Двигун внутрішнього згоряння - це основний вид двигунів, які застосовуються в автомобілях, човнах і багатьох інших механізмах. Він отримав свою назву тому, що процес згоряння палива відбувається всередині двигуна. Але як саме працює цей двигун і що відбувається в йогонутрі, щоб перетворити хімічну енергію палива в механічну енергію?
Основними компонентами двигуна внутрішнього згоряння є поршень, циліндр, Свічка запалювання, розподільний вал, клапани та колінчастий вал. Процес роботи починається з суміші повітря і палива, яка надходить в циліндр через клапани. Потім Свічка запалювання створює іскру, яка запалює паливо. В результаті згоряння утворюється велика кількість газів, які створюють тиск і рухають поршень вниз. Далі поршень передає рух колінчастому валу, який перетворює лінійний рух поршня в обертальний рух.
Важливим елементом роботи двигуна є також розподільний вал, який відкриває і закриває клапани в потрібний час, щоб забезпечити правильний обмін газів в циліндрі. Постійне відкривання і закривання клапанів створює так званий Регулярний хід поршня всередині циліндра. Цей процес повторюється раз по раз, що забезпечує постійний і плавний руховий імпульс, від якого залежить робота всього механізму.
Залежно від типу двигуна внутрішнього згоряння – бензинового або дизельного – застосовуються різні способи подачі палива. Але в обох випадках мета залишається одна-перетворити енергію палива в механічну енергію, необхідну для роботи безлічі різних механізмів. Завдяки двигунам внутрішнього згоряння люди змогли зробити величезну кількість транспортних переміщень і значно прискорити прогрес у багатьох сферах людської діяльності.
Структура і принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння
Основний принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння грунтується на циклі чотирьох тактів: впуск, стиснення, робочий хід і випуск.
Структура двигуна включає в себе циліндр, поршень, шатун, Кривошипно-шатунний механізм, клапани, головку блоку циліндрів і системи заправки і запалювання.
На впускному такті поршень опускається в циліндр, створюючи нижній тиск, і клапан впуску відкривається, дозволяючи паливо-повітряної суміші потрапити в циліндр.
На наступному такті стиснення поршень піднімається, стискаючи паливо-повітряну суміш, що призводить до підвищення тиску і температури в циліндрі.
Потім настає робочий хід, коли подача електричної іскри від запалювання запалює суміш, викликаючи вибух і розширення газів. Це створює рух поршня, який передає силу на кривошипно-шатунний механізм і приводить в рух колінчастий вал.
Нарешті, на останньому такті - випуску, відкривається клапан випуску, і гази, що утворилися в результаті згоряння суміші, викидаються з циліндра.
Таким чином, структура і принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння дозволяють перетворити енергію палива в механічну енергію, забезпечуючи рух автомобіля.
Повітряно-паливна суміш і запалювання
Внутрішнє згоряння, основний принцип роботи двигуна, вимагає створення правильної повітряно-паливної суміші і подальшого запалювання даної суміші.
Повітряно-паливна суміш являє собою комбінацію повітря і палива, яка повинна бути оптимальною для ефективного згоряння в циліндрах двигуна. Для цього необхідно правильно відміряти співвідношення повітря і палива, забезпечуючи найменшу кількість незгорілого палива і максимальну ефективність згоряння.
Для створення повітряно-паливної суміші використовується система подачі палива, яка може бути різною у різних типів двигунів. Наприклад, у бензинових двигунах використовується система впорскування палива, де паливо подається за допомогою форсунок у впускний колектор. У дизельних двигунах паливо подається безпосередньо в циліндр за допомогою форсунок високого тиску.
Після створення повітряно-паливної суміші, необхідно провести запалювання, щоб запустити процес згоряння і отримати енергію. Запалювання здійснюється за допомогою свічки запалювання, яка створює іскру в циліндрі. Іскра запалює повітряно-паливну суміш, починається процес згоряння і виділяється енергія.
Регулювання повітряно-паливної суміші і запалювання є важливим аспектом роботи двигуна внутрішнього згоряння. Встановлюючи оптимальне співвідношення палива і повітря, а також точність запалювання, можна досягти високої ефективності роботи двигуна, економії палива і зменшення викидів.
Робочий процес і цикл роботи двигуна
Робочий процес в двигуні внутрішнього згоряння заснований на чотиритактному циклі, який складається з чотирьох характерних фаз: всмоктування, стиснення, роботи і випуску.
