Двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (ДВС) — разновидность теплового двигателя, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. Тем самым, топливная смесь и является рабочим телом таких двигателей. Такой двигатель является химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу[1].

Название "двигатель внутреннего сгорания" в основном закрепилось за поршневыми и комбинированными двигателями, чаще всего указывая именно на эти семейства моторов.

Содержание

История создания

Тепловые машины (в основном, паровые) с момента появления отличались большими габаритами и массой, обусловленными применением внешнего сгорания (требовались котлы, конденсаторы, испарители, теплообменники, тендеры, насосы, водяные резервуары и др.), в то же время основная (функциональная) часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика[2]. Поэтому мысль изобретатетелей всё время возвращалась к возможности совмещения топлива с рабочим телом двигателя, позволившего затем значительно уменьшить габариты и вес, интенсифицировать процессы впуска и выпуска рабочего тела. Особенно важны эти отличия на транспорте.

В создание различных ДВС внесли наибольший вклад такие инженеры как Джон Барбер (изобретение газовой турбины в 1791), Роберт Стрит (патент на двигатель на жидком топливе, 1794 год), Филипп Лебон (открытие светильного газа в 1799, первый газовый двигатель в 1801), Франсуа Исаак де Риваз (первый поршневой двигатель, 1807), Жан Этьен Ленуар (газовый двигатель Ленуара, 1860), Николаус Отто (двигатель с искровым зажиганием и сжатием смеси в 1861 году, четырёхтактный двигатель в 1876-м), Рудольф Дизель (двигатель Дизеля на угольной пыли, 1897), Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, Огнеслав Степанович Костович (бензиновый мотор с карбюратором, 1880-е), Густав Васильевич Тринклер (дизельные двигатели на жидком топливе, 1899), Вернер фон Браун (реактивные и турбореактивные двигатели, начиная с 1930-х и заканчивая Лунной программой), и другие. Таким образом, ДВС развивались с отставанием от паровых машин (так, паровой насос для откачки воды был изобретён Томасом Севери в 1698 году), обусловленным отсутствием подходящего горючего. Сама идея ДВС была предложена Христианом Гюйгенсом ещё в 1678 году, в качестве топлива нидерландский учёный предлагал использовать порох[3]. Англичанин Этьен Барбер пытался использовать для этого смесь воздуха с газом, полученным при нагреве древесины[4].

Появление целой плеяды разнообразных мощных и лёгких двигателей позволило создать новые, не существовавшие ранее виды транспорта (винтовые и реактивные самолёты, вертолёт, ракета, космический корабль), улучшить экономичность и экологичность корабельных силовых установок и локомотивов. Моторизация привела также к ускорению темпа жизни людей, возникновению целой автомобильной культуры (США); в военном деле дало возможность создать необычайно разрушительные машины смерти (танк, истребитель, бомбардировщик, ракеты с обычной и ядерной боеголовкой, подводные лодки и другие).

 
Газотурбинный ДВС

Классификация ДВС

По устройству:

  • Газотурбинные двигатели — преобразование энергии осуществляется ротором с клиновидными лопатками.
  • Роторно-поршневые двигатели — в них преобразование энергии осуществляется за счёт вращения рабочими газами ротора специального профиля.
  • Реактивные двигатели — развиваемая двигателем мощность сразу используется для поступательного движения ракеты или самолёта, дополнительное преобразование в крутящий момент и трансмиссия отсутствует (двигатель является движителем). Поэтому имеют наивысшие удельные мощностные показатели; являются единственными двигателями, способными выводить аппараты на орбиту.
 
Схема работы четырёхтактного рядного четырёхцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

По другим критериям:

  • по назначению — на транспортные (автомобильные, судовые, самолётные), стационарные и специальные.
  • по роду применяемого топлива — бензиновые и газовые двигатели, работающие на тяжёлом топливе дизели.
  • по способу образования горючей смеси — внешнее (карбюраторные и инжекторные двигатели) и внутреннее (в цилиндре ДВС у дизелей и искровых с непосредственным впрыском).
  • по объёму рабочих полостей и весогабаритным характеристикам — лёгкие, средние, тяжёлые, специальные.
  • устройству систем охлаждения (воздушное, жидкостное), и другим[5].

