Двигатели на жидком и газообразном горючем

В традиционных паровых машинах и даже в современных паровых турбинах, для того чтобы нагреть воду, получить пар и привести машину в движение, топливо сжигается вне двигателя. Однако эффективнее сжигать топливо в самом двигателе и использовать расширение образующихся газообразных продуктов сгорания для приведения в движение поршня или турбины.

Впервые газовый двигатель внутреннего сгорания был построен немецким инженером Николаусом Августом Отто и продемонстрирован в Париже в 1867 г. Он был громоздким, шумным и не очень экономичным, однако послужил прототипом для 99% существующих в настоящее время двигателей.

Двигатель Отто - первый успешно работавший четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. В качестве топлива потреблял смерь газа и воздуха. В такте впуска воздух [1] и газ [2] попадали через скользящий клапан [5] в цилиндр при движении поршня [7] вправо. При обратном ходе смесь зажигалась пламенем через отверстие в скользящем клапане (факел постоянно горящего газа [6] находился вне двигателя). Рабочий ход обеспечивался за счет расширения продуктов сгорания. При последнем такте газы выталкивались из двигателя [3]. Цилиндр был заключен в оболочку с холодной водой [4], которая охлаждала двигатель

Четырехтактный цикл. В 1876 г. Отто изобрел газовый двигатель с четырехтактным циклом. В нем газ перед сгоранием сжимался, что не только повышало кпд двигателя, но и снижало расход топлива.

Так как на четыре хода поршня приходится один рабочий ход, системы получили название четырехтактного цикла. Он наиболее типичен для большинства современных двигателей. Четыре основных такта включают движение поршня вниз, при котором происходит всасывание топливно-воздушной смеси; такт сжатия (поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь); рабочий ход-второе движение поршня вниз, обусловленное быстрым горением топлива в смеси, и такт выпуска, при котором движение поршня вверх приводит к выпуску газа из цилиндра.

Двигатели многих мотоциклов и некоторых малолитражных автомобилей работают на двухтактном цикле, предложенном Дугалдом Клерком в 1880 г. Подача топлива и выхлоп отработанных газов в процессе движения поршня происходят через отверстия в стенке цилиндра.

В четырехтактном двигателе системы впуска и выпуска снабжены клапанами; они управляются автоматически посредством кулачкового валика, вращающегося от коленчатого вала двигателя. При работе двигателя клапаны своевременно открываются и закрываются.

Момент воспламенения топливовоздушной смеси контролируется. Контроль осуществляется распределителем зажигания, механически соединенным с коленчатым валом. Распределитель направляет электрический ток к очередному цилиндру, ток «зажигает» искру в свече зажигания, а последняя воспламеняет топливо воздушную смесь в цилиндре.

Двигатели Отто успешно работают на каменноугольном газе, однако его. хранение представляет определенные технологические трудности. Характеристика газовых двигателей была значительно улучшена за счет использования жидкого топлива, в частности бензина, получаемого перегонкой нефти-сырца. Горючая смесь, направляемая в цилиндры, получается смешением мелко-распыленного бензина с воздухом. Смешение осуществляется в карбюраторе.

В отличие от паровых машин большинство двигателей внутреннего сгорания не создает большой мощности при малых оборотах. Цилиндры двигателей обычно невелики, и каждый рабочий ход цилиндра производит лишь небольшую работу. Для повышения кпд необходимо увеличить число оборотов, а значит, и число рабочих ходов в 1 с. Максимальная мощность двигателя автомобиля достигается при 5000 об/мин и более. Верхний предел скорости ограничивается прочностью и износостойкостью двигателя, что обусловлено вибрацией поршней и приводов клапанов. Специально изготовленные двигатели, хорошо сбалансированные и плавные на ходу, позволяют получить большие мощности при 12 ООО об/мин и более.

Основным типом автомобильного мотора является четырехцилиндровый бензиновый двигатель с верхним расположением клапанов [А]. Бензиновый насос [1] подает бензин из бензобака в карбюратор [2], где бензин распыляется и смешивается с воздухом.

