ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ - машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.
См. также
АВИАЦИОННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА;
ТУРБИНА.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм. В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа - либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия - с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия - только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях. В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре. Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. Паровая машина с качающимся цилиндром демонстрирует принцип работы двигателя. Цилиндр прикреплен к монтажной плите и может качаться. Пар через впускное отверстие поступает в цилиндр, толкает поршень, а затем, провернув вал, выходит через выпускное отверстие.
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. Пароатмосферная машина Т. Ньюкомена создана в 1705 и является усовершенствованием машины с качающимся цилиндром. В ней имеется отдельный котел. Рабочий ход происходит, когда в цилиндре создается разрежение в результате конденсации пара, и под действием атмосферного давления поршень опускается.
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. Паровая машина двойного действия с клапаном-золотником представляет собой результат усовершенствования Дж. Уайтом (1782) машины Ньюкомена.
ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ. Прямоточная паровая машина И.Штумпфа позволяет избежать смешивания потоков, что уменьшает тепловые потери.
Паровые машины. Достоинства и недостатки. Основное достоинство паровой машины - ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики независимо от скорости работы. Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания, который на малых оборотах недодает мощность. Поэтому паровая машина очень удобна в качестве тягового двигателя, например, на паровозах. К серьезным недостаткам паровых машин относятся их низкий КПД, сравнительно невысокая максимальная скорость, большой вес и постоянный расход топлива и воды. (Ранее требовалось значительное время, чтобы паровой котел дал пар и двигатель заработал; современные котлы позволяют быстро запустить двигатель.)
Применения. В прошлом паровые машины были по существу единственным первичным двигателем (если не считать водяного колеса), однако в 20 в. их вытеснили электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, обладающие более высокими КПД, а также большей компактностью, эффективностью и универсальностью применения. На повозку паровую машину поставили впервые в 1769, однако практически используемые машины появились только в 1860-х годах. В 1906 на паромобиле Стэнли был установлен мировой рекорд скорости 190 км/ч на трассе в Орландо-Бич (шт. Флорида). Однако в последующие 20 лет паровые двигатели на автомобилях были вытеснены бензиновыми двигателями внутреннего сгорания. Паровые двигатели проиграли соревнование по двум причинам: они замерзали зимой и были неэкономичны, поскольку требовали много топлива и воды.
Двигатель Стирлинга. Для применения на автомобилях рассматриваются и другие типы двигателей внешнего сгорания. В двигателе Стирлинга используется горячий воздух, гелий или водород, а не пар. Рабочий цикл двигателя осуществляется за 4 такта: сжатие, нагревание, рабочий ход, охлаждение. Рабочий газ нагревается внешним источником тепла, как в паровой машине, а охлаждается водой, постоянно циркулируя в двигателе. Этот двигатель был изобретен в 1816 шотландцем Р. Стирлингом. Двигатель Стирлинга имеет определенные преимущества по сравнению с паровыми машинами, а именно, слабое воздействие на окружающую среду и довольно высокий КПД. Наиболее совершенные конструкции двигателей Стирлинга разработаны для судов и грузовых автомобилей.
ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА с вытеснителем (вверху) и двойного действия (внизу). В обоих случаях сжимается холодный газ и расширяется горячий. В двигателе с вытеснителем это делает дополнительный поршень (вытеснитель). В начале цикла оба поршня раздвинуты (A), холодный газ сжимается между вытеснителем и рабочим поршнем (B), проходит по трубопроводам через нагреватель в верхнюю часть цилиндра (C), где нагретый газ расширяется и перемещает рабочий поршень (D). В двигателе двойного действия за время цикла газ перетекает из одного цилиндра в другой, в которых поршни находятся в противофазе.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.
Тепловые циклы. Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).
Четырехтактный цикл. В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии Н. Отто.
Двухтактный цикл. В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам - в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.
