Двигатель внутреннего сгорания - одно из величайших изобретений человечества, позволившее революционизировать транспорт и ускорить темп жизни. В этой статье мы подробно разберем принцип работы, историю создания, виды, достоинства и недостатки ДВС.
История создания ДВС
История двигателя внутреннего сгорания началась еще в XVII веке, когда голландский ученый Христиан Гюйгенс выдвинул идею использовать в качестве топлива порох. Однако практические эксперименты создания ДВС начались только в XVIII веке.
Первым прототипом ДВС можно считать пневматический двигатель, сконструированный французским изобретателем Филиппом Лебоном в 1801 году. Он использовал в качестве топлива осветительный газ.
В 1807 году швейцарец Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший на смеси водорода и кислорода. Однако конструкция Риваза была еще несовершенна и не получила широкого применения.
Настоящий прорыв произошел в 1860 году, когда бельгийский инженер Этьен Ленуар сконструировал газовый двигатель двойного действия (с двумя рабочими ходами поршня) и успешно применил его на практике.
В 1867 году немецкий инженер Николаус Август Отто изобрел 4-тактный бензиновый двигатель, а в 1893 году немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал дизельный двигатель. Именно эти конструкции и легли в основу современных поршневых ДВС.
Благодаря таким изобретателям как Карл Бенц, Готлиб Даймлер, братья Райт, Фердинанд Порше и другие, ДВС быстро нашел применение в автомобилях, самолетах, кораблях и локомотивах в конце XIX - начале XX века. Это привело к настоящей транспортной революции в обществе.
В 1930-1940-х годах началась активная разработка реактивных и ракетных двигателей, открывшая человечеству путь в космос. Сегодня ДВС продолжают совершенствоваться и развиваться.
Принцип работы ДВС
Любой двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию топлива в механическую работу посредством расширения газов, образующихся при сгорании топлива внутри самого двигателя.
Рабочий цикл ДВС состоит из нескольких тактов: впуск рабочего тела (чаще всего воздуха) в цилиндр, сжатие, подача и воспламенение топлива, расширение продуктов сгорания и выпуск отработанных газов.
По числу тактов ДВС делятся на 2-тактные и 4-тактные. В 2-тактном двигателе впуск продувочного воздуха и выпуск отработавших газов происходит за один оборот коленвала, в 4-тактном - за два.
Относительно простые 2-тактные двигатели обычно менее экономичны и более "грязные". В автомобилях чаще используют 4-тактные моторы, хотя 2-тактные до сих пор применяются в мопедах, мотороллерах, газонокосилках.
По способу воспламенения топливной смеси ДВС делятся на двигатели внешнего сгорания (паровые машины) и внутреннего сгорания. Последние подразделяются на двигатели с воспламенением от сжатия (дизели) и с принудительным воспламенением - от искры свечи зажигания (карбюраторные и инжекторные бензиновые, газовые двигатели).
В дизеле воздух в цилиндре сильно сжимается, нагревается и самовоспламеняет впрыснутое топливо. В бензиновых двигателях топливная смесь сжимается относительно слабо, поэтому требуется искра от свечи зажигания.
Газотурбинные и реактивные двигатели имеют непрерывный процесс горения. Это позволяет получить большую мощность при меньших размерах. Но для наземного транспорта они пока малопригодны из-за низкой экономичности.
Основные виды ДВС
Существует множество разновидностей ДВС, отличающихся конструкцией, принципом работы, используемым топливом. Рассмотрим основные из них.
Поршневые ДВС
Наиболее распространенный тип ДВС. В цилиндре двигателя движется поршень, соединенный шатуном с коленчатым валом. В зависимости от топлива поршневые ДВС делятся на:
- Бензиновые (карбюраторные или с впрыском)
- Дизельные
- Газовые (на сжиженном газе, биогазе, водороде)
Бензиновые двигатели имеют высокую удельную мощность, но требуют дорогостоящего высокооктанового топлива. Дизели экономичнее и долговечнее, но более шумные.
