Внутренне сгорающий двигатель приводит в движение кучу стали и пластмассы. Как же это происходит?
Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС, — сердце большинства. современных автомобилейИ не только автомобилей, но также мотоциклов, кораблей, тепловозов, самолетов и даже масштабных моделей транспортных средств.
Что такое ДВС
Двигатели внутреннего сгорания остаются главным видом силовых установок для транспорта, представляя собой устройство, которое переводит химическую энергию в тепловую. топлива Механическое действие обеспечивается за счет сжигания горючего внутри камер двигателя внутреннего сгорания. Полученная энергия превращается в вращательное движение, которое приводит в движение колеса или лопасти.
ДВС подразделяют на несколько базовых видов.
- Поршневой двигатель внутреннего сгорания;
- Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания:
- Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания.
Главным видом двигателей внутреннего сгорания выступает поршневой. В дальнейшем внимание будет уделено именно ему.
Как создавался ДВС
Двигатель внутреннего сгорания существует уже давно. Его появление связано с развитием паровых двигателей, которые используют внешнее горение.
Паровые двигатели XVIII века были громоздкими и маломощными, обладая крайне низким коэффициентом полезного действия. Тепло от сгорания топлива нагревало жидкость, которая превращалась в пар и выполняла работу. На деле практический КПД, то есть эффективность преобразования энергии, был обычно 1-8%. Было понятно: систему нужно совершенствовать. Не лучше ли сжигать горючее прямо внутри двигателя, чем вне его?
Стремление к созданию ДВС появилось ещё в XVII веке. В 1678 году голландский математик Христиан Гюйгенс разработал примитивный двигатель, работающий на порохе. Эту идею продолжили эксперименты учёных разных стран, но не все успели оставить след в истории.
В 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе, построив первый рабочий прототип. В 1807 году француз Нисефор Ньепс разработал твердотельный ДВС, работающий на порошке пиреолофора. Наполеон Бонапарт лично ознакомился с прототипом. В том же году Франсуа Исаак де Риваз создал поршневой ДВС, работающий на газообразном водороде — мотор получил поршневую группу и искровое зажигание.
В 1885 году Карл Бенц создал первый автомобильный двигатель внутреннего сгорания, который применялся на автомобиле Benz Patent-Motorwagen.
К 1864 году французский изобретатель из Бельгии Жан Этьен Ленуар реализовал более 1400 своих двигателей, добившись коммерческого успеха в сфере внутреннего сгорания.
В 1885 году Карл Бенц изобрел первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, который стал прототипом современного автомобиля.
Устройство поршневого ДВС
Традиционный поршневой двигатель внутреннего сгорания — очень сложная система. Но в классическом ДВС немного главных частей.
- Блоки цилиндров составляют основу двигателя.
- головки блока цилиндров;
- поршней;
- шатунов;
- коленчатого вала;
- распределительного вала с кулачками;
- впускных и выпускных клапанов;
- свечей зажигания*.
Подробностей гораздо больше, чем можно описать в такой краткой статье.
Принципы работы ДВС
Классические двигатели внутреннего сгорания функционируют на едином принципе.
- При движении поршня вниз в цилиндре срабатывает впускной клапан и топливовоздушная смесь попадает внутрь.
- Поднимается поршень, при этом выпускной клапан закрывается. Поршень сжимает топливовоздушную смесь и достигает верхней мёртвой точки.
- Искра на свече зажигания заставляет быстро воспламениться топливно-воздушной смеси. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз.
- Выпускной клапан открывается, и выхлопные газы поступают в выпускной коллектор.
Четырехтактный двигатель
В четырёхцилиндровом двигателе протекают четыре взаимосвязанные стадии.
- Впуск (наполнение цилиндра смесью).
- Сжатие.
- Рабочий ход или сгорание.
- Выпуск отработавших газов.
Двухтактный двигатель
Существуют также другие двигатели — двухтактные. Работают они иначе и применяются преимущественно на мотоциклах и бензиновых инструментах, таких как бензопилы.
- При движении поршня вверх в камеру сгорания подаётся топливо. Сжатая поршнем топливовоздушная смесь воспламеняется искрой.
- Смесь воспламеняется, поршень движется вниз. Это открывает путь продуктам сгорания в выпускной коллектор.
В отличие от обычных двигателей, у этого есть только два такта: первый включает одновременно впуск и сжатие, а второй — опускание поршня и выброс отработанных газов из коллектора.
Какие ещё бывают ДВС
Помимо поршневых двигателей внутреннего сгорания разработано много других видов ДВС — роторные, газотурбинные, реактивные, турбореактивные и без счета их модификаций. В чем их отличие?
- Газотурбинные ДВС
В поршневых двигателях работа расширения газов переходит в вращение коленвала, в газотурбинных — в движение лопаток ротора, а в реактивных используется реактивное давление при истечении газов из сопла. Все типы ДВС преобразуют энергию сгорания топлива внутри себя.
- Роторные ДВС
Очень необычные моторы встречаются даже на серийных машинах. Первый роторно-поршневой мотор появился благодаря немецкому инженеру Феликсу Ванкелю в 1957 году. Такой ДВС внешне ничем не похож на традиционный поршневой.
Двигатель Ванкеля включает корпус, камеру сгорания, впускные и выпускные окна, неподвижную шестерню, зубчатое колесо, ротор, вал и свечу зажигания. Ротор на эксцентриковом валу вращается под воздействием давления газов от сгорания топливовоздушной смеси. Вращение происходит относительно статора через шестерни. Эксцентричные круговые движения ротора приводят к соприкосновению его граней с внутренней поверхностью камеры сгорания, формируя три изолированные камеры для последовательного воспламенения топлива. Крутящий момент от вращающегося ротора передаётся трансмиссии.
