Двигатель внутреннего сгорания¶

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип теплового двигателя, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости (цилиндре), преобразуется непосредственно в механическую работу. В отличие от двигателей внешнего сгорания (например, паровых машин), где рабочее тело (пар) нагревается в отдельном котле, в ДВС продукты сгорания сами являются рабочим телом, расширяются и совершают работу над поршнем или ротором. ДВС являются наиболее распространёнными силовыми установками в мире, применяясь на транспорте, в энергетике, сельском хозяйстве и в качестве привода для множества механизмов.

¶Устройство и принцип действия

Основными элементами поршневого ДВС являются цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал. Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра, передавая усилие через шатун на коленчатый вал, который преобразует его во вращательное движение. Герметичность камеры сгорания обеспечивается поршневыми кольцами.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх тактов:

• Впуск: поршень движется вниз, впускной клапан открыт, и в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь (или воздух в дизелях).
• Сжатие: оба клапана закрыты, поршень движется вверх, сжимая смесь в 8–14 раз (степень сжатия). В конце такта смесь воспламеняется.
• Рабочий ход: под давлением расширяющихся газов поршень движется вниз, совершая полезную работу.
• Выпуск: поршень движется вверх, открыт выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра.

Воспламенение смеси может происходить двумя способами: принудительно — от электрической искры свечи зажигания (в бензиновых двигателях) или самовоспламенением от высокой температуры при сильном сжатии (в дизельных двигателях).

¶Классификация

ДВС классифицируются по множеству признаков:

• По способу воспламенения: с искровым зажиганием (бензиновые, газовые) и с воспламенением от сжатия (дизели).
• По типу рабочего цикла: четырёхтактные и двухтактные. В двухтактных двигателях рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, что обеспечивает большую мощность при равном объёме, но ухудшает экономичность и экологичность.
• По способу смесеобразования: с внешним (карбюратор, центральный или распределённый впрыск во впускной коллектор) и внутренним (непосредственный впрыск топлива в цилиндр) смесеобразованием.
• По типу охлаждения: с жидкостным и воздушным охлаждением.
• По расположению цилиндров: рядные, V-образные, оппозитные (с углом развала 180°), W-образные.
• По назначению: стационарные, транспортные (автомобильные, судовые, авиационные), тракторные и другие.

¶История развития

Первые работоспособные образцы ДВС появились в XIX веке. В 1860 году французский инженер Этьен Ленуар запатентовал газовый двигатель с искровым зажиганием, работавший на светильном газе. В 1876 году немецкий изобретатель Николаус Отто создал более эффективный четырёхтактный двигатель, цикл которого (цикл Отто) лёг в основу работы большинства современных бензиновых моторов.

В 1890-х годах Рудольф Дизель запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия, работавший на более дешёвом тяжёлом топливе. В России первые дизельные двигатели были построены в 1899 году на заводе «Людвиг Нобель» в Санкт-Петербурге. Развитие ДВС в XX веке было тесно связано с автомобильной промышленностью. Советские конструкторы, такие как В. Я. Климов и А. Д. Чаромский, внесли значительный вклад в создание авиационных дизельных и форсированных поршневых двигателей.

¶Применение

ДВС являются основой мировой транспортной системы. Они устанавливаются на легковых и грузовых автомобилях, автобусах, мотоциклах, тепловозах, судах, а также на сельскохозяйственной и строительной технике (тракторы, комбайны, экскаваторы). Малые бензиновые двигатели приводят в действие газонокосилки, генераторы, мотопомпы и другой переносной инструмент. До середины XX века поршневые ДВС были основными двигателями самолётов, пока их не вытеснили газотурбинные двигатели, однако на лёгкой авиации они используются до сих пор.

¶Характеристики и эффективность

Ключевыми параметрами ДВС являются:

• Рабочий объём (литраж) — суммарный объём всех цилиндров.
• Мощность (в киловаттах или лошадиных силах).
• Крутящий момент.
• Коэффициент полезного действия (КПД).

Современные бензиновые двигатели имеют КПД около 25–35%, дизельные — до 40–45%. Остальная энергия топлива теряется в виде тепла, уходящего с отработавшими газами и в систему охлаждения. Эффективность ДВС зависит от степени сжатия, состава смеси и режима работы. Наибольшая эффективность достигается при полной нагрузке, тогда как на холостом ходу и в городских циклах с частыми остановками расход топлива значительно возрастает.

¶Экологические аспекты и будущее

Работа ДВС сопровождается выбросами вредных веществ: углекислого газа (CO₂), угарного газа (CO), оксидов азота (NOₓ), несгоревших углеводородов и твёрдых частиц (сажи). Для снижения токсичности применяются системы нейтрализации отработавших газов: каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры на дизелях и системы рециркуляции отработавших газов (EGR).

В связи с ужесточением экологических норм (стандарты Евро-6 и выше) и глобальной борьбой с изменением климата, во многих странах, включая Россию, обсуждается постепенный отказ от ДВС в пользу электромобилей и автомобилей на водородных топливных элементах. Тем не менее, благодаря своей энергоёмкости, автономности и развитой инфраструктуре заправки, ДВС сохранят доминирующее положение на рынке тяжёлого транспорта, сельхозтехники и в сферах, где требуется большая дальность хода и независимость от зарядной инфраструктуры. Ведутся активные исследования по повышению КПД ДВС и использованию для них экологически чистых видов топлива, таких как водород и синтетические углеводороды.

¶Источники

1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов / Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова.
2. ГОСТ 10150-88. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия.
3. Сайт Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института (НАМИ), раздел «История развития двигателестроения».