Принцип работы и рабочие процессы двигателей

Поршнево́й дви́гатель - это 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 поршневых двигателях внутреннего сгорания сжигают топливо:

- 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.

Двухтактными называют двигатели, у которых рабочий про­цесс со­вершается за два хода поршня или за один оборот коленчато­го вала.

Четырехтактными называют двигатели, у которых рабочий процесс совершается за четыре хо­да поршня, т. е. прохождения поршня от одной мерт­вой точки до другой или иначе за два оборота коленчатого вала.

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 двигатели делятся на следующие виды.

1. Двигатели с внешним смесеобразованием. Воздушно-топливная смесь готовится в карбюраторе, поступает по впускным коллекторам (патрубкам) в цилиндры двигателя, как вариант - инжекторная система подачи топлива. Воспламенение топливо-воздушной смеси выполняется, 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).

2. 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 в таких двигателях 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.

3. Калильные карбюраторные двигатели. Они 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.

4. Двигатели с внутренним смесеобразованием. Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на следующие виды.

Дизельные, работающие на дизельном топливе. В них сжатию подвергается лишь 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 (калоризатор-ные), обычно – от днища поршня или калильной головки.

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

Есть и газодизельные двигатели, работающие на смеси природного газа с воздухом. Так как температура воспламенения от сжатия газо-воздушной смеси равна 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. Некоторые из них описаны выше.

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

1. Воздушные системы охлаждения, отдающие избыточную теплоту окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров. Они используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки лошадиных сил) или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха.

2. Жидкостные системы охлаждения, 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.

Характерная особенность двигателей внутреннего сгорания заклю­чается в том, что у них топливо в смеси с воздухом сгорает внутри ра­бочих цилиндров и выделяющаяся при этом теплота частично преобразует­ся в механическую работу.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком или газооб­разном топливе. Двигатели внутреннего сгорания делят на две группы: карбюраторные, работающие на легком топливе, и дизельные.

Теорети­ческим циклом карбюра­торного двигателя внутреннего сго­рания яв­ляется цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (V = const). В кар­бюраторных двигателях топливо и воздух смешиваются вне цилиндра - в карбюраторе и после сжатия смеси в цилиндре она принудительно воспламеня­ется электрической искрой.

Теоретическими циклами дизелей являются цикл с подводом теп­лоты при постоянном давлении, а также цикл со смешанным подводом теп­лоты. Для дизе­лей, работающих на тяжелых жидких топливах (нефть, со­ляровое масло), ха­рактерным является предварительное сжатие в ци­линдре атмосфер­ного воз­духа, температура которого сильно растет, с последующим впры­скива­нием мелкораспыленного топлива в среду этого сжатого раскаленного воздуха.

В каждой из этих двух групп могут быть четырехтактные и двух­такт­ные двигатели.