Двигун внутрішнього згоряння: пристрій і принципи роботи

04.04.2017

Двигуном внутрішнього згоряння називається різновид теплової машини, яка перетворює енергію, що міститься в паливі, в механічну роботу. У більшості випадків використовується газоподібне або рідке паливо, отримане шляхом переробки вуглеводнів. Витяг енергії відбувається в результаті його згоряння.

Двигуни внутрішнього згоряння мають ряд недоліків. До них належать такі:

• порівняно великі масогабаритні показники ускладнюють їх переміщення і звужують сферу використання;
• високий рівень шуму і токсичні викиди призводять до того, що пристрої, що працюють від двигунів внутрішнього згоряння, можуть лише зі значними обмеженнями використовуватися в закритих, погано вентильованих приміщеннях;
• порівняно невеликий експлуатаційний ресурс змушує досить часто ремонтувати двигуни внутрішнього згоряння, що пов'язано з додатковими витратами;
• виділення в процесі роботи значної кількості теплової енергії обумовлює необхідність створення ефективної системи охолодження;
• через багатокомпонентної конструкції двигуни внутрішнього згоряння складні у виробництві і недостатньо надійні;
• даний вид теплової машини відрізняється високим споживанням пального.

Незважаючи на всі перераховані недоліки двигуни внутрішнього згоряння користуються величезною популярністю, в першу чергу - завдяки своїй автономності (вона досягається за рахунок того, що паливо містить в собі значно більшу кількість енергії в порівнянні з будь-акумуляторною батареєю). Однією з основних областей їх застосування є особистий і громадський транспорт.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння

Роторний двигун внутрішнього згоряння

Газотурбінний двигун внутрішнього згоряння

Коли мова йде про двигуни внутрішнього згоряння, слід мати на увазі, що на сьогоднішній день існує декілька їх різновидів, які відрізняються один від одного конструктивними особливостями.

1. Поршневі двигуни внутрішнього згоряння характеризуються тим, що згоряння палива відбувається в циліндрі. Саме він відповідає за перетворення тієї хімічної енергії, яка міститься в пальному, в корисну механічну роботу. Щоб домогтися цього, поршневі двигуни внутрішнього згоряння оснащуються кривошипно-повзуни механізм, за допомогою якого і відбувається перетворення.

Поршневі двигуни внутрішнього згоряння прийнято ділити на декілька різновидів (підставою для класифікації служить використовується ними паливо).

У бензинових карбюраторних двигунах освіту паливо-повітряної суміші відбувається в карбюраторі (перший етап). Далі в справу вступають розпилюють форсунки (електричні або механічні), місцем розташування яких служить впускний колектор. Готова суміш бензину і повітря надходить в циліндр.

Там відбувається її стиск і підпал за допомогою іскри, яка виникає при проходженні електрики між електродами спеціальної свічки. У випадку з карбюраторними двигунами паливо-повітряної суміші властива гомогенність (однорідність).

Бензинові інжекторні двигуни використовують у своїй роботі інший принцип сумішоутворення. Він заснований на безпосередньому уприскуванні пального, яке безпосередньо надходить в циліндр (для цього використовуються розпилюють форсунки, звані також інжектором). Таким чином, освіта паливо-повітряної суміші, як і її згоряння, здійснюється безпосередньо в самому циліндрі.

Дизельні двигуни відрізняються тим, що використовують для своєї роботи особливий різновид палива, звану «дизельне» або просто «дизель». Для його подачі в циліндр використовується високий тиск. У міру того, як в камеру згоряння подаються всі нові порції пального, прямо в ній відбувається процес утворення паливо-повітряної суміші і її моментальної згоряння. Підпал паливо-повітряної суміші відбувається не за допомогою іскри, а під дією нагрітого повітря, який піддається в циліндрі сильному стиску.

Паливом для газових двигунів служать різні вуглеводні, які за нормальних умов перебувають у газоподібному стані. З цього випливає, що для їх зберігання і використання потрібно дотримуватися особливих умов:

• Зріджені гази поставляються в балонах різного обсягу, всередині яких за допомогою насичених парів створюється достатній тиск, але не перевищує 16 атмосфер. Завдяки цьому пальне знаходиться в рідкому стані. Для його переходу в придатну для спалювання рідку фазу використовується спеціальний пристрій, зване випарником. Зниження тиску до рівня, який приблизно відповідає нормальному атмосферному тиску, здійснюється відповідно до ступінчастим принципом. В його основі лежить використання так званого газового редуктора. Після цього топливовоздушная суміш надходить у впускний колектор (перед цим вона повинна пройти через спеціальний змішувач). В кінці цього досить складного циклу пальне подається в циліндр для подальшого підпалу, здійснюваного за допомогою іскри, яка виникає при проходженні електрики між електродами спеціальної свічки.
• Зберігання стисненого природного газу здійснюється за набагато більш високому тиску, яке знаходиться в діапазоні від 150 до 200 атмосфер. Єдине конструктивне відміну даної системи від тієї, що описана вище, полягає у відсутності випарника. В цілому принцип залишається тим же.

