Vidaus degimo variklis (VDV) — šiluminis variklis, kuriame kuras sudega tiesiogiai degimo kameroje, esančioje variklio viduje. Kaip ir kiekviena šiluminė mašina, VDV paverčia sudeginamo kuro šiluminę energiją mechaniniu darbu.

Vidaus degimo variklių tipai

Šiandieną yra žinomi tokie vidaus degimo variklių tipai:

• Stūmokliniai varikliai — degimo kamera yra cilindre, šiluminė energija paverčiama mechanine naudojant švaistiklinį – alkūninį mechanizmą.
• Dujinė turbina — energija keičiama naudojant rotorių su pleištų formos mentelėmis.
• Reaktyvinis skystojo kuro variklis ir reaktyvinis oro variklis paverčia sudegančio kuro energiją tiesiogiai į reaktyvinę dujų srauto energiją.
• Rotoriniai – stūmokliniai varikliai – juose energija keičiama darbinėms dujoms sukant specialaus profilio rotorių („Wankel“ variklis).

VDV klasifikuojami:

• Pagal paskirtį — transporto, stacionarus ir specialus.
• Pagal naudojamo kuro rūšį — lengvasis skystas (benzinas, dujos), sunkusis skystas (dyzelinis kuras, laivų mazutas).
• Pagal degaus mišinio gavimo būdą — išorinis (karbiuratoriuje) ir vidinis (VDV cilindre).
• Pagal darbinius tūrius ir svorio – matmenų charakteristikas — lengvieji, vidutiniai, sunkieji, specialūs.

Be anksčiau nurodytų visiems VDV būdingų klasifikacijos kriterijų, egzistuoja kriterijai, pagal kuriuos klasifikuojami atskiri variklių tipai. Taigi, stūmoklinius variklius galima klasifikuoti pagal cilindrų skaičių ir išdėstymą, pagal alkūninių ir paskirstymo velenų skaičių ir išdėstymą, pagal aušinimo tipą, pagal kreickopfo, įpūtimo (ir pagal įputimo tipą) būvimą arba nebūvimą, pagal mišinio gavimo būdą ir pagal degimo tipą, pagal karbiuratorių skaičių, pagal dujų paskirstymo mechanizmo tipą.

Kuro oktaninis skaičius

Kuro oktaninis skaičius (nuo [izo]oktano) nusako benzino savybę vidaus degimo variklyje sudegti be detonacijos. Detonacija — savaiminis ir priešlaikinis benzino garų ir oro mišinio užsidegimas ne nuo žvakės, bet nuo suspaudimo bei įkaitusių cilindro dalių. Skaičius yra lygus izooktano (2,2,4-trimetylopentan) (procentais tūriui) kiekiui mišinyje su n-heptanu, kuriam esant šis mišinys yra ekvivalentiškas detonacijos atžvilgiu tiriamajam kurui standartinėmis bandymo sąlygomis.

Detonacijos bandymai atliekami arba su natūralaus dydžio ir konstrukcijos automobiliniu varikliu, arba specialiuose įrenginiuose su vieno cilindro varikliu. Atliekant išsamius variklių stendinius tyrimus, nustatomas vadinamasis faktinis oktaninis skaicius (FOS), o atliekant tyrimus kelių eismo sąlygomis – kelių oktaninis skaičius (KOS). Specialiuose įrenginiuose su vieno cilindro varikliu oktaninis skaičius nustatomas dviem režimais: kietesnis (variklinis metodas) ir minkštesnis (tyrimų metodas). Kuro oktaninis skaičius, nustatytas remiantis tyrimų metodu, paprastai būna kiek aukštesnis nei oktaninis skaičius, nustatytas remiantis varikliniu metodu. Oktaninio skaičiaus nustatymo tikslumas, teisingiau vadinamas atkuriamumu, sudaro vienetą. Tai reiškia, kad, tiriant kitame įrenginyje, laikantis visų oktaninio skaičiaus nustatymo metodo reikalavimų (ASTM D2699, ASTM D2700, EN 25163, ISO 5163, ISO 5164), gali būti nustatytas visiškai kitas benzino, kurio oktaninis skaičius 93, oktaninis skaičius, pavyzdžiui, 92. Labai svarbu tai, kad abu skaičiai (93 ir 92) yra tikslūs ir teisingi, be to, yra susiję su tuo pačiu kuro mėginiu.