Достоинства и недостатки. Очевидным преимуществом двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что в нем вдвое чаще совершается рабочий ход, конструкция получается проще и легче (не требуется клапанный механизм, а маховик может иметь меньшую массу, поскольку он должен провернуть двигатель только на полоборота, а не на полтора, как в четырехтактном). Однако в двухтактный двигатель приходится подавать больше топливной смеси, чем в четырехтактный той же мощности, поскольку пространство его рабочего цилиндра не полностью освобождается от продуктов сгорания. Кроме того, укорачивается рабочий ход, в конце которого газы уже покидают рабочий цилиндр. Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем; в двухтактном двигателе топливная смесь захватывает брызги масла, проходя в картер и далее в рабочий цилиндр, и они уносятся с отработанными газами, уменьшая смазку цилиндра. Эта проблема решается добавлением масла в топливную смесь, что приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара. Анализ достоинств и недостатков показывает, что сравнительно небольшие двигатели, для которых легкость, компактность и простота важнее проблем смазки и загрязненного выхлопа, предпочтительнее делать двухтактными. Такие двигатели применяются в газонокосилках, небольших мотоциклах и в моделях самолетов. Четырехтактные двигатели чаще делают в виде мощных установок с несколькими рабочими цилиндрами.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Четырехтактный двигатель: A - впуск; B - сжатие; C - рабочий ход; D - выхлоп. Один рабочий ход за два оборота вала.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Двухтактный двигатель: A - впуск и сжатие; B - рабочий ход и выхлоп. Один рабочий ход за оборот вала.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Дизельный двигатель: A - впуск воздуха; B - сжатие воздуха, впрыск топлива и воспламенение; C - рабочий ход; D - выхлоп. Один рабочий ход за два оборота вала.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ. Роторный двигатель Ванкеля: A - впуск; B - сжатие; C - рабочий ход; D - выхлоп. Три рабочих хода за оборот вала.
Топливовоздушная смесь. Для эффективного сгорания топливо и воздух должны быть смешаны в определенной пропорции. Массовое отношение воздух/топливо изменяется от 8:1 до 20:1; смесь называется "богатой", если она содержит избыточное количество топлива, и "бедной", если в ней избыток воздуха. Максимальная мощность достигается на богатой смеси (10:1 или 12:1). Сравнительно бедная смесь (14,5:1 или 15:1) используется чаще и является компромиссом между экономичностью и мощностью. В некоторых двигателях топливо и воздух перемешиваются в цилиндре неравномерно. Такая "расслоенная" смесь обеспечивает меньшее загрязнение окружающей среды, поскольку вблизи свечи, где концентрация топлива выше, сжигание получается более полным.
Охлаждение. Хотя основная задача теплового двигателя - преобразование тепловой энергии в механическую работу, двигатели внутреннего сгорания вырабатывают больше тепла, чем могут преобразовать. Чтобы не произошло разрушение двигателя из-за перегрева, необходимо предусмотреть охлаждение цилиндров. Цилиндры небольших, а также авиационных двигателей обычно охлаждаются потоком воздуха; для улучшения охлаждения они имеют развитую внешнюю поверхность - ребра охлаждения. В больших двигателях, особенно если они находятся в замкнутом пространстве (в автомобилях или на судах), цилиндры охлаждаются жидкостью. В качестве охлаждающей жидкости используется, как правило, вода или какая-либо другая плохо испаряющаяся жидкость (например, этиленгликоль), которая не замерзает при низких температурах и неработающем двигателе. Эта жидкость охлаждается в радиаторе потоком воздуха. В полезную работу превращается лишь 20-30% всего тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Еще 30% поглощается системой охлаждения, а остальное теряется с выхлопными газами.
Многоцилиндровые двигатели. Для повышения мощности двигателя и обеспечения большей частоты рабочих ходов создают двигатели с несколькими цилиндрами. Они могут стоять в ряд друг за другом (рядное расположение), в два ряда под углом друг к другу (V-образное), в четыре ряда (X-образное) или по окружности (радиальное). Иногда цилиндры располагают попарно головками друг к другу (оппозитное расположение). Для двигателей воздушного охлаждения обычно выбирают радиальную схему, с тем чтобы все цилиндры равномерно охлаждались потоком воздуха. Двигатели водяного охлаждения с числом цилиндров не более шести делают рядными; при большем числе цилиндров обычно используют V-образную схему - она более компактна.
Карбюраторные двигатели. Важной проблемой двигателей внутреннего сгорания является создание топливовоздушной смеси. В бензиновых двигателях смешение воздуха с топливом происходит в карбюраторе. Обычно состав смеси регулируется за счет изменения расхода топлива, но если требуется богатая смесь (например, при запуске двигателя), то уменьшают (дросселируют) подачу воздуха. Смесь воспламеняется искрой между электродами свечи зажигания, установленной в головке блока цилиндров. Электрическое питание обеспечивается аккумулятором или небольшим электрическим генератором; высокое напряжение, требуемое для искры, получают с помощью катушки зажигания. Клапаны четырехтактного двигателя открываются и закрываются кулачковым механизмом, который связан с коленчатым валом зубчатой передачей. Поскольку каждый клапан открывается и закрывается один раз за два оборота коленчатого вала, кулачковый (распределительный) вал вращается в два раза медленнее коленчатого.
