Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно жидкого или газообразного) преобразуется в механическую работу непосредственно внутри рабочей камеры (цилиндра) в процессе сгорания рабочей смеси. ДВС является наиболее распространённым типом силовых установок на транспорте (автомобили, мотоциклы, тепловозы, суда, самолёты), в сельскохозяйственной и строительной технике, а также в стационарных энергоустановках малой и средней мощности.

История

Ранние предшественники

Первые попытки создания двигателя, работающего за счёт сгорания топлива внутри цилиндра, относятся к XVII веку. В 1680 году голландский физик Христиан Гюйгенс предложил проект порохового двигателя, однако практической реализации он не получил. В 1794 году англичанин Роберт Стрит запатентовал газовый двигатель, а в 1807 году швейцарец Франсуа Исаак де Риваз построил первый в мире поршневой ДВС, работавший на водородно-воздушной смеси.

Эпоха газовых двигателей

Первым коммерчески успешным ДВС стал двигатель, созданный в 1860 году бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. Он работал на светильном газе, имел двухтактный цикл и электрическое зажигание. Мощность составляла около 2 л.с., а КПД — около 4 %. В 1862 году французский инженер Альфонс Бо де Роша теоретически обосновал четырёхтактный цикл, который в 1876 году реализовал немецкий конструктор Николаус Отто. Двигатель Отто, известный как «тихий двигатель», имел КПД до 15 % и стал прообразом всех современных бензиновых ДВС.

Развитие дизельного двигателя

В 1893 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, в котором воспламенение топлива происходило от сжатия воздуха, нагретого до высокой температуры. Первый работоспособный образец был испытан в 1897 году. Дизельный двигатель отличался более высоким КПД (до 26 %) и возможностью использования тяжёлых сортов топлива. В России первый дизельный двигатель был построен на заводе «Людвиг Нобель» в 1899 году.

XX век и массовое применение

В начале XX века ДВС вытеснили паровые машины в автомобилестроении. Генри Форд в 1908 году начал массовое производство автомобиля Ford Model T с бензиновым четырёхцилиндровым двигателем. В 1920-х годах появились первые авиационные ДВС с воздушным охлаждением. В 1930-х годах немецкий инженер Феликс Ванкель разработал роторно-поршневой двигатель, который в 1957 году был доведён до серийного производства. Во второй половине XX века активно развивались системы впрыска топлива, турбонаддува и электронного управления.

Устройство и принцип работы

Основные элементы

Любой поршневой ДВС включает следующие ключевые компоненты:

• Блок цилиндров — корпус, в котором размещены цилиндры, рубашка охлаждения и каналы смазки.
• Поршни — подвижные элементы, воспринимающие давление газов и передающие усилие через шатуны на коленчатый вал.
• Шатуны — соединяют поршни с коленчатым валом.
• Коленчатый вал — преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное.
• Головка блока цилиндров — закрывает цилиндры сверху, содержит клапаны, свечи зажигания или форсунки.
• Клапанный механизм (ГРМ) — управляет впуском рабочей смеси и выпуском отработавших газов.
• Система зажигания (для бензиновых двигателей) — создаёт искру для воспламенения смеси.
• Система подачи топлива — карбюратор или инжектор (форсунки) для дозирования топлива.
• Система смазки — обеспечивает подачу масла к трущимся деталям.
• Система охлаждения — жидкостная или воздушная, отводит избыточное тепло.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Четырёхтактный двигатель (по циклу Отто или Дизеля) совершает четыре хода поршня за два оборота коленчатого вала:

1. Впуск — поршень движется вниз, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает горючая смесь (бензин+воздух) или чистый воздух (дизель).
2. Сжатие — поршень движется вверх, оба клапана закрыты, смесь сжимается в 8–12 раз (бензин) или в 14–23 раза (дизель), температура в цилиндре повышается.
3. Рабочий ход — в конце сжатия смесь воспламеняется (от искры или самовоспламенения), газы расширяются, толкая поршень вниз — это единственный рабочий такт, когда совершается полезная работа.
4. Выпуск — поршень движется вверх, открыт выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выхлопную систему.

В двухтактном двигателе рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала: впуск и выпуск происходят одновременно в нижней части хода поршня, что даёт большую удельную мощность, но снижает экономичность и экологичность.

Классификация

По типу топлива

• Бензиновые — работают на бензине, воспламенение от искры. Отличаются высокой удельной мощностью и плавностью работы.
• Дизельные — работают на дизельном топливе (солярке), воспламенение от сжатия. Имеют более высокий КПД (до 45–50 %) и крутящий момент на низких оборотах.
• Газовые — используют сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) или сжатый природный газ (метан). Могут быть как с искровым зажиганием, так и газодизельными.
• Роторно-поршневые (двигатель Ванкеля) — имеют треугольный ротор вместо поршней, обеспечивают высокую удельную мощность при компактных размерах, но отличаются повышенным расходом масла и низкой экономичностью.
• Биотопливные — адаптированы для работы на этаноле, метаноле, биодизеле или их смесях с традиционным топливом.

