Двигатель внутр сгорания

2ух тактные двигатели внутреннего сгорания

Поршневые моторы заняли ведущие позиции в хозяйственной деятельности человека. Попытка заставить 4ех тактный двигатель работать более эффективно, приводило к разработке всевозможных вероятных и невероятных конструкторских схем двигателя и процесса их работы. Одна из этого разнообразия поршневых схем с измененным процессом работы оказалась жизнеспособной и широко внедрилась в технику.

В зависимости от количества тактов рабочего цикла ДВС делятся на две основные группы: двухтактные и четырехтактные двигатели. В двухтактных моторах их есть только два: такт сжатия и такт расширения или рабочий ход. В четырехтактных их четыре: впуск, сжатие, расширение или рабочий ход и выпуск. На первый взгляд может показаться, что первый вариант более выигрышный, ведь рабочий цикл повторяется при каждом обороте коленчатого вала и энергия вырабатывается в два раза интенсивнее, но на самом деле это не совсем так, о чем напрямую свидетельствует ограниченное применение двухтактных двигателей особенно в крупных машинах, установках и агрегатах с высоким уровнем потребления топлива. Чтобы понять причины потери энергии во время рабочего цикла, нужно рассмотреть работу двигателя.

Процесс работы двигателя

Рабочий цикл 2-хтактного двигателя включает в себя следующую последовательность действий:
— на такте сжатия поршень в цилиндре перемещается из нижней мертвой точки (НМТ) к верхней (ВМТ). Через продувочное окно топливный заряд попадает в надпоршневое пространство – камеру сгорания, после чего поршень перекрывает собой это окно. Поднимаясь выше, он постепенно перекрывает и выпускное окно, через которое удаляются продукты сгорания. При этом в пространстве под поршнем (кривошипной камере) образуется разрежение, и оно заполняется новой порцией топлива. При достижении поршнем ВМТ сжатый топливный заряд воспламеняется;
— на такте расширения газы, образовавшиеся при сгорании топлива, давят на поршень, он опускается вниз, открывая сначала выпускное окно, а затем продувочное. Через первое окно расширенные газы попадают в глушитель и выводятся наружу. Одновременно при движении поршня вниз в кривошипной камере, заполненной топливом, повышается давление. Топливо выталкивается вверх в цилиндр, заполняя надпоршневое пространство и выталкивая остатки отработанных газов. После чего цикл повторяется.

Такой принцип работы позволяет двухтактным двигателям обойтись без газораспределительной системы, характерной для четырехтактных моторов, которая управляет впускным и выпускным клапанами. С одной стороны это упрощает конструкцию и уменьшает вес, но с другой газообмен в камере сгорания далеко не идеальный. При двухтактном режиме работы при продувке цилиндра вместе с отработанными газами в глушитель попадает и определенное количество несгоревшего топлива, что влечет за собой его перерасход и повышает токсичность выхлопных газов.

Виды газораспределительной системы

Так как продувочные окна в цилиндре порой располагаются на одном уровне, то газообмен внутри цилиндра затруднен, не весь объем цилиндра продувается свежей порцией воздушной смеси, и часть отработанных газов остается в цилиндре. Для того, чтобы сменить отработанные газы на свежую порцию воздуха более эффективно и быстро, существует конструктивные особенности поршня и расположения продувочных окон в цилиндре. Различают несколько вариантов осуществления продувки цилиндров:

Контурная продувка

Контурная продувка в свою очередь делится на возвратно-петлевую, дефлекторную и высотную. Во всех этих видах есть один существенный недостаток: перерасход топлива из-за удаления несгоревшего топливного заряда во время продувки.

П- или Л-образная продувка

П- или Л-образная продувка более эффективная в плане экономии топлива, но при этом температура около выпускного окна значительно повышается. Конструктивная особенность в том, что для ее осуществления необходимы двухцилиндровое исполнение мотора. Одна пара цилиндр — поршень выступает в роли впускающих газы, а другая пара в роли выпускающая газы.

