Vidaus degimo variklis: veikimo principai, tipai ir istorija

Vidaus degimo variklis (VDV) - tai šiluminis variklis, kurio darbinėje ertmėje degant degalams susidaro aukštos temperatūros ir didelio slėgio deginiai. Šie deginiai, plėsdamiesi, šiluminę energiją verčia veleno sukimosi arba iš tūtos ištekančio deginių srauto energija.

Pagrindiniai vidaus degimo variklių tipai ir jų klasifikacija

Vidaus degimo varikliai gali būti klasifikuojami pagal įvairius kriterijus:

Pagal degimo proceso eigą cilindre:

• Kibirkštinio uždegimo variklis (SI - Spark Ignition): Degusis mišinys cilindruose uždegamas elektros kibirkštimi. Dažniausiai naudojamas benzininiuose varikliuose.
• Slėginio uždegimo variklis (CI - Compression Ignition): Degalai savaime užsidega dėl aukšto suspaudimo ir aukštos temperatūros cilindre. Būdingas dyzeliniams varikliams.

Pagal naudojamus degalus:

• Benzininiai varikliai: Naudoja benziną. Pasireiškia dideliu greičiu, lengvu svoriu, žemu triukšmu, lengvu užvedimu ir mažesnėmis gamybos sąnaudomis.
• Dyzeliniai varikliai: Naudoja dyzeliną. Pasižymi didesniu suspaudimo laipsniu, aukštesniu šiluminiu efektyvumu, geresnėmis ekonominėmis charakteristikomis ir mažesne tarša nei benzininiai varikliai.
• Dujiniai varikliai: Naudoja suskystintas arba suspaustas gamtines dujas.
• Varikliai, naudojantys alternatyvius degalus: Gali būti naudojamas žibalas, reaktyviniai degalai, metanolis, etanolis ir kiti degalai.

Pagal darbo ciklą (taktų skaičių):

• Dvitakčiai varikliai: Darbo ciklą sudaro du taktai (stūmoklio eigas), per kuriuos alkūninis velenas apsisuka 1 kartą. Cilindro pripildymas, slėgimas, degimas, plėtimasis ir deginių šalinimas vyksta per dvi stūmoklio eigas. Dvitakčių variklių naudingumo koeficientas paprastai mažesnis, tačiau didesnė galia vienam tūrio vienetui. Dažniausiai naudojami dideliuose laivuose ir rečiau - sunkvežimiuose.
• Keturtakčiai varikliai: Darbo ciklą sudaro keturi taktai: siurbimas, slėgimas, darbo taktas (plėtimasis), išmetimas. Per 1 ciklą alkūninis velenas apsisuka 2 kartus. Keturtakčiai varikliai montuojami į daugelį transporto priemonių ir yra plačiausiai naudojami automobilių varikliuose.

Pagal aušinimo metodą:

• Vandeniu aušinami varikliai: Naudoja aušinimo skystį, cirkuliuojantį cilindrų bloko aušinimo vandens apvalkale ir cilindro galvutėje. Tokie varikliai pasižymi tolygiu aušinimu, patikimu veikimu ir geru aušinimo efektu, todėl plačiai naudojami šiuolaikinėse transporto priemonėse.
• Oru aušinami varikliai: Naudoja orą, tekantį tarp cilindrų bloko ir radiatoriaus išoriniame cilindro galvutės paviršiuje, kaip aušinimo terpę.

Pagal cilindrų skaičių:

• Vieno cilindro varikliai.
• Kelių cilindrų varikliai: Dviejų, trijų, keturių, penkių, šešių, aštuonių, dvylikos cilindrų ir kt. Šiuolaikiniuose transporto priemonių varikliuose dažniausiai naudojami 4, 6 ir 8 cilindrų varikliai.

Pagal cilindrų išdėstymą:

• Vienaeiliai varikliai: Cilindrai išdėstyti vienoje eilėje, paprastai vertikaliai, tačiau siekiant sumažinti aukštį, kartais išdėstomi pasvirusiai ar horizontaliai.
• Dvieiliai varikliai: Cilindrai išdėstyti dvejose eilėse.
• V tipo varikliai: Kampas tarp dviejų eilių yra mažesnis nei 180 laipsnių (dažniausiai 90 laipsnių). Tokių variklių privalumas - kompaktiškas dydis, leidžiantis lengviau sumontuoti į automobilį dėl mažesnio ilgio ir svorio.
• Priešingų cilindrų varikliai (Boxer): Kampas tarp dviejų eilių yra 180 laipsnių. Jie laikomi geriausiai subalansuotais varikliais, nereikalaujančiais papildomo balansavimo.

