Тепловые двигатели

Век машин: заменить цель скоростью.

Карел Чапек

«Ничто не может сравниться с коляской, запряженной лошадью», – настаивал Чонси Депью, президент Центральной железнодорожной компании Нью-Йорка, отговаривая своего племянника от вложения денег в новую компанию Генри Форда. И было это чуть больше 100 лет назад…

Облик нашего современного мира уже немыслим без вездесущих автомобилей, так же невозможно представить, каким бы был наш мир без самолетов, теплоходов, железнодорожного транспорта, чем бы мы занимались вечерами, если бы не было электричества.

Всё это оказалось бы невозможным, если бы не был изобретён двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Трудно сказать, с чего начинается история его воцарения. Как и всякое техническое изобретение, своим появлением ДВС обязан множеству различных предпосылок: разным изобретениям, созданию новых конструкционных материалов и видов топлива.

Справедливым будет начать историю с 1705 года, когда английский изобретатель Томас Ньюкомен построил пароатмосферную машину для откачки воды из шахт. Это, конечно, был не двигатель внутреннего сгорания в классическом понимании, но в нём присутствовали главные элементы будущего ДВС – поршни. Нагретый пар под давлением поступал в цилиндр и совершал работу, толкая поршень. Также там использовался кривошипно-шатунный механизм и маховик. Все эти детали присутствуют и в современных двигателях.

Двигатель Ньюкомена имел чрезвычайно низкий КПД и важен был только потому, что наглядно демонстрировал принцип, который можно использовать для превращения внутренней энергии топлива в кинетическую энергию для совершения работы.

Ползунову и Уатту удалось повысить КПД паровой машины.

Ползунов использовал два цилиндра, соединённых кривошипно-шатунным механизмом. Пар в цилиндры подавался попеременно, он толкал каждый из цилиндров вниз. В первом двигателе Ньюкомена пар подавался в один цилиндр попеременно по разные стороны поршня. В ходе технической эволюции победил вариант, впервые использованный Ползуновым.

В 1785 г. один из первых двигателей Уатта был установлен на пивоваренном заводе в Лондоне. Машина имела мощность в 24 лошадиных силы, диаметр цилиндра – 63 см, ход поршня 1,83 м (!) и маховик диаметром 4,27 м. Но по тем временам это был компактный двигатель. При таких размерах отдельные детали также были немаленькими. Неудивительно, что этот двигатель сохранился в рабочем состоянии до сих пор. Его можно увидеть и даже привести в действие в музее «Пауэрхаус» в Австралии.

Иван Иванович Ползунов умер в 38 лет и не дожил до пуска своего изобретения, который состоялся в июне 1766 г. на Барнаульском медеплавильном заводе. Машина проработала всего 43 дня, но дала прибыль в 12418 рублей, (огромные деньги по тем временам). Затем она была разрушена, а идея – забыта.

Следующий важный шаг был сделан в 1801 году. Филипп Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на том же принципе, что и у паровых машин. Но разница заключалась в том, что в качестве рабочего тела использовался не водяной пар, а смесь светильного газа с воздухом. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый воздух, а другой – сжатый светильный газ. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В этом устройстве уже можно увидеть прообраз современного двигателя. В 1804 году Лебон погиб, так и не успев довести свою идею до практического применения. Паровая машина пока оставалась вне конкуренции.

Бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар создал первый коммерчески успешный ДВС. Основная идея заключалась в том, чтобы воспламенять смесь непосредственно в цилиндре с помощью электрической искры. Для успешной работы своего двигателя Ленуар создал систему водяного охлаждения и смазку. Так ещё родились системы и механизмы, узнаваемые в современном двигателе.

В 1877 году немецкий изобретатель Август Отто усовершенствовал двигатель Ленуара, доработал кривошипно-шатунный механизм и создал первый четырёхтактный двигатель, резко увеличив тем самым его КПД. Топливом для двигателей по-прежнему служил светильный газ.

Ещё в 1872 году американец Брайтон в качестве топлива пытался использовать смесь керосина с воздухом, затем смесь бензина с воздухом. Для получения смеси им был создан один из первых «испарительных» карбюраторов, но он оказался неудачным.

Немецкий инженер Готлиб Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом в 1883 году создали двигатель без газогенератора, очень лёгкий, компактный и мощный. Увеличение мощности было достигнуто за счёт увеличения частоты вращения вала с зажиганием смеси от раскалённой полой трубки.

