позволяет повысить мощность двигателя.

В мопедах и скутерах чаще всего используют одноцилиндровые двигатели (рис. 7).

Рис. 7. Двигатели внутреннего сгорания могут иметь не один цилиндр, а несколько

В мотоциклах – двухцилиндровые. В легковых автомобилях — четырехцилиндровые двигатели. А грузовые автомобили, большие тракторы и спецтехника могут оснащаться восьмицилиндровыми двигателями. Более мощная и грузоподъемная техника, а, так же, речные и морские суда, оснащаются двигателями, имеющими, двенадцать, шестнадцать и, более цилиндров.

Рабочий вал многоцилиндрового двигателя вращается более равномерно и получает энергию от нескольких поршней. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность.

В сложных двигателях цилиндры располагают, поворачивая один относительно другого на различные углы (рис. 8).

Рис. 8. Несколько цилиндров в двигателе располагают, поворачивая их на различные углы один относительно другого

Имеются такие конструкции двигателей:

• V-образные, в которых цилиндры располагаются в виде латинской буквы V;
• рядные, когда несколько цилиндров располагают в ряд один за другим;
• оппозитные, в которых одни цилиндры развернуты на 180 градусов по отношению к другим цилиндрам и поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку, двигаясь в противоположные стороны;
• роторные, несколько цилиндров в них располагаются в виде многолучевой звезды, такие двигатели применяются в авиации.

Примечания:

1. Существуют V-образные двигатели, в которых цилиндры развернуты на 180 градусов. При этом, когда один поршень проходит свою верхнюю мертвую точку, соседний поршень проходит свою нижнюю точку.
2. В оппозитных двигателях оба поршня двигаются в противоположные стороны — либо расходятся максимально далеко, либо максимально сближаются. Двигаясь, поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку. Поэтому двигатель называется оппозитным.

Паровая турбина

Турбина от двигателя внутреннего сгорания отличается более простым устройством. Основная сложность при изготовлении турбин заключается в создании легких, прочных и эффективных лопаток, приводящих в движение диски и рабочий вал.

Тепловой двигатель, в котором вал двигателя вращается без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала, называется паровой турбиной.

Устройство турбины отличается простой конструкцией (рис. 9).

Рис. 9. Турбина состоит из диска с лопатками, рабочего вала и сопел

На вал насажен диск, содержащий на ободе лопатки. На эти лопатки направлены сопла, из них под большим давлением в сторону лопаток подается горячий газ или пар, который вращает лопасти и приводит в движение диск турбины и вал двигателя.

Современные турбины содержат несколько дисков с лопастями, находящихся на общем валу. Пар последовательно проходит лопатки нескольких дисков и каждому передает часть своей энергии. Это повышает эффективность турбины.

В качестве двигателей турбины применяются на больших судах.

Частота вращения турбин может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. На электростанциях вал турбины соединяется с генератором тока, благодаря чему механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию.

В России изготавливают турбины мощностью до 1,2 миллиардов Ватт.

Выводы

1. Расширяясь, газ может совершать работу.
2. Тепловой двигатель — это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию газа в механическую энергию.
3. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный вид двигателя, жидкое или газообразное топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра.
4. Существуют одноцилиндровые или многоцилиндровые ДВС.
5. Простейший одноцилиндровый ДВС состоит из цилиндра и поршня, свечи зажигания, впускного и выпускного клапанов, шатуна, коленчатого вала с маховиком. Клапаны, поршень и свеча работают согласованно.
6. Крайние положения поршня называют мертвыми точками — верхней и нижней. Поршень в этих точках меняет направление движения на противоположное.
7. Ход поршня – это расстояние между мертвыми точками.
8. С помощью шатуна возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.
9. Через впускной клапан в цилиндр подается смесь топлива и воздуха.
10. Электрическая свеча зажигает сжатые пары топлива и воздуха.
11. Выпускной клапан выводит сгоревшие газы из цилиндра.
12. Два движения поршня вверх и два движения вниз образуют четыре такта работы двигателя: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
13. За время каждого движения поршня вверх, или вниз коленчатый вал совершает половину оборота.
14. Многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность, так как рабочий вал двигателя получает энергию от нескольких поршней.
15. Двухтактные ДВС при одинаковых с четырехтактными двигателями объеме цилиндра и количеству оборотов коленвала, обладают повышенной в 1,5 раза мощностью, но меньшим сроком службы из-за перегрева.
16. Турбины проще ДВС, они содержат несколько дисков с лопастями, насаженных на общий вал. Пар из сопел проходит лопатки нескольких дисков и заставляет вал вращаться. Мощность таких турбин может достигать 1,2 миллиардов Ватт.

