Принцип работы двигателя внутреннего сгорания¶
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — тепловой двигатель, в котором сжигание топливовоздушной смеси происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра, а продукты сгорания являются рабочим телом. Кинетическая энергия расширяющихся газов преобразуется в механическую работу через кривошипно-шатунный механизм. ДВС относится к классу тепловых двигателей с внешним воспламенением (бензиновые) или без него (дизельные), а также к классу газотурбинных двигателей.
¶Основной цикл
Рабочий процесс в поршневом ДВС состоит из четырёх тактов, описанных в цикле Отто (для бензиновых) и дизельном цикле:
- Впуск — поршень движется вниз, открывается впускной клапан, в цилиндр поступает топливовоздушная смесь (или воздух).
- Сжатие — поршень движется вверх, оба клапана закрыты, смесь сжимается (степень сжатия в бензиновых двигателях — 8–12, в дизельных — 14–24).
- Рабочий ход (расширение) — в верхней мёртвой точке смесь воспламеняется (искрой свечи зажигания в бензиновом двигателе) или топливо впрыскивается в сжатый воздух и самовоспламеняется (в дизельном). Образовавшиеся газы толкают поршень вниз, совершая работу.
- Выпуск — поршень движется вверх, выпускной клапан открыт, отработавшие газы вытесняются из цилиндра.
Рабочий такт единственный, в котором совершается полезная работа; остальные три обеспечивают подготовку следующего цикла и приводятся в движение маховиком.
¶Устройство и ключевые узлы
Основные элементы поршневого ДВС:
- Блок цилиндров — корпус, в котором расположены цилиндры (от 1 до 16, чаще 3–6).
- Поршень — подвижный элемент, воспринимающее давление газов; снабжён кольцами для уплотнения.
- Шатун — соединяет поршень с коленчатым валом, преобразуя возвратно-поступательное движение во вращательное.
- Коленчатый вал — преобразует усилия шатунов во вращение; через маховик и трансмиссию вращение передаётся на колёса.
- Газораспределительный механизм (ГРМ) — система клапанов, распределительного вала и привода (ремень или цепь), управляющая впуском и выпуском.
- Система зажигания (бензиновые) — катушка, свечи, датчики; формирует искру в нужный момент.
- Система впрыска топлива — инжектор или карбюратор, форсунки, топливный насос.
- Система смазки и охлаждения — масляный насос и радиатор с жидкостным контуром.
¶Классификация
| Тип | Принцип смесеобразования | Степень сжатия | Особенности |
|---|---|---|---|
| Бензиновый (карбюраторный) | Карбюратор | 8–10 | Простая конструкция, устаревшая технология |
| Бензиновый инжекторный | Форсунки, ЭБУ | 10–12 | Точный дозированный впрыск, экономичность |
| Дизельный | Топливо впрыскивается в воздух | 14–24 | Самовоспламенение, высокий КПД, тяжёлый пуск |
| Газовый (ГБО) | Газообразное топливо | 10–12 | Меньше вредных выбросов, пониженная мощность |
По числу тактов различают двухтактные и четырёхтактные двигатели. Двухтактные проще и легче, но менее экономичны и экологичны; применяются в мотоциклах, лодочных моторах, бензоинструменте. Четырёхтактные доминируют в автомобильном транспорте.
По конфигурации цилиндров: рядные (R3, R4, R6), V-образные (V6, V8, V12), оппозитные (боксеры), W-образные. По способу смесеобразования — с внешним (бензин) и внутренним (дизель) смесеобразованием.
¶Эффективность и термодинамика
КПД поршневого ДВС ограничен теоретическим пределом цикла Карно и составляет в реальности 25–40 % (у современных дизелей — до 45 %). Основные потери — теплопередача через стенки цилиндра, трение, невыгорание топлива, привод навесного оборудования. Повышение эффективности достигается турбонаддувом, изменяемой геометрией впускного коллектора, системой старт-стоп, рекуперацией тепла.
¶Применение
ДВС остаётся основным источником механической энергии в автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном транспорте, а также в электроэнергетике (дизель-генераторы), сельском хозяйстве и строительной технике. Несмотря на рост доли электрических силовых установок, мировой парк автомобилей с ДВС исчисляется миллиардами единиц, а производство таких двигателей остаётся одной из ключевых отраслей промышленности, включая российское машиностроение.
¶Историческая справка
Первый работающий четырёхтактный бензиновый двигатель построил немецкий инженер Николаус Отто в 1876 году. Дизельный двигатель запатентовал Рудольф Дизель в 1892 году. В России первые автомобильные двигатели создавались в начале XX века на заводах Руссо-Балт и АМО; в советское время выпуск ДВС был налажен на заводах ЗИЛ, КамАЗ, ВАЗ, ЯМЗ.
Источники:
- Классическая термодинамика и циклы тепловых двигателей, учебники по теории двигателей внутреннего сгорания (Теория ДВС, под ред. В.Д. Никифорова)
- Энциклопедические статьи о двигателе внутреннего сгорания
- История автомобильных двигателей, материалы заводов ВАЗ, КамАЗ, ЗИЛ