Помимо приведённых выше общих для всех ДВС критериев классификации существуют критерии, по которым классифицируются отдельные типы двигателей. Так, поршневые двигатели можно классифицировать по количеству и расположению цилиндров, коленчатых и распределительных валов, по типу охлаждения, по наличию или отсутствию крейцкопфа, наддува (и по типу наддува), по способу смесеобразования и по типу зажигания, по количеству карбюраторов, по типу газораспределительного механизма, по направлению и частоте вращения коленчатого вала, по отношению диаметра цилиндра к ходу поршня, по степени быстроходности (средней скорости поршня)[6][1].

 
Роторный ДВС

Обозначение и параметры поршневых ДВС

В практике приходится иметь дело с цифро-буквенным обозначением двигателей. Для поршневых оно (в России) стандартизовано по ГОСТ 10150-2014 в рамках межгосударственного стандарта обозначений и терминов[7].

Например, обозначение 6Ч15/18 указывает на 6-цилиндровый четырёхтактный двигатель с диаметром поршней 15 см и ходом 18 см, 12ДКРН20/30 — на 12-цилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный с наддувом, диаметр поршней 20 см и ходом 30 см (примеры условны).

Стандартами определяются также технические условия (температура воздуха, атмосферное давление и влажность, вид топлива, потребление мощности внешними агрегатами) для испытаний ДВС, например, на мощность. Поскольку условия такие в разных странах отличаются, то и заявленная производителем мощность может отличаться по локальным стандартам в ту или иную сторону (ввиду разброса размеров деталей, например, системы газораспределения, мощность двигателей всегда имеет естественный заводской разброс; у двухтактных ДВС, ввиду большего влияния этой системы на мощность, такой разброс выше).

Существует, например, понятие "мощность брутто" и "мощность нетто" (SAE). Первая указывает на мощность, снимаемую с вала, без привода помпы, генератора и вентилятора и снятым воздухоочистителем, вторая — со всеми этими агрегатами. До 1971 года автопроизводители (в рекламных целях) указывали в характеристиках двигателя мощность брутто, которая больше примерно на 20%. Это относилось и к таким советским двигателям как ГАЗ-24, Москвич-412. Однако и позднее были "рецидивы" внесения в характеристики мощности брутто (ЗМЗ-406 с заявленной мощностью 150 л.с.).

Преимущества и недостатки ДВС

По сравнению с двигателями внешнего сгорания ДВС:

  • не имеет дополнительных элементов теплопередачи — топливо само образует рабочее тело;
  • компактнее, так как не имеет целого ряда дополнительных агрегатов;
  • по этим причинам легче и дешевле (удельная мощность намного выше);
  • по причине быстрого рабочего процесса с высокой температурой сгорания, экономичнее;
  • потребляет топливо, обладающее весьма жёстко заданными параметрами (испаряемостью, температурой вспышки паров, плотностью, теплотой сгорания, октановым или цетановым числом), так как от этих свойств зависит сама работоспособность ДВС;
  • не имеет возможности работать по замкнутому циклу (двигатель Стирлинга), использование внешних источников теплоты и холода невозможно.
  • практически все виды топлива для ДВС — невозобновляемые ресурсы (газ и нефтепродукты). Исключения (этиловый спирт, биогаз, генеторный газ) используются редко, ввиду снижения характеристик транспортного средства (грузоподъёмность, мощность, скорость).

Двигатели с искровым зажиганием

Бензиновый двигатель

Является наиболее распространённым вариантом ДВС, поскольку установлен на значительной части легковых автомобилей (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта подачи топлива: инжектор и карбюратор.

Карбюраторный двигатель

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Инжекторный двигатель

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом бензинового ДВС, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигатеся подачей топлива под давлением, вместо распыла потоком воздуха в карбюраторном двигателе.

Роторно-поршневой

Предложен изобретателем Ванкелем в начале XX 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 Дизеля, Стирлинга или Отто 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), Маздой в Японии (Mazda RX-7, 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.

RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок

Обычно роторно-поршневые ДВС используют в качестве топлива бензин, но возможно и применение газа. Роторно-поршневой двигатель является ярким представителем бесшатунных ДВС, наряду с двигателем Баландина.

Газовые двигатели

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

  • смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
  • сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
  • генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются: уголь, торф, древесина.

Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно властвуют газотурбинные энергоблоки).

