Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей камере, преобразуется в механическую работу за счёт возвратно-поступательного движения поршня. Является наиболее распространённым типом двигателя внутреннего сгорания (ДВС), применяемым в автомобилях, мотоциклах, судах, генераторах, сельскохозяйственной и строительной технике.

История

Первые попытки создания поршневого ДВС относятся к концу XVIII века. В 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель, работающий на жидком топливе, а в 1807 году французский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил первый работающий прототип, который использовал водород в качестве топлива и электрическое зажигание.

Значительный прорыв произошёл в 1860 году, когда бельгиец Жан Жозеф Этьен Ленуар создал первый практически пригодный двухтактный газовый двигатель. В 1876 году немецкий инженер Николаус Отто разработал четырёхтактный цикл, который лёг в основу большинства современных поршневых ДВС. В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый компактный бензиновый двигатель, установленный на мотоцикле, а в 1886 году Карл Бенц запатентовал автомобиль с таким двигателем.

В России первые поршневые ДВС начали производить в конце XIX века. В 1899 году на заводе «Людвиг Нобель» в Санкт-Петербурге был выпущен первый российский дизельный двигатель. В советский период были созданы такие известные серии, как двигатели ЗИЛ, ГАЗ, ВАЗ, КамАЗ и ЯМЗ.

Принцип работы

Основу работы поршневого ДВС составляет термодинамический цикл, в котором поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Рабочий цикл может быть четырёхтактным или двухтактным.

Четырёхтактный цикл

Четырёхтактный цикл, предложенный Николаусом Отто, включает четыре такта:

1. Впуск — поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ), открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (в бензиновых двигателях) или воздух (в дизелях).
2. Сжатие — поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты, смесь сжимается, её температура и давление повышаются.
3. Рабочий ход — в момент достижения поршнем ВМТ смесь воспламеняется (от искры в бензиновых или от самовоспламенения в дизельных двигателях), продукты сгорания расширяются, толкая поршень вниз. Это единственный такт, при котором совершается полезная работа.
4. Выпуск — поршень движется от НМТ к ВМТ, открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра.

Двухтактный цикл

В двухтактном двигателе рабочий цикл завершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Впуск и выпуск происходят одновременно вблизи НМТ, часто с использованием продувочного насоса или кривошипной камеры. Двухтактные двигатели имеют более высокую удельную мощность, но меньший КПД и большее загрязнение выхлопа.

Классификация

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по нескольким признакам.

По типу топлива

• Бензиновые — работают на бензине, воспламенение от искры. Различают карбюраторные (устаревшие) и инжекторные системы подачи топлива.
• Дизельные — работают на дизельном топливе, воспламенение от сжатия. Отличаются более высоким КПД и крутящим моментом.
• Газовые — используют сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) или сжатый природный газ (метан). Могут быть как с искровым зажиганием, так и с газодизельным циклом.
• Роторно-поршневые (двигатель Ванкеля) — отдельный тип, в котором поршень имеет форму ротора, вращающегося внутри корпуса. Формально не является поршневым в классическом смысле, но часто рассматривается в этой категории.

По способу смесеобразования

• С внешним смесеобразованием — топливо смешивается с воздухом до поступления в цилиндр (карбюраторные, газовые с механическим смесителем).
• С внутренним смесеобразованием — топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр или в предкамеру (дизельные, бензиновые с непосредственным впрыском).

По числу цилиндров

• Одноцилиндровые (часто в мотоциклах, бензопилах, генераторах).
• Многоцилиндровые (2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 и более цилиндров). Расположение цилиндров может быть рядным, V-образным, оппозитным, W-образным, звездообразным и др.

По способу охлаждения

• Жидкостное охлаждение — тепло отводится циркулирующей жидкостью (антифризом) через радиатор.
• Воздушное охлаждение — тепло отводится потоком воздуха, омывающим оребрённые цилиндры. Применяется в мотоциклах, бензопилах, некоторых автомобилях (например, «Запорожец», Porsche 911 ранних серий).

