ДВИ́ГАТЕЛЬ ВНУ́ТРЕННЕГО СГОРА́НИЯ (ДВС), тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в его рабочей полости (камере сгорания), преобразуется в механическую работу. Различают ДВС: поршневые, в которых работа расширения газообразных продуктов сгорания производится в цилиндре (воспринимается поршнем, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала) или используется непосредственно в машине, приводимой в действие; газотурбинные, в которых работа расширения продуктов сгорания воспринимается рабочими лопатками ротора; реактивные, в которых используется реактивное давление, возникающее при истечении продуктов сгорания из сопла. Термин «ДВС» применяют преимущественно к поршневым двигателям.

Что такое ДВС и для чего он нужен?

Устройство двигателя
Чтобы транспорт ехал, что-то должно приводить его в движение. В разные времена это были запряженные животные, затем на смену пришли паровые и электродвигатели (да, прародители современных автомобилей появились даже раньше, чем традиционные ДВС), затем моторы, работающие на горючем топливе.

Современный двигатель внутреннего сгорания – это механизм, преобразующий энергию вспышки топлива (тепла) в механическую работу. Несмотря на достаточно громоздкую конструкцию, на сегодняшний день ДВС остается самым удобным источником энергии.

Электротранспорт, конечно, всё больше входит в обиход, но время его «заправки» сводит на нет все преимущества – канистру с электричеством в багажник не положишь.

Свое применение ДВС нашел во многих сферах: по одинаковому принципу работают автомобили, мотоциклы и скутеры, сельскохозяйственная и строительная техника, водный транспорт, двигатели самолетов, военная техника, газонокосилки… То есть, практически всё, что ездит или летает.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.

Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.

1. Блок цилиндров (БЦ) – «оболочка» ЦПГ и всего двигателя в целом, в том числе с рубашкой системы охлаждения.

   Блок цилиндров

2. Кривошипно-шатунный механизм, он же КШМ – узел, в котором происходит преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное. Состоит из коленвала, поршней, шатунов, маховика, а также подшипников скольжения (вкладышей), на которые опирается коленвал и крепления шатунов.

   Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — колено; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун.

3. Газораспределительный механизм (ГРМ) – это система подачи в цилиндры топливно-воздушной смеси и отвода выхлопных газов. Состоит из распредвалов, клапанов с коромыслами или штангами, ремня ГРМ, благодаря которому вся система работает синхронно с оборотами коленвала.

   Газораспределительный механизм

4. Система питания – это узел, в котором происходит подготовка топливно-воздушной смеси, которая затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки установлены перед впускным клапаном каждого цилиндра), с непосредственным впрыском (форсунка установлена внутри камеры сгорания). Включает в себя топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опционально), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (в дизельных двигателях), воздухозаборника с воздушным фильтром.

   Система питания

5. Система смазки двигателя – обеспечивает подачу смазки в каждый из узлов трения, а также на участки, требующие дополнительного охлаждения (например, на нижнюю часть поршней). Состоит из масляного насоса, подключенного к коленвалу, системы трубок и каналов, выходящих на пары трения, масляного фильтра, масляного поддона. В зависимости от конструкции различаются двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. У первых емкость для сбора моторного масла расположена отдельно, во вторых – непосредственно под двигателем.

   Система смазки двигателя: 1 – масляный насос; 2 – пробка сливного отверстия картера; 3 – маслоприемник; 4 – редукционный клапан; 5 – отверстие для смазывания распределительных шестерен; 6 – датчик сигнальной лампы аварийного давления масла; 7 – датчик указателя давления масла; 8 – кран масляного радиатора; 9 – масляный радиатор; 10 – масляный фильтр.

6. Система зажигания – нужна для поджига топливной смеси в камере сгорания. Применяется только на бензиновых двигателях, поскольку дизтопливо воспламеняется само от сжатия. Включает в себя свечи зажигания, высоковольтные провода, катушки зажигания, а также распределитель (трамблер) на двигателях старого типа. В современных моторах система зажигания обходится без трамблера и даже без проводов: используется конструкция «катушка на свече».