Роторно-поршневые ДВС
В этих двигателях вместо поршней используется вращающийся треугольный ротор, повторяющий цикл Отто или Дизеля. Пример - роторный двигатель Ванкеля (в автомобилях Мазда).
Реактивные ДВС
Создают тягу за счет выброса струи газов, получаемых от сжигания топлива. Используются в авиации, ракетостроении. Виды:
- Турбореактивные (с турбиной)
- Пульсирующие (прямоточные)
- Ракетные (на твердом топливе)
Обладают высокой мощностью и тягой при компактности, но пока слишком неэкономичны для автомобилей.
Газотурбинные ДВС
Имеют непрерывный процесс горения топлива. Воздух сжимается компрессором и подается в камеру сгорания. Отработавшие газы раскручивают газовую турбину, связанную с компрессором. Используются в энергетике, на судах, в танках.
Комбинированные ДВС
Сочетают в себе поршневой двигатель и газовую турбину. Например, дизель или бензиновый двигатель с турбонаддувом. Позволяют значительно повысить мощность по сравнению с обычными поршневыми ДВС.
Другой пример - газопоршневые установки, использующие запальную порцию дизельного топлива для работы на более дешевом газе.
Свободнопоршневые ДВС
Поршень в них не связан жестко с коленвалом, а движется свободно в цилиндре, отдавая энергию сжатого газа. Чаще всего применяются как компрессоры.
Достоинства и недостатки ДВС
Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд важных преимуществ по сравнению с другими типами двигателей:
- Высокая удельная мощность и компактные размеры.
- Относительная простота конструкции и обслуживания.
- Доступность и низкая стоимость топлива (бензин, дизельное топливо).
- Хорошая экономичность крупных медленноходных дизелей (КПД до 50%).
Вместе с тем, ДВС обладают и рядом недостатков:
- Выброс в атмосферу вредных веществ с отработавшими газами.
- Высокий уровень шума и вибрации.
- Невысокий КПД на неполных режимах работы.
- Потребность в регулярном техобслуживании.
Пути снижения токсичности ДВС
Чтобы снизить токсичность отработавших газов ДВС, применяют следующие методы:
- Использование неэтилированного бензина.
- Применение каталитических нейтрализаторов.
- Рециркуляция отработавших газов (EGR).
- Совершенствование процесса сгорания топлива.
- Переход на более чистые виды топлива.
Благодаря таким мерам, выбросы вредных веществ современными двигателями снижены в разы по сравнению с моторами 20-30-летней давности. Тем не менее, дальнейшее совершенствование ДВС в плане экологичности по-прежнему актуально.
Альтернативы ДВС
В качестве альтернативы ДВС рассматриваются электродвигатели и двигатели на топливных элементах. Их преимущества:
- Полное отсутствие вредных выбросов при работе.
- Бесшумность.
- Высокий КПД.
Однако пока существуют и недостатки: для электродвигателей - ограниченный запас хода и долгое время зарядки, для топливных элементов - высокая стоимость и проблемы с инфраструктурой заправки водородом.
Эксплуатация и техническое обслуживание ДВС
Для обеспечения надежной работы двигателя внутреннего сгорания и сохранения его ресурса требуется своевременное проведение технического обслуживания.
Топливо для ДВС
Качество и тип топлива напрямую влияют на работу двигателя. Для бензинового двигателя важно октановое число - чем оно выше, тем меньше риск детонации. Дизельное топливо должно иметь достаточное цетановое число.
Использование не соответствующего топлива может привести к преждевременному износу или поломке двигателя.
Системы питания ДВС
От бесперебойной подачи топлива и воздуха в нужной пропорции зависит мощность и экономичность двигателя.
В состав системы питания входят:
- Топливный бак, фильтры, топливопроводы.
- Топливный насос (электрический или механический).
- Карбюратор или система впрыска топлива.
- Впускной коллектор.
- Воздушный фильтр.