Устройство и основные компоненты

Основные узлы поршневого ДВС:

• Цилиндр — рабочая камера, в которой движется поршень. Изготавливается из чугуна или стали, часто с зеркальной поверхностью.
• Поршень — деталь, воспринимающая давление газов. Снабжён поршневыми кольцами (компрессионными и маслосъёмными) для герметизации.
• Шатун — соединяет поршень с коленчатым валом, преобразует поступательное движение во вращательное.
• Коленчатый вал — преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращение. Снабжён противовесами для балансировки.
• Головка блока цилиндров (ГБЦ) — закрывает цилиндры сверху, содержит клапаны, свечи зажигания (в бензиновых) или форсунки (в дизельных).
• Клапанный механизм (ГРМ) — управляет открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов. Может быть с нижним или верхним расположением клапанов, с одним или двумя распределительными валами.
• Система зажигания — обеспечивает воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. Включает катушку зажигания, распределитель (трамблёр) или электронный блок управления, свечи.
• Система питания — подаёт топливо в цилиндры. Включает топливный бак, насос, фильтр, карбюратор или форсунки.
• Система смазки — подаёт масло к трущимся деталям (подшипники коленвала, поршневые пальцы, цилиндры) для снижения износа и отвода тепла.
• Система охлаждения — отводит избыточное тепло от двигателя.
• Система выпуска — отводит отработавшие газы, снижает шум и токсичность (глушитель, каталитический нейтрализатор).

Применение

Поршневые ДВС являются основным типом силовых установок для:

• Автомобильного транспорта — легковые и грузовые автомобили, автобусы.
• Мотоциклетной техники — мотоциклы, скутеры, мопеды.
• Судостроения — маломерные и средние суда, рыболовные траулеры, речные буксиры.
• Сельскохозяйственной техники — тракторы, комбайны, мотоблоки.
• Строительной и дорожной техники — экскаваторы, бульдозеры, асфальтоукладчики.
• Стационарных установок — генераторы электроэнергии (дизель-генераторы), компрессоры, насосные станции.
• Авиации — на лёгких и учебных самолётах, вертолётах (в основном поршневые двигатели малой мощности).

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая удельная мощность (отношение мощности к массе).
• Широкий диапазон мощностей — от нескольких лошадиных сил (бензопила) до десятков тысяч (судовые дизели).
• Относительная простота и надёжность конструкции.
• Возможность работы на различных видах жидкого и газообразного топлива.
• Хорошая приёмистость (способность быстро набирать обороты).

Недостатки

• Низкий КПД по сравнению с электрическими двигателями и газотурбинными установками (у бензиновых — 20–35%, у дизельных — 30–45%).
• Высокая токсичность выхлопных газов (CO, NOx, углеводороды, сажа).
• Шум и вибрации.
• Необходимость в системе охлаждения и смазки.
• Ограниченный ресурс (износ поршневой группы, клапанов, подшипников).
• Сложность регулировки и обслуживания многоцилиндровых агрегатов.

Современные тенденции

В XXI веке развитие поршневых ДВС направлено на повышение КПД и снижение вредных выбросов. Основные направления:

• Непосредственный впрыск топлива — позволяет точнее дозировать топливо и улучшить сгорание.
• Турбонаддув — использование энергии выхлопных газов для сжатия воздуха на впуске, что увеличивает мощность и КПД.
• Системы изменения фаз газораспределения (например, VVT-i, VTEC) — оптимизируют работу двигателя на разных режимах.
• Деактивация цилиндров — отключение части цилиндров при малых нагрузках для экономии топлива.
• Гибридные силовые установки — сочетание ДВС с электродвигателем позволяет снизить расход топлива и выбросы.
• Использование альтернативных топлив — водород, биодизель, этанол, синтетические углеводороды.

Несмотря на активное развитие электромобилей, поршневые ДВС остаются доминирующим типом двигателя в транспортном и энергетическом секторах, особенно в сегментах тяжёлой техники, грузового транспорта и судоходства.

Источники

• Двигатели внутреннего сгорания: теория и расчёт / Под ред. В. Н. Луканина. — М.: Высшая школа, 2005.
• Бенц, К. Автомобиль: история создания. — М.: Машиностроение, 1990.
• ГОСТ Р 54120-2010. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические требования.
• Хейвуд, Дж. Основы двигателей внутреннего сгорания. — М.: Техносфера, 2012.
• История развития двигателей внутреннего сгорания в России: сборник статей / РАН. — СПб.: Наука, 2008.