Смесь поступает в цилиндры через впускные клапаны [3]. Клапаны закрываются под действием пружин [4] и открываются при воздействии коромысла, на которое усилие от кулачкового валика [5] передается через толкатель. Ток идет от бобины к распределителю [6], откуда в необходимой последовательности и в нужный момент времени подается к свечам цилиндров. Возникающие в свечах зажигания искры воспламеняют смесь.

Образующийся при вспышке газ, расширяясь, толкает поршень [7], движение которого передается на коленчатый вал. Ременная передача [8] вращает вентилятор охлаждения [9]. Смазочное масло, циркулирующее в двигателе, очищается в масляном фильтре [10]. Двигатель запускается стартером [11], от вала которого вращение передается на маховик двигателя [12].

В четырехцилиндровом двигателе цилиндры обычно располагаются вертикально в ряд [Б] либо горизонтально в два ряда [В]. Восьмицилиндровые двигатели часто компонуют цилиндры под углом [Г].

Экономичный дизель. В двигателе, изобретенном немецким инженером Рудольфом Дизелем (1858-1913) в 1896 г., в отличие от бензиновых двигателей нет карбюратора и свечей зажигания. В цилиндре в такте сжатия находится чистый воздух, который сжимается до 1/14-1 /20 первоначального объема. В конце такта сжатия в цилиндр подается струя мелкораспыленного жидкого топлива. В момент максимального сжатия температура газа повышается настолько, что впрыснутая струя топлива самопроизвольно воспламеняется.

Высокие степени сжатия делают дизели более экономичными двигателями, чем бензиновые, но они сложнее в производстве. Дизели потребляют меньше топлива, однако обладают худшими характеристиками; они выгодны для устройств с частыми остановками и пусками, почему их широко применяют в такси, автобусах и грузовиках.

Дизель не имеет свечей зажигания, а работает по принципу самовоспламенения при сжатии (сжатие - зажигание). Форсунка [1] впрыскивает топливо в цилиндр [2] во время верхнего положения поршня, соответствующего максимальному сжатию воздуха. Топливо воспламеняется самопроизвольно, и, расширяясь, продукты сгорания двигают поршень. От коленчатого вала [3] приводится топливный насос [4].

Как и в бензиновых двигателях, на каждом цилиндре устанавливается по два клапана, но в дизеле один из них впускает только воздух, а другой выпускает газ из цилиндра. Мощность двигателя зависит от количества топлива, подаваемого топливным насосом, что в свою очередь определяется положением акселератора. Ремень привода вентилятора от шкива, укрепленного на конце коленчатого вала, вращает крыльчатку вентилятора и электрический генератор для питания электрических приборов.

Мощные газотурбинные двигатели. К совершенно иным типам двигателя относится газотурбинный двигатель, элементы которого были разработаны в начале текущего века. Он состоит из турбины и компрессора, сидящих на одном валу. Чтобы турбина работала, воздух повышенного давления из компрессора смешивают с топливом, смесь зажигается; полученные при этом газы высокой температуры и давления проходят через лопатки турбины и вращают ее вместе с компрессором. Значительная часть энергии турбины расходуется на вращение компрессора, однако оставшейся энергии достаточно, чтобы установку можно было использовать в качестве двигателя. Кпд газотурбинных двигателей не очень высок, но благодаря хорошему отношению мощности к массе их можно устанавливать на самолетах. При равной массе мощность газотурбинных двигателей втрое превышает мощность поршневых.

В газовой турбине турбореактивного двигателя (Роллс-Ройс «Вайпер») нагретые продукты сгорания топлива вращают серию рабочих колес в задней части двигателя. На переднем конце вала укреплены рабочие колеса компрессора, который сжимает входящий в двигатель воздух. Двигатель развивает тягу свыше 180 Н и устанавливается на тренировочных самолетах, небольших гражданских самолетах и легких штурмовиках.