Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (ДВС), ранее дви́гатель вну́треннего горе́ния — разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Продукты сгорания образуют рабочее тело. Такой двигатель является , химическим, и преобразует энергию сгорания топлива в механическую работу. Существует большое число разнообразных двигателей с внутренним сгоранием, отличающихся назначением, и другими параметрами.

Мощные и лёгкие двигатели внутреннего сгорания позволили создать не существовавшие до этого виды транспорта (автомобиль, мотоцикл, теплоход, тепловоз, винтовой и реактивный самолёты, вертолёт, ракету, космический корабль, газотурбоход, судно на воздушной подушке), улучшить топливосберегаемость и экологичностьЭкологические классы в ПДД с 1 июля 2021 года https://pddmaster.ru/pdd/ekologicheskiy-klass.html корабельных силовых установок и локомотивов. Моторизация привела к ускорению темпа жизни людей, возникновению целой автомобильной культуры (США); в военном деле позволила разработать необычайно разрушительные машины смерти (танк, истребитель, бомбардировщик, ракеты с обычной и ядерной боеголовкой, подводную лодку с торпедами и другие). Альтернативное семейство двигателей внешнего сгорания имеет раздельные топливо и рабочее тело, чем обусловлена сравнительно медленная передача теплоты сгорания от продуктов сгорания рабочему телу, поэтому их удельная мощность значительно меньше.

История создания

Тепловые машины (в основном, паровые) с момента появления отличались большими размерами и массой, обусловленными применением внешнего сгорания (требовались котлы, конденсаторы, испарители, теплообменники, тендеры, насосы, водяные резервуары и др.), в то же время основная (функциональная) часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Поэтому мысль изобретателей всё время возвращалась к возможности совмещения топлива с рабочим телом двигателя, позволяющего значительно уменьшить размеры и вес, интенсифицировать процессы впуска и выпуска рабочего тела. .

В создание различных ДВС внесли наибольший вклад такие инженеры как Джон Барбер (изобретение газовой турбины в 1791), Роберт Стрит (патент на двигатель на жидком топливе, 1794 год), Филипп Лебон (открытие светильного газа в 1799, первый патент на газовый двигатель в 1801), Франсуа Исаак де Риваз (первый поршневой двигатель, 1807), Жан Этьен Ленуар (газовый двигатель Ленуара, 1860), Николаус Отто (двигатель с искровым зажиганием и сжатием смеси в 1861 году, четырёхтактный двигатель в 1876-м), Рудольф Дизель (, 1897, с КПД 0,25 в том же году), Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, Огнеслав Степанович Костович (, 1880-е), Густав Васильевич Тринклер (дизельные двигатели на жидком топливе, 1899), Раймонд Александрович Корейво, Фридрих Артурович Цандер, Вернер фон Браун (реактивные и турбореактивные двигатели, начиная с 1930-х и заканчивая Лунной программой).

Таким образом, ДВС развивались с отставанием от паровых машин (так, паровой насос для откачки воды был изобретён Томасом Севери в 1698 году), что было обусловлено отсутствием подходящего горючего, материалов и технологий. Сама идея ДВС была предложена Христианом Гюйгенсом ещё в 1678 году, в качестве топлива нидерландский учёный . Англичанин Этьен Барбер пытался использовать для этого смесь воздуха с газом, полученным при нагреве древесины. В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Этьен Ленуар сконструировал и запатентовал первый практически пригодный поршневой двигатель внутреннего сгорания на газе в 1860 году.

Классификация ДВС

По устройству

Поршневые двигатели — камерой сгорания служит цилиндр, возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала. Некоторые типы поршневых ДВС не имеют кривошипно-шатунного механизма (дизель-молот, огнестрельное оружие, шайбовые ДВС). Газотурбинные двигатели — для преобразования энергии газов в крутящий момент служит ротор с лопатками специального профиля. Перед сгоранием в камере двигателя воздух сжимается компрессорной частью, топливо впрыскивается в камеру сгорания. Роторно-поршневые двигатели — камеру сгорания ограничивает треугольный ротор, выполняющий функцию поршня. Реактивные двигатели — развиваемая двигателем мощность сразу используется для поступательного движения ракеты или самолёта, дополнительное преобразование в крутящий момент и трансмиссия отсутствует (двигатель является также движителем). Поэтому имеют наивысшие удельные мощностные показатели; являются единственными двигателями, способными выводить аппараты на орбиту. В одно время для военного применения российские военные обсуждали вопросы создания реактивного атомного двигателя, где ядерная реакция проходила бы внутри камеры ДВС. Турбореактивные двигатели — разновидность реактивных, в качестве окислителя использует атмосферный воздух, предварительно сжимаемый компрессором. Ввиду этого может быть использован только в пределах земной атмосферы. Обычно их неточно называют просто реактивными, например, «самолёт с реактивным двигателем». Можно рассматривать турбореактивный двигатель и как разновидность газотурбинного, так как он имеет все основные его части, кроме выходного вала. Турбовинтовые двигатели — газотурбинный, приводящий в движение воздушный винт. Применяются в авиации, на умеренных скоростях имеют более высокий КПД, чем турбореактивные.

По другим критериям по назначению — на транспортные (автомобильные, судовые, самолётные), стационарные и специальные. по роду применяемого топлива — бензиновые и газовые двигатели, работающие на тяжёлом топливе дизели. по способу образования горючей смеси — внешнее (карбюраторные и инжекторные двигатели) и внутреннее (в цилиндре ДВС у дизелей и искровых с непосредственным впрыском). по объёму рабочих полостей и весо-габаритным характеристикам — лёгкие, средние, тяжёлые, специальные. устройству систем охлаждения (воздушное, жидкостное) и другим.