Регулярная замена фильтров, проверка герметичности топливной системы - залог безотказной работы ДВС.
Система зажигания
В бензиновых двигателях для воспламенения топливной смеси служит система зажигания. Она включает:
- Катушку зажигания.
- Свечи зажигания.
- Распределитель зажигания.
- Датчики положения коленвала и распредвала.
- Электронный блок управления.
Своевременная замена свечей зажигания и проверка катушки помогает избежать пропусков зажигания и обеспечить оптимальные характеристики двигателя.
Система смазки
Система смазки подает масло к трущимся деталям двигателя, уменьшая износ и трение. В ее состав входят:
- Масляный поддон.
- Масляный насос.
- Масляные фильтры.
- Масляные каналы и форсунки.
Использование качественного моторного масла в соответствии с рекомендациями производителя двигателя и своевременная замена фильтров - обязательные условия для долговечной работы ДВС.
Система охлаждения
Система охлаждения отводит избыточное тепло от деталей ДВС, предотвращая перегрев. Она включает:
- Радиатор и расширительный бачок.
- Водяной насос.
- Вентилятор.
- Жидкость охлаждения.
Необходимо следить за уровнем и состоянием охлаждающей жидкости, а также за исправностью насоса и плотностью шлангов. Перегрев может привести к оплавлению поршней и прогару прокладки головки блока.
Контрольные приборы
Для контроля за работой ДВС служат различные датчики и приборы:
- Датчик температуры охлаждающей жидкости.
- Датчик давления масла.
- Датчики положения коленвала и распредвала.
- Датчик кислорода в выхлопе.
- Тахометр.
- Бортовой компьютер.
Своевременно реагируя на их показания, можно предотвратить серьезные поломки ДВС.
Виды технического обслуживания
Различают следующие виды ТО двигателей внутреннего сгорания:
- Ежедневное ТО (проверка уровней рабочих жидкостей).
- Первое ТО (через 700-1000 км пробега).
- Второе ТО (через 5000-10000 км).
- Сезонное ТО (осенью и весной).
- ТО при подготовке к хранению.
Конкретный перечень работ зависит от рекомендаций производителя. Например, замена масла, фильтров, проверка технического состояния.
Диагностика ДВС
Для выявления неисправностей используют:
- Сканеры бортовых систем.
- Проверку компрессии.
- Анализ вибрации и шума.
- Эндоскопию цилиндров.
- Анализ отработавших газов.
Своевременная диагностика позволяет обнаружить проблемы на ранней стадии и избежать серьезного ремонта.
Форсирование ДВС
Для увеличения мощности двигателя применяют следующие методы:
- Увеличение степени сжатия.
- Применение турбонаддува.
- Использование высокооктанового топлива.
- Установка спортивного впуска и выхлопа.
- Чип-тюнинг электроники.
Однако следует учитывать, что форсирование сокращает ресурс двигателя и может привести к его поломке.
Увеличение ресурса ДВС
Чтобы увеличить ресурс двигателя, рекомендуется:
- Соблюдать регламент техобслуживания.
- Использовать рекомендованное топливо и масло.
- Избегать длительной работы на максимальных оборотах.
- Своевременно выявлять и устранять неисправности.
- Прогревать двигатель перед высокими нагрузками.
Бережная эксплуатация позволяет значительно продлить срок службы двигателя.
Теперь вы знаете, что любой двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию топлива в механическую работу посредством расширения газов, образующихся при сгорании топлива внутри самого двигателя.
Рабочий цикл ДВС состоит из нескольких тактов: впуск рабочего тела (чаще всего воздуха) в цилиндр, сжатие, подача и воспламенение топлива, расширение продуктов сгорания и выпуск отработанных газов.
Качество и тип топлива напрямую влияют на работу двигателя. Для бензинового двигателя важно октановое число - чем оно выше, тем меньше риск детонации. Дизельное топливо должно иметь достаточное цетановое число.
Использование не соответствующего топлива может привести к преждевременному износу или поломке двигателя.