Завершением формирования современного облика ДВС мы обязаны венгерскому инженеру Донату Банки, запатентовавшему в 1893 году карбюратор, принцип действия которого используется и поныне. Бензин не испаряется в нём, а мелко распыляется. Для этого воздух продувается вдоль поверхности бензина, поддерживаемой на постоянном уровне.

В том же 1893 году 23 февраля Рудольф Дизель получил патент на свой «экономичный термический двигатель». Экономичность в этом двигателе достигалась за счёт большей степени сжатия топлива. При таком сжатии происходит адиабатное нагревание и самовоспламенение горючей смеси, впрыскиваемой через специальную форсунку. Первый работающий образец был построен Дизелем в 1897 году.

Карбюраторные и дизельные двигатели получились наиболее удачными из всех. Развитие и конкуренция этих двигателей продолжается до сих пор с переменным успехом.

Одноцилиндровые двигатели сменились многоцилиндровыми, надёжность, мощность, отношение мощности к массе бензиновых двигателей стали недосягаемыми для паровых машин. Появилась возможность поставить двигатель на аэроплан. Началась эпоха моторов…

Конкурентом двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внешнего сгорания. Наиболее известен двигатель, изобретённый Робертом Стирлингом, запатентованный им в 1816 году. Двигатель внешнего сгорания является старшим братом более удачливого двигателя внутреннего сгорания. В 1845 году на литейном заводе в Дании была пущена машина Стирлинга мощностью 50 лошадиных сил, проработавшая в течение трех лет. Но «младший брат» оказался на редкость проворным, и изобретённая Стирлингом машина была совершенно забыта.

Принцип действия этой машины заключается в том, что циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, сжатие происходит при низкой температуре, а расширение – при высокой. Это приводит к разности давлений и, в конечном итоге, даёт выигрыш в работе за один цикл. Нагрев в двигателе Стирлинга происходит не внутри цилиндра путём воспламенения смеси, а снаружи. Тепло к газу подводится извне, через стенку цилиндра. Поэтому это устройство и называется «двигатель внешнего сгорания». Принципиальное устройство этого двигателя показано на рисунке 4.

1 – вытеснительный поршень (далее – вытеснитель);

2 – поршень;

3 – регенератор;

верхняя нагревательная область цилиндра находится при постоянной высокой температуре;

нижняя охладительная область цилиндра находится при постоянной низкой температуре.

Рис. 4

Двигатель работает в следующей последовательности.

I. В начальный момент вытеснитель находится в верхнем положении. Весь газ находится в области низкой температуры между поршнем и вытеснителем, поэтому он имеет низкое давление.

II. Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре и при этом совершает работу.

III. Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую. При этом газ, проходя через регенератор, получает от него запасённое в предыдущем цикле тепло и нагревается.

VI. Нагретый газ расширился. При этом он толкает вытеснитель с поршнем и совершает полезную работу. Это и есть рабочий такт двигателя. Так как давление в верхней части газа больше его давления в нижней части, то полезная работа перекрывает энергетические затраты на сжатие холодного газа в начальном такте.

I. Вытеснитель поднимается вверх и перемещает рабочий газ в нижнюю холодную часть цилиндра. При этом газ, проходя через регенератор, отдаёт ему тепло, которое будет возвращено в следующем цикле.

Затем цикл повторяется.

Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в которой рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, важность которых с ростом количества автомобилей всё более повышается.

Во-первых, для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. Поэтому для двигателя Стирлинга можно использовать и низкокачественное топливо, например, попутный газ, сжигаемый впустую в атмосфере при транспортировке нефти.

Во-вторых, в качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно функционирует воздух, гелий или водород, который используется в замкнутом цикле и не попадает в атмосферу. Поэтому выбросов отработанного газа двигатель не даёт. При использовании в нагревателе экологически чистой энергии (например, солнечной), двигатель становится идеально экологичным.

В-третьих, идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%.

В-четвёртых, отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах существенно снижают шум его работы, и по сравнению с двигателем внутреннего сгорания он является практически бесшумным.

В-пятых, опять же сравнительно с двигателем внутреннего сгорания, незначительны траты смазочных материалов и низка стоимость его текущей эксплуатации.

Эти достоинства позволяют прогнозировать дальнейший успех двигателей внешнего сгорания в самых разных сферах: его можно использовать для регенерации (утилизации) тепла для получения электроэнергии. Интересны перспективы применения этого двигателя для создания искусственного сердца.