Клапанная или клапанно-щелевая продувка

Клапанная или клапанно-щелевая продувка в отличие от других видов требует наличия ГРМ, который управляется клапанами. Клапан может использоваться и для подачи заряда, и для удаления продуктов сгорания. При клапанно-щелевой продувке через клапан в головке цилиндра удаляются отработанные газы, а через окна (щели) поступает свежий заряд. Это уменьшает расход топлива и снижает токсичность отработанных газов, но усложняет конструкцию двигателя и может нарушить нормальный режим сгорания заряда из-за повышенной температуры.

Прямоточная продувка

Прямоточная продувка используется в двигателях с двумя поршнями, расположенными напротив друг друга в горизонтальном положении. В этом случае каждый поршень по ходу своего движения открывает и закрывает «свой» клапан: один поршень отвечает за впуск заряда, а второй – за удаление газов. Камерой сгорания в этом случае является пространство между поршнями. Этот вариант предусматривает наличие более сложного КШМ, а высокая температура внутри цилиндров требует дополнительного охлаждения и более прочных элементов. В то же время, это наиболее эффективный способ продувки, который обеспечивает полное удаление отработанных газов с минимальными потерями топливного заряда.

Особенности двухтактных двигателей

Особенность двухтактных двигателей – отсутствие системы смазки. Масло для смазки рабочих поверхностей трущихся деталей доставляется к ним прямо с топливной смесью. Есть два варианта получения такой смеси: изначально заливать в бак заранее приготовленный «коктейль» из топлива и моторного масла или же смешивать их во впускном патрубке, куда они поступают раздельно. Соотношение топлива и масла находится в пределах от 1:25 до 1:50. Моторное масло, как и топливо, сгорает во время рабочего такта, а продукты его сгорания выводятся вместе с отработанными газами.

Что касается мощности, двухтактные двигатели действительно мощнее своих четырехтактных конкурентов. В идеале их мощность при одинаковом литраже должна составлять 2:1 соответственно, но на деле из-за некачественного газообмена в цилиндрах это соотношение составляет 1,5:1. Удельная мощность или соотношение мощности и массы двигателя тоже выше у двухтактных моторов, ведь их вес намного легче, да и конструкция проще.

А вот расход топлива в двухтактных двигателях выше, чем у четырехтактных. Из-за несовершенной системы продувки цилиндров часть топливной смеси в прямом смысле слова вылетает в трубу. По этой причине такие двигатели практически не используются в автомобилях, тяжелой технике или мощных силовых установках, потребляемых большое количество топлива.

Еще один момент, отличающий двухтактный двигатель от четырехтактного – процесс сжигания топлива. Поскольку выпускное окно открывается практически сразу после воспламенения заряда, необходимо обеспечить достаточное время для его полного сгорания. В четырехтактном двигателе на процесс сгорания отводится целый рабочий цикл, а здесь – всего доли секунды. Чтобы добиться максимальной эффективности, в бензиновых моторах нужно точно определять углы опережения зажигания, а в дизельных – контролировать время подачи топлива. В современных моделях это достигается путем использования электроники.

Двухтактные двигатели могут быть как бензиновыми (карбюраторными или инжекторными), так и дизельными. Разница в принципе их работы заключается в том, что в первом случае в цилиндры сразу подается топливный заряд (смесь воздуха с топливом), а во втором – сначала воздух, а в конце первого такта – топливо, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Бензиновые двигатели широко используются в мотоциклах, малолитражных автомобилях, а также в газонокосилках, бензопилах и других агрегатах с ДВС. Дизельные моторы нашли применение в судостроении, раньше они также использовались на тепловозах, танках и с успехом применялись в авиации на бомбардировщиках Юнкерс. Сейчас же судостроение – чуть ли не единственная сфера их применения, где пришлась кстати их тихоходность и мощность, не превышающая 100 тыс. л.с. В отличие от четырехтактных двухтактные дизели не имеют разделенных камер сгорания, что дополнительно усложнило бы их конструкцию, так что дизельное топливо подается и смешивается с воздухом прямо в камере сгорания.

Итак, двухтактные двигатели имеют ряд преимуществ:
— простую конструкцию;
— небольшой вес;
— меньшие нагрузки на элементы конструкции;
— отсутствие системы смазки и ГРМ;
— большую литровую мощность в сравнение с четырехтактными.

