Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, в котором при сгорании топлива происходит превращение определенной части химической энергии в механическую.

Бурное развитие науки и техники в XVIII—XIX вв. диктовало необходимость создания нового источника преобразования энергии, который нашел бы применение в промышленных масштабах. Попытки создания подобного устройства были предприняты многими учеными и конструкторами. Но право первенства принадлежит Э. Ленуару, который в 1860 г. сконструировал аппарат, получивший название «двигатель внутреннего сгорания». Но этому открытию предшествуют многочисленные труды многих исследователей, каждый из которых внес свой вклад в общее дело.

В конце XVIII в. Филипп Лебон открыл светильный газ, вскоре им был получен патент на получение и применение этого газа. Это изобретение открыло новое направление в развитии осветительной техники. Лампы на основе светильного газа сразу же создали конкуренцию парафиновым свечам, которые в то время использовались в целях освещения. Интересным является тот факт, что Филипп Лебон с детства страдал фобией: он панически не переносил темноту, поэтому открытие им светильного газа можно считать подарком судьбы для самого ученого. В 1801 г. Лебоном был получен патент на моделирование и конструкцию газового двигателя. Принцип работы этого двигателя основывался на способности смеси из светильного газа и воздуха взрываться при воспламенении с выделением большого количества тепловой энергии. По замыслам Лебона, полезная работа могла осуществляться не только за счет тепловой энергии, но и благодаря энергии расширяющихся газов в процессе их горения. По своей сути двигатель Лебона являлся прототипом двигателя внутреннего сгорания, но преждевременная кончина испытателя не позволила ему довести свои замыслы до конца. После смерти Лебона на протяжении нескольких десятилетий многие естествоиспытатели предпринимали попытки создания двигателя внутреннего сгорания на основе светильного газа. Но их разработки не могли составить достойной конкуренции паровой машине. Лишь в 1860 г. Жан Этьен Ленуар, инженер из Бельгии, сконструировал аппарат, основанный на принципе воспламенения топливной смеси при помощи электрической искры. Усовершенствование данной конструкции путем включения в ее состав системы охлаждения и смазочной системы сделало двигатель внутреннего сгорания Ленуара конкурентоспособным. Вскоре после этого Ленуар прекратил работу в направлении дальнейшего совершенствования своего изобретения, одновременно с этим патент на производство и дальнейшие модификации двигателя внутреннего сгорания был получен немецким изобретателем Августом Отто. Именно Отто принадлежит идея четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которым пользуются и по сей день. Но мир капитализма жесток, и спустя некоторое время состоялось судебное слушание, на котором ряд французских естествоиспытателей представили доказательства, свидетельствующие о том, что за несколько лет до изобретения Отто подобный принцип функционирования двигателя внутреннего сгорания был описан Бо де Рошем. Существует несколько точек зрения на данное историческое событие. С одной стороны, имеется мнение, что судья, от чьего решения зависел исход данной тяжбы, был заинтересованным лицом.

Согласно другому мнению, все изложенные факты были подлинными, и решение судьи было вполне справедливым.

Но, так или иначе, представители Франции выиграли эту судебную тяжбу, и Отто пришлось отказаться от монопольного права выпуска четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Это событие имело огромное значение для дальнейшего развития научно-технического прогресса, так как теперь право производить и продавать новый вид двигателей принадлежало не одной стране, а следовательно, исключалось монопольное господство той или иной державы на мировом рынке.

Классификация двигателей внутреннего сгорания основывается на нескольких принципах.

1. По виду используемого топлива существуют:

1) газовые;

2) жидкостные двигатели внутреннего сгорания.

2. По характеру рабочего цикла имеют место:

1) двухтактные двигатели, т. е. рабочий цикл совершается за два хода поршня, или один оборот коленчатого вала;

2) четырехтактные двигатели, т. е. рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, или два оборота коленчатого вала;

3) двигатели внутреннего сгорания непрерывного действия.

3. В зависимости от способа преобразования энергии существуют:

1) реактивные;

2) турбинные;

3) поршневые;

4) комбинированные двигатели внутреннего сгорания.

4. По типу смесеобразования различают двигатели внутреннего сгорания с:

1) внутренним;

2) внешним смесеобразованием. Принцип действия двигателей внутреннего сгорания удобнее всего рассмотреть на примере поршневого двигателя. Основными действующими элементами данного устройства являются кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, охладительная, смазочная системы, система зажигания и система питания. Кривошипно-шатунный механизм представлен коленчатым валом, поршнем, шатуном и цилиндром. При перемещении поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение происходит расширение нагревающихся газов, что влечет за собой увеличение их давления на поршень. Возвратно-поступательное движение поршня приводит коленчатый вал во вращательное движение. Благодаря функционированию механизма газораспределения происходит поступление в цилиндр горючей смеси и удаление из цилиндра продуктов, образующихся при сгорании данной смеси. Охладительная система необходима для поддержания оптимальной температуры, при которой происходит работа двигателя внутреннего сгорания. Смазочная система способствует уменьшению трения между соприкасающимися элементами двигателя внутреннего сгорания. Система зажигания осуществляет воспламенение горючей смеси. Система питания производит приготовление и направление горючей смеси в цилиндр. Итак, создание двигателя внутреннего сгорания стало важным событием в развитии технического прогресса.

