Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) – різновид теплового двигуна, в якому паливна суміш згорає безпосередньо в робочій камері (всередині) двигуна. Відпрацьовані гази утворюють робоче тіло. Такий двигун є первинним, хімічним, і перетворює енергію згоряння палива в механічну роботу. Існує велика кількість різноманітних двигунів з внутрішнім згорянням, що відрізняються призначенням, способом віддачі потужності , і іншими параметрами.

Q

Історія створення

    Теплові машини (в основному, парові) з моменту появи відрізнялися великими габаритами і масою, зумовленими застосуванням зовнішнього згоряння (були потрібні котли, конденсатори,випарники, теплообмінники, тендери, насос, водяні резервуари та ін.), В той же час основна (функціональна) частина парової машини (поршень і циліндр) порівняно невелика. Тому думка винахідників весь час поверталася до можливості суміщення палива з робочим тілом двигуна, що дозволив згодом значно зменшити габарити і вага, інтенсифікувати процеси впуску і випуску робочого тіла. Особливо важливі ці відмінності на транспорті. В створення різних ДВС внесли найбільший вклад такі інженери як Джон Барбер (винахід газової турбіни в 1791),

Роберт Стріт (патент на двигун на рідкому паливі, 1794 рік), Філіп Лебон (відкриття светильного газу в 1799, перший газовий двигун в 1801), 

Франсуа Ісаак де Ріваз (перший поршневий двигун, 1807), 

Жан Етьєн Ленуар (газовий двигун Ленуара, 1860), 

Ніколаус Отто (двигун з іскровим запалюванням і стисненням суміші в 1861 році, чотиритактний двигун в 1876-м), 

Рудольф Дизель ( двигун Дизеля на вугільного пилу, 1897), 

Готліб Даймлер і Вільгельм Майбах ,Огнеслав Степанович Костович ( бензиновий мотор з карбюратором , 1880

е), Густав Васильович Трінклер (дизельні двигуни на рідкому паливі, 1899), Раймонд Олександрович Корейво , Фрідріх Артурович Цандер , Вернер фон Браун (реактивні і турбореактивні двигуни, починаючи з 1930-х і закінчуючи Місячної програмою ).

Таким чином, ДВС розвивалися з відставанням від парових машин (так, паровий насос для відкачування води був винайдений Томасом Севери в 1698 році), обумовленим відсутністю відповідного пального, матеріалів і технологій. Сама ідея ДВС була запропонована Християном Гюйгенсом ще в 1678 році, в якості палива нідерландський учений пропонував використовувати порох. Англієць Етьєн Барбер намагався використовувати для цього суміш повітря з газом, отриманим при нагріванні деревини.

Поява цілої плеяди різноманітних потужних і легких двигунів дозволило створити нові, не існуючі раніше види транспорту (гвинтовий і  реактивний літаки, вертоліт, ракету, космічний корабель, газотурбохід, судно на повітряній подушці), поліпшити економічність і екологічність корабельних силових установок і локомотивів. Моторизація привела також до прискорення темпу життя людей, виникнення цілої автомобільної культури (США); у військовій справі дала можливість створити надзвичайно руйнівні машини смерті ( танк, винищувач, бомбардувальник, ракети зі звичайною і ядерною боєголовкою, підводний човен з торпедами і інші).

Класифікація ДВС

По пристрою:

• Поршневі двигуни – камерою згоряння служить циліндр, зворотно-поступальний рух поршня за допомогою кривошипно-шатунного механізму перетворюється в обертання валу.
• Газотурбінні двигуни – для перетворення енергії газів в крутний момент служить ротор з лопатками спеціального профілю. Перед згорянням в камері двигуна повітря стискається компресорної частиною, паливо впорскується в камеру згоряння.
• Роторно-поршневі двигуни – камеру згоряння обмежує трикутний ротор, що виконує функцію поршня.
• Реактивні двигуни – розвивається двигуном потужність відразу використовується для поступального руху ракети або літака, додаткове перетворення в крутний момент і трансмісія відсутня (двигун єтакож рушієм). Тому мають найвищі питомі показники потужності; є єдиними двигунами, здатними виводити апарати на орбіту. В один час для військового застосування російські військові обговорювали питання створення реактивного атомного двигуна.
• Турбореактивні двигуни – різновид реактивних, як окислювач використовує атмосферне повітря, попередньо стискається компресорної частиною. Зважаючи на це може бути використаний тільки на Землі. Зазвичай називають просто реактивними, наприклад, “літак з реактивним двигуном”. Можна розглядати турбореактивний двигун і як різновид газотурбінного, так як він має всі основні його частини, крім вихідного вала.
• Турбогвинтові двигуни – газотурбінний, що працює на гвинт. Застосовуються в авіації, на помірних швидкостях мають більш високий ККД, ніж турбореактивні.