Двигатель с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый в цилиндре воздух от адиабатического сжатия (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топливной смеси происходит его распыление, а затем вокруг отдельных капель топливной смеси возникают очаги сгорания, по мере впрыскивания топливная смесь сгорает в виде факела. Так как дизельные двигатели не подвержены детонации, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия. Повышение её свыше 15 практически роста КПД не даёт[8], поскольку при этом максимальное давление ограничивают путём более длительного сгорания и уменьшением угла опережения впрыска. Однако малоразмерные быстроходные вихрекамерные дизеля могут иметь степень сжатия до 26, для надёжного воспламенения в условиях большого теплоотвода и для меньшей жёсткости работы (жёсткость обуславливается задержкой воспламенения, характеризуется в повышении давления при сгорании, измеряется в МПа/градус поворота коленчатого вала). Крупногабаритные судовые дизели с наддувом имеют степень сжатия порядка 11..14 и КПД более 50%[9].

Дизельные двигатели обычно менее быстроходны и при равной мощности с бензиновыми характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты. Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, 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.

Газодизельный двигатель

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю. Обычно имеется возможность работы по чисто дизельному циклу. Применение: тяжёлые грузовики. Газодизельные двигатели, как и газовые, дают меньше вредных выбросов, к тому же природный газ дешевле. Такой двигатель зачастую получают дооснащением серийного, при этом экономия дизтоплива (степень замещения газом) составляет порядка 60%[10]. Зарубежные фирмы также активно разрабатывают такие конструкции[11].

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания представляет собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внёс советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой с турбонагнетателем. Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет нагнетать воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного заряда в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.

На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.

Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку тому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры или при использованием турбины с изменяемой геометрией, в автоспорте также применяется принудительный разгон турбины с помощью системы рекуперации энергии[12]). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).

Двигатели с турбонагнетанием (комбинированные) до появления реактивных были единственно возможными в авиации, ввиду падения плотности воздуха с высотой; имеют широкое применение в дизельных двигателях (позволяя повысить удельные показатели мощности до уровня искровых ДВС и выше), реже в бензиновых. Благодаря настройке турбонаддува (регулятор давления), а также настройкам ГРМ, которые вместе определяют наполнение цилиндров двигателя, можно настраивать его транспортную характеристику.

Характеристики ДВС

Потребительские качества двигателя (принимая за образец классический поршневой или комбинированный двигатель, отдающий крутящий момент) можно охарактеризовать следующими показателями:

  1. Массовые показатели, в кг на литр рабочего объёма (обычно от 30 до 80), и в кг на 1 л.с. (1 кВт). Они важнее для транспортных, особенно авиационных, двигателей.
  2. Удельный расход топлива, г/л.с.*час (г/кВт*ч), или для конкретных видов топлив с разной плотностью и агрегатным состоянием, л/кВт*ч, м3/кВт*ч.
  3. Ресурс в часах (моточасах). Некоторые применения ДВС не требуют большого ресурса (пусковые ДВС, двигатели торпед), и потому в их конструкции могут отсутствовать, например, фильтры для масла и воздуха.
  4. Экологические характеристики (как самостоятельные, так и в составе транспортного средства), определяющие возможность его эксплуатации.
  5. Транспортные характеристики, определяющие кривую крутящего момента в зависимости от числа оборотов. При работе двигателя по винтовой характеристике, обычно без трансмиссии, специальная корректировка транспортной характеристики не требуется, но в автомобилях и тракторах хорошая транспортная характеристика (высокий запас крутящего момента, тихоходная настройка) позволяют уменьшить число передач в трансмиссии и облегчить управление.
  6. Шумность двигателя, зачастую определяемая его применением в люксовых моделях автомобилей или подводных лодках. Для снижения шумности часто снижают жёсткость подвески двигателя, усложняют схемы выпуска газов (например, выпуск газов через винт в подвесных моторах), а также капотируют.

Циклы работы поршневых ДВС

 
Двухтактный цикл
 
Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто:
1. Впуск
2. Сжатие
3. Рабочий ход
4. Выпуск

Поршневые ДВС, являясь машинами периодического действия (рабочие процессы в их камерах сменяют друг друга), классифицируются прежде всего по тактности (такт - это одно движения поршня (вверх или вниз), по времени он занимает пол-оборота коленчатого вала).

