С появлением двигателя внутреннего сгорания транспорт стал эффективнее, промышленность — мощнее, а общество — подвижнее. Проект БУМ Науки рассказывает, как изобрели двигатель внутреннего сгорания и как он работает. Подписывайтесь, чтобы не пропускать интересные статьи!
Что такое двигатель внутреннего сгорания
ДВС — это такой двигатель, который превращает энергию сгорания топлива в механическую работу. «Внутреннего» — значит, что сгорание происходит в цилиндре внутри двигателя. Ещё бывают двигатели внешнего сгорания. Например, паровые машины используют тепло от сгорания топлива для нагрева жидкости, которая, превращаясь в пар, совершает работу.
История создания ДВС
История двигателя внутреннего сгорания началась в 19 веке. Инженеры экспериментировали с идеей создания двигателя, который мог бы преобразовывать химическую энергию в механическую. Ранние модели использовали пар или сжатый воздух.
В 1877 году немецкий инженер Николаус Отто запатентовал четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания.
В это же время ещё один немецкий инженер, конструктор и промышленник Готтлиб Даймлер совместно с конструктором Вильгельмом Майбахом разработали один из первых автомобилей и несколько типов бензиновых двигателей внутреннего сгорания.
Независимо от Отто, Даймлера и Майбаха работавший в Мангейме Карл Бенц создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания и в 1879 году получил на него патент. Немецкий инженер Карл Бенц считается изобретателем первого в мире автомобиля с ДВС, пионером в области автомобилестроения.
Из фирмы Карла Бенца позже образовался концерн, известный теперь как Mercedes-Benz Group. Ему же сегодня принадлежит и бренд Maybach. Компания была основана теми самыми Даймлером и Майбахом и несколько раз меняла свои названия, пока не перешла к Mercedes-Benz Group в 2012 году.
Как работает ДВС
Смесь воздуха и топлива попадает в двигатель и возгорается очень быстро, практически взрывается. В результате горения образуется много газа, которому становится тесно в цилиндре. Его давление заставляет поршень с силой двигаться из «верхней мёртвой точки» (ВМТ), когда объём цилиндра минимален, к максимальному объёму, достигаемому в «нижней мёртвой точке» (НМТ).
А чтобы этот процесс продолжался непрерывно, устройство двигателя подразумевает последовательное выполнение четырёх стадий одного цикла, они называются тактами:
- наполнение цилиндра смесью (впуск);
- сжатие смеси;
- рабочий ход (сгорание);
- выпуск расширившихся газов.
За четыре такта поршень дважды проходит путь от ВМТ к НМТ и обратно.
Типы двигателей внутреннего сгорания
Двигатели с внутренним взрывом. Они работают за счёт внутренних взрывов горючей смеси в цилиндре. Они создают движущую силу для привода автомобилей, мотоциклов и других транспортных средств.
Гибридные варианты. Современные технологии привели к созданию гибридных двигателей, которые объединяют в себе ДВС и электрический двигатель. Это позволяет экономить топливо, дольше ехать и снижать количество вредных выбросов в атмосферу.
Турбированные двигатели. Турбированные двигатели улучшают производительность за счёт использования турбины, которая увеличивает давление воздуха, поступающего в цилиндр. Чем больше воздуха и топлива, тем выше мощность.
Роторные двигатели. Используют специальные роторы вместо обычных поршней. Благодаря этому двигатели получаются более компактными и лёгкими. Такие конструкции используют в авиации и спортивных автомобилях.
Некоторые двигатели внутреннего сгорания используются в стационарных условиях, например, в генераторах электроэнергии. Они могут работать на различных видах топлива.
Специализированные двигатели, например, ракетные, работают на топливе и окислителе, создавая огромное давление для движения ракеты.
Бензин vs дизель в автомобилях
В современных автомобилях обычно применяется один из двух видов топлива — бензин или дизель (в простонародье "солярка").Чтобы мотор автомобиля нормально работал, ему нужно строго определённое количество топлива, которое зависит от нагрузки и оборотов. А ещё ему необходим воздух — без него бензин или дизель не смогут гореть в цилиндрах. «Снабженцем» ДВС выступает система питания — она отмеряет нужные порции топлива и воздуха, смешивает их и подаёт на впуск.
Работа бензинового мотора в автомобиле регулируется количеством воздуха, который система питания пропускает в цилиндры — нажимая на газ, водитель открывает заслонку (дроссель) на впуске, сообщая механизму о своём желании поехать побыстрее, то есть увеличить отдачу двигателя. Электроника, управляющая двигателем, на основе показаний датчиков оценивает, какое количество воздуха попадёт на впуск, рассчитывает и отмеряет нужное количество бензина, который затем смешивается с воздухом перед попаданием в цилиндр или прямо в нём.
ДВС и экология
Двигатель внутреннего сгорания очень эффективный, его стоимость сравнительно низкая. Но при этом он негативно влияет на окружающую среду. ДВС работает на ископаемом топливе, и при его сжигании образуются вредные вещества, которые выбрасываются в атмосферу.
ООН в последние годы принимает меры, чтобы через несколько десятилетий свести выбросы на Земле к минимальному количеству. В декабре 2023 года участники 28-й Конференции сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата (COP28) приняли итоговый документ, содержащий призыв к отказу от всех видов ископаемого топлива.
Однако стоит понимать, что изобрести такой же эффективный механизм, как ДВС, и при этом экологичный, пока не удалось. Но тенденция к снижению углеродного следа создаёт условия для разработок экологичных альтернатив ДВС.
Слушайте наш подкаст БУМ Науки и смотрите ролики на YouTube-канале Creative Science Lab, чтобы узнавать всё самое интересное из мира науки и технологий!
Подписывайтесь на телеграм-канал Creative Science Lab — мы создаём БУМ Науки и другие интересные проекты.
Проект реализуется при поддержке Президентского фонда культурных инициатив
