Загальне складання двигуна

Двигун внутрішнього згоряння

Перейти до навігаціїПерейти до пошуку

Поршневий двигун V-подібної компоновки

Газотурбінний двигун

Роторний двигун

Двигу н / руші й вну трішнього згоря ння^[1] — різновид теплового двигуна, в якому паливна суміш згорає безпосередньо в робочій камері (всередині) двигуна. Продукти згоряння утворюють робоче тіло. Такий двигун є первинним, хімічним, і перетворює енергію згоряння палива на механічну роботу. Існує велика кількість різноманітних двигунів з внутрішнім згорянням, що відрізняються призначенням, способом віддачі потужності та іншими параметрами.

Потужні та легкі, двигуни внутрішнього згоряння дозволили створити не існувавші до цього види транспорту (автомобіль, мотоцикл, гвинтовий і реактивний літаки, вертоліт, ракету, космічний корабель, газотурбохід, судно на повітряній подушці), поліпшити економічність та екологічність корабельних силових установок і локомотивів. Моторизація призвела до прискорення темпу життя людей, виникнення цілої автомобільної культури (США); у військовій справі дозволила розробити надзвичайно руйнівні машини смерті (танк, винищувач, бомбардувальник, ракети зі звичайною та ядерною боєголовкою, підводний човен з торпедами та інші).

Зіркоподібний поршневий двигун на збірці в 1942 році

Альтернативне сімейство двигунів зовнішнього згоряння має роздільне паливо та робоче тіло, що зумовлює необхідність порівняно повільної передачі тепла згоряння від продуктів згоряння робочому тілу — тому їхня питома потужність значно нижча. Поряд з двигунами зовнішнього згоряння, двигуни внутрішнього згоряння широко використовуються для вироблення електроенергії, використовуваної електродвигунами та іншими споживачами.

Історія створення

Докладніше: Історія двигунів внутрішнього згоряння

Теплові машини (в основному, парові) з моменту появи відрізнялися великими габаритами та масою, обумовленими застосуванням зовнішнього згоряння (потрібні котли, конденсатори, випарники,теплообмінники, тендери, насоси, водяні резервуари та ін.), в той же час основна (функціональна) частина парової машини (поршень і циліндр) порівняно невелика. Тому думка винахідників весь час поверталася до можливості поєднання палива з робочим тілом двигуна, що дозволило згодом значно зменшити габарити та вагу, інтенсифікувати процеси впуску та випуску робочого тіла. Особливо важливими є ці відмінності на транспорті^[2]. У створення різних ДВЗ внесли найбільший внесок такі інженери як Джон Барбер (винахід газової турбіни в 1791), Роберт Стріт (патент на двигун на рідкому паливі, 1794), Філіп Лебон (відкриття світильного газу в 1799, перший газовий двигун в 1801), Франсуа Ісаак де Ріваз (перший поршневий двигун, 1807), Жан Етьєн Ленуар (газовий двигун Ленуара, 1860), Раймонд Олександрович Корейво, Фрідріх Артурович Цандер, Вернер фон Браун (реактивні та турбореактивні двигуни, починаючи з 1930-х і закінчуючи програмою Аполлон).

Газовий двигун Ленуара в паризькому Музеї мистецтв і ремесел

Перший патент на чотиритактний двигун внутрішнього згоряння отримав ще в 1862 Альфонс Бо де Роша (французький патент № 52593 від 16.01.1862)^[3]. Проте, винахідником двигуна внутрішнього згоряння часто називають німецького інженера Ніколауса Отто, який у 1862 році розпочав виробництво й продаж двотактних двигунів. У 1866 році Н. Отто та Е. Ланген удосконалили конструкцію двигуна Е. Ленуара, що привело до зростання коефіцієнта корисної дії. У 1876 Отто сконструював чотиритактний двигун^[3]. У 1877 році він отримав патент^[4] на газомоторний двигун. Цей патент було скасовано у 1886 році на користь патенту, виданого Альфонсу Бо де Роша на його конструкцію чотиритактного двигуна. У жовтні 1877, ще один патент на газомоторний двигун був виданий Ніколаусу Отто і братам Френсісу та Вільяму Кросслі^[5].

Перший двотактний бензиновий двигун сконструював Карл Бенц (перший патент отримано у 1879 році^[6]).

Рудольф Дізель у 1897 році сконструював перший дизельний двигун із високим коефіцієнтом корисної дії на вугільному пилу, двигун на гасі на який у 1898 році отримав патент^[7].

Німецькі інженери Готліб Даймлер та Вільгельм Майбах були серед піонерів конструювання автомобілів та мотоциклів — процесу, який розвивався паралельно із вдосконаленням двигунів. Ними був розроблений бензиновий мотор з карбюратором.

Таким чином, ДВЗ розвивалися з відставанням від парових машин (так, паровий насос для відкачування води був винайдений Томасом Севері в 1698), що було обумовлено відсутністю відповідного пального, матеріалів та технологій. Сама ідея ДВС була запропонована Християном Гюйгенсом ще в 1678 році, як паливо нідерландський вчений пропонував використовувати порох. Англієць Етьєн Барбер намагався використати для цього суміш повітря з газом, отриманим при нагріванні деревини .