Помимо приведённых выше общих для всех ДВС критериев классификации существуют критерии, по которым классифицируются отдельные типы двигателей. Так, поршневые двигатели можно классифицировать по тактности и рабочему процессу, по количеству и расположению цилиндров, коленчатых и распределительных валов, по типу охлаждения, по наличию или отсутствию крейцкопфа, наддува того или иного типа (атмосферный — без наддува), по способу смесеобразования и по типу зажигания, по количеству карбюраторов, по типу газораспределительного механизма, по направлению и частоте вращения коленчатого вала, по отношению диаметра цилиндра к ходу поршня, по степени быстроходности (средней скорости поршня).

Топливо ДВС

Каждому типу ДВС соответствует топливо, которое для него может быть использовано. Так, для двигателей с воспламенением от сжатия требуется солярка с достаточно высоким цетановым числом, определяющим воспламенение без значительной задержки. Чем дизель быстроходнее, тем выше требования к цетановому числу. С другой стороны, снижение цетанового числа можно частично скомпенсировать изменениями в конструкции двигателя: повышением степени сжатия, подогревом воздуха на впуске. Такое необходимо в конструкции многотопливных дизелей, устанавливаемых на танки и БМП, поскольку при нарушении снабжения подразделений, ведущих наступление, приходится использовать любое доступное топливо (керосин, бензин, лигроин). Дизельное топливо не должно иметь значительного содержания серы, поскольку кроме экологического урона, образующийся в цилиндрах двуокись серы вызывает коррозию цилиндро-поршневой группы и износ подшипников. Фракционный состав дизельного топлива должен обеспечивать его незамерзаемость до нужных температур.

Для газотурбинных, реактивных и турбовинтовых двигателей требования к безопасности полётов требуют строгого применения авиационного керосина.

Наиболее многочисленные бензиновые двигатели с искровым зажиганием требуют для нормального распространения фронта пламени необходимое (или более высокое) октановое число, определяющее стойкость бензовоздушной смеси к детонационному сгоранию. Быстрое (более 2 км/с) детонационное сгорание оставшейся части бензовоздушной смеси происходит в конце нормального сгорания (40—50 м/с), вызывает значительные ударные нагрузки, выкрашивание материалов поршня и головки цилиндров, поломку поршневых колец и/или перемычки между поршневыми канавками. Детонационное сгорание, увеличивая теплоотдачу в стенки и увеличивая число свободных радикалов, снижает экономичность, вызывает появление сажи и увеличивает температуру отходящих газов. Кроме октанового числа, обеспечивающего работу двигателя с высокой степенью сжатия (то есть, более мощного и экономичного), от бензинов также требуется минимальное содержание серы и ароматических компонент, что вместе обеспечивает уменьшение вредных выбросов. Двуокись серы в выхлопе бензиновых двигателей даже при незначительном содержании вызывает газовую эрозию посадочных поясков выпускных клапанов (в отличие от дизельных, бензиновые двигатели имеют более жаростойкие тарелки клапанов из никелевого сплава, нестойкого к сере). Требования к октановому числу топлива зависят не только от степени сжатия, но и от размерности двигателя (см. рисунок), быстроходности, способа впрыска топлива, коэффициента избытка воздуха, метода охлаждения и металла деталей, образующих камеру сгорания, и ещё нескольких менее значительных факторов.

Таким образом, применяемое топливо обеспечивает работоспособность, достаточную мощность, ресурс и экологические параметры соответствующих двигателей. Его тип строго ограничен инструкцией по эксплуатации. Для специальной форсировки на незначительное время в поршневых авиационных двигателях широко практиковалось применение водно-метанольных, бензольных и других смесей, поскольку снижение ресурса окупалось повышением боевых качеств в ходе непродолжительного воздушного боя.

Преимущества и недостатки ДВС По сравнению с двигателями внешнего сгорания ДВС:

Преимущества отсутствие дополнительных элементов теплопередачи — продукты сгорания образуют рабочее тело. компактность, так как отсутствует целый ряд дополнительных агрегатов, часто тяжелых и громоздких (паровой котел, конденсатор пара); по вышеуказанным причинам меньшая масса и стоимость (удельная мощность намного больше); экономичнее по причине быстрого рабочего процесса с высокой температурой сгорания без дополнительной теплопередачи;

Недостатки потребление топлива, обладающее весьма жёстко заданными параметрами (испаряемостью, температурой вспышки паров, плотностью, теплотой сгорания, октановым или цетановым числом), так как от этих свойств зависит сама работоспособность ДВС; отсутствие возможности работать по замкнутому циклу (как двигатель Стирлинга), использование внешних источников теплоты и холода невозможно. неспособность развивать крутящий момент вне рабочих чисел оборотов, и поэтому в подавляющем большинстве случаев нуждается в передаче, согласующей выходные параметры ДВС с нагрузкой, и в устройстве, обеспечивающем запуск (в отличие от паровой машины, имеющей максимум момента при трогании от нулевых оборотов). практически все виды топлива для ДВС — не возобновляемые ресурсы (природный газ и нефтепродукты). Исключения (этиловый спирт, биогаз, генераторный газ) используются реже, ввиду снижения выходных характеристик двигателя (крутящего момента, мощности, скорости вращения). Водород применяется из-за дороговизны и трудностей хранения в жидком виде по большей части для двигателей космических кораблей, применение в наземном транспорте распространения не получило.

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)