В то же время, у двухтактных моторов есть и недостатки:
— повышенный расход топлива;
— токсичность выхлопных газов;
— меньший ресурс в сравнение с четырехтактным;
— шум во время работы;
— необходимость приготовления топливо-масляной смеси, что не только усложняет систему подачи топлива, но и повышает расход масла.

Выводы

Из вышесказанного можно сделать вывод, что двухтактные двигатели можно использовать в тех случаях, когда расход топлива не имеет значения, а важны такие характеристики, как небольшая масса и простота конструкции. Это идеальные варианты для переносных агрегатов, небольших автомобилей, а также мотоциклов и мопедов. Компактные размеры двухтактных двигателей позволило им основательно занять место в сфере, казалось бы совершенно далекой от той сферы, для которой были созданы ДВСы — в моделировании.

В конструкции двухтактных двигателей заложены огромные резервы по мощности и экономичности. Но из-за конструктивных особенностей их не удавалось реализовать в механическом виде. Вполне возможно электронные системы помогут «двухтактникам» занять лидирующую позицию среди двигателей внутреннего сгорания в ближайшее время.

Двигатель внутреннего сгорания тепловоза

Агрегаты, где топливо под воздействием химических реакций перегорает и трансформируется в энергию тепла, а далее обеспечивает механическую рабочую силу, называются тепловыми двигателями. К общему названию «ТД» относятся как паровые машины и турбины, так и двигатели внутреннего сгорания, функционирующие на основе поршней, газотрубные и реактивные двигатели, а так же конструктивно совмещённые между собой разноплановые двигатели (турбопоршневые).

Принцип действия ДВС, а именно превращение энергии из химической в тепловую, позволяет применять данную систему на тепловозе. Весь процесс протекает в цилиндре, одновременно со сгоранием топлива. Для преобразования тепла, воздух, попавший в цилиндр, проходит несколько этапов изменения, поддаётся некоторым воздействиям.

Поступивший поток воздуха, под воздействием поршня нагревается, а как результат и сжимается. В это время, к нему через форсунку поступает некоторое количество топлива, по средствам впрыскивания. Внутренняя воздушная среда может нагреваться до 600-650 о С, что больше значений показателей, провоцирующих процесс воспламенения впрыскнутого жидкого топлива. Именно газы, которым присуще высокое давление и такая же температура, приводят поршень в действие при помощи надавливания. Такие газы образовываются после процесса воспламенения и сгорания топлива.

Обеспечение функционирования поршня — процесс, во время которого отдаётся необходимая часть тепла, а отработанные вещества через выпускной клапан выпускаются в атмосферу. Новая воздушная среда сменяет старый воздух и полностью заполняет систему цилиндра. Весь это процесс продолжатся столько, сколько по времени совершаются работы.

Установленные на тепловозах ДВС работающие на основе поршней, обладают рядом достоинств:

• компактны;
• обладают min потерями (тепла и гидравлики);
• max КПД.

Двигатель внутреннего сгорания, установленный в тепловозе, является механизмом, функционирующий по шатунно-кривошипной системе. Комплектация его, кроме шатуна и кривошипа, состоит из поршня и вала. Такое наполнения позволяет преобразовывать движение поршня во вращательное движение вала.

Параметры и наполнение ДВС может быть самым разнообразным, могут различаться скоростью потреблением и передачей энергии, числом встроенных цилиндров, периодичностью вращения валов и иным. Такое разнообразие позволяет удовлетворить различные потребности пользователей.

По способу зажигания топлива различают двигатели низкого и высокого сжатия. Во-первых, зажигание осуществляется принудительно. Во-вторых, при помощи самовоспламенения, и именно такие устанавливаются на тепловозы, ведь отличаются мощностью и своей экономичностью.

На сегодняшний день в разных отраслях используют двигатели внутреннего сгорания двух- и четырёхтактного типов. Один полный оборот коленчатого вала (2 хода поршня) необходимо для обеспечения рабочего цикла у двухтактных двигателей. Два оборота и 4 хода для четырёхтактных, которые в свою очередь обладают min уровнем тепловой напряжённости и расходом топлива.

