Классификация поршневых двигателей. Процессы сгорания. Конфигурация

Классификация поршневых двигателей обладает значительным разнообразием из-за сложных взаимосвязанных факторов. Поршневые двигатели внутреннего сгорания могут быть дифференцированы по следующим критериям:

- Процесс сгорания
- Тип топлива
- Рабочий цикл
- Система образования смеси
- Система управления газообменом
- Система наддува
- Конфигурация

Дополнительные различия могут включать:
- Систему зажигания
- Систему охлаждения
- Систему регулировки нагрузки
- Область применения
- Градации скорости и мощности

Некоторые из этих параметров в настоящее время имеют лишь историческое значение.

Процессы сгорания. Основное различие проводится между циклом Отто (бензиновые двигатели) и циклом Дизеля. Гибридные двигатели объединяют черты обоих циклов.

- Бензиновый двигатель: Воспламенение сжатой топливно-воздушной смеси инициируется внешним источником (искра свечи зажигания).

- Дизельный двигатель: Топливо впрыскивается в камеру сгорания, заполненную воздухом, нагретым до температуры самовоспламенения за счёт сжатия.

- Гибридные двигатели: Включают двигатели с послойным смесеобразованием и многотопливные модели.

Топливо. В двигателях применяются следующие виды топлива:
1. Газообразные:
- Метан, пропан, бутан, природный газ (CNG), генераторный газ, доменный газ, биогаз (из очистных сооружений и свалок), водород.

2. Жидкие:
- Лёгкие: Бензин, керосин, бензол, спирты (метанол, этанол), ацетон, эфир, сжиженные газы (LNG, LPG).
- Тяжёлые: Дизельное топливо, нефть, метиловые эфиры жирных кислот (FAME), рапсовый метиловый эфир (RME, «биодизель»), растительные масла, тяжёлые мазуты, судовое топливо (MFO).
- Гибридные смеси: Дизель + RME, дизель + вода, бензин + спирт.

3. Твёрдые:
- Пылеугольное топливо.

Рабочие циклы
- Четырёхтактный цикл:
- Сжатие → Воспламенение → Расширение → Газообмен (впуск/выпуск).
- Требует двух дополнительных тактов для удаления отработавших газов и заполнения свежим зарядом.

- Двухтактный цикл:
- Сжатие и расширение совмещены с газообменом вблизи НМТ (нижней мёртвой точки).
- Продувка осуществляется через окна в гильзе цилиндра или с использованием продувочного насоса.

Образование смеси
1. Внешнее смесеобразование:
- Смесь формируется во впускной системе (карбюратор, впрыск во впускной коллектор).

2. Внутреннее смесеобразование:
- Гомогенное: Прямой впрыск бензина на такте впуска.
- Негомогенное:
- Прямой впрыск (DI, GDI): В камеру сгорания (воздушный, струйный, стеновой методы).
- Непрямой впрыск: В предкамеру, вихревую или воздушную камеру.

Управление газообменом
- Клапанные механизмы:
- Верхнеклапанные (OHV): Клапаны расположены в головке цилиндра. Распредвал — в головке или картере.
- Боковое расположение клапанов: Закрытие синхронизировано с движением поршня к НМТ.
- Щелевые системы (двухтактные двигатели): - Окна в гильзе цилиндра, роль золотника выполняет поршень.

Наддув
- Естественное всасывание: Заряд поступает в цилиндр за счёт движения поршня.
- Механический наддув: Компрессор приводится от коленвала.
- Турбонаддув: Турбина, работающая на выхлопных газах, вращает компрессор.
- Безкомпрессорные методы: Использование газодинамики впускных/выпускных систем.

Рис. Расположение цилиндров в поршневых двигателях

Конфигурация
1. Рядный двигатель: Один ряд цилиндров, один коленвал.
2. V-образный: Два ряда цилиндров под углом (45°, 60°, 90°, 180°), общий коленвал.
3. W-образный: Три ряда цилиндров (например, комбинация двух VR-блоков).
4. Оппозитный: Цилиндры расположены горизонтально, каждый шатун на отдельной шейке коленвала.
5. Двигатели с двойным действием: Газы воздействуют на обе стороны поршня (например, U-образные или оппозитно-поршневые модели).

Дополнительные варианты:
- Вертикальные, горизонтальные, верхнеклапанные двигатели.
- Кривошипно-шатунные механизмы, крейцкопфные двигатели, бесколенвальные конструкции (кулачковые, криволинейные).