Генераторний газ отримують шляхом переробки твердого палива (вугілля, горючих сланців, торфу і т.п.). За своїми основними технічними характеристиками він практично нічим не відрізняється від інших видів газоподібного палива.

газодизельні двигуни

Цей різновид двигунів внутрішнього згоряння відрізняється тим, що приготування основної порції паливо-повітряної суміші здійснюється аналогічно газовим двигунам. Однак для її запалювання використовується не іскра, що отримується за допомогою електричної свічки, а запальний порція палива (її уприскування в циліндр здійснюється тим же способом, як і в випадку з дизельними двигунами).

Роторно-поршневі двигуни внутрішнього згоряння

До даного класу належить комбінована різновид даних пристроїв. Її гібридний характер знаходить своє відображення в тому, що конструкція двигуна включає в себе відразу два важливих конструктивних елементи: роторно-поршневу машину і одночасно - лопаткову машину (вона може бути представлена ​​компресором, турбіною і т.д.). Обидві згаданих машини на рівних беруть участь у робочому процесі. Як характерний приклад таких комбінованих пристроїв можна привести поршневий двигун, оснащений системою турбонаддува.

Особливу категорію складають двигуни внутрішнього згоряння, для позначення яких використовується англійська абревіатура RCV. Від інших різновидів вони відрізняються тим, що газорозподіл в даному випадку грунтується на обертанні циліндра. При здійсненні обертального руху паливо по черзі проходить випускний і впускний патрубок. Поршень відповідає за рух в зворотно-поступальному напрямку.

Поршневі двигуни внутрішнього згоряння: цикли роботи

Для класифікації поршневих двигунів внутрішнього згоряння також використовується принцип їх роботи. За даним показником двигуни внутрішнього згоряння поділяються на дві великі групи: дво- і чотиритактні.

двотактний двигун

чотиритактний двигун

Чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння використовують в своїй роботі так званий цикл Отто, який включає в себе наступні фази: впуск, стиснення, робочий хід і випуск. Слід додати, що робочий хід складається не з одного, як інші фази, а відразу з двох процесів: згоряння і розширення.

Найбільш широко застосовувана схема, по якій здійснюється робочий цикл в двигунах внутрішнього згоряння, складається з наступних етапів:

1. Поки відбувається впуск паливо-повітряної суміші, поршень переміщається між верхньою мертвою точкою (ВМТ) і нижньої мертвої точкою (НМТ). В результаті цього усередині циліндра звільняється значний простір, в яке і надходить топливовоздушная суміш, заповнюючи його.

Всмоктування паливо-повітряної суміші здійснюється за рахунок різниці тиску, існуючого всередині циліндра і у впускному колекторі. Поштовхом до вступу паливо-повітряної суміші в камеру згоряння служить відкриття впускного клапана. Цей момент прийнято позначати терміном «кут відкриття впускного клапана» (φа).

При цьому слід мати на увазі, що в циліндрі на цей момент вже міститися продукти, що залишилися після згоряння попередньої порції пального (для їх позначення використовується поняття залишкових газів). В результаті їх змішання з паливо-повітряної сумішшю, званої професійною мовою свіжим зарядом, утворюється робоча суміш. Чим успішніше протікає процес її приготування, тим повніше згоряє паливо, виділяючи при цьому максимум енергії.

В результаті зростає ккд двигуна. У зв'язку з цим ще на етапі конструювання двигуна особлива увага приділяється правильному сумішоутворенню. Провідну роль відіграють різні параметри свіжого заряду, включаючи його абсолютну величину, а також питому частку в загальному обсязі робочої суміші.

2. При переході до фази стиснення обидва клапана закриваються, а поршень здійснює рух в зворотному напрямку (від НМТ до ВМТ). В результаті надпоршневу порожнину помітно зменшується в об'ємі. Це призводить до того, що міститься в ній робоча суміш (робоче тіло) стискається. За рахунок цього вдається домогтися того, що процес згоряння паливоповітряної суміші протікає більш інтенсивно. Від стиснення також залежить такий найважливіший показник, як повнота використання теплової енергії, яка виділяється при спалюванні палива, а отже - і ефективність роботи самого двигуна внутрішнього згоряння.

Для збільшення цього найважливішого показника конструктори намагаються проектувати пристрої, що володіють максимально можливим ступенем стиснення робочої суміші. Якщо ми маємо справу з її примусовим запалюванням, то ступінь стиснення не перевищує 12. Якщо ж двигун внутрішнього згоряння працює на принципі самозаймання, то згаданий вище параметр зазвичай знаходиться в діапазоні від 14 до 22.