Класифікація ДВЗ

Реактивні ДВС F-1 на ракеті Сатурн-5

Пристрій

• Поршневі двигуни — камерою згоряння служить циліндр, зворотно-поступальний рух поршня за допомогою кривошипно-шатунного механізму перетворюється на обертання валу. Деякі типи поршневих ДВЗ не мають кривошипно-шатунного механізму (дизель-молот, вогнепальна зброя).

• Газотурбінні двигуни — для перетворення енергії газів у момент, що крутить, служить ротор з лопатками спеціального профілю. Перед згорянням у камері двигуна повітря стискається компресорною частиною, паливо впорскується в камеру згоряння.

• Роторно-поршневі двигуни — камеру згоряння обмежує трикутний ротор, що виконує функцію поршня.

• Реактивні двигуни - потужність, що розвивається, відразу використовується для поступального руху ракети або літака, додаткове перетворення в крутний момент і трансмісія відсутня (двигун є також рушієм)^[8]. Тому мають найвищі питомі потужнісні показники; є єдиними двигунами, здатними виводити апарати на орбіту. Одночасно для військового застосування російські військові обговорювали питання створення реактивного атомного двигуна^[9].

• Турбореактивні двигуни — різновид реактивних, як окислювач використовує атмосферне повітря, що попередньо стискається компресорною частиною. З огляду на це може бути використаний тільки в межах земної атмосфери. Зазвичай їх неточно називають просто реактивними, наприклад, «літак з реактивним двигуном». Можна розглядати турбореактивний двигун і як різновид газотурбінного, тому що він має всі основні його частини, крім вихідного валу.

• Турбогвинтові двигуни - газотурбінний, що приводить в рух повітряний гвинт . Застосовуються в авіації, на помірних швидкостях мають вищий ККД, ніж турбореактивні.

За іншими критеріями

• за призначенням — на транспортні (автомобільні, суднові, літакові), стаціонарні та спеціальні.

• за родом застосовуваного палива — бензинові та газові двигуни, що працюють на важкому паливі дизелі.

• за способом утворення горючої суміші — зовнішнє (карбюраторні та інжекторні двигуни) і внутрішній (в циліндрі ДВС у дизелів та іскрових з безпосереднім упорскуванням).

• за обсягом робочих порожнин і вагогабаритних характеристик — легкі, середні, важкі, спеціальні.

• влаштування систем охолодження (повітряне, рідинне), та іншим.

Крім наведених вище загальних всім ДВС критеріїв класифікації існують критерії, якими класифікуються окремі типи двигунів. Так, поршневі двигуни можна класифікувати за тактністю і робочим процесом, за кількістю і розташуванням циліндрів, колінчастих і розподільних валів, за типом охолодження, за наявності або відсутності крейцкопфа, наддуву того чи іншого типу (атмосферний — без наддуву), за способом запалення, за кількістю карбюраторів, за типом газорозподільного механізму, за напрямом і частотою обертання колінчастого валу, по відношенню діаметра циліндра до ходу поршня, за рівнем швидкохідності (середньої швидкості поршня).

Переваги та недоліки ДВЗ

Порівняно з двигунами зовнішнього згоряння ДВЗ:

• немає додаткових елементів теплопередачі — паливо саме утворює робоче тіло;

• компактніше, тому що не має цілого ряду додаткових агрегатів, часто важких та громіздких (паровий котел, конденсатор пари);

• з цих причин легше і дешевше (питома потужність набагато вища);

• економічніше через швидкий робочий процес з високою температурою згоряння без додаткової теплопередачі;

• споживає паливо, що має дуже жорстко задані параметри (випаровуваністю, температурою спалаху пари, щільністю, теплотою згоряння, октановим або цетановим числом), так як від цих властивостей залежить сама працездатність ДВЗ;

• не має можливості працювати по замкнутому циклу (як двигун Стірлінга), використання зовнішніх джерел теплоти неможливо.

• не має здатності розвивати крутний момент і потужність поза обертанням в робочих режимах, в переважній більшості випадків потребує передачі, що узгоджує вихідні параметри ДВС з навантаженням, і пристрої, що забезпечує запуск (на відміну від парової машини, що має максимум моменту при торканні від нульових оборотів).

• Майже всі види палива для ДВЗ — невідновлювані ресурси (природний газ і нафтопродукти). Винятки (етиловий спирт, біогаз, генераторний газ) використовуються рідше, зважаючи на зниження вихідних характеристик двигуна (крутного моменту, потужності, швидкості обертання). Водень застосовується через дорожнечу та труднощі зберігання в рідкому вигляді здебільшого для двигунів космічних кораблів, застосування в наземному транспорті поширення не отримало^[10].

Поршневі ДВЗ

Принцип роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Такти:
1. Впуск.
2. Стиснення.
3. Робочий хід.
4. Випуск