Izooktanas sunkiai oksiduojasi net esant aukštiems suslėgimo lygiams, todėl jo atsparumas detonacijai sąlyginai vertinamas 100 vienetų. N-heptano degimas variklyje, netgi esant žemiems suslėgimo lygiams, vyksta kartu su detonacija, todėl jo atsparumas detonacijai vertinamas 0 vienetų. Benzino rūšims, kurių oktaninis skaičius aukštesnis už 100, sukurta sąlyginė skalė, kurioje naudojamas izooktanas su ivairiu tetraetilšvino kiekio priedu.

Pirmą kartą benzino atsparumas detonacijai buvo ištirtas 1921 metais amerikiečių inžinieriaus Harry Ricardo. Jis pasiūlė pirmąją benzino atsparumo detonacijai skalę. 1930- tųjų metų pradžioje dėl didelio atsparumo detonacijai kaip standartas buvo pasirinktas izooktanas (2,2,4-trimetylopentan). Šis junginys buvo įvairiomis proporcijomis maišomas su n-heptanu (pastarasis labai linkęs į detonaciją), ir buvo nustatomas kiekvieno mėginio atsparumas detonacijai.

Detonacijai būdingas „metalinis“ skambesys, sukeliamas detonacinės bangos, jai daugelį kartų atsitrenkiant į cilindro sieneles. Detonacijos metu mažėja variklio galia ir greitėja jo dilimas.

VDV energija perduodama variklio alkūniniam velenui, plečiantis dujoms stūmoklio eigos metu. Kuro ir oro mišinio suslėgimas iki degimo kameros tūrio padidina variklio efektyvumą ir jo NVK, tačiau suslėgimo laipsnio padidejimas pagal Charles dėsnį sukelia kuro mišinio temperatūros augimą.

Jei kuras yra labai degus, pliūpsnis įvyksta anksčiau, nei stūmoklis pasiekia VRT. O tai privers stūmoklį pasukti alkūninį veleną priešinga kryptimi – šis reiškinys vadinamas atbuliniu pliūpsniu.

Oktaninis skaičius nurodo procentinį izooktano kiekį heptano-oktano mišinyje ir atspindi kuro, veikiamo temperatūros, atsparumą savaiminiam užsiliepsnojimui. Kuro rūšys, turinčios aukštesnį oktaninį skaičiu, leidžia aukšto suslėgimo laipsnio varikliams dirbti be savaiminio užsiliepsnojimo ir detonacijos rizikos, o tai reiškia, kad tokie varikliai gali turėti aukštesnį suslėgimo laipsnį ir aukštesnį NVK.

Dyzelinių variklių darbas yra pagrįstas savaiminiu užsiliepsnojimu dėl cilindre suslėgto švaraus oro arba lieso kuro mišinio, negalinčio savarankiškai degti, ir kuro porcijos tiekimu paskutiniuoju suslėgimo takto momentu.

Cilindro skersmens ir stūmoklio eigos santykis

Vienas pagrindinių VDV parametrų – tai stūmoklio eigos santykis su cilindro skersmeniu (arba atvirkščiai). Greitaeigiuose benzininiuose varikliuose šis santykis yra artimas 1, dyzeliniuose varikliuose stūmoklio eiga paprastai tiek didesnė už cilindro skersmenį, kiek didesnis pats variklis. Optimaliausias santykis dėl dujų dinamikos bei stūmoklio aušinimo yra 1 : 1. Kuo didesnė stūmoklio eiga, tuo didesnį sukamąjį momentą pasiekia variklis ir tuo žemesnis jo apsukų diapazonas. Ir atvirkščiai — kuo didesnis cilindro skersmuo, tuo aukštesnės variklio darbinės apsukos ir tuo mažesnis jo sukamasis momentas. Esant didesniam cilindro / stūmoklio skersmeniui, dėl didelių linijinių matmenų sudėtingiau užtikrinamas stūmoklio dugno aušinimas.

Stūmoklinių VDV darbo ciklai

Stūmokliniai vidaus degimo varikliai pagal darbinio ciklo taktų skaičių klasifikuojami į dviejų ir keturių takrų variklius.

Keturių taktų vidaus degimo variklio darbinis ciklas apima du pilnus alkūninio veleno apsisukimus, t. y. 720 laipsnių, susideda iš keturių atskirų taktų:

• Įsiurbimo;
• Mišinio suslėgimo;
• Darbinės eigos;
• Išmetimo.

