ДВС — что это такое: устройство, типы и отличия дизеля от бензина

Если коротко. ДВС — это двигатель внутреннего сгорания, то есть разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере самого двигателя, а не во внешнем котле или топке. Самый распространённый вид — поршневой: топливо сгорает в цилиндре, давление газов толкает поршень, кривошипно-шатунный механизм превращает это движение во вращение коленчатого вала. Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска и занимает два оборота коленвала. По способу воспламенения ДВС делятся на два больших семейства: бензиновые с искровым зажиганием и дизельные, где топливо вспыхивает от температуры сжатого воздуха при степени сжатия от 16 у тихоходных двигателей до 25 у быстроходных. Главное, что стоит понимать про любой ДВС: до колёс доходит меньшая часть энергии топлива, и по разбору Министерства энергетики США на движение обычного бензинового автомобиля идёт 18–25 %, остальное теряется в двигателе, трансмиссии и на холостом ходу. Отдельно от этих потерь стоит другая величина: часть топлива вообще не окисляется до конца, и именно этот остаток превращается в сажу, в нагар на поршнях и клапанах и в несгоревшие углеводороды в выхлопе.

Как устроен ДВС: что внутри

Поршневой двигатель собран из корпусных деталей, двух механизмов и нескольких вспомогательных систем.

Корпус. Блок цилиндров и головка блока. В блоке стоят сами цилиндры, в головке — клапаны, распределительный вал и камеры сгорания. Ниже блока крепится картер с масляным поддоном.

Кривошипно-шатунный механизм. Поршень, шатун, коленчатый вал. Это единственный узел, который переводит возвратно-поступательное движение поршня во вращение. На поршне стоят кольца: два компрессионных держат давление в цилиндре, маслосъёмное снимает масло со стенок. Когда кольца изнашиваются или залегают, масло попадает в камеру сгорания, и это отдельный источник отложений, не связанный с топливом.

Газораспределительный механизм. Распредвал, клапаны, привод от коленвала ремнём или цепью. Открывает впускные клапаны в такт впуска и выпускные в такт выпуска. Фазы жёстко привязаны к положению коленвала; сбитый на один зуб ремень меняет всю картину наполнения цилиндра.

Системы. Топливоподача (от карбюратора до прямого впрыска под давлением), зажигание у бензиновых моторов, смазка, охлаждение, впуск и выпуск, электронное управление. У дизеля свечей зажигания нет вообще, вместо них ставят свечи накаливания, и работают они на подогрев воздуха при холодном пуске, а не на поджиг смеси; разбор этой путаницы вынесен в отдельный материал.

Четыре такта и что в них происходит с топливом

Впуск. Поршень идёт вниз, впускной клапан открыт. В цилиндр заходит либо готовая топливовоздушная смесь (карбюратор, распределённый впрыск), либо чистый воздух, как у дизеля и у бензиновых моторов с непосредственным впрыском. Разница между схемами впрыска и её последствия для отложений разобраны в статье про виды впрыска топлива.

Сжатие. Клапаны закрыты, поршень идёт вверх. Работа сжатия превращается в тепло. Чем выше степень сжатия, тем выше КПД цикла, но у каждого семейства двигателей свой потолок. У бензинового его задаёт детонация, поэтому топливо нормируют по октановому числу, см. что это за показатель и на что он влияет. У дизеля детонационного ограничения нет, зато есть предел по максимальному давлению в цилиндре: повышение степени сжатия свыше 15 практически роста КПД не даёт, потому что давление приходится сдерживать более длительным сгоранием и уменьшением угла опережения впрыска.

Рабочий ход. Смесь поджигается искрой или температурой, и расширяющиеся газы толкают поршень вниз. Это единственный такт, который производит работу; остальные три обслуживаются инерцией маховика и соседних цилиндров.

Выпуск. Поршень выталкивает отработавшие газы. Всё, что не успело окислиться, уходит в выпускной тракт: сажа, несгоревшие углеводороды, монооксид углерода.

На четыре такта приходится два оборота коленвала. Отсюда простое следствие: на 2000 об/мин каждый цилиндр делает 1000 рабочих ходов в минуту, а на весь процесс подготовки и сгорания смеси остаются тысячные доли секунды. Времени на то, чтобы капля топлива испарилась, перемешалась с воздухом и окислилась целиком, физически мало, и подробно это показано на примере дизеля в разборе принципа его работы.

