§ 24. Двигуни внутрішнього згоряння

Паливо, за рахунок енергії якого змінюється внутрішня енергія робочого тіла, може згоряти всередині самого двигуна. Такі двигуни називають двигунами внутрішнього згоряння. Найбільшого поширення, особливо серед двигунів для транспортної техніки, набули поршневі двигуни внутрішнього згоряння. Ці двигуни можуть бути дуже компактними і водночас мати досить велику потужність. їх встановлюють на автомобілі, мотоцикли, літаки, тепловози, теплоходи, катери, підводні човни.

Цикл роботи поршневого двигуна внутрішнього згоряння може складатися з двох, чотирьох і навіть шести тактів. Схематично будову одного з типів чотиритактних двигунів внутрішнього згоряння, який працює на бензині або скрапленому газі, зображено на мал. 1.63.

Двигун складається з циліндра 1, в якому переміщується поршень 2. За допомогою шатуна 3 і кривошипа 4 (кривошипно-шатунного механізму) поступальний рух поршня перетворюється на обертальний рух колінчатого вала двигуна 5. У

верхній частині циліндра — кришці — розташовані впускний 6 і випускний 7 клапани та запалювальна свічка 8.

Такти роботи двигуна відображено на мал. 1.64. Для запуску двигуна його вал прокручують, і кривошипно-шатунний механізм спричинює рух поршня униз-угору. Хід поршня вгору або вниз називають тактом. Цикл роботи чотиритактного двигуна становить 4 такти.

1    такт — всмоктування. Поршень рухається вниз, як наслідок у циліндрі має місце розрідження. Одночасно відкривається впускний клапан, і завдяки розрідженню у циліндр всмоктується пальна суміш, яка створюється спеціальним пристроєм — карбюратором і складається з пари бензину та повітря. Випускний клапан закритий. Впускний клапан закривається, коли поршень досягає крайнього нижнього положення. Це положення називають нижньою “мертвою точкою”. Перший такт роботи двигуна завершується.

2    такт — стиск. Впускний клапан закритий. Випускний клапан теж закритий. Поршень, досягнувши нижньої “мертвої

точки”, починає рухатися вгору і стискає пальну суміш. Коли поршень досягає верхнього положення — верхньої “мертвої точки” — у свічці проскакує електрична іскра, яка запалює суміш. Пальна суміш спалахує і згорає за тисячну частку секунди, її температура досягає майже 2000 °С.

3    такт — робочий хід. Гази, які утворилися під час згоряння палива, створюють величезний тиск на поршень і змушують його швидко рухатися до нижньої “мертвої точки”. Кривошипно-шатунний механізм передає поступальний рух поршня валу двигуна, що спричиняє його обертання. Внутрішня енергія палива перетворюється на енергію поступального руху поршня і обертального руху колінчатого вала.

4    такт — випуск. Коли поршень досягає крайнього нижнього положення, відкривається випускний клапан. Вал двигуна продовжує обертатися, і поршень рухається вгору, виштовхуючи гази, які утворилися після згоряння палива, в атмосферу.

Як бачимо, лише один із чотирьох тактів роботи двигуна є робочим. Саме під час робочого ходу поршня (3-го такту) внутрішня енергія палива перетворюється на механічну, забезпечуючи виконання корисної роботи і рух поршня двигуна протягом решти трьох тактів. Тому, щоб двигун почав працювати, його спочатку потрібно прокрутити принаймні на півоберта. Це здійснюють за допомогою спеціального малопотужного двигуна — стартера, або іншого пристрою.

Для забезпечення більш плавної роботи чотиритактних двигунів їх виготовляють з чотирма і більше циліндрами (зрозуміло, що, як правило, це число кратне 2). Цикл роботи кожного з циліндрів у такому двигуні відстає (випереджає) на один такт від циклу роботи іншого циліндра. Тому колінчатий вал постійно одержує енергію від одного з чотирьох поршнів. Багатоциліндрові двигуни мають також більшу потужність.

Коефіцієнт корисної дії карбюраторного двигуна становить 20—30 %.

Крім карбюраторних поршневих двигунів є інжекторні та дизельні двигуни. У дизельних двигунах під час першого такту (всмоктування) у циліндр засмоктується повітря.

Унаслідок сильного і швидкого стиснення (другий такт) повітря у циліндрі нагрівається до 800—900 °С — це температура, за якої паливо самовільно займається. Тому в момент,

коли поршень дизельного двигуна проходить верхню “мертву точку”, у циліндр за допомогою форсунки впорскується і розпиляється паливо, яке миттєво займається. Далі відбуваються такти “робочий хід” і “випуск”. Для дизельних двигунів використовують дешевші типи палива: дизельне паливо, мазут.

ККД сучасних дизельних двигунів може досягати 50 %. Паливна суміш у дизельних двигунів утворюється безпосередньо в циліндрі двигуна.

Інжекторні двигуни працюють на бензині й газі, як і карбюраторні. Але подібно до дизельних двигунів паливо у них розпилюється безпосередньо в циліндр у момент максимального стиснення і проскакування іскри у свічці (мал. 1.65). Інжекторні двигуни викидають в атмосферу менше шкідливих газів.

Під час роботи двигуни внутрішнього згоряння дуже нагріваються і потребують охолодження. Охолодження може бути повітряним або водяним. Мотоцикли, бензопили та інші машини, які використовують двигуни порівняно невеликої потужності чи умовами їхньої експлуатації передбачено обдування потоком повітря, мають повітряне охолодження (мал. 1.66). У циліндрах і головках таких двигунів є спеціальні виступи — ребра для забезпечення більшої площі поверхні й кращої передачі теплоти повітрю.

Двигуни, які встановлюють на автомобілях та інших потужних машинах, зазвичай, мають водяне охолодження. У води велика теплоємність, вона добре поглинає тепло. Систему водяного охолодження зображено на мал. 1.67.

Воду в систему охолодження двигуна заливають через горловину радіатора. Циліндри двигунів, де відбувається згоряння палива і де температура досягає понад 2000 °С, омиває вода, циркуляцію якої забезпечує насос. Гаряча вода, рухаючись трубками радіатора, охолоджується потоком повітря, який утворюється внаслідок дії вентилятора та руху автомобіля.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які двигуни називають двигунами внутрішнього згоряння?

2.    Яка будова двигуна внутрішнього згоряння?

3.    Які перетворення енергії відбуваються під час роботи двигуна внутрішнього згоряння?

4.    Опишіть цикл роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння? Як називаються такти циклу роботи двигуна внутрішнього згоряння?

5.    Де застосовуються двигуни внутрішнього згоряння?

6.    Що відіграє роль “холодильника” у двигуна внутрішнього згоряння?

7.    Двигун мотоблока за годину роботи споживає 0,5 л дизельного палива, розвиваючи потужність 4,4 кВт. Який ККД двигуна мотоблока?

8.    Двигун мотоцикла споживає 5 л бензину на 100 км шляху за швидкості 90 км/год. Яку потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо його ККД становить 25 %?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко