ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в к-ром хим. энергия топлива, сгорающего внутри рабочего цилиндра, преобразуется в тепловую энергию, а затем, при помощи кривошипно-шатунного механизма, - в механическую работу.

До 1860 преимущественное распространение имели гидравлический двигатель и паровая машина. В период с 1791 по 1860 были разработаны теоретические основы Д. в. с. и намечены основные принципы их устройства и работы. В 1860 был построен 1-й работоспособный газовый Д. в. с, уступивший место сначала атмосферной машине, а затем в 1876 - 78 4-тактному двигателю. В 1892 - 95 был разработан и построен 1-й двигатель Дизеля, приспособленный для работы на керосине.

В 1899 в России, на заводе Нобель, в Петербурге, был построен первый компрессорный дизель, предназначенный для работы на нефти.

Совершенствованию Д. в. с. в значительной степени способствовали работы русских и советских учёных: проф. В. И. Гриневецкого, проф. Н. Р. Брилинга, проф. Б. Д. Львова и др.

Д. в. с. классифицируют: 1) по назначению: а) стационарные, б) транспортные (судовые, автомобильные, тракторные, авиационные и др.); 2) по способу смесеобразования а) с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые двигатели), б) с внутренним смесеобразованием (дизели, калоризаторные двигатели, двигатели Гессельмана); 3) по роду применяемого топлива: а) двигатели жидкого тяжёлого топлива (нефть, мазут, газойль, дизельное топливо), б) двигатели жидкого лёгкого топлива (бензин, лигроин, керосин, спирт и др.), в) газообразного топлива (генераторный, светильный, природный и др. газы), г) твёрдого пылевидного топлива; 4) по способу воспламенения рабочей смеси: а) двигатели с воспламенением от электрической искры, б) с воспламенением от сжатия, в) с воспламенением от калоризатора; 5) по способу выполнения рабочего цикла: а) двигатели 4-тактные и б) 2-тактные; 6) по числу цилиндров - 1-, 2-, 3-, 4-цилиндровые, многоцилиндровые двигатели; 7) по расположению цилиндров: а) двигатели с вертикальным расположением цилиндров, б) с горизонтальным расположением цилиндров, в) с расположением цилиндров под углом (V-, W-, Х-, Н-образные двигатели), г) с барабанным расположением цилиндров.

Основными механизмами и системами Д. в. с. являются: 1) кривошипно-шатунный механизм, состоящий из поршня (с кольцами и поршневым пальцем), шатуна, коленчатого вала с маховиком и цилиндра. Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала; 2) механизм газораспределения, управляющий заполнением цилиндров рабочей смесью или воздухом и выпуском из цилиндров продуктов сгорания; 3) система питания, обеспечивающая приготовление рабочей смеси; 4) система охлаждения, служащая для охлаждения двигателя во время его работы; 5) система смазки, обеспечивающая смазку всех трущихся деталей двигателя; 6) система зажигания, производящая воспламенение рабочей смеси; 7) механизм регулирования подачи рабочей смеси или топлива; 8) устройство для осуществления пуска двигателя.

Принципы действия Д. в. с. При работе Д. в. с. поршень, соединённый посредством шатуна с коленчатым валом, движется в цилиндре между верхней и нижней мёртвыми точками (возвратно-поступательное движение). Верхней мёртвой точкой (ВМТ) называется положение поршня в цилиндре, при к-ром расстояние его от оси коленчатого вала является наибольшим. Нижней мёртвой точкой (НМТ) называется положение поршня, когда расстояние его от оси вала является наименьшим. Расстояние, к-рое проходит поршень при перемещении между мёртвыми точками, называется ходом поршня. Объём цилиндра, заключённый между ВМТ и НМТ поршня, называется рабочим объёмом. Литражем двигателя называется произведение рабочего объёма цилиндра на число цилиндров. Объём полости цилиндра над поршнем при положении последнего в ВМТ составляет пространство сжатия, или объём камеры сгорания. Отношение полного объёма цилиндра (при положении поршня в НМТ) к объёму камеры сгорания называется степенью сжатия.