Синхронизация операций во времени. Для наиболее полного и эффективного использования энергии горячих газов воспламенение топлива в цилиндре, как и другие операции, должно происходить в строго определенные моменты времени. В большинстве двигателей воспламенение производится незадолго до окончания хода сжатия, поскольку сгорание топлива не происходит мгновенно. Время, требуемое для сгорания топлива, зависит от конструкции двигателя (главным образом от размеров цилиндра). В небольших двухтактных двигателях камера сгорания компактная, пламя быстро охватывает весь объем, и оптимальный момент зажигания лишь ненамного опережает момент конца хода сжатия. В больших двух- и в четырехтактных двигателях расстояние от искрового зазора свечи до концов камеры сгорания больше, и, соответственно, должно быть больше опережение зажигания. Однако для больших цилиндров повышается вероятность детонации - преждевременного, самопроизвольного и нерегулируемого горения или даже взрыва топлива, что может вызвать опасное увеличение температуры и давления в камере сгорания. Поэтому на практике выбирают меньшее опережение зажигания, чем определенное теоретически. Момент возникновения искры задается прерывателем-распределителем, который приводится во вращение от распределительного вала. Регулировка момента зажигания относительно положения поршня осуществляется за счет поворота корпуса распределителя. Величина опережения зажигания определяется в градусах поворота распределительного вала относительно положения, соответствующего нахождению поршня в верхней мертвой точке. Эта величина составляет от 2 до 10. В четырехтактном двигателе необходимо синхронизировать моменты открытия впускных и выпускных клапанов. Эти клапаны открываются перед началом соответствующего хода и закрываются после его окончания. Так, если бы впускной клапан закрылся в момент достижения поршнем нижней точки, цилиндр не до конца заполнился бы топливовоздушной смесью. Поэтому клапан не закрывается, пока не начнется движение поршня вверх для сжатия смеси, и в цилиндр успевает поступить больше топлива (т.е. жертвуют некоторой степенью сжатия ради увеличения подачи топлива). Более раннее открытие и позднее закрытие клапанов приводит к нежелательным утечкам топлива с выхлопными газами и неполному расширению продуктов сгорания, однако эти потери перекрываются увеличением подачи топлива.
Степень сжатия. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше сила, толкающая поршень. Степень сжатия у автомобильных карбюраторных двигателей изменяется в диапазоне от 7:1 до 11:1.
Дизельные двигатели. При сжатии газа его температура повышается. Это повышение температуры в двигателях Р. Дизеля (1858-1913) используется для воспламенения топливовоздушной смеси. В цилиндре такого двигателя происходит сжатие только воздуха, а топливо впрыскивается под высоким давлением в конце хода сжатия. Поэтому в дизельных двигателях не нужна система зажигания, нет сложностей с опережением зажигания и можно использовать сравнительно дешевое дизельное топливо вместо дорогого продукта высокой переработки нефти - бензина. Не требуется и карбюратор, поскольку нет предварительного смешивания топлива с воздухом. Однако из-за высокой степени сжатия конструкция должна быть прочнее (и тяжелее); необходимо также обеспечить впрыск топлива под большим давлением. Высокая степень сжатия в дизельных двигателях (до 20:1) обусловливает и более высокий КПД. Поэтому дизельные двигатели применяют в тех случаях, когда важен не столько вес, сколько экономичность и высокая мощность: на кораблях, грузовиках и железнодорожных локомотивах.
Роторный двигатель Ванкеля. Принципиально иной тип двигателя внутреннего сгорания был реализован в 1957 Ф. Ванкелем. Конструктивно двигатель относительно прост и допускает изготовление в любых размерах. Поршни заменены ротором приблизительно треугольного сечения, который вращается в камере специальной формы (поверхность камеры выполнена по эпитрохоиде), в которой размещены свеча зажигания и впускные и выпускные отверстия. Такая конструкция позволяет осуществить четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. В этом двигателе можно использовать дешевые сорта топлива; он почти не создает вибраций. Главное преимущество двигателя Ванкеля - малые размеры при заданной мощности. В двигателе вдвое меньше движущихся частей, чем в поршневом, и, следовательно, он потенциально надежнее и дешевле в производстве.
ЛИТЕРАТУРА
Казанджан П.К. Теория двигателей летательных аппаратов. Киев, 1975 Стечкин Б.С. Теория тепловых двигателей. М., 1977 Вырубов Д.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1983 Ефимов С.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1985
