Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) — тип двигуна, теплова машина, в якій хімічна енергія палива, що згоряє в робочій зоні, перетворюється на механічну роботу.

Нарівні з електричним двигуном двигун внутрішнього згоряння є одним із найпоширеніших типів двигунів. Найчастіше він використовується у транспортних засобах: автомобілях, мотоциклах, поїздах, авіації, водному транспорті тощо. Двигуни внутрішнього згоряння застосовуються також в автономних електричних генераторах для виробництва електроенергії.

Назва двигуна внутрішнього згоряння пов'язана з тим, що, на відміну від парової машини, горіння відбувається в закритій камері, в яку спеціально сконструйованими системами подається рідке або газоподібне паливо та повітря, кисень у складі якого, виконує роль окисника. Гарячі гази, що утворюються при згорянні палива, створюють значний тиск, енергія якого перетворюється у механічну роботу.

У двигунах внутрішнього згоряння процеси згоряння палива, виділення теплоти й перетворення її в механічну енергію відбуваються безпосередньо всередині двигуна.

ДВЗ класифікують:

• за призначенням: транспортні, стаціонарні, спеціальні;

• за видом палива, що застосовується: газові, легкі рідкі (бензин, зріджений газ), важкі рідкі (дизельне паливо, суднові мазути);

• за способом утворення горючої суміші: зовнішні (карбюратор, інжектор), внутрішні (в циліндрі ДВЗ);

• за робочим об'ємом порожнин для згорання палива та масово-габаритним показниках: легкі, середні, важкі, спеціальні.

Існують такі види ДВЗ:

• поршневі двигуни, в яких камерою згоряння слугує циліндр, а зворотно-поступальне переміщення поршнів перетворюється за допомогою кривошипно-шатунного механізму в обертовий рух корінного валу;

• роторно-поршневі двигуни, в яких перетворення теплової енергії палива, що згорає, відбувається за рахунок обертання робочими газами ротора спеціального профілю, наприклад, двигун Ф. Ванкеля.

• газова турбіна, в якій кінетична енергія палива, що згорає, за допомогою клиноподібних лопаток перетворюється в обертовий рух вала ротора;

• реактивні двигуни, в яких створюється реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння.

• комбіновані двигуни складаються з поршневого двигуна, компресійних і розширювальних машин (або пристроїв), а також пристроїв для підведення й відводу теплоти, об'єднаних між собою газовим зв'язком.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння або просто поршневий двигун — двигун внутрішнього згоряння, у якому теплова енергія газів, що розширюються і які утворились в результаті згоряння паливо-повітряної суміші у замкненому об'ємі, перетворюється у механічну роботу поступального руху поршня у циліндрі.

Поступальний рух поршня поршневого двигуна зазвичай перетворюється в обертання колінчастого вала кривошипно-шатунним механізмом.

Поршневий двигун внутрішнього згоряння сьогодні є найпоширенішим тепловим двигуном. Він використовується для приводу засобів наземного, повітряного і водного транспорту, військової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, компресорів, водяних насосів, помп, моторизованого інструменту (бензорізок, газонокосарок, бензопил) та інших машин, як мобільних, так і стаціонарних, і виробляється у світі щорічно в кількості декількох десятків мільйонів одиниць.

Потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння може бути від декількох ват (двигуни авіа-, мото- та судномоделей) до 75 000 кВт у дизельних суднових двигунів.

Класифікації поршневих двигунів

За видом пального

Як пальне у поршневих двигунах внутрішнього згоряння використовуються:

• рідини — бензин, дизельне паливо, спирти, біодизель;

• гази — зріджений нафтовий газ, природний газ, водень, газоподібні продукти крекінгу нафти, біогаз;

• тверде паливо (вугілля, торф, деревина), з якого виробляється монооксид вуглецю у газогенераторі, що входить до складу паливної системи двигуна.

За кількістю тактів робочого циклу

Повний цикл роботи двигуна складається з послідовності тактів — односпрямованих поступальних ходів поршня. Розрізняють двотактні та чотиритактні двигуни.

За кількістю та розташуванням циліндрів

Кількість циліндрів у різних поршневих двигунах може становити від 1-го до 24-х. За розташуванням циліндрів поршневі двигуни бувають:

• рядні, у якому всі циліндри розташовані в один ряд;

  • U-подібні двигуни — два рядних двигуни, колінчасті вали яких є кінематично сполученими за допомогою ланцюгової або зубчастої передачі;

• V-подібні - двигуни з двома рядами циліндрів, що розташовані під кутом (45°…90°) один до одного й працюють на один (спільний) колінчастий вал;

