Основные типы двигателей

Двигатели-это машины, которые преобразуют другие виды энергии в механическую энергию, способную совершать работу. Энергия может получаться при сжигании топлива-нефти, керосина, бензина или угля. Работа, совершаемая двигателем, может быть использована различными способами, например служить приводом машин и механизмов, вырабатывать электроэнергию, качать воду или приводить в движение транспортные средства (автомобили, локомотивы, корабли и самолеты).

Закономерности, показывающие пути, которыми теплота преобразуется в работу, были открыты экспериментальным путем еще на заре машиностроения. Позже на их основе возникла научная дисциплина - термодинамика.

Используя эти законы, можно определить, какую мощность будет развивать двигатель и какое количество теплоты будет преобразовано в работу, а также найти пути улучшения характеристик двигателя.

В первых двигателях, относящихся к XVIII в., пар образовывался в котлах за счет сжигания каменного угля [1]. Затем пар использовался для работы двигателя. Двигатели, в которых источники тепла находятся извне, известны как двигатели внешнего сгорания. Примером служит паровая турбина [2].

В паровых двигателях паровозов вода нагревалась в паровых котлах за счет теплоты сжигания топлива (угля или мазута) до кипения. Давление пара толкало поршень в цилиндре вперед- назад

К числу наиболее удачных двигателей относится, по-видимому, двигатель внутреннего сгорания. В двигателе этого типа топливо сгорает, а образующиеся газообразные продукты сгорания, расширяясь, приводят в возвратно-поступательное движение поршень, который перемещается внутри цилиндра. Передача вращательного движения колесам осуществляется через коленчатый вал.

В паровой турбине пар, поступающий из парового котла, вращает роторы многоступенчатой турбины. Выходящий из турбины пар конденсируется в воду и возвращается в паровой котел

Ранние газовые двигатели. Двигатели внутреннего сгорания появились во второй половине XIX в. Первую удачную конструкцию создал немецкий инженер Николаус Август Отто (1832-1891), который использовал в качестве топлива каменноугольный газ. Четырехтактную модификацию двигателя Отто предложил в 1862 г. Альфонс Б. Роша. Двигатель назывался так потому, что работа (рабочий ход) совершалась при одном ходе поршня из четырех. Остальные три хода включали впуск топлива и воздуха, сжатие смеси и выпуск газов после сжигания топлива. Так как только один такт из четырех был рабочим, вращение вала четырехтактного одноцилиндрового двигателя происходило очень неравномерно. Для сглаживания неравномерности вращения требовался тяжелый маховик. Подавляющее большинство четырехтактных двигателей имеют более одного цилиндра-обычно четыре или шесть, однако нередко их число доходит до 16. Это способствует большей равномерности работы, поскольку цилиндры работают поочередно.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания установлены практически на всех легковых и грузовых автомашинах и многих мотоциклах. Они могут работать на газообразном топливе, но обычно для них используется жидкое топливо- бензин. Топливо превращается в газ, смешивается с воздухом в карбюраторе и воспламеняется внутри цилиндра свечей зажигания, работа которой регулируется так, что искра подается точно в нужный момент четырехтактного цикла.

Цикл Отто, применяемый в бензиновых двигателях, четырехтактный. В такте впуска [А] поршень опускается, засасывая топливовоздушную смесь через впускной клапан [1]. В такте сжатия [Б] поршень поднимается, а оба клапана закрыты. Они остаются закрытыми и тогда, когда искра свечи воспламенит топливовоздушную смесь в такте рабочего хода [В]. Выпускной клапан [2] откроется в такте выхлопа [Г].

