§ 24. Двигатель внутреннего сгорания

РЕВОЛЮЦИЯ ДВС И ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

В конце XIX столетия в энергетике произошла подлинная революция: на смену громоздким паровым машинам с их огромными топками, котлами и трубами высокого давления пришли компактные и мощные двигатели нового поколения.

• Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют тепловой двигатель, в котором сжигание жидкого или газообразного топлива происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра, а образующиеся раскалённые газы служат расширяющимся рабочим телом.

Отсутствие внешнего котла и передаточных паропроводов позволило сделать двигатель лёгким, быстро запускаемым и способным развивать высокую удельную мощность на единицу массы. ДВС стали незаменимым приводом для автомобилей, самолётов, тепловозов, морских и речных судов, тракторов, мотоциклов и мобильных электрических генераторов.

Конструкция простейшего одноцилиндрового четырёхтактного двигателя состоит из следующих ключевых узлов:

• Цилиндр: массивный металлический корпус с гладкими внутренними стенками и охлаждающей рубашкой, внутри которого происходят сгорание топлива и расширение газов.
• Поршень: металлический стакан с уплотнительными пружинящими кольцами, плотно прилегающий к стенкам цилиндра и совершающий возвратно-поступательное движение.
• Шатун и коленчатый вал (кривошипно-шатунный механизм): преобразуют прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.
• Маховик: тяжёлое массивное колесо на коленчатом валу. Накапливая кинетическую энергию во время рабочего хода, маховик продолжает вращаться по инерции и плавно проводит поршень через все подготовительные такты цикла.
• Газораспределительный механизм: впускной и выпускной клапаны в головке цилиндра, которые герметично запирают или поочерёдно открывают каналы в строго определённые моменты времени.
• Система зажигания: запальная свеча, между электродами которой проскакивает электрическая искра (в бензиновых двигателях), либо форсунка высокого давления (в дизелях).

Крайние точки движения поршня называют мёртвыми точками:

• Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — наивысшее положение поршня в цилиндре.
• Нижняя мёртвая точка (НМТ) — наинизшее положение поршня.
• Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня, а процесс, совершающийся за один такой ход, — тактом.

ЧЕТЫРЁХТАКТНЫЙ РАБОЧИЙ ЦИКЛ

Совокупность всех последовательных процессов, приводящих к превращению теплоты сгорания топлива в механическую работу, называют рабочим циклом.

В четырёхтактном двигателе полный рабочий цикл складывается из четырёх тактов (ходов поршня) и совершается ровно за два полных оборота коленчатого вала (на каждый такт приходится поворот вала на 180° или пол-оборота):

1. Такт 1 — Впуск:

Впускной клапан открывается, выпускной закрыт. Поршень движется из ВМТ вниз к НМТ. Объём пространства над поршнем увеличивается, давление в цилиндре падает ниже атмосферного (создаётся разрежение). Под действием разности давлений через впускной канал в цилиндр устремляется горючая смесь паров бензина с воздухом (в карбюраторных и инжекторных моторах) либо чистый профильтрованный воздух (в дизельных моторах). По достижении НМТ впускной клапан плотно захлопывается.

1. Такт 2 — Сжатие:

Оба клапана герметично закрыты. Коленчатый вал по инерции продолжает вращение, и шатун толкает поршень вверх от НМТ к ВМТ. Горючая смесь сжимается в малом объёме камеры сгорания: её объём уменьшается в 8–12 раз. При быстром механическом сжатии давление возрастает до (6–10) · 10⁵ Па, а температура смеси подскакивает до 300–350 °C. В момент, когда поршень почти доходит до ВМТ, на свече зажигания проскакивает мощная электрическая искра, поджигающая сжатую смесь.

1. Такт 3 — Рабочий ход (расширение):

Это главный и единственный полезный такт всего цикла! Оба клапана по-прежнему герметично закрыты. Топливо мгновенно сгорает за сотые доли секунды. Температура раскалённых газообразных продуктов горения взлетает до 1800–2000 °C, а давление подскакивает до колоссальных (20–35) · 10⁵ Па (от 20 до 35 атмосфер). Расширяясь, раскалённые газы с гигантской силой давят на поршень и толкают его вниз к НМТ, приводя через шатун во вращение коленчатый вал. Здесь внутренняя энергия топлива переходит в механическую работу. Совершая работу расширения, газы отдают энергию и охлаждаются.

1. Такт 4 — Выпуск:

Выпускной клапан открывается, впускной остаётся закрытым. Поршень, подталкиваемый вращающимся по инерции маховиком, идёт вверх от НМТ к ВМТ. Он вытесняет отработавшие выхлопные газы наружу в выхлопную трубу при давлении (1,05–1,15) · 10⁵ Па. В ВМТ выпускной клапан закрывается. Четырёхтактный цикл полностью завершён и немедленно повторяется сначала.

СРАВНЕНИЕ БЕНЗИНОВЫХ И ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Исторически первыми надёжными двигателями внутреннего сгорания стали бензиновые моторы, появившиеся в конце XIX века. В них горючая смесь бензина и воздуха готовилась снаружи в специальном приборе — карбюраторе, где поток засасываемого воздуха распылял жидкое топливо в тончайшую взвесь (в современных авто карбюраторы уступили место точным электронным инжекторам, распыляющим бензин форсунками).

В 1897 году выдающийся немецкий инженер Рудольф Дизель (1858–1913) создал принципиально новый тип двигателя, названный в его честь:

• Принцип самовоспламенения от сжатия: в цилиндр дизеля на такте впуска засасывается исключительно чистый атмосферный воздух. На такте сжатия этот воздух подвергается экстремальному сжатию под давлением (30–36) · 10⁵ Па, в результате чего его температура подскакивает до 500–600 °C.
• Впрыск топлива без искры: в конце сжатия в раскалённый воздух через специальную форсунку под колоссальным давлением (120–125) · 10⁵ Па впрыскивается жидкое дизельное топливо (солярка). Соприкасаясь с горячим воздухом, распылённое топливо мгновенно самовоспламеняется без участия свечи зажигания.
• Давление газов при рабочем ходе в дизеле достигает огромных (45–80) · 10⁵ Па, а температура — 1600–1800 °C.

Преимущества и особенности дизелей:

• Дизельные двигатели обладают самым высоким коэффициентом полезного действия среди поршневых машин (до 40–45% по сравнению с 25–30% у бензиновых моторов).
• Они потребляют более дешёвое тяжёлое топливо, надёжны и долговечны.
• Из-за высоких внутренних нагрузок дизели традиционно делали массивными и тяжёлыми, поэтому они долго служили приводом тепловозов, кораблей, тракторов и грузовиков. Сегодня современные компактные дизели широко используются и в легковых автомобилях.
• В выхлопных газах дизеля содержится существенно меньше опасного угарного газа (CO), хотя и образуется больше сажи и оксидов азота.

МНОГОЦИЛИНДРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В простом одноцилиндровом моторе рабочий ход совершается лишь в течение одного из четырёх тактов. Во время трёх остальных тактов вал вращается только по инерции за счёт запасённой энергии маховика, что неизбежно вызывает сильные вибрации и неравномерность вращения.

Поэтому в современных автомобилях, судах и самолётах используют многоцилиндровые двигатели (4, 6, 8, 12 и более цилиндров), объединённые общим коленчатым валом. Работа цилиндров строго согласована: когда в одном цилиндре совершается рабочий ход, во втором идёт впуск, в третьем — сжатие, а в четвёртом — выпуск. В результате коленчатый вал непрерывно получает крутящий момент, вращается мягко, равномерно и обеспечивает огромную суммарную мощность.