   Система зажигания двигателя: 1 – генератор; 2 – выключатель зажигания; 3 – распределитель зажигания; 4 – кулачок прерывателя; 5 – свечи зажигания; 6 – катушка зажигания; 7 – аккумуляторная батарея.

7. Система охлаждения – заботится о поддержании заданной рабочей температуры двигателя. Жидкостная система охлаждения состоит из теплоносителя (охлаждающей жидкости, антифриза), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.

   Система охлаждения

8. Электросистема – это источники энергии, необходимой для старта двигателя и поддержания его работы. К электросистеме относится аккумуляторная батарея, генератор, стартер, проводка и датчики работы двигателя.
9. Выхлопная система – отводит продукты сгорания из двигателя, выполняет функцию доочистки выхлопных газов, регулирует звук работы мотора. Состоит из выпускного коллектора, катализатора и сажевого фильтра (опционально), резонатора, глушителя.

Выхлопная система
Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

1. Воздух.
2. Пар.
3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Принцип работы двигателя

Во всех ДВС, какой бы конструкции они ни были, используется один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения при сгорании топлива сначала в прямолинейное, а затем во вращательное движение.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя
Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации. Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта). Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

1. На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
2. Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
3. Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
4. И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя
По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя
Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

1. В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
2. Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя
Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.

Классификация двигателей

Поскольку ДВС растут и совершенствуются уже более 100 лет, набралось довольно много их разновидностей. Классифицируют двигатели по разным признакам и свойствам.

По рабочему циклу

Это уже известное нам деление двигателей на двухтактные и четырехтактные.

1. Двухтактные – один полный рабочий цикл состоит из двух этапов, при этом коленвал совершает один оборот;
2. Четырехтактные – за один полный рабочий цикл проходит четыре этапа, а коленвал делает два оборота.

По типу конструкции

Есть два основных типа ДВС: поршневой и роторный.

1. Поршневой – это тот самый привычный нам двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом, который стоит практически в любом транспорте;
2. Роторно-поршневой, он же двигатель Ванкеля – особый вид ДВС, в котором вместо поршня используется трехгранный ротор, а камера сгорания имеет овальную форму. Двигатель Ванкеля использовался в некоторых моделях автомобилей, но сложность производства и обслуживания заставила инженеров отказаться от применения этой конструкции.

Работа роторного двигателя

По количеству цилиндров

В ЦПГ двигателя может устанавливаться от 1 до 16 цилиндров, для легковых автомобилей это обычно 3-8. Как правило, конструкторы предпочитают четное количество цилиндров, чтобы уравновесить циклы их работы. Самое известное исключение из правил – двигатель Ecoboost, разработанный концерном Ford, во многих моделях которого ставится как раз три цилиндра.

По расположению цилиндров

Компоновка ЦПГ не всегда рядная (хоть рядный двигатель – самый простой в ремонте и обслуживании). В зависимости от фантазии инженеров, двигатели делятся на несколько типов компоновки:

1. Рядные – все цилиндры выстроены в один ряд и на один коленвал. Работа рядного двигателя
2. V-образные – два ряда цилиндров, установленные под углом от 45 до 90 градусов на один коленвал.

   Работа V-образного двигателя

3. VR-образные – два ряда цилиндров с маленьким углом развала, 10-20 градусов, установленные на один коленвал.

   Работа VR-образного двигателя

4. W-образные – представляют собой блок из 3 или 4 рядов цилиндров, установленных на один коленвал.

   Работа W-образного двигателя

5. U-образные – два параллельных ряда цилиндров, установленные на два коленвала, объединенных в один силовой блок. Работа U-образного двигателя
6. Оппозитные – с двумя рядами цилиндров, установленными горизонтально под 180 градусов друг к другу на один коленвал. Работа оппозитного двигателя
7. Встречные – особая конструкция двигателя, в котором на каждый цилиндр приходится два поршня, движущихся во встречных направлениях. По сути, это одна цилиндро-поршневая группа, установленная на два коленвала.