Типы ДВС

По конструкции рабочей камеры выделяют три основных типа.

По числу тактов двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. У двухтактного рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала, и мощность при равной форсировке выше, но лишь в 1,5–1,7 раза, а не вдвое: часть хода съедают продувочные окна и неполная очистка цилиндра от отработавших газов.

По топливу двигатели бывают бензиновые, дизельные, газовые (пропан-бутан по ГБО), метановые, многотопливные. По способу смесеобразования различают внешнее (смесь готовится во впускном тракте) и внутреннее (топливо подаётся прямо в цилиндр).

Дизель и бензиновый: в чём именно разница

Оба — поршневые четырёхтактные ДВС с одинаковым набором механизмов. Различаются они тем, как в цилиндре оказывается топливо и что его поджигает.

Практическое следствие из строки про состав смеси: дизель почти всегда работает с избытком воздуха и всё равно дымит. Сажа образуется не от общей нехватки кислорода, а внутри топливной струи, куда он не успевает дойти. Более подробное сравнение самих топлив собрано в статье про отличия дизельного топлива от бензина.

Куда уходит энергия топлива

Это тот вопрос, на котором чаще всего подменяют понятия. В рекламе топливных присадок и «экономителей» регулярно встречается тезис, что в ДВС не сгорает 30–40 % топлива. Цифра взята из теплового баланса, но означает она другое.

Начать стоит с общей картины по автомобилю. Министерство энергетики США разносит энергию бензина по статьям так: потери в двигателе 68–72 %, вспомогательные агрегаты 4–6 %, трансмиссия 3–5 %, холостой ход 3 %, на движение машины остаётся 18–25 %. До колёс доходит примерно пятая часть, но «потери в двигателе» здесь одна строка, и внутри неё лежат вещи разной природы.

Разложить эту строку позволяет тепловой баланс, то есть распределение всей теплоты сгоревшего топлива по статьям. В учебном курсе по теории судовых ДВС он расписан для дизелей так:

Доли в этой таблице относятся к судовым дизелям, крупным малооборотным двигателям, у которых полезная работа самая высокая среди всех ДВС, что видно и по строке про КПД свыше 50 % в таблице выше. У автомобильного мотора цифры другие и полезная работа меньше, а вот структура баланса та же: основная часть потерь — тепловая.

Дальше и начинается подмена. Тепло уходит в радиатор, в масло, в раскалённый выпускной тракт, а топливо при этом сгорело и работу совершило. Неполнота сгорания стоит в балансе отдельной строкой, и это как раз тот остаток, который не окислился: 5–10 %, а не 30–40 %. Там же оговорено, что тепловой баланс определяют не расчётом, а по результатам испытаний конкретного двигателя.

Разница принципиальная. Тепловые потери убрать нельзя: их задаёт термодинамика цикла. А вот доля недогоревшего топлива от термодинамики не зависит: она зависит от качества смесеобразования, режима работы и состояния аппаратуры, и потому меняется.

Почему из недогоревшего топлива получается нагар

Несгоревший остаток не исчезает. Часть уходит в трубу сажей и углеводородами, часть оседает на горячих поверхностях и полимеризуется. Так появляются отложения на днище поршня, на тарелках клапанов, на распылителях форсунок, в канавках поршневых колец.

Дальше процесс замыкается сам на себя. Закоксованный распылитель даёт неправильный факел: вместо тумана струю крупных капель, которая не успевает испариться. Больше недогоревшего топлива, больше отложений, хуже факел. Систематически такое происходит на трёх режимах: длительный холостой ход, короткие городские поездки без выхода на рабочую температуру, постоянная малая нагрузка. Сажевый фильтр на дизеле в этих условиях тоже не самоочищается: для выжигания сажи нужна температура порядка 600 °C, а в обычной езде выпускной тракт до неё не доходит, и механизм разобран в материале про сажевый фильтр. Полный перечень причин собран в разборе нагара в двигателе.

Почему технику считают по рабочему объёму

Рабочий объём — это суммарный объём, который описывают поршни всех цилиндров за один ход. Считается он по формуле V = i × π × D² / 4 × S, где i — число цилиндров, D — диаметр цилиндра, S — ход поршня. Отсюда берутся привычные «полтора литра» или «шесть и семь».