• за призначенням – на транспортні (автомобільні, суднові, літакові), стаціонарні і спеціальні.
• за родом застосовуваного палива – бензинові і газові двигуни, що працюють на важкому паливі дизелі.
• за способом утворення горючої суміші – зовнішнє ( карбюраторні і інжекторні двигуни ) і внутрішнє (в циліндрі ДВС у дизелів і іскрових з безпосереднім уприскуванням).
• за обсягом робочих порожнин і весогабарітнимі характеристикам – легкі, середні, важкі, спеціальні.
• влаштування систем охолодження (повітряне, рідинне), і іншим.

Крім наведених вище загальних для всіх ДВС критеріїв класифікації існують критерії, за якими класифікуються окремі типи двигунів. Так, поршневі двигуни можна класифікувати тактності і робочому процесу, по кількості і розташуванню циліндрів, колінчастих і розподільних валів, по типу охолодження , за наявністю або відсутністю крейцкопфа, наддуву того чи іншого типу (атмосферне – без наддуву), за способом сумішоутворення і по типу запалювання, за кількістю карбюраторів, по типу газорозподільного механізму, у напрямку і частоті обертання колінчастого вала, по відношенню діаметра циліндра до ходу поршня, за ступенем швидкохідності (середньої швидкості поршня).

Переваги та недоліки ДВС.

У порівнянні з двигунами зовнішнього згоряння ДВС:

• не має додаткових елементів теплопередачі – паливо саме утворює робоче тіло;
• компактніше, так як не має цілого ряду додаткових агрегатів, часто важких і громіздких (паровий котел, конденсатор пари);
• з цих причин легше і дешевше (питома потужність набагато вище);
• економічніше через швидке робочого процесу з високою температурою згоряння без додаткової теплопередачі;
• споживає паливо , що володіє досить жорстко заданими параметрами (испаряемостью, температурою спалаху парів, щільністю, теплотою згоряння, октановим або цетановим числом), так як від цих властивостей залежить сама працездатність ДВС;
• не має можливості працювати по замкнутому циклу (як двигун Стірлінга ), використання зовнішніх джерел теплоти і холоду неможливо.
• неспроможне розвивати крутний момент і потужність поза обертання в робочих режимах, в переважній більшості випадків потребує передачі, що узгоджує вихідні параметри ДВС з навантаженням, і в пристрої, що забезпечує запуск (на відміну від парової машини, що має максимум моменту при рушанні від нульових обертів ).
• практично всі види палива для ДВС – невідновлювані ресурси (газ і нафтопродукти). Винятки (етиловий спирт, біогаз, генераторний газ) використовуються рідше, зважаючи на зниження вихідних характеристик двигуна (крутного моменту, потужності, швидкості обертання).

Поршневий ДВС з іскровим запалюванням (двигун Отто)

Є найбільш поширеним за кількістю, оскільки число автомобілів в світі на 2014 рік становила понад 1,2 млрд., і велика їх частина приводиться в рух двигуном Отто. Класичний цикл Отто чотиритактний, хоча раніше нього виникли двотактні мотори з іскровим запалюванням. Але через погані екологічних і економічних (витрата пального) показників, такі двигуни застосовують все рідше.

Бензиновий двигун 

Є найбільш поширеним варіантом, встановлений на значній частині транспортних машин (через меншу маси, вартості, хорошою економічності і такого результату). Має два варіанти системи подачі палива: інжектор і карбюратор. В обох випадках в циліндрі стискається паливо-повітряна суміш, підвладна детонації, тому ступінь стиснення і рівень форсування такого двигуна обмежені октановим числом палива.

Карбюраторний двигун 

Особливістю є отримання паливо-бензинової суміші в спеціальному змішувачі, карбюраторі. Раніше такі бензинові двигуни переважали; тепер, з розвитком мікропроцесорів, їх область застосування стрімко скорочується (застосовуються на малопотужних ДВС, з низькими вимогами до витрати палива).

