Как работает двигатель бензиновый

Вам и не снилось: на чем может работать двигатель

Двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, на протяжении всего существования автомобилей остаются основными в легковом сегменте. Они доминируют в США, в Азии и в России. Европейцы десятилетиями предпочитали дизельные моторы даже на малолитражках, но за пару последних лет ополчились на «тракторы», словно они главные враги человечества.

Газовое топливо – третье по популярности в мире после бензина и солярки. Оно бывает двух типов: сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) и сжатый природный газ (метан). Первый вид более распространен. Заправок с ним, конечно, не так много, как обычных АЗС, но на «пропан-бутановой» машине можно без проблем путешествовать по России и Европе, заправляясь в два раза более дешевым топливом. Газобаллонное оборудование бывает заводской установки, но чаще его устанавливают после покупки самостоятельно.

Электрокары появились на самой заре автомобильной эры, но по-настоящему популярным не стали до сих пор. Им, конечно, прочат светлое будущее и мировое господство, но хватает и скептиков, указывающих на препятствия на этом пути. Одно из них – необходимость глобальной перестройки энергосистем всего мира, если вдруг парк резко перейдет с жидкого топлива на электричество.

Машины с силовыми установками на топливных элементах – это тоже, по сути, электромобили. Только их не заряжают от сети, а заправляют водородом. Энергия вырабатывается в результате химической реакции. Двигатель получает электричество, а на выхлоп уходит чистая вода. Электро- и водородомобили пока недешевы, но первые получают глобальную поддержку и потому активно развиваются.

Итак, бензин, дизель, пропан-бутан, метан, водород и электричество – шесть основных «движителей» для автомобилей. Однако всевозможной экзотики в мире существует еще больше! В Бразилии популярен этанол. Едва ли не каждая бензиновая машина на местном рынке – битопливная, может ездить на смеси бензина с этанолом или на чистом этаноле. Его получают из сахарного тростника, причем себестоимость такого топлива на зависть всем остальным странам невелика. Как и в случае с газом, характеристики двигателя при работе на спирте меняются, но он дешевле бензина, а потому и востребован в небогатой стране. К тому же адаптацию моторов к нестандартному топливу проводят не самоучки, а сами производители автомобилей, так что в повседневной эксплуатации владелец не испытывает никаких проблем.

В Шотландии родилась идея делать биотопливо из… виски! Идея кажется не только кощунственной, но и нелогичной. Сусло для производства не самого дешевого алкогольного напитка по определению «дармовым» быть не может. Сегодня оно дороже нефти, посему вся экономика проекта не выдерживает никакой критики. Так что это, скорее, эпатажное, а не реально действующее предложение.

Впрочем, можно подобрать для автомобиля продукты и подешевле. В соседней Великобритании придумали пускать на биодизель для городских автобусов кофейную гущу. Один только Лондон поставляет ее до 200 тонн ежедневно: хватит и погадать, и топливо сделать. Поставщиками выступают заводы по производству растворимого кофе, предприятия общепита, кофейные автоматы. Получается, что ненужные отходы можно пустить на полезное дело. Перспективы оригинального предложения только изучаются, но кофейная гуща явно имеет больше шансов, чем виски.

В Арабских Эмиратах запустили похожий проект, но там в биодизель превращают отработанное масло из «Макдональдсов», в котором готовят картофель фри. Оно бы пошло в отходы, но вместо этого способно принести немало пользы. Пока топливо оригинальной рецептуры будут получать собственные развозные грузовики сети ресторанов быстрого питания. Заметим, что в Эмиратах недостатка в нефти не испытывают, но при этом не сторонятся экспериментов с альтернативными видами топлива. Одним словом, смотрят в будущее.

На биодизель предлагают пускать не только продукты «бывшие в употреблении», перехватывая их по пути на помойку, но и продукты еще не использованные. Среди них – кукуруза, соя, свекла, рапс и другие сельскохозяйственные культуры. В отдельных странах эксперименты уже ведутся, но эксперты в один голос предупреждают: практика это опасная. В мире хватает регионов, испытывающих нехватку продовольствия, посему пускать еду на топливо для автомобилей – это кощунство. Кроме того, если подобные программы вдруг станут массовыми, то с нехваткой сельхозкультур для пищевой промышленности могут столкнуться даже ныне благополучные страны.