Объём задаёт, сколько воздуха проходит через двигатель за оборот, а значит, сколько топлива он способен сжечь и сколько газов пропустить. По нему считают транспортный налог, подбирают объём масла в системе смазки и мощность вспомогательного оборудования. По нему же подбирается и водородный генератор: VGA-90 рассчитан до 2 литров, VGA-120 на 2–6,5 литра, VGA-240 на 6,5 литра и выше. Верхней границы у старшей модели нет. Тип топлива при подборе значения не имеет: дизель, бензин, газ (ГБО) и метан обслуживаются одним рядом моделей.

Вопросы по теме

Как расшифровывается ДВС? Двигатель внутреннего сгорания. «Внутреннего» означает, что топливо сгорает внутри рабочей камеры самого двигателя. У двигателя внешнего сгорания, например у паровой машины, топливо горит в отдельной топке, а в цилиндр подаётся уже нагретый рабочий газ или пар.

Сколько тактов у ДВС и чем двухтактный отличается от четырёхтактного? У четырёхтактного цикл занимает два оборота коленвала: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. У двухтактного цикл укладывается в один оборот, впуск и выпуск совмещены с концом рабочего хода и началом сжатия. Мощность при равной форсировке у двухтактного выше в 1,5–1,7 раза, но цилиндр хуже очищается от отработавших газов.

Правда ли, что в ДВС не сгорает 30–40 % топлива? Нет. В тепловом балансе неполнота сгорания стоит отдельной строкой и составляет 5–10 %. Остальное, что не превратилось в полезную работу, уходит теплом: с выпускными газами, через систему охлаждения и с маслом, при том что топливо сгорело. Подмена этих двух величин — типовой приём в рекламе топливных присадок, и проверяется он по любому учебнику теории ДВС.

Какой КПД у двигателя внутреннего сгорания? Зависит от типа. У дизеля это до 40–45 %, у крупных малооборотных судовых двигателей свыше 50 %. У бензинового ниже, потому что степень сжатия ограничена детонацией топлива. Если считать не по двигателю, а по автомобилю целиком, то до движения машины у бензиновой легковушки доходит 18–25 % энергии топлива: часть съедают трансмиссия, вспомогательные агрегаты и холостой ход.

Что даёт водородная установка на ДВС и на что она не влияет? Заявленный производителем механизм — работа на стороне полноты сгорания: водород подаётся во впуск, ускоряет горение смеси, лямбда-зонды фиксируют изменившийся состав выхлопа, и блок управления корректирует подачу топлива. На тепловые потери цикла, то есть на то, что уходит в радиатор и в выпускной тракт, это не влияет и влиять не может. Условия простые: исправный двигатель и работающие кислородные датчики; как устроен сам аппарат, показано в разборе работы водородного генератора.

Что это меняет для владельца

Если вопрос про ДВС возник из-за расхода или дымного выхлопа, порядок один. Сначала исключить механику: компрессия, состояние колец и маслосъёмных колпачков, форсунки на стенде, воздушный фильтр, подсос воздуха, исправность лямбда-зондов. Всё это ремонт, и оборудование во впуске его не заменяет.

Если двигатель исправен, а отложения набирает режим эксплуатации, речь идёт о постоянно работающем оборудовании. Подбор идёт по рабочему объёму: до 2 литров VGA-90 за 63 000 ₽, от 2 до 6,5 литров VGA-120 за 84 000 ₽, от 6,5 литров VGA-240 за 137 000 ₽, цены за комплект без НДС. Монтаж оплачивается отдельно от комплекта: 15 000 ₽ на лёгкой технике и 25 000 ₽ на тяжёлой, НДС не облагается, оплата наличными; по времени это один рабочий день. Питание от бортовой сети составляет 65–85 Вт на легковых и 175–190 Вт на грузовых, паспортное значение VGA-120 равно 75 Вт. Обслуживание сводится к доливу дистиллированной воды (1 литр на 5000 км на легковых, 2 литра на грузовых) и замене раствора каждые 25 000–30 000 км; зимой в раствор и баблер добавляется изопропиловый спирт 15–20 % в зависимости от среднесуточной температуры. Гарантия завода рассчитана на год, а ресурс эксплуатации заявлен до 500 000 км или 10 лет.

Полный прайс по трём моделям и условия монтажа собраны на странице стоимости.