Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

В данной статье мы рассмотрим принцип работы одного цилиндра летательного аппарата братьев Райт 1903 года.

 

Этот двигатель приводил в действие первый, более тяжелый, чем воздушный, самоходный, маневренный, пилотируемый самолет; Райт 1903 Flyer. Двигатель состоял из четырех цилиндров, подобных показанному выше, причем каждый поршень соединен с общим коленчатым валом. Коленчатый вал был соединен с двумя противовращающимися пропеллерами, которые создавали тягу, необходимую для преодоления сопротивления самолета.

 

Дизайн братьев Райт очень прост по сегодняшним меркам, поэтому это хороший двигатель для обучения студентов, чтобы изучить основы работы двигателя. Этот тип двигателя внутреннего сгорания называется четырехтактным двигателем, потому что есть четыре движения или поршни поршня до того, как повторяется вся последовательность запуска двигателя. Четыре удара описаны ниже с некоторыми фигурами. В анимации и на всех рисунках мы окрасили систему подачи топлива / воздуха в красный цвет, электрическую систему зеленого цвета и систему выхлопа синего цвета. Мы также представляем топливно-воздушную смесь и выхлопные газы маленькими цветными шарами, чтобы показать, как эти газы движутся через двигатель. Поскольку мы будем ссылаться на движение различных деталей двигателя, вот цифра, показывающая названия частей:

Цикл двигателя начинается с такта впуска, когда поршень тянется к коленчатому валу (слева на рисунке).

Впускной клапан открыт, а топливо и воздух проходят через клапан и в камеру сгорания и цилиндр из впускного коллектора, расположенного сверху камеры сгорания. Выпускной клапан закрыт и электрический контактный выключатель разомкнут. Топливно-воздушная смесь находится на относительно низком давлении (около атмосферного) и окрашена в синий цвет на этом рисунке. В конце такта впуска поршень расположен в крайнем левом углу и начинает двигаться назад вправо.

 

Цилиндр и камера сгорания заполнены топливно-воздушной смесью низкого давления, и, когда поршень начинает двигаться вправо, впускной клапан закрывается.

Историческое примечание . Открытие и закрытие впускного клапана двигателя Wright 1903 было названо «автоматическим» братьями. Он зависит от слегка более низкого давления внутри цилиндра во время такта впуска, чтобы преодолеть прочность пружины, удерживающей клапан закрытым. Современные двигатели внутреннего сгорания не работают таким образом, но используют кулачки и коромысло, как выхлопная система братьев. Камеры и коромысло обеспечивают лучший контроль и время открытия и закрытия клапанов.

Когда оба клапана закрыты, комбинация цилиндра и камеры сгорания образуют полностью закрытую емкость, содержащую топливно-воздушную смесь. Когда поршень сдвинут вправо, объем уменьшается и смесь топлива и воздуха сжимается во время такта сжатия .

Во время сжатия тепло не передается в смесь топливо / воздух. Поскольку объем уменьшается из-за движения поршня, давление в газе увеличивается , как описано в законах термодинамики . На рисунке смесь была окрашена в желтый цвет, чтобы обозначить умеренное увеличение давления. Чтобы произвести повышенное давление, мы должны работать над смесью, так же, как вам нужно делать работу, чтобы надуть велосипедную шину с помощью насоса. Во время такта сжатия электрический контакт остается открытым. Когда объем является наименьшим, а давление самое высокое, как показано на рисунке, контакт закрыт, и электрический ток течет через вилку.

Рабочий ход

В начале хода мощности электрический контакт открывается. Внезапное открытие контакта вызывает искру в камере сгорания, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Быстрое сгорание топлива выделяет тепло и производит выхлопные газы в камере сгорания.