   Работа встречного двигателя

8. Радиальные – с круговым размещением ЦПГ, установленной на коленвал, расположенный в центре.

Работа радиального двигателя
В легковых автомобилях используются рядные, V-, VR-, W- и U-образные двигатели, а в некоторых моделях и оппозитные. А вот радиальные применяются в авиационной технике.

По типу топлива

Классика жанра здесь – бензиновые и дизельные двигатели. Набирают популярность газовые, постепенно совершенствуются гибридные и водородные.

1. Бензиновые двигатели требуют поджига топливно-воздушной смеси. Для этого используются свечи и катушки зажигания, работающие синхронно с движением коленвала. Особенность бензиновых двигателей – способность развивать большую скорость;
2. Дизельные двигатели работают по принципу самовоспламенения топливно-воздушной смеси. В них нет свечей зажигания, зато есть система прямого впрыска, требующая подачи топлива под большим давлением. Для запуска двигателя используются свечи накаливания, которые предварительно подогревают воздух и отключаются после прогрева камеры сгорания. Дизельные двигатели способны развивать большую мощность, но не скорость, поэтому используются в тяжелой технике;
3. Газовые установки популярны за счет низкой стоимости сжиженного газа (по сравнению с бензином). Газовые двигатели работают при более высоких температурах, чем бензиновые или дизельные, что, в свою очередь, требует качественной работы системы охлаждения и особого моторного масла;
4. Гибридные – это комбинация ДВС и электромотора. В стандартном режиме вождения задействован только электрический мотор, а ДВС задействуется при необходимости повысить нагрузку или подзарядить аккумуляторы;
5. Водородные двигатели до недавнего времени были довольно опасны: кислород и водород, выработанные из воды путем электролиза, сгорали нестабильно и с риском детонации. Сравнительно недавно был найден другой способ использования водородно-кислородного соединения: водород заправляется в баки (причем заправка длится около 3 минут), кислород захватывается из воздуха, после чего они поступают на электрогенератор, а не в ДВС. По сути, получается процесс, обратный процессу электролиза, в результате которого образуется электроэнергия и вода. Первым автомобилем с водородной силовой установкой стала Toyota Mirai.

По принципу работы ГРМ

Ключевой элемент газораспределительного механизма – распредвал, объединенный с коленвалом двигателя с помощью ремня или цепи ГРМ. Распредвал за счет своей конструкции регулирует работу клапанов, и вся система работает синхронно с частотой оборотов двигателя. Обрыв ремня ГРМ – почти всегда путь на капремонт.

В зависимости от компоновки ЦПГ в двигателе может стоять 1 распредвал, если двигатель рядный, или 2-4 распредвала, если это V-образная компоновка.

Однако стандартная система ГРМ перестала отвечать современным требованиям к мощности и экономичности двигателей. И теперь, кроме стандартной механической системы, есть адаптивные системы, такие как Honda i-VTEC, VTEC-E и DOHC, Toyota VVT-i, Mitsubishi MIVEC, разработки компаний Volkswagen и Eco-Motors, а также пневматическая система ГРМ, установленная на Koenigsegg Regera и в перспективе добавляющая 30% мощности двигателю.

По принципу подачи воздуха

Еще одна классификация, которая часто встречается в обиходе: деление двигателей на атмосферные и турбированные.

1. Атмосферный двигатель – это тот самый ДВС, который затягивает порцию воздуха при движении поршня в цилиндре вниз. Подача кислорода идет стандартным способом;
2. Турбина (турбокомпрессор) – это дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания. Турбокомпрессор работает за счет потока выхлопных газов, вращающих турбину, которая, в свою очередь, нагнетает крыльчаткой воздух во впускной коллектор.

