Двигатель внутреннего сгорания

2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С. 4. Такт выпуска. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных двигателей - продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное и продувочное, которое сообщается клапаном с кривошипной камерой двигателя.

Рабочий цикл в двухтактном двигателе осуществляется за два такта:

1. Такт сжатия. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси.

Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около  ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется  электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.

Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.

Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%.

4. Применение двигателей

Двигатели внутреннего сгорания используются практически во всех областях транспорта. Они являются "сердцем" автомобиля, трактора, тепловоза, судна. Современный двигатель внутреннего сгорания представляет собой своеобразный сплав последних достижений науки и техники. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является наиболее распространенным энергетическим сердцем автомобилей, тракторов, судов и других транспортных средств. Двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества. Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте.

5. Достоинства и недостатки ДВС

Основные преимущества 4-х и 2-х тактных ДВС

Преимущества четырёхтактных двигателей:

Больший ресурс.

Большая экономичность.

Более чистый выхлоп.

Не требуется сложная выхлопная система.

Меньший шум.

Преимущества двухтактных двигателей:

Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения у двухтактных вариантов.

Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма.

Проще и дешевле в изготовлении.

Карбюраторные и инжекторные двигатели.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала. Так же мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактного больше в 1,5 — 1,8 раза.

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой. Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов).

Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода.

Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (Система рециркуляции выхлопных газов).

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30% энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40%, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением до 50%. Дизельное топливо, как правило, дешевле.

Дизельный двигатель выдает высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «гибким» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более легким эффективное использование мощности двигателя.

По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах — это углеводороды (НС или СН), оксиды (окислы) азота (NОх) и сажа (или её производные) в форме черного дыма. Они могут привести к астме и раку легких. Больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и неотрегулированными. Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (т. е. легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более что в них не используется система зажигания. Это стало причиной широкого применения дизелей на танках, т. к. при попадании снаряда пары бензина, всегда находящиеся в плохо вентилируемом из-за броневой защиты моторном отсеке, легко воспламенялись.

Конечно, существуют и недостатки, среди которых характерный стук дизельного двигателя при его работе и маслянистое топливо. Однако они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.Явными недостатками дизельных двигателей является необходимость использования стартера большой мощности, помутнение и застывание дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Данные загрязнения очень быстро выводят топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов так же, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своем рабочем диапазоне. Экологические показатели дизельных моторов значительно уступали до последнего времени моторам бензиновым. На классический дизель-мотор с механически управляемым впрыском практически невозможно установить современный нейтрализатор отработавших газов («катализатор» в просторечье) из-за нестабильного состава этих самых отработанных газов. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой «Common-rail» системы. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что по сложности современный — и экологически такой же чистый, как и бензиновый — дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров сложности и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар, то в новейших «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 и до 2500 бар, что влечет за собой немаленькие проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра». «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах.

Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в "сажевом фильтре", поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим очистки "сажевого фильтра" путем так называемой "постинжекции", то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путем сжигания накопившейся сажи. Стандартом в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы — и так называемого "интеркулера" — то есть устройства, охлаждающего сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры, и, соответственно, впрыснуть больше топлива. Основная конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако одинаковые детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к более высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля. Головки поршней, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и часто (но не всегда) под повышенную степень сжатия и головки поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Во многих случаях головки поршней содержат в себе камеру сгорания.

6. Перспективы усовершенствования

Совершенствование Двигателей внутреннего сгорания идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций. Можно наметить также такие тенденции в развитии двигателей внутреннего сгорания, как постепенное замещение карбюраторных Двигателей дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей, увеличение частоты вращения и другими улучшениями в конструкции. Над совершенствованием двигателя внутреннего сгорания работали и продолжают работать многие учёные, инженеры, испытатели. Вот некоторые интересные новости развития Двигателей внутреннего сгорания. Министр энергетики США Спенсер Абрахам представил топ-менеджерам американских автоконцернов доклад о "национальном водородном энергетическом графике". Авторы программы предлагают постепенно развертывать производство водородных двигателей вместо традиционных двигателей внутреннего сгорания. По их замыслу, это позволило бы снизить зависимость США от импорта нефти. Около года назад Министерство энергетики США вместе с ведущими американскими автоконцернами и нефтяными компаниями начало реализовывать программу по разработке и производству автомобильных двигателей на основе водородных топливных ячеек. В январе 2002 г. администрация Джорджа Буша отказалась от программы разработки сверхэкономичных автомобилей, оснащенных бензиновыми двигателями (ее начали реализовывать еще при президенте Клинтоне).