Pagal įsiurbimo sistemą:

• Natūralaus įsiurbimo varikliai (atmosferiniai): Kuro ir oro mišinys į cilindrą patenka atmosferos slėgiu.
• Priverstinio įsiurbimo varikliai (perkrautieji): Naudojami turbokompresoriai arba mechaniniai kompresoriai, kurie priverstinai tiekia didesnį kiekį oro į cilindrus, taip padidindami variklio galią ir efektyvumą (NVK - naudingumo koeficientas).

Stūmoklinių vidaus degimo variklių veikimo principai

Stūmokliniuose vidaus degimo varikliuose deginiai cilindruose plečiasi ir stumia stūmoklius. Stūmokliai per švaistiklius suka alkūninį veleną. Degusis mišinys ruošiamas cilindrų išorėje (pvz., karbiuratoriuje) arba viduje (varikliuose su degalų įpurškimu).

Keturtakčio vidaus degimo variklio darbo ciklas:

1. Įsiurbimas: Įsiurbimo vožtuvas atidarytas, stūmoklis juda žemyn, į cilindrą patenka degusis kuro ir oro mišinys (benzininiai varikliai) arba oras (dyzeliniai varikliai).
2. Suspaudimas: Abu vožtuvai uždaryti, stūmoklis juda aukštyn, suspausdamas mišinį arba orą. Dyzeliniuose varikliuose suspausto oro temperatūra pakyla iki +700°C.
3. Darbo taktas (degimas/plėtimasis): Benzininiai varikliai naudoja kibirkštį uždegti mišiniui. Dyzeliniuose varikliuose į aukštos temperatūros suspaustą orą įpurškiamas kuras, kuris savaime užsidega. Degimo metu susidariusios dujos plečiasi ir stumia stūmoklį žemyn, atlikdamos darbą.
4. Išmetimas: Išmetimo vožtuvas atidarytas, stūmoklis juda aukštyn, išstumdama sudegusius deginius iš cilindro.

Dvitakčio vidaus degimo variklio darbo ciklas:

Dvitakčių variklių darbo ciklas yra trumpesnis ir apima tik du taktus. Jame stūmoklis atlieka ir deguonies paskirstymo elemento funkcijas. Dėl supaprastintos konstrukcijos, dvitakčiai varikliai dažnai pasižymi mažesniu naudingumo koeficientu ir didesne tarša, tačiau yra lengvesni ir turi didesnę galią vienam tūrio vienetui.

Kuro tiekimo ir uždegimo sistemos

Šiuolaikiniuose vidaus degimo varikliuose naudojamos įvairios kuro tiekimo sistemos, siekiant optimizuoti degalų sąnaudas ir sumažinti taršą.

Benzininių variklių kuro sistemos:

• Karbiuratoriai: Tradicinis būdas ruošti degųjį mišinį, tačiau dėl griežtėjančių ekologinių reikalavimų vis rečiau naudojamas.
• Degalų įpurškimo sistemos: Kuras dideliu slėgiu įpurškiamas į įsiurbimo kolektorių arba tiesiai į degimo kamerą.
• Įsiurbimo kolektoriaus įpurškimas (port injection): Kuras įpurškiamas į įsiurbimo kanalą prieš vožtuvą.
• Tiesioginis įpurškimas (direct injection): Kuras purškiamas tiesiai į variklio degimo kamerą. Tokios sistemos, kaip FSI (angl. Fuel Stratified Injection), leidžia sutaupyti iki 15% degalų, lyginant su paprastais benzininiais varikliais.
• Lambda zondas (deguonies daviklis): Būtina modernių išmetamųjų dujų neutralizatorių (katalizatorių) valdymo sistemos dalis, leidžianti kontroliuoti deguonies kiekį išmetamosiose dujose.

Dyzelinių variklių kuro sistemos:

• Siurblio ir purkštuko sistema (TDI - Turbocharged Direct Injection): Sistema, kurioje kuras aukštu slėgiu įpurškiamas tiesiai į cilindrą.
• Common Rail sistema: Moderniausia tiesioginio kuro įpurškimo sistema. Šiai sistemai būdinga bendra kuro rampos, į kurią kuras paduodamas dideliu slėgiu. Kuro siurblys tiekia kurą į aukšto slėgio siurblį, kuris jį perduoda į kuro rampą ir toliau per purkštukus į degimo kamerą.