Двигателя внутреннего сгорания могут различаться между собой по способу смесеобразования:

• однокамерные (со струйным распыливанием): самые распространённые, ведь обеспечивают минимальный расход при значительных нагрузках. Такие дизели очень требовательны к качеству топлива и конструкции топливной аппаратуры;
• двухкамерные (вихрекамерные, предкамерные, в поршне с камерой): им присущи значительные тепловые и энергетические потери, поэтому не экономичны, но при этом функционируют при помощи простых насосов и форсунок.

Очень важно выбрать правильный тип дизеля, подходящую форму камеры сжатия, учесть иные моменты, точно предназначенные для предстоящего вида работ и модели техники. Качественный ДВС в первую очередь определяется своей надёжностью, экономичностью, долговечностью и технологическим наполнением.

Дизель-генератор 4Д80Д

Разные части различных моделей маневровых тепловозов могут быть модернизированными несколькими способами. Одним из вариантов усовершенствования грузового тепловоза типа М62У может быть осуществление замены «родных» дизелей на новые дизели модели 4Д80Д. Конструкция новых устройств представляет собой совмещение дизеля и генератора. В данном случае установка двигателя адаптируются к схемам М62У быстро и легко. Организация данного процесса не нуждается во внесении корректив в служебные свойства тепловоза.

Масса дизель-генератор составляет 23 тонны, длина 4635 мм, ширина 1615 мм, высота 3100 мм. Мощность в 1350 кВт и среднюю скорость поршня в 6,75м/с обеспечивают 10 цилиндров.

Встроенный в 4Д80Д коленчатый вал функционирует в двух режимах: на полной мощности и на холостом ходу. В зависимости от чего и зависит частота его вращения. В первом случае коленчатый вал осуществляет 750 оборотов в минуту, во втором, 300 об/мин. Отличается данный агрегат и сравнительно высокими показателями, характеризующими степень нагрузки и наддува, рабочим объемом цилиндра, а также полнотой и своевременностью сгорания топлива.

При установке 4Д80Д, расход топлива уменьшится на 15-20% и будет составлять:

• 197 г/кВт.ч.: в условиях объекта;
• 190 г/кВт.ч.: в условиях ISO.

В процессе продуктивного функционирования данные дизеля тепловоза способны прослужить 300000 км, после чего будет необходимо проведение переборки, а после 1500000 км в плановом порядке проводится первый капитальный ремонт. Конструкция 4Д80Д продумана до мелочей, позволяет производить удобное ТО и любой вид ремонтных работ.

Дизель-генератор монтируется на раму, а к ротору генератора подключается коленчатый вал, используется при этом эластичная муфта. Конструкция представляет листы, расположенные по бокам (вертикально и поперечно). Укомплектовано устройство газотрубным наддувом и охладителем для надувочного воздуха.

Дизель-генератор 4Д80Б

На маневровых тепловозах ЧМЭ3 изначально были установлены дизели типа К6S310DR, на смену которым, с целью увеличения работоспособности техники, пришли дизель-генераторы в модификации 4Д80Б. Агрегаты разработаны специально для данной модели тепловоза, в связи с чем процесс адаптации схем двигателя к устройству тепловоза не требует внесение корректировок в настройки тепловоза.

Дизели являются идеальными аналогами устройств мирового производства. В первую очередь выделяются своим техническим уровнем, достаточно экологичны и экономичны. Обладают высоким моторесурсом. При необходимости проведения технического обслуживания или ремонта любой сложности проблем возникнуть не должно.

4Д80Б показал себя как высоконадёжное устройство. В процессе функционирования со стандартными нагрузками и даже после капитального ремонта, дизель функционирует идеально. В комплекте имеются все необходимые запчасти, которые необходимы для осуществления монтажа систем дизель – генератора.

Дизель типа 12ЧН26/27 — это двенадцатицилиндровый V-образный агрегат мощностью 993 кВт. Работая на полной мощности коленчатый вал осуществляет 750 оборотов за минуту (300 на холостом ходу), при этом средняя скорость поршня равняется 6,75 м/с. Удельный расход топлива в условиях объекта и ISO — 201 г/кВт.ч., и 190 г/кВт.ч., соответственно.

Масса 4Д80Б составляет 22500 кг, длина 3990 мм, широта 1616 мм, высота 2840 мм. Среднее значение эффективного давления равно 0,921 мПа. Продуктивное и бесперебойное функционирование дизеля обеспечивается на протяжении длительного времени.