• опозитні - двигуни внутрішнього згоряння, в яких кут між рядами циліндрів становить 180°, а поршні, що протистоять, рухаються дзеркально по відношенню один до одного (одночасно досягають верхньої мертвої точки). Слід відрізняти від V-подібного двигуна з розвалом циліндрів 180°, в якому поршні рухаються синхронно (коли один поршень знаходиться у верхній мертвій точці, другий поршень, що протистоїть йому, знаходиться в нижній);

• радіальні (зіркоподібні) - конфігурація поршневого двигуна внутрішнього згоряння, у якого циліндри розташовані радіальними променями навколо одного спільного колінчастого вала через однакові кути. Усі циліндри розташовуються приблизно в одній площині. Щоб сполучити їх з єдиною шатунною шийкою колінчастого вала, використовується збірний шатун, на якому розташовані решта шатунних шийок.;

• X-подібні - комбінація двох V-подібних двигунів зі спільним колінчастим валом;

• VR-двигун — V-подібний двигун з кутом розвалу 15° і накритий спільною головкою блока

• W-подібні -  конфігурація ДВЗ, що має розташування циліндрів, яке нагадує у поперечному розрізі літеру W. Зазвичай W-подібний двигун являє собою двигун з 3 або 4 рядами циліндрів розташованих зверху під кутом менше 90° по відношенню один до одного, над спільним колінчастим валом. Існують також W-подібні двигуни з рядним розташуванням циліндрів в шаховому порядку в кожній з двох секцій одного блоку циліндрів. При цьому кожна з двох секцій такого W-подібного двигуна має свою ГБЦ і кут між циліндрами (в одній секції) в 10-15°, як у звичайному VR-подібному двигуні. Відстань між секціями в такому двигуні менше 90°.

За особливостями утворення паливо-повітряної суміші і методами її запалювання

За способом утворення паливо-повітряної суміші поділяються на:

Двигуни із зовнішнім сумішоутворенням.

За конструктивним виконанням засобів для утворення паливо-повітряної суміші такі двигуни бувають:

• карбюраторними — паливо-повітряна суміш готується у карбюраторі та надходить впускними колекторами (патрубками) у циліндри двигуна;

• інжекторними з моновпорскуванням (центральне впорскування або одноточкове впорскування) (англ. Single Point injection, Spi; нім. Ein Spritz) — одна форсунка на всі циліндри, розташована, зазвичай, на місці карбюратора (на впускному колекторі). Втратила актуальність через зростання екологічних вимог: починаючи з Євро-3 екологічний стандарт вимагає індивідуального дозування палива для кожного з циліндрів. Система моно вприскування відрізнялась простотою і високою надійністю, перш за все через те, що форсунка розташовується у порівняно комфортному місці у потоці холодного повітря;

• інжекторними з розподіленим впорскуванням (багатоточкове впорскування) (англ. multi point injection, MPi) — кожний циліндр обслуговується окремою ізольованою форсункою у впускному колекторі поблизу впускного клапана.

За способом запалювання паливо-повітряної суміші такі двигуни поділяються на:

• Двигуни із запалюванням від електроіскрового розряду, який виробляється системою запалювання (наприклад, бензиновий двигун чи двигун Гессельмана);

• Компресійні двигуни - в них пальне подається разом з повітрям. Зазвичай в основі пального лежить діетиловий етер, рицинова олія та гас). Займання відбувається від стиснення. Ступінь стиску регулюється контрпоршнем, від якого залежить момент спалахування суміші. Компресійні двигуни використовуються головним чином в авіа- та автомоделях. Компресійні двигуни не є дизельними двигунами.

• Жарові двигуни схожі за принципом роботи до компресійних, але містять свічку розжарення, ступінь нагрівання якої підтримується за рахунок теплоти згоряння пального у попередньому такті. Такі двигуни також потребують особливого складу пального (зазвичай в його основі — метанол, рицинова олія та нітрометан). Використовуються переважно в авіа- та автомоделях;

Двигуни із внутрішнім сумішоутворенням.

Двигуни із внутрішнім сумішоутворенням мають (як у теорії, так і на практиці) вищі ККД та крутний момент за рахунок вищого ступеня стиску. Такі двигуни, у свою чергу, поділяються на:

• Дизельні двигуни, що працюють на дизельному пальному. У цих двигунах стисненню в циліндрах піддається лише повітря, при перебуванні поршня поблизу верхньої мертвої точки при такті стиску в камеру згоряння форсункою впорскується дизельне пальне, яке спалахує при контакті з повітрям, що нагрілося від стиснення до декількох сотень градусів Цельсія.

• Калоризаторні двигуни, у яких займання паливо-повітряної суміші відбувається від гарячих частин двигуна, зазвичай — днища поршня або головки розжарення. Такі двигуни у минулому (перша половина XX ст.) використовувались у металургії для приводу вальцювальних станів та у сільськогосподарській техніці.

