Двигатель внутреннего сгорания

Схема: Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с глушителем.

Рядный четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

Основная статья: История создания двигателей внутреннего сгорания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневой ДВС

Роторный ДВС

Газотурбинный ДВС

• Поршневые двигатели — камера сгорания содержится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, "двойной веер", ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Основная статья: Бензиновый двигатель

Бензиновые карбюраторные

Дополнительные сведения: Карбюратор

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Дополнительные сведения: Инжекторная система подачи топлива

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Основная статья: Дизельный двигатель

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Основная статья: Газовый двигатель

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:
  • уголь
  • торф
  • древесина

Газодизельные

Основная статья: Газодизельный двигатель

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневой

Схема цикла двигателя Ванкеля: впуск (intake), сжатие (compression), рабочий ход (ignition), выпуск (exhaust); A — треугольный ротор (поршень), B — вал.

Основная статья: Роторно-поршневой двигатель

Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 "Жигули", ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

• RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Основная статья: Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

•  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл

Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Дополнительные сведения: Двухтактный двигатель и Четырёхтактный двигатель

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

1. впуска,
2. сжатия заряда,
3. рабочего хода и
4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

См. также

	Двигатель внутреннего сгорания на Викискладе?

• История создания двигателей внутреннего сгорания
• Запуск двигателя внутреннего сгорания
• Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания
• Филипп Лебон — французский инженер, получивший в 1801 году патент на двигатель внутреннего сгорания со сжатием смеси газа и воздуха.
• Роторный двигатель: конструкции и классификация
• Роторно-поршневой двигатель (двигатель Ванкеля)
• Турбокомпаундный двигатель
• Автомобиль с газогенератором

Примечания

Ссылки

• Анимация работы ДВС
• Бен Найт «Увеличиваем пробег»//Статья о технологиях, которые уменьшают расход топлива автомобильным ДВС
• Алгоритм действий если двигатель «молчит»
• Принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели

 

Двигатели внутреннего сгорания (кроме турбинных)   Возвратно-поступательные Количество тактов Двухтактный двигатель (двигатель Ленуара) • Четырёхтактный двигатель • Шеститактный двигатель (двигатель Гриффина) Расположение цилиндров Рядный двигатель (U-образный двигатель) • Оппозитный двигатель • V-образный двигатель • W-образный двигатель • Звездообразный двигатель (вращающийся) • X-образный двигатель Типы поршней Свободно-поршневые • Двигатель со встречным движением поршней (дельтообразный) • Аксиальные Способ воспламенения Дизельные • Компрессионные карбюраторные • Калильно-компрессионный • Калильные карбюраторные • Батарейное зажигание • Магнето • Дуговые и искровые свечи Роторные Двигатель Ванкеля • Орбитальный двигатель (двигатель Сарича) • Роторно-лопастной двигатель Вигриянова • Роторный двигатель Карфидова Комбинированные Гибридные Воздушно-реактивные   Основные типы Бескомпрессорные Прямоточные • Пульсирующие Турбореактивные Турбовентиляторные (двухконтурные) • Турбовинтовые • Турбовинтовентиляторные • Турбовальные Модификации и гибридные системы Мотокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель • Гиперзвуковые прямоточные См. также: Газотурбинные двигатели Ракетные двигатели   Химические Жидкостные Закрытого цикла • Открытого цикла • С фазовым переходом • Двигатель Вальтера Другие Твердотопливные • Топливно-гибридные Ядерные Термоядерные • Газофазно-ядерные • Солевые Электрические Плазменные (электромагнитный ускоритель VASIMR) • Ионные • Электротермические • Электростатические Другие Клиновоздушный • Двигатель Бассарда Двигатели внешнего сгорания   Паровая машина • Двигатель Стирлинга • Пневматический двигатель Турбины и механизмы с турбинами в составе   По виду рабочего тела Газовые Газотурбинная установка • Газотурбинная электростанция • Газотурбинные двигатели‎ Паровые Парогазовая установка • Конденсационная турбина Гидравлические турбины‎ Пропеллерная турбина •  • Гидротрансформатор По конструктивным особенностям Осевая (аксиальная) турбина • Центробежная турбина (радиальная, тангенциальная) • Радиально-осевая турбина • Поворотно-лопастная турбина • Ковшовая турбина Пелтона (турбина Турго) • Ротор Дарье • Турбина Уэльса • Турбина Тесла • Турбина Франциса • Сегнерово колесо Электродвигатели   Постоянного тока • Переменного тока • Трёхфазные • Двухфазные • Однофазные • Универсальные Асинхронные Конденсаторный двигатель Синхронные Бесколлекторные • Коллекторные • Вентильные реактивные • Шаговые Другие Линейные • Гистерезисные • Униполярные • Ультразвуковые • Мендосинский мотор Биологические двигатели   Моторные белки Актин • Динеин • Кинезин • Миозин • Тропомиозин • Тропонин • Флагеллин

См. также: Вечный двигатель • Мотор-редуктор • Резиномотор