Дизельные двигатели. Во многих двигателях внутреннего сгорания, включая значительное количество используемых на транспортных средствах, применяются более тяжелые углеводородные топлива, называемые дизельными топливами. Этот тип двигателя назван в честь немецкого изобретателя Рудольфа Дизеля (1858-1913). Вместо карбюратора, в котором воздух смешивается с топливом, в дизеле необходимое количество топлива впрыскивается непосредственно в цилиндр в соответствующий момент времени. Воспламенение топлива в дизеле происходит в результате сжатия газа в цилиндре, так как при повышении давления возрастает температура газа. Самопроизвольное воспламенение топлива происходит в конце такта сжатия, поэтому дизель точнее называть двигателем с воспламенением от сжатия.

В дизелях топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух в верхнюю часть цилиндра. Топливо самопроизвольно воспламеняется, и расширяющиеся газы двигают поршень. В такте впуска [А] воздух поступает в цилиндр через впускной клапан [1]. В такте сжатия [Б] оба клапана закрыты. В конце такта впрыскивается топливо. Топливо сгорает в течение такта рабочего хода [В]. Затем выпускной клапан [2] открывается и начинается такт выхлопа [Г]

Преобразование теплоты в работу. В двигателях внутреннего сгорания теплота преобразуется в работу недостаточно эффективно. Обычно полезная работа автомобильного двигателя составляет не более четверти энергии, выделяющейся при сжигании топлива, и даже в самых совершенных двигателях эта величина не превосходит 35%. Это объясняется законами термодинамики. Согласно первому закону, от двигателя невозможно получить больше энергии, чем подводится к нему в результате сжигания топлива. Согласно второму закону, количество работы, совершаемой двигателем, всегда меньше количества подведенной энергии. Другими словами, кпд любого типа двигателя всегда меньше 100%.

Кпд тепловых двигателей зависит от разности температур: температуры, при которой выделяется количество теплоты, используемое для приведения двигателя в движение, и температуры, при которой происходит выпуск газа. Чем выше температура рабочего газа в двигателе и чем ниже температура выходящих газов, тем выше кпд двигателя. Он может достичь 100% только при условии, что выходящие газы будут иметь температуру абсолютного нуля ( — 273°С). Практически это неосуществимо, следовательно, кпд двигателя не может быть равен 100%. В идеальном случае тепловой двигатель, работающий при температуре 1000°С (что возможно для двигателя внутреннего сгорания) и температуре выходящих газов 150°С, имеет теоретически допустимый кпд 67%. Однако из-за трудностей создания двигателей, близких к идеальным, во всех реальных двигателях кпд всегда ниже теоретического. Кроме того, на нем отрицательно сказываются трение, вибрации, необходимость отбора части энергии для привода различных агрегатов, вентиляторов и т.д.

В двухтактном двигателе при движении поршня вверх (А) открывается впускное отверстие [1], а смесь в цилиндре сжимается. Свеча зажигания воспламеняет смесь [Б]. После сгорания опускающийся поршень (В) открывает выпускное отверстие [2], а затем впускное отверстие [3], через которое втекает свежая топливовоздушная смесь. Здесь поршень выполняет роль клапанов. Для смазки трущихся поверхностей поршня к топливу добавляют масло.

Трехгранный ротор двигателя Ванкеля расположен внутри камеры. Кромки ротора уплотнены углеродным волокном. Четыре такта цикла соответствуют двигателю Отто: впуск [А], сжатие [Б], сгорание [В] и выхлоп [Г]. Все три полости камеры работают одновременно, при двух свечах. Развиваемое вращательное движение передается непосредственно на привод колес. Коленчатый вал не нужен.

Поступающее в турбовентиляторный двигатель [1] топливо смешивается с воздухом высокого давления и сжигается в камере сгорания [2]. Продукты сгорания, расширяясь, вращают высокооборотную [3] и низкооборотную [4] турбины, которые вращают компрессор [5], подающий воздух в камеру сгорания, и вентилятор [6]; последний подает воздух в обход камеры сгорания в реактивное сопло, обеспечивая увеличение тяги за счет добавления воздуха.

В турбовинтовом двигателе большая часть мощности на валу передается через редуктор на воздушный винт. Входящий воздух сжимается [1], смешивается с топливом [2], которое, сгорая, вращает турбину [3].