Інжекторний двигун 

Особливістю є отримання паливної суміші в колекторі або відкритих циліндрах двигуна шляхом подачі инжекторной системою подачі палива. На даний момент є переважаючим варіантом ДВС Отто, оскільки дозволяє різко спростити електронне управління двигуном. Потрібна ступінь однорідності суміші досягається за рахунок збільшення тиску форсуночного розпилювання палива. Одним з варіантів є безпосереднє уприскування палива, крім високої рівномірності дозволяє підвищити ступінь стиснення (а значить, і економічність) двигуна. Вперше системи упорскування з’явилися на авіаційних двигунах, оскільки дозволяли дозувати суміш в будь-якому положенні двигуна.

Роторно-поршневий

Запропоновано винахідником Ванкелем на початку XX століття. Основа двигуна – трикутний ротор (поршень), що обертається в камері особливої 8-подібної форми, виконуючий функції поршня, клонували і газорозподільні. Така конструкція дозволяє здійснити будь-який 4-тактний цикл Дизеля, Стірлінга або Отто без застосування спеціального механізму газорозподілу. За один оборот двигун виконує три повних робочих циклу, що еквівалентно роботі шестициліндрового поршневого двигуна. Будувався серійно фірмою НСУ в Німеччині (автомобіль RO-80), ВАЗом в СРСР (ВАЗ-21018 «Жигулі», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), Маздою в Японії (Mazda RX-7, Mazda RX-8 ). При своїй принциповій простоті має ряд істотних конструктивних складнощів, які роблять його широке впровадження вельми скрутним. Основні труднощі пов’язані зі створенням довговічних працездатних ущільнень між ротором і камерою і з побудовою системи змащення, і тому – з виконанням екологічних вимог.

RCV – двигун внутрішнього згоряння, система газорозподілу якого реалізована за рахунок руху поршня, який здійснює зворотно-поступальні рухи, поперемінно проходячи впускний і випускний патрубок

Зазвичай роторно-поршневі ДВС використовують як паливо бензин, але можливо і застосування газу. Роторно-поршневий двигун є яскравим представником безшатунного ДВС, поряд з двигуном Баландіна.

Газові двигуни

Двигун, який спалює в якості палива вуглеводні, що знаходяться в газоподібному стані при нормальних умовах:

• суміші зріджених газів – зберігаються в балоні під тиском насичених парів (до 16 атм). Іспарённая в випарнику рідка фаза або парова фаза суміші поступово втрачає тиск в газовому редукторі до близького атмосферному, і всмоктується двигуном у впускний колектор через повітряно-газовий змішувач або впорскується у впускний колектор за допомогою електричних форсунок. Запалювання здійснюється за допомогою іскри, проскакує між електродами свічки.
• стислі природні гази – зберігаються в балоні під тиском 150-200 атм. Пристрій систем харчування аналогічно системам харчування скрапленим газом, відмінність – відсутність випарника.
• генераторний газ – газ, отриманий перетворенням твердого палива в газоподібний. В якості твердого палива використовуються: вугілля, торф, деревина.

Ці двигуни мають широке застосування, наприклад, в електростанціях малої і середньої потужності, що використовують як паливо природний газ (в області високих потужностей безроздільно панують газотурбінні енергоблоки). Можуть працювати по 2-тактний циклу, однак такий варіант поширений менше.

Поршневий ДВС з займанням від стиснення 

У дизельному двигуні займання палива відбувається без свічки запалювання. У розігрітий від адіабатичного стиснення в циліндрі повітря через форсунку впорскується і розпорошується порція палива. При розпилюванні навколо окремих випаровуються крапель палива виникають вогнища згоряння, і в міру впорскування порція палива згоряє у вигляді факела. Так як дизельні двигуни не схильні до детонації (через початок подачі і згоряння палива після ВМТ такту стиснення), ступінь стиснення детонацією не обмежена. Підвищення її понад 15 практично зростання ККД не дає, оскільки при цьому максимальний тиск обмежують шляхом більш тривалого згоряння і зменшенням кута випередження впорскування. Однак малорозмірні вихорокамерних дизелі можуть мати ступінь стиснення до 26, для надійного запалення в умовах великого тепловідведення і для меншої жорсткості роботи. Великогабаритні суднові дизелі з наддувом мають ступінь стиснення близько 11..14 і ККД більше 50%.

Дизельні двигуни зазвичай менш швидкохідні , тому при рівній потужності з бензиновим характеризуються великою крутним моментом на валу. Великі дизельні двигуни пристосовані для роботи на важких паливах, наприклад, на мазуті. Запуск великих дизельних двигунів здійснюється, як правило, стисненим повітрям, або, у випадку з дизель-генераторними установками, від приєднаного електричного генератора, який під час пуску виконує роль стартера.

