Двигатель внутреннего сгорания в физике 8 класса: устройство и работа

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, у которого топливо сгорает не снаружи, а прямо внутри рабочей камеры, то есть внутри цилиндра. Отсюда и название: сгорание происходит внутри, а не в отдельной печи, как у паровой машины. Именно за счёт горения топлива внутри цилиндра выделяется энергия, которая потом заставляет двигаться поршень, а через него — колёса машины, вал генератора или винт лодочного мотора.

Из каких частей состоит ДВС

Чтобы понять, как работает двигатель, нужно сначала разобраться, из чего он состоит. Основные детали пять.

• Цилиндр — полая труба, внутри которой всё и происходит: горит топливо, движется поршень.
• Поршень — деталь, которая ходит внутри цилиндра вверх-вниз под действием давления газов.
• Шатун — стержень, соединяющий поршень с коленчатым валом.
• Коленчатый вал — деталь, которая превращает возвратно-поступательное движение поршня во вращение.
• Клапаны — открывают и закрывают отверстия для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов.

Проще всего представить это так: поршень двигается вверх-вниз, как ваша нога на педали велосипеда, а шатун и коленчатый вал превращают это движение во вращение, как педаль превращается во вращение колеса.

Четыре такта работы двигателя

Большинство ДВС, которые изучают в школе, работают по четырёхтактному циклу. Такт — это один ход поршня, вверх или вниз. За полный цикл поршень проходит четыре такта, и только один из них даёт полезную работу.

Рядом по теме: Задачи на нахождение плотности по физике для 7 класса.

Такт первый: впуск

Впускной клапан открывается, поршень идёт вниз и втягивает в цилиндр смесь топлива с воздухом. Всё как при вдохе: объём увеличивается, и смесь заполняет освободившееся место.

Такт второй: сжатие

Оба клапана закрыты. Поршень идёт вверх и сжимает топливно-воздушную смесь. Чем сильнее сжать смесь перед поджиганием, тем больше энергии выделится при взрыве — это одна из причин, по которой двигатели рассчитывают на определённую степень сжатия.

Такт третий: рабочий ход

Смесь поджигается, топливо мгновенно сгорает, и горячие газы резко расширяются. Эти газы толкают поршень вниз с большой силой — именно здесь тепловая энергия сгоревшего топлива превращается в механическую работу. Это единственный такт, который толкает поршень сам, без посторонней помощи; остальные три такта происходят за счёт инерции коленчатого вала и работы соседних цилиндров.

Такт четвёртый: выпуск

Открывается выпускной клапан, поршень идёт вверх и выталкивает отработанные газы наружу через выхлопную систему. После этого цикл начинается снова с впуска.

Как тепло превращается в движение

Суть двигателя внутреннего сгорания в одном простом превращении: химическая энергия топлива при горении переходит в тепловую, а тепловая энергия давит на поршень и превращается в механическую работу. Ни один двигатель не переводит всю энергию топлива в полезную работу — часть неизбежно уходит с выхлопными газами и на нагрев деталей. В этом смысле ДВС ведёт себя как любой тепловой двигатель: часть тепла обязательно теряется, и это не брак конкретного мотора, а общее свойство таких машин.

Важно не путать одиночный цикл с работой реального двигателя. В машине несколько цилиндров работают со смещением по времени, поэтому рабочие ходы идут почти непрерывно, и коленчатый вал вращается плавно, а не рывками.

Где встречаются такие двигатели

ДВС стоит в легковых и грузовых автомобилях, мотоциклах, тракторах, бензопилах, газонокосилках, лодочных моторах и небольших генераторах. Везде, где нужна компактная и относительно простая машина, превращающая топливо в механическую работу без котла и пара, ставят именно такой двигатель.

Вопросы по теме

Чем ДВС отличается от паровой машины?

В паровой машине топливо горит снаружи, в отдельном котле, а внутрь цилиндра поступает уже готовый пар. В ДВС топливо горит прямо в цилиндре, и никакого отдельного котла не нужно — отсюда и название «внутреннего сгорания».

Почему из четырёх тактов работу совершает только один?

Только на такте рабочего хода газы от сгоревшего топлива сами толкают поршень и создают силу, которая крутит вал. На остальных трёх тактах поршень движется за счёт запасённой энергии вращения — той, что накопилась за предыдущий рабочий ход, плюс работа соседних цилиндров в многоцилиндровом двигателе.

Зачем нужны клапаны, если основную работу выполняет поршень?

Клапаны управляют тем, когда в цилиндр попадает свежая смесь и когда из него выходят отработанные газы. Без чёткого открытия и закрытия клапанов в нужный момент цилиндр просто не смог бы работать циклично: смесь и газы перемешивались бы, и никакого нормального рабочего хода не получилось бы.

Чаще всего путают такты сжатия и рабочего хода — оба выглядят как движение поршня вверх-вниз с закрытыми клапанами. Разница простая: на сжатии поршень идёт вверх сам, а на рабочем ходе поршень идёт вниз, потому что его толкают горячие газы после взрыва смеси.

Читайте также

• Как обозначается плотность в физике: буква и формула
• Железы внутренней секреции - определение, классификация, функции и характеристики