Физики создают двигатель, состоящий из одного атома — ScienceDaily

В статье в последнем выпуске журнала Science описывается инновационная форма теплового двигателя, который работает с использованием только одного атома. Двигатель является результатом экспериментов, проведенных рабочей группой QUANTUM в Институте физики Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) в сотрудничестве с физиками-теоретиками из Университета Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU).

Тепловые двигатели сыграли важную роль в формировании общества со времен промышленной революции.Как и в случае с двигателями автомобилей, они преобразуют тепловую энергию в механическую силу, и наш современный образ жизни был бы невозможен без них. В то же время прогресс в миниатюризации приводит к созданию устройств все меньшего размера.

Группа исследователей под руководством профессора Килиана Сингера, руководителя проекта Университета Майнца, а ныне профессора Университета Касселя, использовала ловушку Пауля для захвата одного электрически заряженного атома кальция. Этот атом можно нагреть с помощью генерируемого электричеством шума и охладить с помощью лазерного луча.В результате атом подвергается термодинамическому циклу. Это означает, что частица движется вперед и назад в ловушке, повторяя ход обычного двигателя. Атом не только действует так же, как двигатель, но и накапливает энергию.

Исследователи провели обширные испытания, чтобы определить термодинамическое поведение своего двигателя. В своей публикации они заявляют, что их одночастичный двигатель может генерировать мощность 10 ^-22 Вт и работает при 0.КПД 3 процента. Если бы мощность одноатомного двигателя была увеличена с крошечной массы атома, его мощность была бы эквивалентна мощности автомобильного двигателя. «Изменив цикл, мы могли бы даже использовать устройство в качестве холодильника с одним атомом и использовать его для охлаждения связанных с ним наносистем», — пояснил Йоханнес Росснагель, первый автор исследования.

Тем не менее, основная цель этого исследования состоит в том, что создание нанодвигателя такого типа дает представление о термодинамике на уровне отдельных частиц, что в настоящее время является очень горячей темой в исследованиях.Планируется дальнейшее снижение рабочей температуры двигателя с целью исследования термодинамических квантовых эффектов. Теоретически предполагается, что мощность теплового двигателя можно увеличить, подключив его к квантовому термостату, тем самым предоставив множество возможностей, которые можно использовать для выхода за стандартные общепринятые границы классической термодинамики и создания новых типов термодинамики. двигатели.

Проект является частью проекта «Одноионный тепловой двигатель», финансируемого за счет исследовательского гранта Немецкого исследовательского фонда, и получил дальнейшее финансирование в рамках проекта «Атомный наноассемблер», финансируемого Фондом Volkswagen.

История Источник:

Материалы предоставлены Universität Mainz . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Двигатель | Как работает автомобиль

двигатель сердце твоей машины. Это сложная машина для преобразования тепла от горения. газ в сила что поворачивает опорные колеса.

Цепь реакций, которые достигают этой цели, приводится в движение искра , который воспламеняет смесь паров бензина и сжатого воздуха внутри герметичного на мгновение цилиндр и заставляет его быстро гореть.Вот почему машина называется двигатель внутреннего сгорания . Когда смесь сгорает, она расширяется, обеспечивая движение автомобиля.

Чтобы выдерживать большие нагрузки, двигатель должна быть прочная конструкция. Он состоит из двух основных частей: нижняя, более тяжелая часть — это блок цилиндров, кожух основных движущихся частей двигателя; съемная верхняя крышка — это крышка цилиндра .

В головке блока цилиндров имеются каналы с регулируемыми клапанами, через которые воздух и топливо смесь поступает в цилиндры и другие, через которые выделяются газы их горение исключены.

В блоке находится коленчатый вал , который преобразует возвратно-поступательное движение из поршни в вращательное движение на коленчатом валу. Часто в блоке также находится распредвал , который управляет механизмами, открывающими и закрывающими клапаны в ГБЦ. Иногда распредвал находится в головке или устанавливается над ней.

Самый простой и распространенный тип двигателя состоит из четырех вертикальных цилиндров, расположенных в ряд, расположенных рядом. Это известно как рядный двигатель .Автомобили с объемом двигателя более 2000 куб. См часто имеют шесть рядных цилиндров.

Более компактный V-образный двигатель устанавливается в некоторые автомобили, особенно автомобили с восемью или 12 цилиндрами, а также некоторые с шестью цилиндрами. Здесь цилиндры расположены друг напротив друга под углом до 90 градусов.

Некоторые двигатели имеют горизонтально противоположные цилиндры . Они являются продолжением V-образного двигателя, угол поворота которого увеличен до 180 градусов. Преимущества заключаются в экономии высоты, а также в некоторых аспектах баланса.

Цилиндры, в которых работают поршни, залиты в блок, как и крепления для вспомогательного оборудования, такого как фильтр для масла, которым смазывается двигатель, и насос для топлива. Масло резервуар , называется отстойник , крепится болтами под картер .

Двигатель Карно — Викиверситет

A Двигатель Карно (автомобиль-NO) — это идеализированная гипотетическая тепловая машина (например, паровая машина), которая используется для демонстрации важной истины о всех тепловых двигателях. Он вымышленный, то есть это «мысленный эксперимент» или gedanken Experiment . Двигатель Карно был разработан французским инженером / ученым Николя Леонаром Сади Карно (1887-1934).

Все обсуждения тепловых двигателей и термодинамики исходят из фундаментальной истины, что тепло всегда течет от более теплого тела к более холодному , а не наоборот. Тепло никогда не перетекает самопроизвольно «в гору» от более холодного тела к более теплому. Этот принцип обычно известен как второй закон термодинамики .(Первый закон гласит, что тепло является энергией, а закон сохранения энергии применим ко всем формам энергии, включая тепло.) Двигатель Карно не доказывает второй закон — для доказательства требуется статистическая механика — но просто использует второй закон для определения верхнего предела эффективности любой тепловой машины.

Когда человек не занимается термодинамикой или статистической механикой, законы физики обратимы. Они останутся верными, если время пойдет вспять. Планеты могут вращаться вокруг Солнца в противоположных направлениях, а заряженные частицы могут двигаться в обратном направлении через электрическое поле, прослеживая свой путь в обратном направлении.Это неверно, если тепло самопроизвольно перетекает от более теплого тела к более холодному, поскольку оно никогда не могло бы течь в обратном направлении. Практически любое устройство, использующее тепло, необратимо.

Важнейшим аспектом двигателя Карно является то, что он был тщательно спроектирован так, чтобы быть реверсивным. Тепло входит в него при высокой температуре («источник») и вытекает при более низкой температуре («сток».) Некоторая часть тепловой энергии, поступающей внутрь, вместо того, чтобы уходить в сток, превращается в механическую (или электроэнергия.Так как он обратимый, он также может переносить тепло от низкой температуры к высокой, с добавлением дополнительной механической или электрической энергии. В этом нет ничего плохого; так работают холодильники. Второй закон термодинамики не предотвращает подъем тепла в гору. Он просто не дает теплу течь в гору. Если вложить механическую энергию, можно качать тепло в гору. Двигатель Карно показывает, сколько внешней энергии необходимо вложить, чтобы нагнать тепло вверх, и сколько внешней энергии может выйти, когда тепло течет вниз.

Двигатель Карно использует закон идеального газа. Газы в реальном мире не полностью подчиняются этому закону, но они подходят достаточно близко, чтобы сделать конструкцию Карно правдоподобной.

Двигатель Карно состоит из газового цилиндра с поршнем (или другого эквивалентного устройства), в котором поршень управляется, и тепло может поступать внутрь или наружу. Действие происходит в четыре фазы, каждая из которых обратима:

• «Адиабатическое сжатие». Газ сжимается до тех пор, пока его температура не поднимется до более высокой температуры, называемой T _HOT .
• «Изотермическое расширение». Тепло поступает при T _HOT , заставляя газ расширяться ^[1] .
• «Адиабатическое расширение». Газу позволяют расширяться до тех пор, пока его температура не упадет до более низкой температуры, называемой T _COLD .
• «Изотермическое сжатие». Тепло уходит при T _COLD , пока газ сжимается.