Работа двигателя с турбиной
Турбированные двигатели имеют свои преимущества и недостатки: с одной стороны, чем больше воздуха, тем больше мощности может развить двигатель. С другой – эффект турбоямы способен серьезно попортить нервы любителю спортивной езды. Да и лишний узел – лишнее слабое место, так что турбированные двигатели (или битурбо, как называют мотор с двумя турбинами) нравятся далеко не всем. Иногда хорошо собранный а любой наддув.

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

• Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

• «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
• Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
• Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
• Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
• Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки ДВС

1. Если говорить о преимуществах двигателей внутреннего сгорания, то на первое место выйдет удобство для пользователя. За столетие бензиновой эпохи мы обросли сетью АЗС и даже не сомневаемся, что всегда будет возможность заправить машину и ехать дальше. Есть риск не встретить заправочную станцию – не беда, можно взять с собой бензин в канистрах. Именно инфраструктура делает использование ДВС таким комфортным.
2. С другой стороны, заправка двигателя топливом занимает пару минут, проста и доступна. Залил бак – и едь себе дальше. Это не идет ни в какое сравнение с подзарядкой электромобиля.
3. Способность служить долго при грамотном обслуживании – то, чем могут похвастаться знаменитые двигатели-миллионники. Регулярное своевременное ТО способно сохранить работоспособность мотора на очень долгий срок.
4. И, конечно, не будем забывать про милый сердцу рев мощного мотора. Настоящий, честный, совершенно не похожий на озвучку современных электрокаров. Не зря же некоторые автоконцерны специально настраивали звук двигателей своих машин.

Какой же основной недостаток у ДВС?

1. Конечно, это низкий КПД — в пределах 20-25%. Самый высокий на сегодняшний день показатель КПД среди ДВС – 38%, который выдал двигатель Toyota VVT-iE. По сравнению с этим электромоторы смотрятся гораздо выигрышней, особенно с системами рекуперативного торможения.
2. Второй значительный минус – это общая сложность всей системы. Современные двигатели давно перестали быть такими «простачками», как описывается в схеме классического ДВС. Наоборот, требования к моторам становятся всё выше, сами моторы – более точными и сложными, появляются новые технологии и инженерные решения. Всё это дополнительно усложняет конструкцию двигателя, и чем она сложней, тем больше в ней слабых мест.

Так что, если раньше сосед дядя Вася перебирал двигатель своей «копейки» самостоятельно, но на новеньких современных машинах вряд ли кто-то полезет в тонкую систему ДВС без специального оборудования и инструментов.

И, наконец, нефтяная эра сама по себе отходит в прошлое. Не зря же растут требования к экологической безопасности транспорта, а заодно и эффективность солнечных батарей. Да, бензиновые и дизельные моторы еще не скоро исчезнут с улиц, но уже Европа борется за внедрение электромобилей, благодаря которым человечество когда-нибудь забудет слово «бензиновый смог».

Историческая справка

Идея создания ДВС впервые предложена Х. Гюйгенсом в 1678; в качестве топлива должен был использоваться порох. Первый работоспособный газовый ДВС сконструирован Э. Ленуаром (1860). Бельгийский изобретатель А. Бо де Роша предложил (1862) четырёхтактный цикл работы ДВС: всасывание, сжатие, горение и расширение, выхлоп. Немецкие инженеры Э. Ланген и Н. А. Отто создали более эффективный газовый двигатель; Отто построил четырёхтактный двигатель (1876). По сравнению с паромашинной установкой такой ДВС был более прост и компактен, экономичен (кпд достигал 22%), имел меньшую удельную массу, но для него требовалось более качественное топливо. В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный поршневой двигатель. В 1897 Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением топлива от сжатия. В 1898–99 на (С.-Петербург) изготовили дизель, работающий на нефти. Совершенствование ДВС позволило применять его на транспортных машинах: тракторе (США, 1901), самолёте (О. и У. Райт, 1903), теплоходе «Вандал» (Россия, 1903), тепловозе (по проекту Я. М. Гаккеля, Россия, 1924).