Benzininių variklių degimui skirtų mišinių tipai

Benzininiuose varikliuose gali būti formuojami skirtingi deginiai mišiniai, priklausomai nuo variklio darbo režimo:

• Sluoksninis mišinys: Naudojamas mažais ir vidutiniais sūkiais. Oras patenka į degimo kameras dideliu greičiu, sudarydamas oro sūkurius. Kuro įpurškimas vyksta suspaudimo takto pabaigoje, uždegimo žvakės zonoje, sudarant nedidelę kuro ir oro mišinio zoną su oro pertekliumi.
• Stechiometrinis homogeninis mišinys: Naudojamas dideliems sūkiams ir didelėms variklio apkrovoms. Kuras įpurškiamas įsiurbimo takte, sudarant vienalytę masę su oru (oro pertekliaus koeficientas - 1).
• Homogeninis mišinys (tarpiniai režimai): Naudojamas tarpiniuose režimuose. Sukuriamas intensyvus oro judėjimas cilindruose, o kuras įpurškiamas įsiurbimo takte.

DOHC ir VTEC technologijos

• DOHC (Dual Overhead Camshaft): Varikliai su dviem paskirstymo velenėliais virš cilindro. Tai leidžia padidinti vožtuvų skaičių virš kiekvieno cilindro (dažniausiai 4 vožtuvai), gerinant deguonies pritekėjimą ir deginių šalinimą.
• VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control): Sistema, leidžianti valdyti kintamą vožtuvų atidarymo laiką ir elektroninį pakėlimą, optimizuojant variklio veikimą įvairiais režimais.

Dyzelino savybės ir žiemos eksploatacija

Dyzelino lakumas mažėja žemoje temperatūroje dėl susidariusio parafino, todėl jis tampa tirštesnis ir gali užkimšti kuro filtrus. Siekiant užtikrinti variklio paleidimą šaltuoju metų laiku, dyzelino gamintojai į jį pila specialius priedus, kurie didina kuro lakumą. Jei oro temperatūra yra -10°C, o bake yra vasarinis dyzelinas, rekomenduojama supilti specialų priedą.

Variklių konstrukcijos evoliucija ir naujovės

Vidaus degimo variklių konstrukcija nuolat tobulinama. Vienas iš esminių šuolių įvyko pristatant "Common-Rail" aukšto slėgio degalų įpurškimo sistemas dyzeliniams varikliams apie 2000-uosius metus. Benziniuose varikliuose svarbus pokytis buvo tiesioginio degalų įpurškimo sistemų atsiradimas, leidęs naudoti vadinamąjį sluoksniuotą mišinį, kuris pasižymi geresne ekonomija.

XX a. pabaigoje - XXI a. pradžioje pastebimas tendencija mažinti variklių darbinį tūrį, siekiant didesnio ekonomiškumo. Mažesni varikliai turi mažesnius mechaninius nuostolius. Nors šiuolaikiniai turbobenzininiai mažalitrai varikliai gali pasiekti nemažą galią, lyginant su senesniais didesnio tūrio varikliais, tai gali atsiliepti variklio resursui dėl didesnių detalių apkrovų ir aukštesnio slėgio cilindruose. Dėl šių priežasčių naujos kartos variklių detalės gaminamos naudojant tobulesnes technologijas ir medžiagas.

Kitas svarbus VDV parametras - stūmoklio eigos santykis su cilindro skersmeniu. Greitaeigiuose benzininiuose varikliuose šis santykis artimas 1, o dyzeliniuose varikliuose stūmoklio eiga paprastai didesnė. Kuo didesnė stūmoklio eiga, tuo didesnis sukimo momentas ir žemesnis apsukų diapazonas, ir atvirkščiai.

DOHC (Dual Overhead Camshaft) tipo varikliai su dviem paskirstymo velenėliais leidžia padidinti vožtuvų skaičių virš kiekvieno cilindro, dažnai iki keturių, gerinant deguonies pritekėjimą ir deginių šalinimą.

Variklių kūrėjai nuolat ieško būdų, kaip padidinti naudingumo koeficientą. Nors šiuolaikinių dyzelinių variklių naudingumo koeficientas siekia apie 0,45, vis dar egzistuoja rezervai, lyginant su teoriniais idealiais skaičiavimais. Vidaus degimo variklių tobulėjimas, palyginti su elektros varikliais, yra lėtesnis.

HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) varikliai yra viena iš naujausių VDV technologijų. Šiuose varikliuose degusis mišinys užsidega savaime nuo suspaudimo takto metu kylančios temperatūros, o ne nuo kibirkšties. HCCI varikliai pasižymi mažomis NOx ir kietųjų dalelių emisijomis, tačiau gali turėti didesnes HC ir CO emisijas. Šių variklių valdymo ribų plėtimas, ypač esant didelėms apkrovoms, vis dar yra aktyvių tyrimų sritis.