Рабочий цикл двигателя составляют след. процессы: заполнение цилиндра свежим зарядом, сжатие заряда и сгорание топлива, расширение газов или рабочий ход, удаление из цилиндра отработанных газов. Если рабочий цикл Д. в. с. совершает за 4 хода поршня, т.е. 4 такта (за 2 оборота коленчатого вала), двигатель называется 4-тактным. Если рабочий процесс совершается за 2 хода поршня (за 1 оборот коленчатого вала), двигатель называется 2-тактным. Всё указанные в классификации Двигатели выполняются как 4-, так и 2-тактными.

Рис. 1. Схема четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторный)- 1 - поршневой палец; 2 - шатун; 3 - коленчатый вал; 4 - поршень; 5 - карбюратор; в - впускной клапан; 7 - воздухоочиститель; 8 - всасывающий коллектор; 9 - провод для подвода тока высокого напряжения от магнето 15 к свече 10: 11 - головка двигателя; 12 - выхлопной коллектор; 13 - выхлопной клапан; 14 - распределительный вал (на схеме для наглядности, показаны два распределительных вала; в действительности большинство современных двигателей имеют лишь один вал, от которого приводятся в действие впускные и выхлопные клапаны)

Рабочий процесс 4-тактиого Д. в. с. протекает в такой последовательности: 1) При перемещении поршня от ВМТ к НМТ, через открытый, при помощи механизма газораспределения, впускной клапан, в цилиндр засасывается свежий заряд. Этот процесс называется впуском или тактом всасывания (рис. 1, а и 2, а). Свежий заряд у Д. в. с. с внешним смесеобразованием представляет рабочую смесь из топлива и воздуха, приготовленную в карбюраторе (см.) или смесителе (см. Газогенератор). В Д. в. с. с внутренним смесеобразованием свежим зарядом является чистый воздух (см. Дизель). 2) Поршень при перемещении от НМТ к ВМТ сжимает заряд (впускной клапан закрывается в начале перемещения поршня от НМТ к ВМТ). Этот такт называется тактом сжатия (рис. 1, б и 2, б). Мощность и экономичность двигателя в сильной мере зависят от величины степени сжатия, повышаясь с увеличением последней (до век-рого предела). При увеличении степени сжатия темп-pa и давление заряда в конце сжатия возрастают. Повышение темп-ры заряда выше темп-ры самовоспламенения топлива в двигателях с внешним смесеобразованием может вызвать при сжатии преждевременные вспышки, а при сгорании детонацию (см. Топливо). Это ограничивает величину степени сжатия карбюраторных, газовых и калоризаторных двигателей в пределах 4 - 10 (в зависимости от свойств топлива и др. факторов); дизели имеют более высокую степень сжатия - 13 - 22. Увеличение степени сжатия у дизелей ограничивается значительным повышением нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизмам следовательно, повышением из носов трущихся поверхностей и увеличением потерь на трение. 3) В двигателях с внешним смесеобразованием рабочая смесь в конце хода сжатия воспламеняется от электрической искры [при помощи запальной свечи и магнето (см.) или бобины]. При работе дизеля в конце такта сжатия в камеру сжатия впрыскивается топливо (при помощи форсунки и насоса). Так как темп-pa воздуха в конце сжатия у дизелей выше темп-ры воспламенения топлива, впрыснутое топливо воспламеняется. В результате сгорания топлива темп-pa и давление в цилиндре двигателя резко повышаются. Под давлением газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Этот такт называется тактом расширения или рабочим ходом (рис. 1, в и 2, в). Когда поршень находится вблизи НМТ, открывается выхлопной клапан, и отработанные газы начинают вытекать из над поршневого пространства в атмосферу. 4) При перемещении от НМТ к ВМТ поршень вытесняет из цилиндра отработанные газы. Этот такт называется тактом выхлопа (рис. 1, г и 2, г). После такта выхлопа поршень начинает снова перемещаться от ВМТ к НМТ и осуществлять такт всасывания, затем сжатия и т. д.

Рис. 2. Схема четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием (дизель) 1 - поршневой палец; 2 - шатун; 3 - коленчатый вал; 4 - поршень; 5 - топливный насос; 6 - впускной клапан; 7 - воздухоочиститель; 8 - всасывающий коллектор; 9 - топливопровод высокого давления; 10 - форсунка; 11 - головка двигателя; 12 - выхлопной коллектор; 13 - выхлопной клапан; 14 - распределительный вал; 15 - топливопровод низкого давления, подводящий топливо к насосу (на схеме, для наглядности, клапаны расположены в блоке цилиндров и приводятся в действие двумя распределительными валами; в действительности дизели имеют клапаны, расположенные в головке и приводимые в действие почти, как правило, от одного распределительного вала)

