Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Ключевые тезисы

  • Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — основной источник механической работы на планете, пришедший на смену паровым машинам.
  • Главное отличие от паровой машины — горение топлива происходит внутри цилиндра, а не снаружи (в котле).
  • Наиболее распространён четырёхтактный карбюраторный двигатель, изобретённый Николаусом Отто.
  • Рабочее тело двигателя — раскалённый воздух, а пары бензина нужны для его нагрева.
  • Для равномерной работы и запуска двигателю необходим маховик (инерция) или несколько цилиндров.
  • Мощность двигателя ограничена явлением детонации.
  • Альтернативой карбюраторному двигателю является дизельный двигатель, обладающий большей мощностью и экономичностью.

Историческая справка

  • 1860 год: Французский инженер Ленуар создал первый ДВС. Его КПД был всего 3,3%.
  • 1878 год: Немецкий инженер Николаус Отто создал четырёхтактный двигатель с КПД 24%, который лежит в основе современных моторов.

Принцип работы четырёхтактного карбюраторного ДВС

🛠️ Подготовка рабочей смеси: карбюратор

Карбюратор — устройство для приготовления горючей смеси паров бензина с воздухом.

  • Принцип работы: Воздух из атмосферы засасывается двигателем через суженную часть карбюратора, где его скорость возрастает, а давление падает. За счёт разности давлений бензин поднимается из поплавковой камеры через жиклёр (очень малое отверстие), распыляется и смешивается с воздухом.
  • Нормальная смесь: 1 кг бензина на 15 кг воздуха.
  • Обогащённая смесь (много бензина) используется для запуска холодного двигателя. Если она слишком богатая, бензин не сгорает полностью (чёрный дым из выхлопной трубы).

🔧 Устройство двигателя

Основные элементы аналогичны паровой машине, но с добавлением систем подачи и воспламенения топлива:

  • Цилиндр с поршнем (с поршневыми кольцами для герметичности).
  • Кривошипно-шатунный механизм и маховик (или коленчатый вал в многоцилиндровых двигателях).
  • Два клапана в верхней части: впускной (связан с карбюратором) и выпускной (связан с выхлопной трубой).
  • Свеча зажигания для поджига смеси высоковольтной искрой (~10 000 В).

🔄 Четыре такта рабочего цикла

Рабочий цикл состоит из четырёх тактов, за которые коленчатый вал совершает два оборота.

Такт (№ и название) Движение поршня Состояние клапанов Давление в цилиндре Температура в цилиндре
Впускной Выпускной
1. Впуск Вниз Открыт Закрыт ~0.9 атм
2. Сжатие Вверх Закрыты Закрыты от 0.9 до 9 атм
3. Рабочий ход Вниз Закрыты Закрыты от 35 до 6 атм
4. Выпуск Вверх Закрыт Открыт ~1.1 атм

Пояснения:

  • Мёртвые точки: Верхняя (ВМТ) и нижняя (НМТ) — положения, где плечо силы равно нулю, и поршень не может начать движение без инерции маховика.
  • Зажигание: Происходит в конце такта сжатия, когда поршень находится около ВМТ.
  • Рабочее тело: Основную работу совершает раскалённый воздух, расширяющийся при сгорании паров бензина.
  • Глушитель: Снижает шум от выхлопа, но создаёт обратное давление, уменьшая мощность двигателя примерно на 30%.

Особенности работы и запуска

  • Запуск: Двигатель не может запуститься сам. Необходимо внешнее усилие (стартер или ручная прокрутка) для прохождения тактов впуска и сжатия. Только после этого на рабочем ходе двигатель начинает работать самостоятельно.
  • Роль маховика: Обеспечивает инерцию для прохождения нерабочих тактов (впуск, сжатие, выпуск). В одноцилиндровом двигателе полезная работа совершается только в одном такте из четырёх.
  • Многоцилиндровые двигатели: Используются (чаще 4 цилиндра) для равномерности работы. Пока в одном цилиндре идёт рабочий ход, в других происходят остальные такты. Это позволяет уменьшить размер маховика.

Повышение мощности и ограничения

  • Степень сжатия: Один из способов повысить мощность — увеличить степень сжатия рабочей смеси.
  • Детонация: Явление самовоспламенения смеси в неположенный момент из-за слишком высокой степени сжатия. Приводит к возникновению ударной волны, перегреву и разрушению двигателя.
  • Борьба с детонацией:
    1. Использование бензина с высоким октановым числом (высокая детонационная стойкость).
    2. Применение принципа дизельного двигателя.

Дизельный двигатель (Рудольф Дизель, 1890 г.)

Принцип отличия от карбюраторного ДВС:

  1. В цилиндр на такте впуска засасывается чистый воздух.
  2. На такте сжатия воздух сжимается сильнее (до ~35 атм) и сильно нагревается.
  3. В раскалённый воздух впрыскивается жидкое топливо (солярка) через форсунку. Топливо воспламеняется от высокой температуры.
  4. Далее следует рабочий ход и выпуск.

Преимущества дизеля:

  • Отсутствие карбюратора (нет жиклёра) и системы зажигания (нет свечи, катушки).
  • Можно использовать более дешёвое топливо.
  • Большая мощность при той же массе.
  • Недостаток: Более вредный выхлоп. Используется в мощных установках (тепловозы, корабли, грузовики).

Выводы
Двигатель внутреннего сгорания — сложная циклическая тепловая машина, преобразующая энергию сгорания топлива в механическую работу. Его эффективность и мощность являются результатом компромисса между степенью сжатия, детонационной стойкостью топлива, количеством цилиндров и комфортом использования (глушитель). Дизельный двигатель предлагает альтернативу с более высокой эффективностью, но своими экологическими особенностями.