Разработаны и применяются (применялись) 2-х, 4-х и 6-тактные двигатели, то есть полный рабочий цикл в них происходит за 1, 2 и 3 оборота коленчатого вала сооответственно. Поскольку рабочий ход является тактом выделения энергии, то повышение мощности двигателя при равных показателях цикла (индикаторное давление) возможно путём уменьшения тактности.

И в самом деле, по этой причине 2-тактные двигатели имеют большое распространение в устройствах, требующих минимальной массы (газонокосилки, подвесные лодочные моторы, резервные бензоэлектрогенераторы). Устройство их проще, а цена ниже, но экологические и экономические качества уступают 4-тактным. Поэтому большинство транспортных двигателей 4-тактные.

Главные судовые двигатели, наоборот, обычно двухтактные. Причина в том, что добиться высокой экономичности двухтактного дизеля возможно, но путём усложнения и удорожания системы продувки. Снижение массы при переходе к 2-тактному циклу этим окупается, так как главные судовые дизели имеют ресурс в десятки и сотни тысяч часов, в отличие от двигателей автомобилей. С другой стороны, сэкономленный однажды вес увеличивает грузоподъёмность судна на эту величину (+ разница в весе, обусловленная креплением двигателя). Заключительным штрихом является возможность лёгкого реверса 2-тактного двигателя, поскольку трансмиссия корабля не имеет редуктора и разобщительной муфты.

Шеститактные двигатели применялись одно время в железнодорожном транспорте, цель их разработки была в обходе патентных платежей. Ввиду сложности и отсутствия особых преимуществ, дальнейшего развития они не получили.

Рабочий цикл наиболее распространённых (4-тактных) поршневых ДВС занимает два полных оборота кривошипа или четыре такта:

  1. Впуска (воздуха или топливо-воздушной смеси);
  2. Сжатия заряда (для роста КПД);
  3. Рабочего хода (расширение продуктов сгорания);
  4. Выпуска (выхлопа).

Двухтактные двигатели имеют всего два такта:

  1. Сжатия заряда;
  2. Рабочего хода.

Однако впуск и выпуск рабочего тела у двухтактных двигателей происходит, когда поршнень находится вблизи нижней мёртвой точки и является нетривиальной задачей. Многочисленные варианты газораспределительного механизма показывают огромную важность задачи.

Варианты газораспределительного механизма

  • золотниковое (высокое сечение, что важно в быстротечном газообмене 2-тактного двигателя) газораспределение имело широкое применение, но экологические трудности (угар масла) делают его применение теперь затруднительным;
  • поршневое (более простой вариант золотникового, только на 2-тактных; имеет те же проблемы);
  • клапанное в различном исполнении (наиболее распространены схемы с двумя и четырьмя клапанами на цилиндр, с одним или двумя верхними распредвалами)) — имеют наибольшее распространение на двигателях среднего и крупного размера;
  • комбинированные (клапанно-щелевые, клапанно-золотниковые и другие схемы).

В целом, среди остальных систем двигателя, газораспределительный механизм отличается наибольшим разнообразием исполнения по причинам:

  • различной тактности и типа цикла двигателя (искровой, дизельный);
  • назначения двигателя, обуславливающего стоимость дальнейшего снижения его массы и/или повышения удельной мощности;
  • ресурсных требований;
  • требований к экономичности и экологичности;
  • требований к транспортным характеристикам двигателя (запас крутящего момента, согласованность с трансмиссией или винтом);
  • удобства обслуживания и ремонта и другим, которым схемы ГРМ отвечают в разной степени.

Другие системы ДВС

Недостатком большинства двигателей внутреннего сгорания является то, что они развивают наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому частым спутником транспортного двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в некоторых случаях (например, в самолётах, вертолётах и кораблях) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме (электротрансмиссия). Двигатели с разным циклом работы имеют отличающийся набор систем, например, дизельный не имеет системы зажигания, а искровой - топливного насоса высокого давления.

Обычно двигателю внутреннего сгорания необходимы: система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки (предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения (для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламенения топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением). Это относится не только к поршневым, а и газотурбинным и реактивным ДВС, где масса таких систем может превысить массу основных деталей. Таким образом, может случиться, что даже значительная форсировка не позволит значительно сократить массогабариты, если они ограничены, например, системой охлаждения.