Среди множества изобретений человечества особое место занимают удивительные и неповторимые двигатели. Давайте рассмотрим 10 из самых выдающихся их примеров.
👉 Стальные мышечные машины. 10 лучших двигателей за всю историю.
5 интересных фактов о ДВС
ДВС может работать на альтернативном топливе
Современные ДВС разделяют на два типа по применяемому топливу: бензиновые и дизельные. История создания двигателей внутреннего сгорания показывает, что в них можно сжигать много разных видов горючего — от газов до растворителей и спиртов. Главное — испарить его и смешать с воздухом в правильных пропорциях.
Пропан-бутан и метан – наиболее распространенные альтернативы бензину и дизелю. Можно использовать даже водород с кислородом. Почти любая современная машина с ДВС способна ездить на смеси бензина с этанолом или чистом этаноле, получаемом экологически чистым путём. Бензиновый автомобиль может работать и на различных растворителях. Например, запустить двигатель можно на обычном сольвенте из хозяйственного магазина – этой жидкостью обычно осуществляют чистку топливной системы.
Двигатели внутреннего сгорания способны функционировать в условиях космоса и под водой при определенных обстоятельствах.
Двигатель внутреннего сгорания функционирует и в космосе. Необходимым условием является подача кислорода для образования топливовоздушной смеси. При этом условии двигатель запускается и работает, даже под водой.
ДВС действительно плох
Несмотря на высокую технологичность и сложность, бензиновые ДВС по КПД не сильно отличаются от паровых двигателей. Эффективность этих агрегатов оставляет желать лучшего: коэффициент полезного действия колеблется в среднем от 20 до 25%.
Другими словами, при сжигании десяти литров бензина полезным действием является лишь около трёх литров. Остальное горючее тратится на тепловые и механические потери. С этой точки зрения дизельные двигатели намного эффективнее: их КПД достигает 40%. Но и у них время прошло.
Отказ от ДВС неизбежен
Низкая эффективность – одна из причин отказа от двигателей внутреннего сгорания. Другой важный момент – влияние на окружающую среду.
Специалисты сообщают, что мировые запасы нефти составляют 1,726 трлн баррелей, которых при текущем потреблении хватит немногим более чем на 50 лет. Из нефти производят не только топливо. Это основа синтетических каучуков, пластиков, еды, тканей, шампуней и даже аспирина. Всего того, без чего жизнь человека уже практически невозможна.
К 2035 году в промышленных государствах прекратится реализация новых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Даже после многоступенчатой очистки отходов сгорания двигатели внутреннего сгорания выделяют в атмосферу огромное количество вредных веществ. При работе двигатели выделяют углеводородные соединения, угарный газ, оксид азота и диоксид азота, диоксид серы, а также копоть. Ежегодно ДВС выбрасывают в окружающую среду около 60 миллионов тонн оксидов серы и примерно 200 миллионов тонн сажи. Количество выброшенных окисей азота, соединений свинца, углеводородов исчисляется миллионами тонн.
ДВС будет актуален на протяжении десятилетий
Ведущие компании автомобильной промышленности сообщили о планах прекратить выпуск автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. сделали это Mercedes-Benz и AudiК 2035 году в процветающих государствах запретят продажу новеньких автомобилей с бензиновыми двигателями. Через 23 года подобное ограничение коснется Европы. Автомобильная транспортная система претерпит изменения. с нормальным двигателем внутреннего сгорания.
В некоторых государствах, например, в Норвегии, отказ произойдёт ранее. сделало выбор в пользу электрокаровНовые европейские экологические стандарты Евро-7 начнут действовать с 2025 года и практически сведут на нет внутренне сгорающие двигатели.
В Европе дизельные двигатели уже проиграли электромобилям в 2021 году, но это не означает их скорого исчезновения. В развивающихся странах отказ от ДВС пока неприемлем, и эти моторы будут использоваться десятилетиями в портативных генераторах, инструментах и транспорте.
ДВС также продлят своё существование в авиации и на судах, по крайней мере в гибридных силовых установках.
Краткие тезисы
- Что такое ДВС: Двигатель, извлекающий механическую работу из химической энергии топлива. Существуют поршневые, роторные и газотурбинные виды.
- История создания: Первые эксперименты по созданию двигателя внутреннего сгорания были предприняты в XVII веке. В 1864 году Жан Этьен Ленуар разработал первый коммерчески успешный двигатель.
- Устройство поршневого ДВС: К основным частям относятся блок цилиндров, поршни, шатуны, коленчатый вал, клапаны и свечи зажигания.
- Принцип работы: Двухтактный двигатель объединяет процессы четырехтактного мотора: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
- Виды ДВС: В дополнение к поршневым есть роторные (двигатель Ванкеля) и газотурбинные двигатели.
- Альтернативное топливо: Двигатели внутреннего сгорания функционируют на пропане, метане, этаноле и водороде.
- КПД ДВС: Низкий — 20-25% для бензиновых и до 40% для дизельных двигателей.
- Экологические проблемы: Работа двигателей внутреннего сгорания приводит к выбросу загрязняющих веществ, ухудшающих состояние окружающей среды.
- Будущее ДВС: Отказ от двигателей внутреннего сгорания в развитых странах запланирован на 2035 год, в развивающихся же он произойдет значительно позже.
- Интересные факты: Двигатель внутреннего сгорания способен функционировать в космическом пространстве и под водой при наличии кислорода, а также на других видах топлива.
Авторы
Теги