Дизель-генератор 1Д80Б-01

Двигателя внутреннего сгорания с генератором также устанавливаются на магистральные тепловозы 2ТЭ10. В данном случае новый дизель-генератор 1Д80Б-01 меняет старую модель дизель-генератора 10Д100М1.

Установка дизеля унифицированного ряда Д-80 (УМР-Д80) предназначена для модернизации тепловоза, благодаря которой мощность техники увеличилась до 2075 кВт. Системы двигателя и тепловоза адаптируются друг с другом без внесения правок в служебные свойства 2ТЭ10.

Данная модель дизель-генератора превосходит по техническим параметрам иные модели данной серии и является превосходным аналогом двигателей зарубежного производства. 1Д80Б-01 обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести:

• экономичность;
• экологичность;
• высокое значение моторесурса;
• ремонтопригодность.

Процесс разработки, доработки конструкции и наполнения двигателя позволили обеспечить его высокую надёжность во время эксплуатации и даже после капитальных ремонтных работ. На расстоянии до 200000 км дизель способен продуктивно проработать до первой переборки. До капитального ремонта устройство будут служить не меньше 1200000 км. Заводом-изготовителем предусмотрены все необходимые для соединения системы дизель-генератора и тепловоза, детали и комплектующие.

Дизель типа 16ЧН26/27 имеет 16 цилиндров, расположенных в V-образной форме. При массе 29000 кг., длине 6951 мм, широте 1930 мм и высоте 2922 мм 1Д80Б-01 расходует топливо в условиях объекта 204 г/кВт.ч. и при ISO 193 г/кВт.ч.

При максимально эффективной работе, включая всю мощность, коленчатый вал вращается с частотой в 850 оборотов в минуту, а без нагрузки 270 об/м. В среднем достигается скорость поршня в размере 9,0 м/с и эффективное давление в размере 1,176 мПа.

Дизель-генератор 1Д80Б

Двигателем внутреннего сгорания в тепловозах 2ТЭ116, функционирующих на магистральных путях, установленный изначально заводом-изготовителем, является дизель-генератор типа 1А-9ДГ. Для модернизации данных тепловозов штатные дизели меняются на новые дизель-генераторы 1Д80Б.

Системы двигатели и системы тепловоза при установке дизеля унифицированного ряда Д-80 (УМР-Д80) не требуют внесения даже малейших изменений в служебные свойства тепловоза, ведь процесс адаптации проходит идеально.

Дизель-генератор 1Д80Б по своим основным параметрам очень схож с 1Д80Б-01, но всё таки имеет некоторые технические отличия, заключающиеся в:

• частоте вращения коленчатого вала (1000 при максимальной мощности, 350 — без нагрузок);
• массе изделия, которое составляет 24655 кг;
• длине — 5325 мм;
• ширине — 1615 мм;
• высоте — 3193 мм.

Подсоединение дизель-генератора не составит труда, ведь производитель укомплектовал устройство всеми необходимыми деталями и сборочными единицами.

1Д80Б — двигатель унифицированного мощного ряда, который благодаря своим техническим параметрам является высококачественным аналогом изделия зарубежного производства. Продуманная до деталей конструкция, надёжные и прочные комплектующие позволяют продуктивно использовать данный дизель-генератор в период эксплуатации и даже после КР.

Благодаря экономичности, экологичности, износостойкому мотору и подлежащим ремонту системам дизель-генератор 1Д80Б устойчиво популярен.

Двигатель внешнего сгорания: виды, принцип работы, особенности

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип – это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

• Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
• Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
• Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
• Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

• Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
• В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
• Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
• Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
• В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
• Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины – это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

История газового двигателя внутреннего сгорания

26 августа 1801 года французский инженер, профессор механики в Школе мостов и дорог в Париже Филипп Лебон оформил патент на конструкцию газового двигателя. Движущая сила возникала после взрыва газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра — у человечества появился двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Поиск альтернативы тепловым (паровым) машинам начался фактически сразу после их появления. К этому подталкивала сама их несовершенная конструкция. С одной стороны, они обладали большими габаритами и массой из-за применения внешнего оборудования для обеспечения сгорания топлива и поддержания давления пара. А с другой — функциональная часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Данное противоречие постоянно побуждало мысль изобретателей к поиску возможности совмещения процесса сгорания топлива с рабочим телом двигателя. Всех перспектив такого прорыва разум человека конца XVIII века представить не мог, но было ясно, что решение проблемы позволит значительно уменьшить габариты и вес двигателя и увеличить его полезное действие.

