Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это один из ключевых тепловых двигателей в современной технике. Он преобразует химическую энергию топлива в механическую работу непосредственно внутри рабочих цилиндров. Благодаря своей эффективности и компактности ДВС нашел широчайшее применение: он является сердцем большинства автомобилей, тракторов, судов, мотоциклов и многих других машин. По типу используемого топлива и способу воспламенения выделяют две основные группы: бензиновые двигатели и дизели.
Бензиновые двигатели: принцип работы и устройство
Бензиновые двигатели работают на легком жидком топливе (бензин, керосин) или на газе. В качестве перспективного направления рассматривается использование водорода. Основной рабочий элемент ДВС — это цилиндр, внутри которого происходит сгорание топливно-воздушной смеси и движение поршня.
Внутри цилиндра перемещается поршень — деталь, имеющая форму металлического стакана. Для обеспечения герметичности поршень оснащен специальными поршневыми кольцами, которые предотвращают прорыв газов в зазор между поршнем и стенками цилиндра. Через поршневой палец поршень соединяется с шатуном, который, в свою очередь, передает возвратно-поступательное движение поршня на коленчатый вал, преобразуя его во вращательное.
Верхняя часть цилиндра (головка блока) содержит впускной и выпускной клапаны, а также свечу зажигания. Через впускной клапан поступает горючая смесь, а через выпускной — удаляются отработавшие газы. Свеча создает электрическую искру для принудительного воспламенения смеси в нужный момент.
Четырехтактный цикл работы
Наиболее распространенной схемой работы является четырехтактный цикл, который состоит из следующих этапов:
- Впуск. Открывается впускной клапан. Поршень движется вниз, создавая разрежение и засасывая в цилиндр топливно-воздушную смесь.
- Сжатие. Оба клапана закрыты. Поршень движется вверх, сжимая смесь, что приводит к ее нагреву.
- Рабочий ход (расширение). В момент максимального сжатия смесь поджигается искрой от свечи. Быстрое сгорание создает высокое давление, которое толкает поршень вниз. Именно на этом такте совершается полезная работа, передаваемая через шатун на коленчатый вал.
- Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему и далее в атмосферу.
Поскольку полезная работа совершается только в течение одного такта из четырех, для равномерного вращения вала двигатель оснащается массивным маховиком, который накапливает кинетическую энергию во время рабочего хода и отдает ее в остальные такты. Для повышения мощности и плавности хода двигатели обычно делают многоцилиндровыми (4, 6, 8 и более цилиндров). В авиации исторически широко применялись мощные звездообразные двигатели, цилиндры которых расположены радиально вокруг одного вала.
Дизельный двигатель: особенности и отличия
Дизель — это второй основной тип ДВС, изобретенный немецким инженером Рудольфом Дизелем в 1897 году. Его ключевое отличие от бензинового двигателя заключается в способе воспламенения топлива. В дизеле в цилиндр вначале засасывается и сильно сжимается (в 2-2.5 раза сильнее) чистый воздух. От такого сжатия воздух нагревается до температуры 700-900°C. Затем, в момент максимального сжатия, в камеру сгорания через форсунку впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо, которое самовоспламеняется от контакта с раскаленным воздухом.
Конструктивно дизель схож с бензиновым мотором, но имеет важные отличия: отсутствие свечи зажигания, наличие более прочных деталей для работы под высоким давлением, топливный насос высокого давления и форсунки для точного впрыска топлива. Рабочий цикл также четырехтактный, но отличается характером процессов: на такте впуска поступает только воздух, а топливо впрыскивается в конце такта сжатия.
Преимущества и сфера применения
Дизельные двигатели обладают более высоким коэффициентом полезного действия (КПД до 44%), что делает их более экономичными. Они могут работать на более дешевых видах топлива и отличаются большим крутящим моментом. Благодаря этим качествам дизели доминируют в тяжелой технике: их устанавливают на суда, тепловозы, грузовые автомобили, тракторы и передвижные электростанции. Бензиновые двигатели, в свою очередь, остаются стандартом для легковых автомобилей и мототехники благодаря меньшему шуму, вибрациям и более высокой литровой мощности.
Таким образом, двигатель внутреннего сгорания, пройдя долгий путь эволюции, остается фундаментальным элементом современной транспортной и промышленной инфраструктуры, постоянно совершенствуясь в части эффективности и экологичности.