Рис. 3. Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием: 1 - выхлопное окно; 2 - продувочное окно; 3 - всасывающий клапан

Рабочий процесс 2-тактного дизеля или нефтяного Д. в. с. протекает в такой последовательности: 1) Поршень при перемещении от НМТ к ВМТ (рис. 3, а) сжимает воздух, находящийся в надпоршневом пространстве. До прихода поршня к ВМТ топливо при помощи насоса и форсунки впрыскивается в надпоршневое пространство. Воспламенение впрыснутого топлива произойдёт от соприкосновения частиц топлива с сильно нагретым при сжатии воздухом (см. Дизель) или от калоризатора (см. Нефтяной двигатель). 2) В результате сгорания топлива темп-pa и давление над поршнем сильно повысятся, и поршень под давлением газов начнёт перемещаться от ВМТ к НМТ. Не доходя до НМТ, поршень откроет выхлопное окно 1 (рис. 3, б), и продукты сгорания устремятся из надпоршневого пространства через это окно в атмосферу. При дальнейшем перемещении поршень откроет продувочное окно 2 (рис. 3, в), через к-рое воздух, сжатый поршнем в картере, начнёт поступать в цилиндр и вытеснять из него оставшиеся продукты сгорания (продувать цилиндр). При перемещении от НМТ к ВМТ поршень перекроет вначале продувочное окно 2, а затем выхлопное 1. После этого воздух, находящийся в надпоршневом пространстве, будет сжиматься поршнем. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ в картер двигателя через клапан 3 будет засасываться воздух необходимый для последующей продувки цилиндра У нек-рых 2-тактных дизелей продувка осущест-вляется через продувочные окна (при помощи спец продувочного насоса), а выхлоп производится через клапаны.

Мощность, развиваемая Д. в. с, зависит от диам. цилиндра, хода поршня, числа оборотов, числа цилиндров, совершенства протекания тепловых процессов, совершенства изготовления и сборки.

Основными показателями Д. в. с. являются: 1) Экономический к. п. д., характеризующий степень использования тепла топлива на полезную работу (работу, снимаемую с вала двигателя при полной нагрузке). Экономический к. п. д. для Д. в. с. с внешним смесеобразованием равен 20 - 28%; для Д. в. с. с внутренним смесеобразованием: дизели - 30-40%, нефтяные двигатели - 20 - 25%. 2) Литровая мощность, представляющая частное от деления полной мощности двигателя на литраж двигателя. Этот показатель характеризует степень форсировки двигателя (число оборотов, степень сжатия, наддув). В зависимости от типа двигателя, назначения и др. факторов, этот показатель варьирует в широких пределах: от 1 - 2 л. ^с./_л (стационарные тихоходные Д. в. с.) до 140 л. ^с./_л и выше (Д. в. с. спортивно-гоночного типа). 3) Удельный вес, представляющий частное от деления веса Д. в. с. на максимальную мощность, развиваемую им. Этот показатель является следствием совершенства конструктивных форм, форсировки двигателя, качества применяемых материалов и др. Уд. в. Д. в. с. может составлять от 120 ^кг/_л. с. (стационарные, тихоходные Д. в. с.) до долей кг (авиационные Д. в. с). 4) Износоустойчивость двигателя, т. е. способность его длительно работать в эксплоатационных условиях без ремонта. Этот показатель, в основном, зависит от нагрузки на детали и её характера, скорости движения изнашивающихся деталей, качества изготовления, сорта топлива и смазочных масел, условий работы и ухода. Наибольшей износоустойчивостью обладают тихоходные стационарные Д. в. с. Для современных тракторных дизелей износоустойчивость равна 2000 - 2500 часов, для авиационных Д. в. с. - неск. сотен часов.

Прочность, надёжность в работе, удобство в управлении и обслуживании также относятся к основным показателям двигателя внутреннего сгорания.

Устройство и действие отдельных систем и механизмов Д. в. с. зависят от его назначения, тактности, рода топлива, применяемого для работы, способа воспламенения заряда и т. д. Более подробные сведения об устройстве и действии Д. в. с. см. в статьях: Газогенератор, Газовый двигатель, Дизель, Дизельная топливная аппаратура, Карбюратор, Карбюраторный двигатель, Магнето, Нефтяной двигатель.