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:
- Использование бензина с высоким октановым числом (высокая детонационная стойкость).
- Применение принципа дизельного двигателя.
Дизельный двигатель (Рудольф Дизель, 1890 г.)
Принцип отличия от карбюраторного ДВС:
- В цилиндр на такте впуска засасывается чистый воздух.
- На такте сжатия воздух сжимается сильнее (до ~35 атм) и сильно нагревается.
- В раскалённый воздух впрыскивается жидкое топливо (солярка) через форсунку. Топливо воспламеняется от высокой температуры.
- 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.