Топливная экономичность искровых ДВС

Сжатие топливо-воздушной смеси в искровых ДВС повышает их эффективность (КПД), но рост степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля. Если топливо легковоспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это приводит к такому увеличению давления в процессе сжатия, что повредит двигателю. Поэтому в двигателе с искровым зажиганием (отто-мотор) самовоспламенение топлива недопустимо. Самовоспламенение, требующее значительного времени для предпламенных реакций, иногда возникает при достаточно малом числе оборотов, проявляется обычно как то, что двигатель не глохнет при выключении зажигания, а продолжает неравномерное вращение, иногда в обратную сторону (калильное зажигание от свечей и частиц нагара). Это может приводить к повреждению двигателя, поэтому для его исключения принимаются конструктивные меры.

Область топливного заряда в искровых ДВС отделена от продуктов реакции фронтом пламени, движущимся со порядка 50 м/с (скорость пламени зависит от турбулизации смеси, её состава и типа топлива, энергии пробоя искрового промежутка, неравномерности состава при послойном образовании и других факторов). В условиях нормального горения фронт пламени, в котором и происходит горение, проходит с этой скоростью от свечи до стенок цилиндра. Однако при работе часто наблюдается быстрое самовоспламенение последних порций топливной смеси, происходящее в объёме. Явление это получило название детонации. Причиной детонации является значительное увеличение давления и температуры в оставшейся части заряда (поджатие продуктами горения) из-за , а также диффузия активных веществ из фронта пламени вместе с достаточным временем (десятки миллисекунд), позволяющим пройти предпламенным реакциям. При отсутствии подачи искры детонация при сжатии и расширении не наблюдается (детонация не самовоспламенение)[13].

Когда же детонация наконец возникает, то скорость сгорания достигает величин 2 км/с и более, тем самым в цилиндре образуются многократные отражённые ударные волны, снаружи воспринимаемые как звонкий стук. Ударные волны, принимая в себя часть энергиии топлива, не только снижают мощность, но и наносят повреждения деталям двигателя таким как поршень, кольца и головка цилиндров. В конечном счёте, энергия детонационных волн переходит в тепловую, поэтому при детонации двигатель может перегреваться. Длительная работа с сильной детонацией вызывает выкрашивание материала, поломки поршневых колец, прогар поршня, и потому недопустима; причём поверхность, повреждённая детонацией, лишь усиливает это явление[14].

В результате этого для каждого двигателя, с учётом его быстроходности, выбранной степени сжатия, угла опережения зажигания, величины подогрева заряда, способа смесеобразования и турбулизации заряда, существует предел работы без детонации на данном виде топлива. Применение топлива с меньшей стойкостью может приводить к описанным выше явлениям в двигателе, что вызывает его отказ. Стойкость топлива к детонационному сгоранию определяют обычно по сравнению с эталонной смесью изооктана и н-гептана. Если бензин имеет октановое число 80, его стойкость соответствует смеси 80% изооктана и 20% н-гептана. Для топлив, имеющих стойкость выше изооктана, число определяют сравнением смешением других смесей. В общем случае, величина измеренного ОЧ зависит от методики. Стойкость топлива к самовоспламенению и детонационная стойкость не равнозначны (нет линейной корреляции). Поэтому организация рабочего процесса в двигателе должна учитывать обе опасности.

В двигателях с воспламенением от сжатия, самовоспламенение топлива носит позитивный характер и оценивается цетановым числом топлива. Большее число показывает более быстрое воспламенение; обычно применяют топлива с ЦЧ более 40. Жёсткость сгорания в дизелях ограничена постепенным сгоранием топлива по мере его подачи, поэтому классической детонации при исправной топливной аппаратуре в таком двигателе не наблюдается.

Термодинамика классического поршневого ДВС

Тепловой расчёт ДВС был впервые разработан русским профессором Гриневецким, директором Императорского Московского технического училища. Его жизнь в 1919-м оборвала Гражданская война. В нашей стране его продолжателем явились такие русские инженеры как Брилинг, Мазинг и Сикорский (последний эмигрировал).

Одним из главных показателей цикла ДВС служит индикаторный КПД, зависящий от степени сжатия и показателя политропы рабочего тела.