• Бензинові двигуни з безпосереднім (прямим) впорскуванням, у яких пальне впорскується безпосередньо в циліндр, займання паливо-повітряної суміші відбувається від свічки запалювання.

Існують також двигуни із змішаним сумішоутворенням (газодизельні двигуни), що працюють на суміші природного газу з повітрям. Так як температура запалювання від стиску газо-повітряної суміші становить близько 700 °C (дизельне пальне займається при 320–380 °C), запалювання проводиться впорскуванням через форсунки невеликої кількості дизельного палива.

За видом термодинамічного циклу

В рамках технічної термодинаміки робота поршневих двигунів внутрішнього згоряння у залежності від особливостей їх циклограм описується термодинамічними циклами Отто, Дизеля, Трінклера, Аткінсона або Міллера.

За способом охолодження

Ефективний ККД поршневого ДВЗ не перевищує 60%. Решта теплової енергії розподіляється, в основному, між теплом відпрацьованих газів і нагріванням конструктивних частин двигуна. Оскільки остання частка є суттєвою, поршневі двигуни мають потребу у системі охолодження. Розрізняють такі системи охолодження:

• повітряні, що віддають надлишкове тепло у навколишнє повітря через ребристу зовнішню поверхню циліндрів; використовуються у двигунах порівняно невеликої потужності (десятки к.с.), або у потужніших авіаційних двигунах, що працюють у швидкому повітряному потоці;

• рідинні, у яких охолоджувальна рідина (вода, олива або антифриз) пропускається через сорочку охолодження (канали у стінках блоку циліндрів), і далі надходить у радіатор охолодження, у якому теплоносій охолоджується зустрічним потоком повітря та/або потоком, що створюється вентилятором.

Роторно-поршневий двигун (двигун Ванкеля) — працює за тим же принципом, що і чотиритактний бензиновий двигун, але такти проходять у різних секторах камери в просторі між стінками двигуна і трикутним поршнем-ротором. Двигун Ванкеля має простішу конструкцію і менші розміри, ніж поршневий чотиритактний двигун, при його використанні енергія обертання виникає відразу ж (без участі колінчатого вала).

Газова турбіна ( фр. Turbine від лат. Turbo — вихор, обертання) — це тепловий двигун безперервної дії, на лопатках якого енергія стисненого і нагрітого газу перетворюється на механічну роботу на валу.

Складається з компресора, сполученого безпосередньо з турбіною, і камерою згоряння між ними.

Стиснуте атмосферне повітря з компресора надходить до камери згоряння, де змішується з паливом і відбувається горіння суміші. У результаті згоряння зростає температура, швидкість і обсяг потоку газу. Далі енергія гарячого газу перетворюється на роботу. При вході в соплову частину турбіни гарячі гази розширюються, і їх теплова енергія перетворюється на кінетичну. Потім, у роторній частині турбіни, кінетична енергія газів змушує обертатися ротор турбіни. Частина потужності турбіни витрачається на роботу компресора, а решта є корисною вихідною потужністю. Газотурбінний двигун приводить в обертання високошвидкісний генератор за допомогою валу. Робота, споживана цим агрегатом, є корисною роботою ГТД. Енергія турбіни використовується в літаках, потягах, кораблях, танках та електростанціях.

Єдина серійна модель газотурбінного автомобіля для використання на дорогах загального користування була випущена Chrysler - експериментальні легкові автомобілі з газотурбінними двигунами Джорджа Хюбнера, розроблені в 1953-1979 роках. За час дії програми компанія випробувала сім поколінь ГТД і побудувала 77 автомобілів-прототипів, включаючи дослідну серію з п'ятдесяти автомобілів в оригінальних кузовах фірми Ghia. Модель не мала власного імені та стала відома як просто «газотурбінний автомобіль» (Chrysler turbine car). У 1963-1966 роках серійні автомобілі успішно пройшли тривалі випробування на дорогах загального користування. Завершення випробувань співпало з фінансовою кризою у Chrysler та підготовкою до запровадження перших американських стандартів токсичності вихлопних газів та витрати пального, тому компанія відмовилася від запуску газотурбінного автомобіля у масове виробництво. Дев'ять машин у кузовах Ghia збереглися у музеях та приватних колекціях, решту було знищено у 1967 році. Хюбнер продовжив роботу над удосконаленням ГТД, але жодна з його подальших розробок не дійшла навіть до дрібносерійного виробництва.

Реактивний двигун — двигун, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсаційні (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють лише за надзвукових швидкостей) та ракетні двигуни.

Реактивний двигун поєднує у собі власне двигун з рушієм, тобто створює тягове зусилля лише рахунок взаємодії з робочим тілом, без опори чи контакту з іншими тілами. З цієї причини найчастіше він використовується для руху літаків, ракет і космічних апаратів.

На автомобілях реактивні двигуни використовуються для встановлення рекордів швидкості.