Istorinė apžvalga

Pirmieji vidaus degimo variklio principai siekia XVII a., kai olandų fizikas Huygensas tyrinėjo parako sprogdinimą galios gavimui, tačiau dėl sunkumų valdant parako degimą, eksperimentai buvo nesėkmingi. 1794 m. anglas Streitas pasiūlė energiją gauti deginant kurą ir pirmą kartą suformulavo kuro maišymo su oru koncepciją. XIX a. viduryje mokslininkai patobulino šiluminės energijos konversijos į mechaninę galią teoriją, deginant anglies dujas, benziną ir dyzeliną, kas padėjo pagrindą VDV išradimui.

• 1860 m.: Prancūzas J. J. É. Lenoiras sukonstravo pirmąjį praktišką dujinį variklį, kuris buvo nesuspaustas, elektra uždegamas ir naudojo šviečiančias dujas. Jis pirmasis panaudojo elastinius stūmoklių žiedus VDV. Šio variklio šiluminis naudingumo koeficientas siekė apie 4%.
• 1876 m.: Vokiečių išradėjas N. Otto sukūrė pirmąjį keturtaktį vidaus degimo variklį, naudojantį dujas kaip kurą ir liepsnos uždegimą. Jo variklis pasižymėjo didesniu šiluminiu efektyvumu (14%) ir sklandesniu veikimu.
• 1883 m.: Vokietis G. Daimleris sukūrė pirmąjį vertikalų benzininį variklį, pasižymintį lengvu svoriu ir dideliu greičiu.
• 1897 m.: Vokiečių inžinierius Rudolfas Dyzelis sukūrė pirmąjį slėginio uždegimo vidaus degimo variklį (dyzelinį variklį), kurio veikimo principas buvo paremtas degalų savaiminiu užsidegimu dėl aukšto suspaudimo ir temperatūros.
• 1957 m.: Vokietijos inžinierius Felixas Wankelis sukūrė rotacinį stūmoklinį variklį, žinomą kaip Wankel variklis.

Nuo pat atsiradimo stūmokliniai vidaus degimo varikliai buvo nuolat tobulinami ir tapo itin išbaigta mašina, plačiai naudojama automobiliuose, traktoriuose, žemės ūkio ir inžinerinėje technikoje, nedidelėse elektrinėse ir kitose srityse dėl didelio šiluminio efektyvumo, plataus galios ir greičio diapazono bei patogaus derinimo.

Variklių konstrukcijos tobulinimo kryptys ir iššūkiai

Šiuolaikiniai variklių kūrėjai susiduria su įvairiais iššūkiais, siekdami didinti efektyvumą, mažinti taršą ir užtikrinti ilgaamžiškumą. Vienas iš svarbių aspektų yra variklio svorio mažinimas, kas tiesiogiai susiję su degalų sąnaudomis. Taip pat siekiama optimizuoti cilindrų skaičių ir išdėstymą, atsižvelgiant į jėgų ir inercijos balansą. Pavyzdžiui, šešių cilindrų varikliai laikomi vienais geriausiai subalansuotų.

Kuro oktaninis skaičius yra svarbus benzino savybės rodiklis, nusakantis jo atsparumą detonacijai - savaiminiam ir priešlaikiniam mišinio užsidegimui ne nuo žvakės. Aukštas oktaninis skaičius užtikrina, kad kuras nesudegs prieš laiku dėl aukšto suspaudimo ir temperatūros.

Dujų paskirstymo fazių persidengimas - reiškinys, kai realiuose keturių taktų cikluose įsiurbimo, darbinės eigos ir išmetimo ciklai persidengia. Kuo aukštesnės variklio apsukos, tuo didesnis persidengimas, o tai gali mažinti sukimo momentą esant mažoms apsukoms. Todėl šiuolaikiniuose varikliuose vis plačiau taikomi įrenginiai, leidžiantys darbo metu keisti dujų paskirstymo fazes, pavyzdžiui, naudojant elektromagnetinį vožtuvų valdymą.

Variklių gamintojai, tokie kaip AVL (Austrija), FEV (Vokietija), Ricardo Company (JK) ir Southwest Research Institute (JAV), atlieka svarbius tyrimus ir plėtrą vidaus degimo variklių srityje, prisidedant prie naujų technologijų kūrimo ir tobulinimo.

Nors automobilių pramonėje pastebima tendencija pereiti prie elektrinių transporto priemonių, vidaus degimo varikliai dar ilgai išliks svarbūs dėl savo privalumų, tokių kaip didelis veikimo nuotolis ir greitas degalų papildymas. Tikėtina, kad ateityje bus plėtojamas įvairių degalų mišinių kūrimas ir naudojimas, pritaikant senus variklius naujoms degalų rūšims.

tags: #vidaus #degimo #variklis #dyzelis