Поскольку впускной и выпускной клапаны закрыты, сжигание топлива происходит в полностью закрытом (и почти постоянном объеме) сосуде. Сжигание увеличивает температуру выхлопных газов, остаточного воздуха в камере сгорания и самой камеры сгорания. Из закона идеального газа повышенная температура газов также создает повышенное давление в камере сгорания. Мы окрасили газы, красные на рисунке, чтобы обозначить высокое давление. Высокое давление газов, действующих на поверхность поршня, приводит к тому, что поршень перемещается влево, что инициирует ход мощности .

В отличие от такта сжатия, горячий газ работает на поршне во время хода мощности. Сила на поршне передается штоком поршня на коленчатый вал, где линейное движение поршня преобразуется в угловое движение коленчатого вала. Работа, выполняемая на поршне, затем используется для поворота вала и пропеллеров, а также для сжатия газов в такте сжатия соседнего цилиндра. Произведя зажигательную искру, электрический контакт остается открытым.

Во время такта мощности объем, занимаемый газами, увеличивается из-за движения поршня, и теплота не переносится в топливно-воздушную смесь. По мере увеличения объема из-за движения поршня давление и температура газа уменьшаются . Мы окрасили выхлопные «молекулы» желтым, чтобы обозначить умеренное количество давления в конце хода мощности.

Историческое примечание . Метод изготовления электрической искры, используемой братьями Райт, называется связью «сделать и разорвать». Внутри камеры сгорания находятся движущиеся части. Современные двигатели внутреннего сгорания не используют этот метод, но вместо этого используют свечу зажигания для создания искры зажигания. Свеча зажигания не имеет движущихся частей, что намного безопаснее, чем метод, используемый братьями.

Выхлопной ход

В конце хода мощности поршень расположен в крайнем левом углу. Тепло, оставшееся от хода мощности, теперь переносится в воду в водяной рубашке до тех пор, пока давление не приблизится к атмосферному давлению. Затем выпускной клапан открывается кулачком, нажимая на рычаг качалки, чтобы начать ход выхлопа .

Целью такта выхлопа является очистка цилиндра отработанного отработавшего газа при подготовке к другому циклу зажигания. По мере того, как начинается ход выхлопа, цилиндр и камера сгорания полны выхлопных газов при низком давлении (синий цвет на рисунке выше). Поскольку выпускной клапан открыт, выхлопной газ проталкивается через клапан и выходит из двигателя. Впускной клапан закрыт и электрический контакт разомкнут во время этого перемещения поршня.

В конце такта выхлопа выпускной клапан закрывается, и двигатель начинает другой ход всасывания.

Историческое примечание. Выхлопная система, используемая братьями Райт, заставила горячий выхлоп выходить из каждого цилиндра независимо ... прямо рядом с пилотом. Этот двигатель был очень громким. Современные автомобили собирают выхлоп из всех цилиндров в выпускной коллектор (как и впускной коллектор, используемый братьями). Выпускной коллектор передает выхлоп в каталитический нейтрализатор для удаления опасных газов, а затем через глушитель, чтобы он оставался тихим, и, наконец, выхлопную трубу.

Теперь вы должны иметь понимание рисунка  в верхней части этой страницы. Обратите внимание, что коленчатый вал совершает два оборота для каждого вращения кулачков. Это движение контролируется цепью синхронизации. Также обратите внимание на то, как кулачок перемещает выпускной клапан в нужное время и как быстро открывается впускной клапан после закрытия выпускного клапана. При действительной работе двигателя ход выхлопа не может вытолкнуть весь выхлоп из цилиндра, поэтому настоящий двигатель не работает, а также идеальный двигатель, описанный на этой странице. Когда двигатель работает и нагревается, производительность меняется. Современные автомобильные двигатели регулируют соотношение топливо / воздух с топливными форсунками с компьютерным управлением для поддержания высокой производительности. Братья просто должны были следить за тем, как лошадиная сила их двигателя падает примерно с 16 лошадиных сил, когда двигатель был впервые запущен примерно до 12 лошадиных сил, когда он работал горячим.