Однако, чтобы такое стало осуществимым, сначала нужно было решить вопрос с подходящим топливом. Без этого любой прогресс в области ДВС просто невозможен. Именно топливо определяет устройство двигателя, его габариты и характеристики, да и саму возможность его создания. И первым таким топливом стал светильный газ.

Он был открыт французским инженером Филиппом Лебоном (1769−1804) (рис. 1), который в 1799 году получил патент на использование и способ получения этого газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами.

Рис. 1. Филипп Лебон

Лебон понял, что его светильный газ можно использовать не только для освещения. Изобретателю пришла в голову мысль взяться за конструирование двигателя, способного заменить паровую машину. Основным требованием к конструкции такого агрегата было сгорание топлива не во внешней топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.

Через два года работа Лебона, который к тому времени получил звание профессора механики в парижской Школе мостов и дорог, дала результат. И 26 августа 1801 года он оформил патент на конструкцию своего газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на уже известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом при воспламенении взрывалась с выделением большого количества теплоты.

Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Для полезного использования этого явления в двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора.

Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. Таким образом, в руках 32-летнего французского профессора оказалась хоть и несовершенная, но вполне действующая первая в истории модель двухтактного ДВС.

Если бы Провидение подарило этому талантливому изобретательному французскому инженеру долгую жизнь, то вполне вероятно, что человечество значительно раньше пересело бы из конных экипажей в автомобили и поднялось в воздух на первых аэропланах. Однако Лебону не суждено было продолжить работы по усовершенствованию своего творения — в 1804 году он был убит.

Работы над двигателем, работающим на светильном газе, продолжил бельгийский механик Жан Этьен Ленуар. Он значительно усовершенствовал конструкцию и первым применил электрическую искру для воспламенения газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра. Также он первым снабдил свой двигатель водяной системой охлаждения и использовал систему смазки для лучшего хода поршня. Двигатель Ленуара (рис. 2), который окончательно был сконструирован в 1860 году, имел мощность около 12 л. с. с КПД около 3,3%. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ленуар перестал работать над его усовершенствованием, и позднее более удачные модели вытеснили этот двигатель с рынка.

Еугенио Барзанти и Фетис Матточчи развили эту идею и в 1854 году представили свой двигатель внутреннего сгорания. Он работал в трехтактной последовательности (без хода сжатия) и имел водяное охлаждение. Хотя рассматривались и другие виды топлива, но все же в качестве горючего была выбрана смесь воздуха с каменноугольным газом, и при этом удалось достичь мощности в 5 л. с.

В 1862 году французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство — первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело тогда так и не дошло.

На Парижской всемирной выставке 1867 года представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лангеном, продемонстрировали двигатель (рис. 3), сконструированный с использованием принципа Барзанти-Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил упомянутый выше двигатель Ленуара.

Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение, и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение.

Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой: КПД этого двигателя достигал 15%, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей (рис. 4).

Рис. 4. Схема работы поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

Использование в качестве топлива светильного газа сильно сужало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два — в Москве и Петербурге.

В 1883 году появился бензиновый двигатель, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.

А в 1885 году Даймлер и Майбах разработали легкий бензиновый карбюраторный двигатель. Они использовали его для создания первого мотоцикла в 1885 году, а в 1886-м — на первом автомобиле. Человечество вступило в новую эру.

Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания

В настоящее время активно используются два основных типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы: впуск готовой топливной смеси, выпуск отработанных газов и продувки, происходят в течении одного оборота коленчатого вала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны газораспределительного механизма, их роль выполняет пара поршень и гильза. Поршень при своем перемещении закрывает собой впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому такие двигатели более просты в конструкции и надежны, а при определенных условиях и более мощные, ранее существовали и грузовые автомобили на двухтактной тяге, но их задавили экологическими требованиями.