Сучасні двигуни, звані дизельними, працюють не за циклом Дизеля, а по циклу Трінклера – Сабате зі змішаним підведенням теплоти. Недоліки їх обумовлені особливостями робочого циклу – більш високу механічну напруженістю, що вимагає підвищеної міцності конструкції і, як наслідок, збільшення її габаритів, ваги і збільшення вартості за рахунок ускладненою конструкції і використання більш дорогих матеріалів. Також дизельні двигуни за рахунок гетерогенного згоряння характеризуються неминучими викидами сажі і підвищеним вмістом оксидів азоту в вихлопних газах.

Газодизельний двигун

Основна порція збідненого газовоздушного заряду готується, як в будь-якому з газових двигунів, але запалюється НЕ електричної свічкою, а запальний порцією дизпалива, що впорскується в циліндр аналогічно дизельному двигуну. Звичайно є можливість роботи з чисто дизельного циклу. Застосування: важкі вантажівки, автобуси, тепловози, частіше маневрові. Газодизельні двигуни, як і газові, дають менше шкідливих викидів, до того ж природний газ дешевше. Такий двигун часто отримують дооснащення серійного, при цьому економія дизпалива (ступінь заміщення газом) становить близько 60%. Зарубіжні фірми також активно розробляють такі конструкції.

Комбінований двигун внутрішнього згоряння

Комбінований двигун внутрішнього згоряння являє собою комбінацію з поршневий і лопатки машин (турбіна, компресор), в якому обидві машини в співвідносить мірі беруть участь в здійсненні робочого процесу. Прикладом комбінованого ДВС служить поршневий двигун з газотурбінним наддувом (турбонаддув). Великий внесок у теорію комбінованих двигунів вніс радянський інженер, професор А. Н. Шелест.

Найбільш поширеним типом комбінованих двигунів є поршневий з турбонагнітачем. Турбонагнетатель або турбокомпресор (ТК, ТН) – це нагнітач, який приводиться в рух вихлопними газами. Отримав свою назву від слова «турбіна» (фр. Turbine від лат. Turbo – вихор, обертання). Цей пристрій складається з двох частин: роторного колеса турбіни, що приводиться в рух вихлопними газами, і відцентрового компресора, Закріплених на протилежних кінцях загального валу. Струмінь робочого тіла (в даному випадку, вихлопних газів) впливає на лопатки, закріплені по колу ротора, і приводить їх в рух разом з валом, який виготовляється єдиним цілим з ротором турбіни з жароміцного сплаву. На валу, крім ротора турбіни, закріплений ротор компресора, виготовлений з алюмінієвого сплаву, який при обертанні вала нагнітає повітря в циліндри ДВС. Таким чином, в результаті дії вихлопних газів на лопатки турбіни одночасно розкручуються ротор турбіни, вал і ротор компресора. Застосування турбокомпресора спільно з проміжним охолоджувачем повітря (інтеркулером) дозволяє забезпечувати подачу більш щільного заряду в циліндриДВС (в сучасних турбированних двигунах використовується саме така схема). У деяких схемах двигуни мають дві або більше ступені наддуву, зазвичай з проміжним охолодженням, причому турбокомпресори регулюються (величина нагнітання обмежена), що дозволяє в принципі отримати різноманітні варіанти залежно потужності від оборотів (поліпшення транспортної характеристики).

Двигуни з нагнітанням заряду до появи реактивних були єдино можливими в висотної авіації, зважаючи на падіння щільності повітря з висотою ; мають широке застосування в дизельних двигунах (дозволяючи підвищити питомі показники потужності до рівня іскрових ДВС і вище), рідше в бензинових . Завдяки налаштуванню турбонаддува (регулятор тиску), а також налаштувань газорозподільного механізму, які разом визначають наповнення циліндрів двигуна, можна покращувати його транспортну характеристику.

Газотурбінний двигун 

Характеризується стисненням робочого тіла в компресорної частини, після згоряння значно збільшилися в обсязі (за рахунок теплового розширення) продукти згоряння проходять турбінну частина. У разі газотурбінного двигуна, потужність віддається на вал турбіни, в разі турбореактивного – рух продуктів згоряння створює імпульс двигуна.

