Состав и структурные схемы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Поршнево́й дви́гатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.

Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт (судовые двигатели).

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:

· жидкости — бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;

· газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;

· монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырёхтактные двигатели.

Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют рабочим объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

· Двигатели с внешним смесеобразованием. Воздушно-топливная смесь готовится в карбюраторе(внесмесителе), поступает по впускным коллекторам (патрубкам) в цилиндры двигателя, как вариант — инжекторная система подачи топлива. Воспламенение топливо-воздушной смеси выполнется, как правило, электроискровым разрядом, вырабатываемым системой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, сжиженные углеводородные газы, биогаз, генераторный газ, см. газогенераторный автомобиль, газовый двигатель);

· Компрессионные карбюраторные двигатели. В них топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях), обычно в основе топлива — диэтиловый эфир, касторовое масло и керосин). Воспламенение происходит от сжатия. Степень сжатия регулируется контрпоршнем, так как от этого зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях. Компрессионные карбюраторные двигатели не являются дизельными двигателями.

· Калильные карбюраторные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт теплоты сгорания топлива на предыдущем такте. Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;

· Двигатели с внутренним смесеобразованием. Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:

· Дизельные, работающие на дизельном топливе. В этих двигателях сжатию подвергается только воздух в цилиндрах, вблизи верхней мёртвой точки при такте сжатия в камеру сгорания форсункой впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым от сжатия до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.

· Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня или калильной головки. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ), в первой половине XX века применялись в сельском хозяйстве.

Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

· Существуют также газодизельные двигатели, работающие на смеси природного газа с воздухом. Так как температура воспламенения от сжатия газовоздушной смеси составляет около 700 °C (дизельное топливо воспламеняется при 320—380 °C), воспламенение производится впрыскиванием через форсунки небольшого количества дизельного топлива.

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД поршневого ДВС не превышает 60 %. Остальная тепловая энергия распределяется, в основном, между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:

· воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха;

· жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором.

· Иногда в некоторых деталях (например, выпускные клапана) в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Основные параметры двигателя[править | править код]

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

· Верхняя мёртвая точка (в. м. т.) — крайнее верхнее положение поршня.

· Нижняя мёртвая точка (н. м. т.) — крайнее нижнее положение поршня.

· Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки

· Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

· Такт — часть рабочего цикла, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.

· Объём камеры сгорания — объём пространства над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке.

· Рабочий объём цилиндра — объём, освобождаемый поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.

· Полный объем цилиндра — объём пространства над поршнем при нахождении его в нижней мёртвой точке. Полный объём цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сгорания.

· Рабочий объём двигателя для многоцилиндровых двигателей — это произведение рабочего объёма на число цилиндров.

· Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.