Поршневий двигун внутрішнього згоряння

Поршневи́й двигу́н вну́трішнього згоря́ння або просто поршневи́й двигу́н — двигун внутрішнього згоряння, у якому теплова енергія газів, що розширюються і які утворились в результаті згоряння паливо-повітряної суміші у замкненому об'ємі, перетворюється у механічну роботу поступального руху поршня у циліндрі.

Чотиритактний цикл поршневого двигуна внутрішнього згоряння
Такти:
1. Засмоктування паливо-повітряної суміші
2. Стиснення
3. Робочий хід
4. Випуск відпрацьованих газів

Двотактний цикл поршневого двигуна
Такти:
1. При русі поршня вгору — стиснення паливо-повітряної суміші у поточному циклі та засмоктування суміші для наступного циклу в порожнину під поршнем
2. При русі поршня вниз — робочий хід, випуск та витіснення паливо-повітряної суміші з-під поршня в робочу порожнину циліндра

Загальна інформація

Поступальний рух поршня поршневого двигуна зазвичай перетворюється в обертання колінчастого вала кривошипно-шатунним механізмом.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння сьогодні є найпоширенішим тепловим двигуном. Він використовується для приводу засобів наземного, повітряного і водного транспорту, військової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, компресорів, водяних насосів, помп, моторизованого інструменту (бензорізок, газонокосарок, бензопилок) та інших машин, як мобільних, так і стаціонарних, і виробляється у світі щорічно в кількості декількох десятків мільйонів одиниць.

Потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння може бути від декількох ват (двигуни авіа-, мото- та судномоделей) до 75 000 кВт у дизельних суднових двигунів.

Класифікації поршневих двигунів

Рухомі елементи ДВЗ: вгорі — два розподільних вали і клапани, внизу — колінчастий вал, шатуни і поршні

Головка блока циліндрів з клапанами

За видом пального

Як пальне у поршневих двигунах внутрішнього згоряння використовуються:

• рідини — бензин, дизельне паливо, спирти, біодизель;
• гази — зріджений нафтовий газ, природний газ, водень, газоподібні продукти крекінгу нафти, біогаз;
• тверде паливо (вугілля, торф, деревина), з якого виробляється монооксид вуглецю у газогенераторі, що входить до складу паливної системи двигуна.

За кількістю тактів робочого циклу

Повний цикл роботи двигуна складається з послідовності тактів — односпрямованих поступальних ходів поршня. Розрізняють двотактні та чотиритактні двигуни.

За кількістю та розташуванням циліндрів

Докладніше: Конфігурація двигуна внутрішнього згоряння

Кількість циліндрів у різних поршневих двигунах може становити від 1-го до 24-х. За розташуванням циліндрів поршневі двигуни бувають

• рядні;
• V-подібні;
• опозитні;
• радіальні (зіркоподібні);
• X-подібні;
• W-подібні тощо

За особливостями утворення паливо-повітряної суміші і методами її запалювання

За способом утворення паливо-повітряної суміші поділяються на:

• Двигуни із зовнішнім сумішоутворенням.

За конструктивним виконанням засобів для утворення паливо-повітряної суміші такі двигуни бувають^[1]:

• • карбюраторними — паливо-повітряна суміш готується у карбюраторі та надходить впускними колекторами (патрубками) у циліндри двигуна;
  • інжекторними з моновпорскуванням (центральне впорскування або одноточкове впорскування) (англ. Single Point injection, Spi; нім. Ein Spritz) — одна форсунка на всі циліндри, розташована, зазвичай, на місці карбюратора (на впускному колекторі). Втратила актуальність через зростання екологічних вимог: починаючи з Євро-3 екологічний стандарт вимагає індивідуального дозування палива для кожного з циліндрів. Система моно вприскування відрізнялась простотою і високою надійністю, перш за все через те, що форсунка розташовується у порівняно комфортному місці у потоці холодного повітря;
  • інжекторними з розподіленим впорскуванням (багатоточкове впорскування) (англ. multi point injection, MPi) — кожний циліндр обслуговується окремою ізольованою форсункою у впускному колекторі поблизу впускного клапана.

За способом запалювання паливо-повітряної суміші такі двигуни поділяються на:

• • двигуни із запалюванням від електроіскрового розряду, який виробляється системою запалювання (наприклад, бензиновий двигун чи двигун Гессельмана).
  • Компресійні карбюраторні двигуни. В них пальне подається разом з повітрям. Зазвичай в основі пального лежить діетиловий етер, рицинова олія та гас). Займання відбувається від стиснення. Ступінь стиску регулюється контрпоршнем, від якого залежить момент спалахування суміші. Компресійні двигуни використовуються головним чином в авіа- та автомоделях. Компресійні карбюраторні двигуни не є дизельними двигунами.
  • Жарові карбюраторні двигуни. Схожі за принципом роботи до компресійних, але містять свічку розжарення, ступінь нагрівання якої підтримується за рахунок теплоти згоряння пального у попередньому такті. Такі двигуни також потребують особливого складу пального (зазвичай в його основі — метанол, рицинова олія та нітрометан). Використовуються переважно в авіа- та автомоделях;

• Двигуни із внутрішнім сумішоутворенням.