По способу смесеобразования

• С внешним смесеобразованием (карбюраторные) — топливо смешивается с воздухом до поступления в цилиндр (в карбюраторе или впускном коллекторе).
• С внутренним смесеобразованием (инжекторные) — топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр (прямой впрыск) или во впускной канал (распределённый впрыск). Современные бензиновые двигатели преимущественно используют непосредственный впрыск.

По числу и расположению цилиндров

• Рядные — цилиндры расположены в один ряд. Просты в производстве, хорошо балансируются при чётном числе цилиндров (4, 6).
• V-образные — цилиндры расположены под углом (обычно 60° или 90°). Компактнее рядных при большом числе цилиндров (6, 8, 12).
• Оппозитные — цилиндры расположены горизонтально друг напротив друга. Обеспечивают низкий центр тяжести (используются в автомобилях Porsche, Subaru).
• W-образные — четыре ряда цилиндров, объединённые в один блок (используются в некоторых моделях Volkswagen, Bugatti).

По способу охлаждения

• Жидкостное охлаждение — тепло отводится циркулирующей жидкостью (антифризом) через радиатор. Наиболее распространено в автомобилях.
• Воздушное охлаждение — тепло отводится потоком воздуха, обдувающего оребрённые цилиндры. Применялось в мотоциклах, авиационных двигателях и некоторых автомобилях (Volkswagen Beetle, «Запорожец»).

Применение

Автомобильный транспорт

ДВС являются основой автомобильной промышленности. Бензиновые двигатели устанавливаются на легковые автомобили, дизельные — на грузовики, автобусы и внедорожники. В России крупнейшими производителями автомобильных ДВС являются ПАО «КАМАЗ» (дизельные двигатели), ООО «АвтоВАЗ» (бензиновые двигатели), Ульяновский моторный завод.

Железнодорожный транспорт

Тепловозы оснащаются мощными дизельными двигателями (от 1000 до 6000 л.с.), которые через электрическую передачу приводят в движение колёсные пары. В России основным производителем тепловозных дизелей является Коломенский завод (двигатели Д49, Д50).

Авиация

До середины XX века поршневые ДВС доминировали в авиации. Современные лёгкие и учебные самолёты (например, Як-18Т, Cessna 172) используют авиационные бензиновые двигатели. Для беспилотных летательных аппаратов применяются малогабаритные двухтактные и роторные ДВС.

Морской транспорт

На судах устанавливаются как вспомогательные дизель-генераторы, так и главные двигатели большой мощности (до 100 000 л.с.). Крупнейшие судовые дизели — двухтактные, тихоходные, с КПД до 50 %.

Стационарные установки

ДВС используются в качестве приводов для электрогенераторов (дизель-генераторы), насосов, компрессоров и другой промышленной техники. В сельском хозяйстве — для тракторов и комбайнов.

Современные тенденции и критика

Экологические аспекты

ДВС являются одним из основных источников загрязнения воздуха в городах. Выхлопные газы содержат оксиды азота (NOx), угарный газ (CO), несгоревшие углеводороды (CH), твёрдые частицы (сажу) и углекислый газ (CO₂). Для снижения вредных выбросов применяются:

• Каталитические нейтрализаторы — преобразуют CO, CH и NOx в безвредные вещества.
• Сажевые фильтры — улавливают твёрдые частицы в дизельных двигателях.
• Системы рециркуляции отработавших газов (EGR) — снижают температуру сгорания и образование NOx.
• Системы впрыска мочевины (AdBlue) — для нейтрализации NOx в дизелях.

Эффективность и альтернативы

Несмотря на совершенствование, КПД бензиновых ДВС редко превышает 35 %, дизельных — 45 %. Значительная часть энергии теряется в виде тепла и механических потерь. В последние десятилетия растёт конкуренция со стороны электродвигателей и гибридных силовых установок. Многие страны (включая страны ЕС, Китай) объявили о планах поэтапного отказа от продажи новых автомобилей с ДВС к 2030–2040 годам.

Перспективы

Развитие ДВС продолжается в направлении повышения экономичности и снижения токсичности. Перспективные технологии включают:

• Двигатели с изменяемой степенью сжатия (например, Nissan VC-Turbo).
• Системы отключения цилиндров при малых нагрузках.
• Использование водорода в качестве топлива (двигатели с водородным впрыском).
• Гибридные схемы — сочетание ДВС с электромотором для оптимизации режимов работы.

Интересные факты

• Самый мощный серийный автомобильный ДВС — 16-цилиндровый двигатель Bugatti W16 (Quad-Turbo) мощностью 1600 л.с.
• Самый большой в мире дизельный двигатель — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, используемый на контейнеровозах, имеет мощность 108 920 л.с. и объём 25 480 литров.
• Первый в мире серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем — немецкий NSU Spider (1964 год).
• В России в 1930-х годах разрабатывались дизельные авиационные двигатели (АН-1, М-30), однако они не получили массового распространения из-за сложности и веса.

Источники

• Б. С. Стечкин, «Тепловые двигатели», 1954.
• В. Н. Луканин, «Двигатели внутреннего сгорания», 2005.
• Ю. А. Дьяченко, «Теория поршневых двигателей», 2010.
• А. А. Савельев, «История развития ДВС», 2018.
• Материалы журнала «Двигателестроение» (№ 1–4, 2020).
• Данные Международного энергетического агентства (IEA) по транспортным энергоносителям.