Вплив ДВС на екологію, екологічні вимоги до конструкції ДВС 

У таких варіантах ДВС, як газотурбінні і реактивні, згоряння організовано безперервно, причому максимальна температура менше. Тому вони мають зазвичай менші викиди недогорілі вуглеводнів (через меншою зони гасіння полум’я і достатній тривалості згоряння) і викиди оксидів азоту (через меншою максимальної температури). Температура в таких двигунах обмежена теплостійкість лопаток, сопел, що направляють, і для транспортних двигунів становить 800..1200. Покращення екологічних показників, наприклад, ракет, досягають зазвичай підбором палив (наприклад,

замість НДМГ і перекису азоту застосовують рідкі кисень і водень).Однак, сотні мільйонів регулярно використовуваних транспортних поршневих двигунів, споживаючи щодня величезну кількість нафтопродуктів, дають в сумі великі шкідливі викиди. Їх поділяють на вуглеводні (CH), окис вуглецю (CO), і окису азоту (NOx). Також раніше використовували етиловий бензин, продукти згоряння якого містили практично не виводиться з організму людини свинець. Найбільш це позначається в великих містах, розташованих в низинах і оточених височинами: при затишності в них утворюється зміг. В даний час нормуються не тільки шкідливі викиди, але також виділення транспортним засобом вуглекислого газу і води (у зв’язку з впливом на клімат).

У перші десятиліття розвитку автотранспорту цьому не приділялося достатньо уваги, оскільки автомобілів було менше. Надалі виробників зобов’язали дотримуватися певних норм викидів, причому з роками вони стають все суворіше. Для зменшення викидів в принципі можливі три способи:

1. Вибір екологічно чистого палива ( водень, природний газ) або поліпшення традиційного рідкого (бензин і дизпаливо “Євро-5”).
2. Зміна параметрів циклу двигуна або розробка нових (зниження ступеня стиснення, розшарування заряду, внутріціліндровие уприскування, системи комп’ютерного управління з використанням датчиків кисню, система Common rail на дизелях, і ін.).
3. Зниження вмісту шкідливих викидів з використанням термічних (раніше) і каталітичних (в даний час) нейтралізаторів.

Існуючі норми токсичності в розвинених країнах вимагають зазвичай застосування декількох способів відразу. При цьому зазвичай погіршується паливна економічність як автомобілів, так і всього транспортного (включаючи нафтопереробні заводи) комплексу, оскільки оптимум циклів по економічності і екологічності у двигунів зазвичай не збігаються, а виготовлення високоекологічного палива вимагає більше енергії.

Останнім часом висловлюються серйозні побоювання щодо подальшого застосування двигунів на викопному паливі (більшість ДВС), в зв’язку з проблемою глобального потепління. Внаслідок введення з 2025 року в Європі нових екологічних норм, європейські виробники легкових автомобілів планують перейти на випуск електромобілів.

Це пов’язано не тільки з ростом числа автомобілів, але і впливом викидів на всю екосистему: так, встановлено, що шкідливі викиди (в значній мірі обумовлені автомобілями) знижують врожайність сільського господарства на 25% .

Рівень розвитку ДВС як мірило технічного прогресу.

Розробка ДВС нетривіальна, оскільки до мети йде безліч шляхів. Вибір найкращого (стосовно конкретної області та вимогам) є прикладом багатофакторної оптимізації. Тут недостатньо інтуїції, потрібні великі витрати при розробці варіантів, ресурсні випробування. Тенденції розвитку двигунобудування надають багато варіантів подальшого розвитку.

Високі вимоги до деталей ДВС, складності технологічного порядку (матеріали, обробка), виробничий цикл (потоковість, можливість шлюбу), масштаби виробництва (мільйони одиниць), високий рівень конкуренції і інтеграції світової економіки, в сукупності дозволяють судити про рівень технології держави за рівнем випускаються ДВС. Високоефективні двигуни не тільки дозволяють створювати економічний і екологічний транспорт, але і вести незалежну розробку в таких областях як військова справа, ракетобудування (зокрема, космічні програми). Високотехнологічні виробництва самі по собі служать центром кристалізації інженерних співтовариств, народженню нових ідей. Не випадково, наприклад, конвеєрна збірка була вперше впроваджена саме на збірці автомобілів, оснащених ДВЗ. У свою чергу, підтримання у справному стані і управління численними транспортними засобами також створило безліч нових професій, робочих місць, методів ведення бізнесу і навіть способу життя (коммівояджери, мандрівники). Не буде перебільшенням сказати, що поява ДВС революціонізіровал весь світ.