3. Запалення робочої суміші дає старт реакції окислення, яка відбувається завдяки кисню повітря, що входить до її складу. Цей процес супроводжується різким зростанням тиску по всьому об'єму надпоршневій порожнини. Підпал робочої суміші здійснюється за допомогою електричної іскри, яка має високу напругу (до 15 кВ).

Її джерело розташовується в безпосередній близькості від ВМТ. У цій ролі виступає електрична свічка запалювання, яку вворачивают в головку циліндра. Однак в тому випадку, якщо підпал паливо-повітряної суміші здійснюється за допомогою гарячого повітря, попередньо підданого стиску, наявність даного конструктивного елемента є зайвим.

Замість нього двигун внутрішнього згоряння оснащується особливою форсункою. Вона відповідає за надходження паливо-повітряної суміші, яка в певний момент подається під високим тиском (воно може перевищувати 30 Мн / м²).

4. При згорянні палива утворюються гази, які мають дуже високу температуру, а тому неухильно прагнуть до розширення. В результаті поршень знову рухається від ВМТ до НМТ. Цей рух називається робочим ходом поршня. Саме на цьому етапі відбувається передача тиску на колінчастий вал (якщо бути точніше, то на його шатунную шийку), який в результаті провертається. Цей процес відбувається за участю шатуна.

5. Суть завершальної фази, яка називається впусканням, зводиться до того, що поршень здійснює зворотний рух (від НМТ до ВМТ). До цього моменту відкривається другий клапан, завдяки чому відпрацьовані гази залишають внутрішній простір циліндра. Як вже говорилося вище, частини продуктів згоряння це не стосується. Вони залишаються в тій частині циліндра, звідки поршень їх не може витіснити. За рахунок того, що описаний цикл послідовно повторюється, досягається безперервний характер роботи двигуна.

Якщо ми маємо справу з одноциліндровим двигуном, то все фази (від підготовки робочої суміші до витіснення з циліндра продуктів згоряння) здійснюється за рахунок поршня. При цьому використовується енергія маховика, що накопичується їм протягом робочого ходу. У всіх інших випадках (маються на увазі двигуни внутрішнього згоряння з двома і більше циліндрами) сусідні циліндри доповнюють один одного, допомагаючи виконувати допоміжні ходи. У зв'язку з цим з їх конструкції без найменшого збитку може бути виключений маховик.

Щоб було зручніше вивчати різні двигуни внутрішнього згоряння, в їх робочому циклі виокремлює різні процеси. Однак існує і протилежний підхід, коли подібні процеси об'єднують в групи. Основою для такої класифікації служить положення поршня, яке він займає відносно обох мертвих точок. Таким чином, переміщення поршня утворюють той відправний пункт, відштовхуючись від якого, зручно розглядати роботу двигуна в цілому.

Найважливішим поняттям є «такт». Їм позначають ту частину робочого циклу, яка укладається у часовий проміжок, коли поршень переміщується від однієї суміжній мертвої точки до іншої. Такт (а слідом за ним і весь відповідний йому хід поршня) називається процесом. Він грає роль основного при переміщенні поршня, яке відбувається між двома його положеннями.

Якщо переходити до тих конкретних процесів, про які ми говорили вище (впуск, стиснення, робочий хід і випуск), то кожен з них чітко приурочений до певного такту. У зв'язку з цим в двигунах внутрішнього згоряння прийнято розрізняти однойменні такти, а разом з ними - і ходи поршня.

Вище ми вже говорили про те, що поряд з четирехтактнимі існують і двотактні двигуни. Однак незалежно від кількості тактів робочий цикл будь-якого поршневого двигуна складається з п'яти згаданих вище процесів, а в його основі лежить одна і та ж схема. Конструктивні особливості в даному випадку не грають принципової ролі.

Додаткові агрегати для двигунів внутрішнього згоряння

Важливий недолік двигуна внутрішнього згоряння полягає в досить вузькому діапазоні оборотів, в якому він здатний розвивати значну потужність. Щоб компенсувати цей недолік, двигун внутрішнього згоряння потребує додаткових агрегатах. Найважливіші з них - стартер і трансмісія.

Наявність останнього пристрою не є обов'язковою умовою лише в рідкісних випадках (коли, наприклад, мова йде про літаки). Останнім часом все більш привабливим стає перспектива створити гібридний автомобіль, чий двигун міг би постійно зберігати оптимальний режим роботи.

До додаткових агрегатів, які обслуговують двигун внутрішнього згоряння, відноситься паливна система, яка здійснює подачу пального, а також вихлопна система, необхідна для того, щоб відводити відпрацьовані гази.

Ознайомитися з цінами на установку газу на Ваш автомобіль і замовити установку ГБО