Вторым важным уравнением является связь индикаторной мощности с рабочим объёмом двигателя, числом оборотов и степенью форсировки (приведённым индикаторным давлением).


Индикаторный КПД двигателя вычисляется на основании данных индикаторной мощности, расхода топлива, и его теплотворной способности.


Эффективная мощность и эффективное индикаторное давление отличаются от индикаторных на величину механических потерь, выраженных через механический КПД.


Механические потери включают в себя как трение цилиндро-поршневой группы и механизма газораспределения, так и потери в навесных агрегатах (помпа, маслонасос, генератор) и потери в процессе газообмена (отрицательная петля работы в индикаторной диаграмме 4-тактного ДВС).


Термодинамические показатели в целом не связаны с устройством конкретного двигателя, но соответствующие коэффициенты в формулах, обусловленные механическими потерями, максимальной степенью сжатия и плотностью воздуха на впуске, определены конструкцией. Термодинамические показатели влияют не только на КПД и мощность, но и экологические показатели двигателя.

Влияние ДВС на экологию, а также экологических требований на конструкцию ДВС

В таких вариантах ДВС, как газотурбинные и реактивные, сгорание организовано непрерывно, причём максимальная температура меньше. Поэтому они имеют обычно меньшие выбросы недогоревших углеводородов (по причине меньшей области гашения) и выбросы окислов азота (по причине меньшей температуры). Температура в таких двигателях ограничена теплостойкостью лопаток, сопел, направляющих, и для двигателей с большим ресурсом обычно не превышает 1000 оС. Улучшения экологических показателей, например, ракет, достигают обычно подбором топлив (например, вместо НДМГ и перекиси азота применяют жидкие кислород и водород).

Однако, сотни миллионов регулярно используемых транспортных двигателей, потребляя ежедневно огромное количество нефтепродуктов[15], дают в сумме большие вредные выбросы. Их разделяют на углеводороды (CH), окись углерода (CO), и окислы азота (NOx). Также ранее использовали этилированный бензин, продукты сгорания которого содержали практически не выводимый из организма человека свинец. Наиболее это сказывается в крупных городах, расположенных в низинах и окруженных возвышенностями: при безветрии в них образуется смог.

В первые десятилетия развития автотранспорта этому не уделялось достаточное внимание, поскольку автомобилей было меньше. В дальнейшем производителей обязали соблюдать определённые нормы выбросов, причём они становятся строже. Для уменьшения выбросов в принципе возможны три способа:

  1. Выбор экологически чистого топлива (водород, природный газ) или улучшение традиционного жидкого (бензин и дизтопливо "Евро-5").
  2. Изменение параметров цикла двигателя или разработка новых (снижение степени сжатия, расслоение заряда, внутрицилиндровый впрыск, системы компьютерного управления с использованием датчиков кислорода, система Common rail на дизелях, и др.).
  3. Снижение содержания вредных выбросов с использованием термических (ранее) и каталитических (настоящее время) катализаторов.

Существующие нормы токсичности в развитых странах требуют обычно применения всех этих способов сразу. При этом обычно ухудшается экономичность как автомобилей, так и всего транспортного (включая нефтеперегонные заводы) комплекса, поскольку оптимумы циклов по экономичности и экологичности у двигателей обычно не совпадают, а изготовление высокоэкологичного топлива требует больше энергии.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D)

Одним из конструктивных параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1 или менее, на дизельных моторах ход поршня, как правило, тем больше диаметра цилиндра. Уменьшение S/D позволяет сократить габариты двигателя при практически равной мощности (потому что скорость поршня при соответствующем увеличении числа оборотов сохранится прежней). Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель, и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Таким образом, из двух двигателей равной мощности короткоходный будет легче и меньше.

Однако, для уменьшения S/D имеются конструктивные границы. При сокращении хода рост частоты вращения приведёт к увеличению потерь трения, в том числе и аэродинамических при движении кривошипов и шатунов; растут силы инерции; станет затруднительным или невозможным получить нужную форму камеры сгорания при достаточной степени сжатия; из-за увеличения соотношения поверхности к объёму камеры сгорания возрастёт теплоотдача. При значительном росте быстроходности двигателя задача газообмена становится затруднительной, а сгорание смеси может не доходить до конца. Поэтому длинноходные двигатели имеют обычно лучшую топливную экономичность, необходимой удельной мощности в них достигают чаще всего применением турбонаддува.