Двигуни із внутрішнім сумішоутворенням мають (як у теорії, так і на практиці) вищі ККД та крутний момент за рахунок вищого ступеня стиску. Такі двигуни, у свою чергу, поділяються на:

• • Дизельні двигуни, що працюють на дизельному пальному. У цих двигунах стисненню в циліндрах піддається лише повітря, при перебуванні поршня поблизу верхньої мертвої точки при такті стиску в камеру згоряння форсункою впорскується дизельне пальне, яке спалахує при контакті з повітрям, що нагрілося від стиснення до декількох сотень градусів Цельсія.
  • Калоризаторні двигуни, у яких займання паливо-повітряної суміші відбувається від гарячих частин двигуна, зазвичай — днища поршня або головки розжарення. Такі двигуни у минулому (перша половина XX ст.) використовувались у металургії для урухомлення вальцювальних станів та у сільськогосподарській техніці.
  • Бензинові двигуни з безпосереднім (прямим) впорскуванням, у яких пальне впорскується безпосередньо в циліндр, займання паливо-повітряної суміші відбувається від свічки запалювання.

• Існують також двигуни із змішаним сумішоутворенням (газодизельні двигуни), що працюють на суміші природного газу з повітрям. Так як температура запалювання від стиску газо-повітряної суміші становить близько 700 °C (дизельне пальне займається при 320–380 °C), запалювання проводиться впорскуванням через форсунки невеликої кількості дизельного палива.

За видом термодинамічного циклу

В рамках технічної термодинаміки робота поршневих двигунів внутрішнього згоряння у залежності від особливостей їх циклограм описується термодинамічними циклами Отто, Дизеля, Трінклера, Аткінсона або Міллера.

За способом охолодження

Ефективний ККД поршневого ДВЗ не перевищує 60%. Решта теплової енергії розподіляється, в основному, між теплом відпрацьованих газів і нагріванням конструктивних частин двигуна. Оскільки остання частка є суттєвою, поршневі двигуни мають потребу у системі охолодження. Розрізняють такі системи охолодження:

• повітряні, що віддають надлишкове тепло у навколишнє повітря через ребристу зовнішню поверхню циліндрів; використовуються у двигунах порівняно невеликої потужності (десятки к.с.), або у потужніших авіаційних двигунах, що працюють у швидкому повітряному потоці;
• рідинні, у яких охолоджувальна рідина (вода, олива або антифриз) пропускається через сорочку охолодження (канали у стінках блоку циліндрів), і далі надходить у радіатор охолодження, у якому теплоносій охолоджується зустрічним потоком повітря та/або потоком, що створюється вентилятором.

Механізми та системи поршневих двигунів внутрішнього згоряння

До основних механізмів і систем поршневого двигуна належать:

• кривошипно-шатунний механізм;
• газорозподільний механізм;
• система живлення;
• система запалювання;
• система охолодження;
• система мащення;
• впускна система;
• випускна система;
• система рециркуляції вихлопних газів.
• система вентиляції картера.

Основні параметри поршневого двигуна

З роботою поршневого двигуна внутрішнього згоряння пов'язані такі параметри.

• Верхня мертва точка (ВМТ) — положення поршня при максимальному його віддаленні від осі колінчастого вала в момент коли поршень змінює напрямок руху.
• Нижня мертва точка (НМТ) — положення поршня при мінімальному його віддаленні від осі колінчастого вала в момент коли поршень змінює напрямок руху.
• Радіус кривошипа — відстань від осі корінної шийки колінчастого вала до осі його шатунної шийки.
• Хід поршня — відстань між ВМТ та НМТ, що дорівнює подвоєному радіусу кривошипа колінчастого вала. Кожному ходу поршня відповідає повертання колінчастого вала на кут 180° (пів-оберта).
• Такт — частина робочого циклу двигуна, що відбувається при русі поршня з одного крайнього положення в інше.
• Об'єм камери згоряння — об'єм простору над поршнем, коли він перебуває у ВМТ.
• Робочий об'єм циліндра — це об'єм простору, який звільняється при переміщені поршня з ВМТ до НМТ.
• Повний об'єм циліндра — об'єм простору над поршнем при перебуванні його В НМТ. Повний об'єм циліндра дорівнює сумі робочого об'єму циліндра і об'єму камери згоряння.
• Робочий об'єм двигуна для багатоциліндрових двигунів — це добуток робочого об'єму на кількість циліндрів.
• Ступінь стиску — відношення повного об'єму циліндра до об'єму камери згоряння.

Вид двигуна	Ступінь стиску
двигун з іскровим запалюванням	7,5 — 13
двигун з наддуванням	14 — 18
двигун із самозапалюванням	18 — 24

Деякі параметри роботи поршневих ДВЗ

Призначення двигуна	Діаметр циліндра мм	Кількість циліндрів	Номінальна потужність кВт	Частота обертання об/хв	Середній ефективний тиск МПа	Питоме споживання пального г/(кВт*год)
легкові автомобілі	60 — 100	2 — 16	20 — 400	4500 — 8500	0,6 — 1	290 — 330
вантажні автомобілі	80 — 130	6 — 12	50 — 350	2200 — 3500	0,6 — 0,8	240 — 260
робочі машини	80 — 150	2 — 12	10 — 500	1800 — 2800	0,6 — 0,8	230 — 250
локомотиви	150 — 300	8 — 16	1000 — 4000	600 — 1500	0,6 — 0,8	210 — 240
судна	200 — 1080	4 — 16	1000 — 80000	85 — 350	1,2 — 1,9	170 — 225

Див. також

• Двигун Ванкеля
• Двигун внутрішнього згоряння