Двигатель внутреннего сгорания

Дв гатель вн треннего сгор ния и́ у́ а́ — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания:• принципиально проще. • нет парокотёльного агрегата.• компактнее• легче• экономичнее• требует газообразное и жидкое топливо

лучшего качества.

История создания

Этьен Ленуар (фр. Jean Joseph Etienne Lenoir, 12 января 1822, Мюсси-ла-Виль, Мюсон, Люксембург, Бельгия — 4 августа 1900, Ла-Варан-Сент-Илер, Сен-Мор-де-Фоссе, Вал-де-Марн, Франция) — французский изобретатель бельгийского происхождения

Первый практически пригодный газовый

двигатель внутреннего сгорания был

сконструирован французским механиком Этьеном

Ленуаром (1822—1900) в 1860 году. Мощность

двигателя составляла 8,8 кВт (12 л. с.). Двигатель

представлял собой одноцилиндровую

горизонтальную машину двойного действия,

работавшую на смеси воздуха и светильного газа

с электрическим искровым зажиганием от

постороннего источника. К.п.д. двигателя не

превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки,

двигатель Ленуара получил некоторое

распространение. Использовался как лодочный

двигатель.

История создания

Николаус Август Отто (нем. Nicolaus August Otto, 10 июня 1832, Хольцхаузен, Таунус — 26 января 1891, Кёльн) - немецкий инженер и изобретатель-самоучка

Познакомившись с двигателем Ленуара

выдающийся немецкий конструктор Николай

Аугуст Отто (1832—1891) создал в 1863

двухтактный атмосферный двигатель

внутреннего сгорания. Двигатель имел

вертикальное расположение цилиндра, зажигание

открытым пламенем и к.п.д. до 15 %. Вытеснил

двигатель Ленуара.

В 1876 Николаус Аугуст Отто построил более

совершенный четырехтактный газовый

двигатель внутреннего сгорания.

В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович в

России построил первый бензиновый

карбюраторный двигатель.

История созданияВ 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и

Вильгельм Майбах разработали легкий бензиновый

карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах

использовали его для создания первого мотоцикла в

1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.

Готт

либ

Виль

гель

м Д

айм

лер.

Аугу

ст В

ильг

ельм

Май

бах

История созданияНемецкий инженер Рудольф Дизель стремился повысить

эффективность двигателя внутреннего сгорания и в

1897 предложил двигатель с воспламенением от

сжатия. На заводе «Людвиг Нобель» Эммануила

Людвиговича Нобеля в Петербурге в 1898—1899

усовершенствовали этот двигатель, что позволило

применить в качестве топлива нефть. В 1899 на заводе

«Людвиг Нобель» построили первый дизель в России и

развернули массовое производство дизелей. Этот

первый дизель имел мощность 20 л. с., один цилиндр

диаметром 260 мм, ход поршня 410 мм и частоту

вращения 180 об/мин. В Европе дизельный двигатель,

усовершенствованный Эммануилом Людвиговичем

Нобелем, получил название «русский дизель».

Руд льф Кристи н Карл о́ а́Д зель (нем. и́ Rúdolf Chrístian Karl Diésel; 18 марта 1858, Париж — 29 сентября 1913, Ла-Манш) — немецкий инженер и изобретатель, создатель дизельного двигателя.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневые двигатели — камера сгорания содержится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют:а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и

специальные.б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые

жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор) и

внутреннее (в цилиндре ДВС).г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с

воспламенением от сжатия, калоризаторные).д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные,

оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, "двойной веер", ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые двигателиБензиновые карбюраторныеСмесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь

подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторныеТакже, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во

впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется с помощью электронного блока управления (ЭБУ), управляющего электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные двигателиДизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без

использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Роторно-поршневые двигателиПредложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя —

треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 "Жигули", ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (комбинированный ДВС) — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины.

Принцип работы основан на использовании энергии отработавших газов. Поток выхлопных газов попадает на крыльчатку турбины (закреплённой на валу), тем самым раскручивая её и находящиеся на одном валу с нею лопасти компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя. Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большая смесь воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.Как правило, у турбодвигателей меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.

Четырёхтактный двигательЧетырёхтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего

сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Этими тактами являются:

Впуск — (такт впуска, поршень идёт вниз) свежая порция топливо-воздушной смеси всасывается в цилиндр через открытый впускной клапан.

Сжатие (такт сжатия, поршень идёт вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и топливо-воздушная смесь сжимается в объёме.

Рабочий ход (такт рабочего хода, поршень идёт вниз) сжатое топливо воспламеняется свечой зажигания, расположенной над поршнем, при сгорании высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз. Фактически на такте рабочего хода происходит работа двигателя.

Выпуск (такт выпуска, поршень идёт вверх) на этом такте открываются выпускные клапаны, и выхлопные газы, проходя через них, очищают цилиндр.

По окончании 4-го такта всё повторяется в том же порядке.

Двухтактный двигательДвухт ктный дв гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в а́ и́

котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мёртвой точки.

В связи с тем, что в двухтактном двигателе, при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала, рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше, чем четырёхтактных — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена — продувки, а сам газообмен менее совершенен, чем у четырехтактных двигателей.

В отличие от четырёхтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в совершенных двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха под давлением, создаваемым специальным продувочным насосом — воздуходувкой, а сам процесс газообмена получил название — продувка.

Двухтактный двигатель

Четырехтактный двигатель

Роторно-поршневой двигатель

Шеститактный двигательШеститактный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, для

которого за основу взят четырёхтактный двигатель, но в нём в конструкцию введены новые элементы, повышающие его КПД и снижающие потери.

Два разных типа шеститактных двигателей развивались с 1990-х годов.При первом подходе двигатель задерживает потери тепла от

четырёхтактного цикла Отто или цикла Дизеля, и использует их в качестве дополнительной мощности и во время выпускного хода поршня в том же самом цилиндре. В конструкциях таких двигателей используется пар или воздух в качестве рабочей среды для добавочного хода поршня, при котором вырабатывается мощность. Поршни в этом типе шеститактных двигателей движутся вперёд и назад три раза после каждого впрыска топлива. В этом случае имеется два рабочих хода — один с топливом, а другой с паром или воздухом.

При втором подходе шеститактные двигатели используют в каждом цилиндре второй поршень, расположенный напротив основного, который движется с частотой, равной половине частоты основного поршня, и таким образом имеется шесть ходов поршней за каждый цикл. Функционально второй поршень заменяет клапанный механизм традиционного двигателя, но к тому же ещё и увеличивает степень сжатия.

КПД ДВСДвигатели Отто имеют КПД около 35 % — иными словами, 35 % энергии,

генерируемой при сжигании топлива, преобразуется в энергию вращательного движения выходного вала двигателя, а остальное теряется в виде тепла. Для сравнения: шеститактный двигатель может преобразовывать в полезную вращательную энергию более 50 % энергии, высвобождаемой при горении топлива.

Современные двигатели часто конструктивно имеют намеренно меньший КПД, чем они могли бы иметь. Это необходимо для уменьшения выбросов с помощью таких средств как система рециркуляции выхлопных газов и каталитический конвертер.

Уменьшению КПД можно препятствовать с помощью системы контроля двигателя, использующей технологии эффективного сжигания топлива.