Двигун внутрішнього згоряння — це механізм для вироблення енергії, який зробив революцію в транспорті та машинобудуванні. Він працює за принципом перетворення хімічної енергії в механічну шляхом спалювання палива, наприклад бензину або дизеля.
Основні компоненти: за своєю суттю двигун внутрішнього згоряння складається з циліндра, поршня, клапанів, колінчастого вала та свічки запалювання (в бензинових двигунах) або паливної форсунки (у дизельних двигунах).
Чотиритактний цикл: робота більшості двигунів внутрішнього згоряння заснована на чотиритактному циклі. Ці такти впуску, стиснення, потужності (або згоряння) і випуску.
Перетворення енергії: процес згоряння в циліндрі створює газ під високим тиском, який чинить силу на поршень. Ця лінійна сила перетворюється в обертовий рух колінчастим валом, який потім може приводити в рух колеса автомобіля або інші механізми.
Двигуни внутрішнього згоряння можна класифікувати на основі типу палива, кількості тактів або способу підготовки повітря та палива та введення їх у камеру згоряння.
Типи палива. Двигуни внутрішнього згоряння можуть працювати на різних видах палива, включаючи бензин, дизельне паливо, біодизель, етанол і навіть водень. Вибір палива впливає на конструкцію двигуна, ефективність і викиди.
Процес згоряння: процес згоряння генерує тепло та розширює гази всередині циліндра, створюючи тиск на поршень. Ідеальний процес описується циклом Отто для бензинових двигунів і дизельним циклом для дизельних двигунів.
Цикл Отто: Теоретичний цикл Отто можна описати в чотири стадії, подібні до чотиритактного двигуна, але в термодинамічному сенсі - з двома ізохоричними процесами (постійний об’єм) для додавання та відведення тепла та двома ізентропічними процесами (адіабатично оборотними) для стиснення і розширення.
Дизельний цикл: дизельний цикл відрізняється головним чином процесом додавання тепла, що відбувається при постійному тиску, і вищим ступенем стиснення, при якому паливо й повітря не змішуються до моменту згоряння.
ККД двигуна внутрішнього згоряння — це міра того, наскільки добре він перетворює хімічну енергію в паливі на механічну роботу. Фактори, що впливають на ефективність, включають конструкцію двигуна, тип палива та ступінь його згоряння.
Викиди від двигунів внутрішнього згоряння включають вуглекислий газ (CO \(_2\) ), чадний газ (CO), оксиди азоту (NO \(_x\) ) і незгорілі вуглеводні. Ці викиди сприяють забрудненню повітря та глобальному потеплінню. Технологічні досягнення, такі як системи впорскування палива, каталітичні нейтралізатори та альтернативні види палива, спрямовані на підвищення ефективності та зменшення шкідливих викидів.
У зв’язку зі зростанням проблем навколишнього середовища та поштовхом до сталої енергетики проводяться значні дослідження, спрямовані на підвищення ефективності та зменшення впливу двигунів внутрішнього згоряння на навколишнє середовище. Інновації включають гібридні двигуни, які поєднують двигуни внутрішнього згоряння з електродвигунами, змінними фазами газорозподілу та двигуни, які можуть працювати на різних видах палива або біопаливі.
Крім того, розробка водневих паливних елементів представляє потенційну майбутню альтернативу традиційним двигунам внутрішнього згоряння, пропонуючи обіцянку транспортування без викидів при використанні водню, виробленого з відновлюваних джерел енергії.
Прикладом для ілюстрації роботи двигуна внутрішнього згоряння може бути проста експериментальна установка моделі чотиритактного двигуна. Такі моделі часто використовуються в навчальних закладах, щоб чітко та практично продемонструвати такти впуску, стиснення, потужності та випуску, допомагаючи учням візуалізувати внутрішні процеси двигуна.
У той час як реальні двигуни складніші, включають численні додаткові компоненти та системи (наприклад, системи охолодження, змащення та подачі палива), фундаментальний принцип залишається незмінним, і його можна зрозуміти за допомогою цих базових моделей.
Двигун внутрішнього згоряння відіграє ключову роль у сучасному суспільстві, приводячи в дію транспортні засоби, механізми та генератори. Незважаючи на поштовх до використання відновлюваних джерел енергії та електромобілів, двигуни внутрішнього згоряння, ймовірно, залишаться актуальними в осяжному майбутньому завдяки постійним удосконаленням, спрямованим на підвищення їх ефективності та зменшення їх екологічного сліду. Розуміння основних принципів, типів і роботи цих двигунів створює основу для оцінки складнощів та інновацій в автомобільних технологіях і поза ними.
