Двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Первый практически пригодный газовый Д. В. С. Был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром (1860). В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый Д. В. С. По сравнению с паромашинной установкой Д. В. С. Принципиально более прост, т. К. Устранено одно звено энергетического преобразования — парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность Д. В. С., меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть). В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

В 1897 нем. Инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности Д. В. С., предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого Д. В. С. На заводе Л. Нобеля в Петербурге (ныне «Русский дизель») в 1898—99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого Д. В. С. Становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с Д. В. С. Дальнейшее развитие автомобильных Д. В. С. Позволило братьям О. И У. Райт построить первый самолёт с Д. В. С., начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 рус. Инженеры установили Д. В. С. На судне «Вандал», создав первый теплоход. В 1924 по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.

По роду топлива Д. В. С. Разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в Карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В Д. В. С. С внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях (См. Дизель)) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного Д. В. С. Совершается за 4 хода поршня (такта), т. Е. За 2 оборота коленчатого вала. При 1-м такте — впуске поршень движется от верхней мёртвой точки (в. М. Т.) к нижней мёртвой точке (н. М. Т.). Впускной клапан при этом открыт (рис. 1) и горючая смесь из карбюратора поступает в цилиндр. В течение 2-го такта — сжатия, когда поршень движется от н. М. Т. Кв. М. Т., впускной и выпускной клапаны закрыты и смесь сжимается до давления 0,8—2 Мн/м2 (8—20 кгс/см2). Температура смеси в конце сжатия составляет 200—400°C. В конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой и происходит сгорание топлива. Сгорание имеет место при положении поршня, близком кв. М. Т. В конце сгорания давление в цилиндре составляет 3—6 Мн/м2 (30—60 кгс/1см2), а температура 1600—2200°C.

3-й такт цикла — расширение называется рабочим ходом. В течение этого такта происходит преобразование тепла, полученного от сгорания топлива, в механическую работу. 4-й такт — выпуск происходит при движении поршня от н. М. Т. К в. М. Т. При открытом выпускном клапане. Отработавшие газы вытесняются поршнем. Рабочий цикл 2- тактного карбюраторного Д. В. С. Осуществляется за 2 хода поршня или за 1 оборот коленчатого вала (рис. 2). Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам 4-тактного Д. В. С. При прочих равных условиях 2-тактный двигатель должен быть в 2 раза более мощным, чем 4-тактный, т. К. Рабочий ход в 2-тактном двигателе происходит в 2 раза чаще, однако на практике мощность 2-тактного карбюраторного Д.

В. С. Часто не только не превышает мощность 4-тактного с тем же диаметром цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20—35% ) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не производит работы. Продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие воздуха в продувочном насосе. Очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в 4-тактном Д. В. С. Рабочий цикл карбюраторного Д. В. С. Может быть осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000—7000 об/мин). Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более. Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина.

Двигатель может работать на обеднённой смеси (18 . 1) или обогащенной смеси (12 . 1). Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания. Регулирование мощности карбюраторного Д. В. С. Осуществляется изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют сравнительно небольшие габариты и массу [ 1—4 кг/квт ( 0,75—3 кг/л. С.)]. Применение низких степеней сжатия (См. Степень сжатия) обусловливает умеренные давления в конце сгорания, вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в дизелях.

При увеличении диаметра цилиндра кароюраторного Д. В. С. Возрастает склонность двигателя к детонации (См. Детонация), поэтому карбюраторные Д. В. С. Не делают с большими диаметрами цилиндров (как правило, не более 150 мм). Примером карбюраторного Д. В. С. Может служить двигатель ГАЗ-21 «Волга». Это 4-цилиндровый 4-тактный двигатель, развивающий мощность 55 квт (75 л. С.) при 4000 об/мин и степени сжатия 6,7. Удельный расход топлива на наиболее экономичном режиме составляет 290 г;(квт.ч). Наибольшая мощность 4-тактного карбюраторного Д. В. С. 600 квт (800 л. С.). Мотоциклетные карбюраторные 2-тактные и 4-тактные Д. В. С. Имеют мощность от 3,5 до 45 квт (от 5 до 60 л. С.). Авиационные поршневые двигатели с непосредственным впрыском бензина и искровым зажиганием развивают до 1100 квт (1500 л.

С.) и более. Карбюраторные Д. В. С. Представляют собой сложный агрегат, включающий ряд узлов и систем. Остов двигателя — группа неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей. Механизм движения — группа движущихся деталей, воспринимающих давление газов в цилиндрах и преобразующих это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм движения включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик). Механизм газораспределения служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов.

Эти функции выполняют кулачковый (распределительный) вал, приводимый в движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла, открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами. Система смазки — система агрегатов и каналов, подводящих смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне, подаётся насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный канал в блок-картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в подшипниках вращающихся деталей.

Часть масла отводится по параллельным каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон. Система охлаждения может быть жидкостной и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. П.), насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах). Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра, трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы.

Система зажигания служит для образования в камере сгорания искры, воспламеняюшей рабочую смесь. В систему зажигания входят источники тока — генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. В систему включается распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение (12—20 кв). В то время, когда Д. В. С. Не имели электрического зажигания, применялись запальные калоризаторы. Система пуска состоит из электрического стартёра, шестерён передачи от стартёра к маховику, источника тока (аккумулятора) и элементов дистанционного управления.

В функции системы входит вращение вала двигателя для пуска. Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов, воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске. Газовые Д. В. С. Работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Кроме того, могут быть использованы. Газ, генерируемый в результате неполного сгорания твёрдого топлива, металлургические газы, канализационные газы и пр. Применяются как 4-тактные, так и 2-тактныс газовые Д. В. С. По принципу смесеобразования и воспламенения газовые двигатели разделяются на. Д. В. С. С внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, в которых рабочий процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя. Д. В. С. С внешним смесеобразованием и зажиганием струей жидкого топлива, воспламеняющегося от сжатия.

Д. В. С. С внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. П. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (см. Газобаллонный автомобиль). Экономичность работы Д. В. С. Характеризуется эффективным кпд, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного на получение этой работы. Максимальный эффективный кпд наиболее совершенных Д. В. С. Около 44%. Основным преимуществом Д. В. С., так же как и др. Тепловых двигателей (например, реактивных двигателей (См. Реактивный двигатель)), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т.

П.), в связи с чем установки, оборудованные Д. В. С., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Д. В. С. На транспортных средствах (автомобилях, с.-х. И строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. П.). Совершенствование Д. В. С. Идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций (см., например, Ванкеля двигатель). Можно наметить также такие тенденции в развитии Д. В. С., как постепенное замещение карбюраторных Д. В. С. Дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей (См. Многотопливный двигатель), увеличение частоты вращения и др. Лит. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1—3, М.

1957—62. Двигатели внутреннего сгорания, М., 1968. Д. Н. Вырубов, В. П. Алексеев. Рис. 1. Рабочий цикл 4-тактного карбюраторного двигателя. Рис. 2. Схема работы 2-тактного карбюраторного Д. В. С. С кривошипно-камерной продувкой. Вверху — сжатие и наполнение кривошипной камеры. Внизу — продувка и выпуск. 1 — свеча зажигания. 2 — поршень. 3 — продувочное окно. 4 — выпускное окно. 5 — кривошипная камера. 6 — карбюратор. 7 — впускное окно. 8 — головка цилиндра. 9 — цилиндр..