Двухтактные дизели

Мало кто знает, что не так давно существовали и двухтактные дизели с сухим картером, которые успешно эксплуатировались в СССР до самых 90-х годов. Отличительной особенностью такого двухтактного двигателя являлось наличие газораспределительного механизма, который имел всего пару (или один) выпускных клапанов, а вот впуск осуществлялся классическим способом для двух тактов — через продувочные окна. К таким двигателям относятся ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 [1] , танковые двигатели 5ТДФ (700 л.с) и 6ТДФ-2 (1200 л.с.) [2] . Еще одно привлекательное отличие от бензинового собрата — продувка дизеля осуществлялась воздухом, а не рабочей смесью, как у бензинового варианта, поэтому экономичность дизельного двухтактника была сравнима с четырехтактным вариантом.

Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах литровой ёмкости и частоте вращения вала примерно на 50-70% больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов в единицу времени. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60. 70% по сравнению с четырехтактным ДВС.

Общее краткое устройство двигателя

Двигатель двухтактного рабочего цикла состоит из картера (основной его части — базы), в который на шариковых подшипниках установлен коленчатый вал. Цилиндр крепится к блоку через винты или шпильки, которые проходят через все тело гильзы. Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан (чаще из алюминиевого сплава), опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне ниже жарового пояса. Во время сжатия или рабочего хода поршневые кольца не пропускают газы и запирают в промежутке между днищем поршня и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из анимации видно, что топливная смесь (голубой цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

Принцип действия

1. Такт сжатия.

Поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), перекрывая сначала продувочное, а затем и выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие её герметичности, и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из впускного коллектора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает готовая горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода.

При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ (при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу). Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает избыточное давление в кривошипной камере. Под действием этого давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси вернуться во впускной коллектор и карбюратор.
Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу нашей любимой Земли — давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Принцип зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движется поршень, тем раньше должно быть зажигание — поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты статично.

Ремонт двухтактных двигателей внутреннего сгорания

Ремонт двухтактных ДВС осуществляется только квалифицированными рабочими по технологическим и маршрутным картам, которые разрабатывают инженеры и проектировщики. Эти инструкции дают рабочему понять, где и когда использовать ту или иную операцию, как и каким порядком устанавливать детали, а также в какой последовательности и с усилием их затягивать.

Сами "двухтактники" устанавливаются в специальные стенды-кантователи, которые позволяют с большим удобством и правильно, доступно визуально осуществить правильную сборку и протяжку его узлов.

Разработка процесса ремонта ДВС включает в себя не только визуальный осмотр и мойку всего узла в моечной машине, но и разработку карт дефектов деталей, маршрутные карты восстановления и т.д.

Именно таким образом осуществляет ремонт двухтактных ДВС в производственных условиях АТП.

Недостатки двухтактных двигателей:

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадиную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания не так вибрируют на малых оборотах (касается только двухцилиндровых двигателей — одноцилиндровые двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.
4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики “Чем проще тем надежнее” еще никто не отменял.
5. Высокая температура и перегрев отдельных деталей, за счет более частой вспышки рабочей смеси в цилиндрах. Требуется более интенсивное охлаждение.
6. Повышенный расход воздуха (двухкратный), что приводит к быстрому выходу из строя фильтров системы очистки воздуха. Такая проблема была у танков Т-64 и Т-80УД (Т-84).

Преимущества 2-х тактных ДВС:

1. Более высокая мощность на единицу рабочего объёма, примерно на 50-70%.
2. Более простая конструкция с отсутствием (у дизеля частично) газораспределительного механизма.
3. Более плавная работа с минимум вибраций по сравнению с 4-х тактами.
4. Большая равномерность хода, за счет крутящего момента по углу поворота коленчатого вала, который изменяется более плавно.

Вывод

Двигатели вполне себе работоспособны и имеют высокую мощность и ремонтопригодность, просты в эксплуатации и более надежны за счет меньшего количества деталей. Однако работы над этим типом двигателя практически прекращены из-за экологической повестки ООН. Двигатель плохо изучен, осталось множество нерешенных задач, кто знает каким бы он был сейчас, если бы не игры с "углеродным следом".