Цикл повторяется, проходя через те же состояния давления, объема и температуры.

Если мы сжимаем объем газа (помещаем его в цилиндр и толкаем поршень внутрь) с полностью изолированным газом, это называется адиабатическим сжатием . Это относится к изоляции, чтобы тепло не могло поступать внутрь или наружу. Поскольку мы работаем с газом, и никакая энергия не может уйти, температура повышается. Можно представить себе достижение этого путем изолирования цилиндра от любого внешнего контакта или мгновенного сжатия, чтобы не было времени для проникновения тепла или выхода тепла — это не имеет значения, поскольку двигатель Карно вымышлен.

Адиабатическое сжатие будет первой фазой в четырех фазах нашего двигателя Карно. Во время третьей фазы адиабатического расширения температура будет понижаться.

Эксперимент [править | править источник]

Возьмите в руки резиновую ленту и внезапно (адиабатично!) Растяните ее, а затем сразу коснитесь верхней губы. (Верхняя губа довольно чувствительна к температуре, особенно если ваши руки заняты удерживанием резинки.) Она должна быть теплой. Теперь удерживайте резиновую ленту в растянутом состоянии примерно 30 секунд, пока она не придет в тепловое равновесие с воздухом.Внезапно отпустите его и прижмите к губе. Он должен быть холодным. Растягивание и отпускание резиновой ленты эквивалентно сжатию и выпуску баллона с газом.

Это явление также является причиной того, что велосипедная шина нагревается сразу после накачки.

Решение адиабатического уравнения [править | править источник]

Мы должны выяснить, каков будет рост температуры для данной степени сжатия. Это сложно, поскольку не все давление, объем и температура находятся под нашим контролем и связаны соотношением PV = NRT .

Чтобы обойти эту проблему, представьте, что мы устанавливаем контроль над объемом и давлением, нагнетая или откачивая тепло по мере необходимости, чтобы заставить температуру делать то, что она должна делать. Когда мы закончим, мы установим тепловой поток на ноль и посмотрим, что произошло.

Мы собираемся переместить бесконечно малую сумму из ( V , P ) в ( V + dV , P + dP ). Это будет происходить в два этапа: от ( V , P ) до ( V , P + dP ), а затем от ( V , P + dP ) до ( V + dV , P + dP ).То есть поменять сначала только P , а потом только V . Поскольку нам известны теплоемкости при постоянном объеме ( C _v ) и при постоянном давлении ( C _p ), мы можем это сделать.

Как рассчитать наклон кривой адиабатического сжатия.

На первом этапе объем постоянный, а давление повышается на dP . Температура должна повыситься на dT ₁ . У нас есть:

PV = NRTand (P + dP) V = NR (T + dT1) {\ displaystyle PV = NRT \ qquad \ mathrm {and} \ qquad (P + dP) V = NR (T + dT_ {1 })}

так

dT1 = VNR dP {\ displaystyle dT_ {1} = {\ frac {V} {NR}} \ dP}

Тепловая энергия, которую мы должны вложить, составляет NC _v dT ₁ , или

dQ1 = VCvR dP {\ displaystyle dQ_ {1} = {\ frac {VC_ {v}} {R}} \ dP}

Для второго шага мы сохраняем постоянное давление и нажимаем на поршне.Громкость падает, поэтому значение dV отрицательное. Производим механические работы −P dV . Температура должна повыситься на dT ₂ . У нас есть:

PV = NRTandP (V + dV) = NR (T + dT2) {\ displaystyle PV = NRT \ qquad \ mathrm {and} \ qquad {} P (V + dV) = NR (T + dT_ {2 })}

так

dT2 = PNR dV {\ displaystyle dT_ {2} = {\ frac {P} {NR}} \ dV}

Тепловая энергия, которую мы должны вложить, составляет NC _p dT ₂ , или

dQ2 = PCpR dV {\ displaystyle dQ_ {2} = {\ frac {PC_ {p}} {R}} \ dV}

Синяя линия показывает соотношение между P и V при высокой температуре T _HOT = 600.