| Фаза циклу | Позначення | Опис |
|---|---|---|
| Усмоктування | В | У цій фазі поршень рухається від ВМТ (верхньої мертвої точки) до НМТ (нижньої мертвої точки), при цьому клапани впускного тракту відкриті. В результаті поршень втягує в себе паливо і повітря. |
| Стиснення | Со | Під час стиснення поршень переміщається від НМТ до ВМТ, при цьому клапани впускного і випускного трактів закриті. Суміш палива і повітря стискається в циліндрі, що веде до підвищення її температури і тиску. |
| Робота | Р | На цій фазі поршень рухається від ВМТ до НМТ, при цьому клапани впускного і випускного трактів закриті. В результаті запалювання свічки, стисла суміш палива і повітря запалюється, що призводить до різкого зростання тиску. Це дозволяє поршню відштовхнутися від ВМТ і передати силу на колінчастий вал, який в свою чергу приводить в рух різні механізми. |
| Випуск | Ви | Під час випуску поршень рухається від НМТ до ВМТ, при цьому клапани випускного тракту відкриті. Відпрацьовані гази викидаються з циліндра в вихлопну систему. |
Цикл повторюється потім знову і знову, забезпечуючи роботу двигуна і перетворюючи теплову енергію, отриману від згоряння палива, в механічну енергію.
Система змащення та охолодження
Система змащення забезпечує зниження тертя між рухомими деталями двигуна. Для цього використовується масло, яке подається до підшипників, поршнів, клапанів і іншим тертям навантаженим елементам. Масло також виконує роль мастильної плівки, яка запобігає передчасному зносу і поломку деталей двигуна.
Охолодження двигуна здійснюється за допомогою системи охолодження. Вона призначена для відводу тепла, що утворюється в результаті згоряння палива, від деталей двигуна. Охолодження забезпечується пропуском охолоджуючої рідини або повітря через спеціальні канали і радіатори. Охолодження дозволяє підтримувати оптимальну робочу температуру двигуна, запобігаючи його перегрів і пошкодження.
Система змащення та охолодження взаємодіють і є невід'ємними компонентами сучасних двигунів внутрішнього згоряння. Їх правильне функціонування забезпечує надійну і ефективну роботу двигуна, а також продовжує його термін служби.
Механізм роботи і передача руху
Двигун внутрішнього згоряння працює за циклом, що включає чотири такти: впуск, стиснення, робочий і випуск. На кожному такті відбуваються певні процеси, які в кінцевому підсумку призводять до передачі руху.
Передача руху починається з впуску, коли відкривається Впускний клапан і суміш повітря і палива потрапляє в циліндр. Потім відбувається стиснення, коли поршень рухається вгору і стискає суміш. У робочому такті суміш запалюється за допомогою свічки запалювання, що призводить до вибуху і висуває поршень вниз. І, нарешті, в такті випуску відкривається Випускний клапан, і відпрацьовані гази викидаються з циліндра.
Передача руху від двигуна до коліс відбувається за допомогою системи різних компонентів. Основним з них є колінчастий вал, який приводиться в обертання поршнями двигуна. Колінчастий вал з'єднаний з маховиком, який грає роль накопичувача енергії і допомагає згладжувати нерівномірності обертання колінчастого вала. Маховик через зчеплення з'єднаний з коробкою передач, в якій знаходяться шестерні або зубчасті колеса різних розмірів. Перемикання передач здійснюється шляхом переміщення всередині коробки передач спеціального механізму.
Після коробки передач передача руху здійснюється через карданний вал або вал приводу. Карданний вал передає рух від коробки передач до заднього або переднього мосту, який вже передає рух на колеса. Колеса забезпечують тертя з дорогою і, отже, рух автомобіля.
Всі вищезгадані компоненти взаємодіють між собою і забезпечують передачу руху від двигуна до коліс. Кожен з них виконує свою функцію в механізмі роботи двигуна внутрішнього згоряння, забезпечуючи його ефективну роботу.
Екологічні аспекти та проблеми двигуна внутрішнього згоряння
Однією з основних проблем двигунів внутрішнього згоряння є викид в атмосферу парникових газів, зокрема, вуглекислого газу (CO2). Надмірне накопичення CO2 в атмосфері призводить до глобального потепління та зміни клімату планети.
Крім того, викиди шкідливих речовин з вихлопних газів двигуна внутрішнього згоряння сприяють забрудненню повітря і проблемам зі здоров'ям людей. Азотні оксиди, наприклад, є причиною смогу і кислотних дощів, а вуглецеві оксиди є отруйними і можуть викликати отруєння.
Для вирішення екологічних проблем, пов'язаних з двигунами внутрішнього згоряння, розробляються і використовуються різні технології і системи очищення вихлопних газів. Наприклад, Каталізатори використовуються для зниження вмісту шкідливих речовин у вихлопних газах, а системи рециркуляції відпрацьованих газів дозволяють зменшити викиди азотних оксидів.
Крім того, активно йдуть дослідження і розробки нових типів двигунів, які можуть бути більш ефективними і екологічно безпечними. Наприклад, електричні двигуни, гібридні системи та водневі паливні елементи можуть стати альтернативами традиційним двигунам внутрішнього згоряння з їх негативним впливом на навколишнє середовище.
Таким чином, екологічні аспекти і проблеми двигуна внутрішнього згоряння представляють серйозні виклики для нашої планети. Важливо продовжувати дослідження та розробки в галузі енергетики та автомобільної промисловості, щоб знайти більш стійкі та екологічно чисті рішення.