Дизель

Дизель – поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором воспламенение топлива происходит в результате процесса сжатия.

В рабочем цикле четырехтактного дизеля различают:

1) процесс впуска, во время которого при открытом впускном клапане происходит перемещение поршня из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее положение, а затем обратно в крайнее верхнее положение, далее происходит закрытие впускного клапана, при этом горючая смесь поступает в цилиндр, где она смешивается с газами, оставшимися от предыдущего цикла;

2) процесс сжатия; сжатие воздуха в цилиндре начинается после закрытия впускного клапана, а заканчивается после поступления топлива в камеру сгорания;

3) процесс сгорания; данный этап начинается после поступления топлива в цилиндр, но, в отличие от карбюраторного двигателя, где воспламенение топлива происходит при участии электрической искры, в дизеле воспламенение является результатом процесса сжатия;

4) процесс расширения; данный этап наступает сразу же после процесса сгорания и характеризуется тем, что расширяющиеся газы совершают полезную работу, отдавая тепловую энергию стенкам цилиндра, завершается данный этап во время, когда начинает открываться выпускной клапан;

5) процесс выпуска; данный этап осуществляется при открытом выпускном клапане.

Дизели нашли широкое применение. Они используются на дизельных электростанциях, грузовых автомобилях, сельскохозяйственной технике, тепловозах, судах.

Дизели относятся к наиболее экономичным тепловым двигателям. Удельный расход топлива лучших дизелей составляет около 190 г/(кВт × ч), а для большинства типов не превышает 270 г / (кВт × ч) на номинальной мощности. Такие расходы топлива соответствуют КПД 31—44% (КПД карбюраторных двигателей внутреннего сгорания обычно 25—30%).

Частота вращения вала дизеля обычно 100—3000 об/мин и лишь в отдельных случаях достигает 4000—4500 об/мин. Увеличение частоты вращения дизеля ограничивается только временем, которое необходимо для смесеобразования и сгорания топлива. В дизелях не возникает детонационного взрыва, поэтому диаметры цилиндров практически не ограничены. Так, в судовых дизелях диаметры цилиндров достигают 1 м, мощность в одном агрегате превышает 30 000 кВт (40 000 л. с.). Срок службы дизеля от 5 до 80 тыс. ч. Удельная масса на единицу мощности у дизеля от 3 до 80 кг/кВт (от 2 до 60 кг/л. с.).

Конструкции дизелей различают по камерам сгорания. За счет большого числа струй в дизелях с неразделенной камерой в процессе смесеобразования топливо равномерно распределяется по камере сгорания. В вихрекамерных дизелях поток воздуха закручивается при вытеснении его в вихревую камеру в процессе сжатия, а в этот момент топливо впрыскивается в быстро вращающийся вихрь. В вихрекамерных дизелях смесеобразование осуществляется вследствие поступления воздуха и топлива из предкамеры в основную камеру. Оно вызывается начавшимся сгоранием и повышением давления в предкамере. Пленочное смесеобразование характерно для конструкции «камера в поршне», когда топливо подается на стенку камеры, а его пары захватываются вихрем воздуха и хорошо перемешиваются.

Конструкции дизелей многообразны. На маневровых тепловозах и судах применяют V-образные 12-цилиндровые дизели с водяным охлаждением и газотурбинным наддувом. В качестве основных тепловозных двигателей используются дизели с прямоточной продувкой. Наибольших размеров достигают тихоходные судовые дизели (например, 2тактный рядный с клапанно-щелевой продувкой, имеющий диаметр цилиндра 840 мм, ход поршня 1800 мм, массу 885 т, высоту 12,1 м). Судовые дизели часто делают крейцкопфного типа (см. «Крейцкопфный двигатель»). Реже применяют W-образные и Х-образные дизели, у которых вместо 2 блоков цилиндров, как у V-образного, имеются 3 или 4 блока, а также дизели звездообразные с расположением цилиндров лучами и даже многозвездные (блоки звезд) до 42 цилиндров.

Область применения дизелей чрезвычайно обширна. Самые большие объемы применения приходятся на тракторостроение. Ежегодно возрастает применение дизелей в автомобилестроении. Около 50% локомотивов железнодорожного транспорта составляют тепловозы, локомотивы с дизелями. В речном флоте теплоходы с дизелями и дизель-электроходы практически вытеснили пароходы. Дизелями оборудуют самоходную военную технику (танки и ракетные установки). Дизели широко применяют в качестве передвижных и стационарных энергетических установок в районах, удаленных от линий электропередачи (см. «Дизельная электростанция»). Усовершенствование дизелей происходит путем повышения удельной мощности, частоты вращения, надежности и долговечности, расширения ассортимента применяемых видов топлива и получения многотопливных двигателей.