Уровень развития ДВС как мерило технического прогресса

Разработка ДВС нетривиальна, поскольку к цели идёт множество путей. Выбор лучшего (применительно к конкретной области и требованиям) является примером многофакторной оптимизации. Здесь недостаточно интуиции, нужны большие затраты при разработке вариантов, ресурсные испытания. Тенденции развития двигателестроения предоставляют много вариантов дальнейшего развития[16].

Высокие требования к деталям ДВС, сложности технологического порядка (материалы, обработка), производственный цикл (поточность, возможность брака), масштабы производства (миллионы единиц), высокий уровень конкуренции и интеграции мировой экономики, в совокупности позволяют судить об уровне технологии государства по уровню выпускаемых ДВС. Высокоэффективные двигатели не только позволяют создавать экономичный и экологичный транспорт, но и вести независимую разработку в таких областях как военное дело, ракетостроение (в частности, космические программы). Высокотехнологичные производства сами по себе служат центром кристаллизации инженерных сообществ, рождению новых идей. Не случайно, например, конвейерная сборка была впервые внедрена именно на сборке автомобилей (оснащённых ДВС). В свою очередь, поддержание в исправном состоянии и управление многочисленными транспортными средствами также создало множество новых профессий, рабочих мест, методов ведения бизнеса и даже образа жизни (коммивояджеры, путешественники). Не будет преувеличением сказать, что появление ДВС революционизировало весь мир[17].

См. также

Примечания

  1. 1 2 ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия. bigenc.ru. Дата обращения 15 июля 2019.
  2. Типы судовых паровых машин, их достоинства и недостатки.. lektsii.org. Дата обращения 22 июля 2019.
  3. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия. bigenc.ru. Дата обращения 25 июля 2019.
  4. История двигателя внутреннего сгорания. azbukadvs.ru. Дата обращения 25 июля 2019.
  5. Типы двигателей внутреннего сгорания. carsweek.ru. Дата обращения 22 июля 2019.
  6. Классификация ДВС.
  7. ГОСТ 10150-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия (с Поправкой), ГОСТ от 11 августа 2015 года №10150-2014. docs.cntd.ru. Дата обращения 30 июля 2019.
  8. Процесс сжатия в поршне. vdvizhke.ru. Дата обращения 15 июля 2019.
  9. Дорохов Павел Александрович, Нгуен Динь Хиеп. Исследование влияния степени сжатия на показатели судового ДВС // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2009. — Вып. 1. — ISSN 2073-1574.
  10. Газодизель на метане | Газ в моторы (рус.)  (неопр.) ?. Дата обращения 25 июля 2019.
  11. Технические особенности газо дизелей и анализ экспериментально-теоретических исследований газодизельного процесса. Studref. Дата обращения 25 июля 2019.
  12. Андрей Лось. Red Bull Racing и Renault о новых силовых установках. F1News.Ru (25 марта 2014). Дата обращения 25 декабря 2014. Архивировано 8 июля 2014 года.
  13. Хиллиард Д., Спринглер Дж. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. — Москва: Машиностроение, 1988. — С. 209-268. — 509 с.
  14. Хиллиард Д., Спринглер Дж. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями. — Москва: Машиностроение, 1988. — С. 252-268. — 509 с.
  15. Запасы нефти в мире и потребление Онлайн (рус.)  (неопр.) ?. Дата обращения 25 июля 2019.
  16. Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания (Судостроение / Технологии) - Barque.ru. www.barque.ru. Дата обращения 18 июля 2019.
  17. http://engine.aviaport.ru/issues/105/pics/pg06.pdf

Литература

  1. Кушуль В. М. Знакомьтесь: двигатель нового типа. - Л.: Судостроение, 1966. - 120 с.
  2. Судовые двигатели внутреннего сгорания: учеб. / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань, В. В. Добровольский, А. И. Лукин и др. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.
  3. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, Д. Н. Вырубова. - М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.
  4. Демидов В. П. Двигатели с переменной степенью сжатия. - М.: Машиностроение, 1978. - 136 с.
  5. Махалдиани В. В, Эджибия И. Ф. Двигатели внутреннего сгорания с автоматическим регулированием степени сжатия. - Тбилиси, 1973. - 272 с.

Ссылки