Darbiniai taktai keičiami naudojant specialų dujų paskirstymo mechanizmą, sudarytą iš vieno arba dviejų paskirstymo velenėlių, vožtuvų stūmiklių ir vožtuvų, kurie tiesiogiai užtikrina fazių keitimą. Kai kuriuose vidaus degimo varikliuose fazėms keisti buvo naudojamos įvorinės gilzės su įsiurbimo ir / arba išmetimo langais (H. Ricardo). Šiuo atveju cilindro ertmės sujungimas su kolektoriais vykdomas radialiniais ir sukamaisiais įvorinės gilzės judesiais, periodiškai atidarant reikiamus kanalus. Dėl dujų dinamikos ypatumų — dujų inertiškumo, dujų srauto atsiradimo — realiame keturių taktų cikle įsiurbimo, darbinės eigos ir išmetimo ciklai persidengia. Šis reiškinys vadinamas dujų paskirstymo fazių persidengimu. Kuo aukštesnės variklio darbinės apsukos, tuo didesnis fazių persidengimas — kuo jis didesnis, tuo mažesnis vidaus degimo variklio sukimo momentas, esant mažoms apsukoms. Todėl šiuolaikiniuose vidaus degimo varikliuose vis plačiau taikomi įrenginiai, leidžiantys darbo metu keisti dujų paskirstymo fazes. Geriausiai šiam tikslui pritaikyti varikliai, turintys elektromagnetinį vožtuvų valdymą (BMW, „Mazda“). Taip pat yra naudojami varikliai, turintys kintamą suslėgimo laipsnį („SAAB“), pasižymintys lankstesnėmis darbo charakteristikomis.

Dviejų taktų varikliai turi daugybę komponavimo variantų ir plačią konstrukcinių sistemų įvairovę. Pagrindinis bet kurio dviejų taktų variklio principas – stūmoklis atlieka dujų paskirstymo elemento funkcijas. Paprastai tariant, darbinį ciklą sudaro trys taktai: darbinės eigos, trunkančios nuo viršutinio rimties taško (VRT) iki 20—30 laipsnių iki apatinio rimties taško (ART), prapūtimo, faktiškai jungiančio įsiurbimą ir išmetimą, ir suslėgimo, trunkančio nuo 20—30 laipsnių po ART iki VRT. Kalbant apie dujų dinamiką, prapūtimas – tai silpniausia dviejų taktų variklio ciklo grandis. Viena vertus, neįmanoma užtikrinti visiško naujos kuro mišinio porcijos atskyrimo nuo išmetamųjų dujų, dėl to neišvengiamai prarandama kuro mišinio dalis, kuri tiesiogiai išmetama į išmetimo vamzdį (jei vidaus degimo variklis dyzelinis, tai prarandama oro dalis), kita vertus, darbinė eiga trunka ne pusę alkūninio veleno apsisukimo, bet mažiau, o tai mažina variklio NVK. Dviejų taktų varikliai gali visiškai neturėti dujų paskirstymo sistemos. Tačiau, jei kalbama ne apie supaprastintus, pigius dviejų taktų variklius, tai dvitakčiai varikliai yra sudėtingesni ir brangesni, nes reikalinga papildomo pūtimo sistema, o dėl didesnės cilindrų – stūmoklių grupės terminės apkrovos reikia naudoti atsparesnes ir atitinkamai brangesnes medžiagas stūmoklių, jų žiedų bei cilindrų gilzių gamybai. Dėl stūmoklio atliekamos dujų paskirstymo elemento funkcijos reikia, kad jo aukštis būtų ne mažesnis nei stūmoklio eiga + prapūtimo langų aukštis. Tai neturi reikšmės motorolerių atveju, bet gerokai padidina stūmoklio svorį jau esant sąlyginai nedideliam galingumui. O kai galingumas matuojamas šimtais arklio galių, stūmoklio svorio padidėjimas tampa labai svariu veiksniu. Įvorinių paskirstymo gilzių su vertikalia eiga pritaikymas Ricardo varikliuose – tai vienas iš meginimų sumažinti stūmoklių masę ir gabaritus. Ši sistema buvo sudėtinga ir brangi, todėl, išskyrus aviacija, tokie varikliai niekur daugiau nebuvo naudojami. Išmetimo vožtuvai (esant tiesioginiam vožtuvų prapūtimui) patiria dvigubai didesnę terminę apkrovą, lyginant su keturių taktų variklių vožtuvų apkrovomis, ir turi blogesnes aušinimo sąlygas, o jų balnai turi ilgesnį tiesioginį kontaktą su išmetamosiomis dujomis.