Менее опасным и спорным выглядит предложение делать биодизель из водорослей. Они в пищу людей не идут и посевные площади не занимают. В Великобритании пошли дальше и задумали сразу два «дурно пахнущих» проекта. Один предполагает использовать в производстве биотоплива застывший жир из канализационных труб Лондона. Второй кричит о создании двигателя, работающего на газе из человеческих экскрементов. Похожую идею, кстати, выдвинули и в Японии, предлагая пускать на эти же цели коровьи «лепешки».

Как видите, вариантов производства топлива не из нефти, а из альтернативных источников, хватает. Причем сырье настолько разнообразно, что подходящее найдется в каждой стране и в каждом мегаполисе. И польза его в том, что сейчас люди расценивают его как отбросы, а оно, оказывается, еще может сослужить хорошую службу. Правда, остается проблема: как добиться стабильного качестве биотоплива при использовании столь разных по типу и качеству исходных элементов? Но, уверены, ученые смогут дать ответ на этот вопрос.

Шаг 2. Устройство двигателя. Как работает двигатель?

Молодцы ребята! Вы освоили шаг № 1, где вы узнали о б общем устройстве автомобиля. Теперь мы переходим к шагу №2, а именно к изучению отдельных агрегатов автомобиля.

Мы теперь понимаем, что автомобиль состоит из тысячи мелких деталей. Устройство автомобиля можно даже сравнить со строением человека : двигатель это сердце автомобиля, ходовая часть автомобиля это ноги, трансмиссия это опорно двигательный аппарат, кузов это туловище, система питания это желудок. Так можно сравнивать долго, а мы хотим узнать, как же устроен двигатель автомобиля.

Как человек не может существовать без отдельных своих органов, таких как сердце, печень, почки, так и автомобиль не может без своих агрегатов, механизмов, систем и деталей. Каждый орган выполняет свою функцию, обеспечивая оптимальную работу автомобиля.

Двигатель – это энергосиловая машина, которая преобразует тепловую энергию в механическую работу.

Объясняем : В цилиндр двигателя (из топливного бака, куда заправляем топливо) поступает бензин. Топливо воспламеняется и сгорает в цилиндре, вследствие чего выделяется огромное количество теплоты. Теплота действует на детали двигателя и заставляет их работать.

Какие двигатели бывают?

Двигатели могут устанавливаться не только на автомобили, но и на промышленных предприятиях, для выполнения каких либо работ. Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, называются транспортными.

Двигатели, которые используются на промышленном производстве, называются стационарными.

Непрерывная работа двигателя обеспечивается благодаря повторяющимся процессам в цилиндре, которые проходят в определенной последовательности.

Все процессы в двигателе, которые происходят во время его работы, называют рабочим циклом. По способу осуществления рабочего цикла двигатели разделяются на : двухтактные и четырехтактные.

Для сгорания топлива необходимо смешать его с воздухом в определенной пропорции. По способу смесеобразования двигатели бывают карбюраторные, дизельные и инжекторные.

Зачем смешивать топливо с воздухом, спросите вы?

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель – это устройство, которое работает бесконечно, без топлива и энергии.

Давайте вспомним, что нужно для горения? Если вы хорошо учили химию, тогда вы должны помнить, что для реакции горения необходим кислород. Второе, что нам нужно это источник тепла : огонь или искра. Если еще дровишек подкинете, то будет замечательный костер, который мы так любим делать, на пикнике.

В бензиновом двигателе в роли источника тепла выступает свеча зажигания (принудительное воспламенение). В дизельном двигателе процесс воспламенения происходит от сжатия (самовоспламенение).

На каком топливе работает двигатель? В двигателе в качестве «дровишек», в отличие от костра, используется топливо. Карбюраторные и инжекторные двигатели работают на бензине. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе. Есть еще двигатели, работающие на газу.

Еще, двигатели классифицируются по числу цилиндров (одно и много — цилиндровые) и их расположению ( V- образные, одно рядные), способу наполнения цилиндром свежим зарядом (без наддува, с наддувом) и охлаждению (жидкостное и воздушное).

Устройство простейшего двигателя

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и систем, которые выполняют разные функции, но имеют общую цель – надежная и стабильная работа двигателя.

В цилиндре двигателя находится поршень 8 с поршневыми кольцами 9, соединенный с коленчатым валом 10 при помощи шатуна 2.

Поршень 8 двигается вверх-вниз, вращая коленчатый вал 10, который в свою очередь с помощью приводного ремня передает вращательное движение распределительному валу 6. На распределительном валу есть, кулачок, который при вращении нажимает на рычаг коромысла, в это время вторая часть коромысла открывает или закрывает впускной 4 или выпускной 7 клапаны.

Во время движения поршня вверх, горючая смесь сжимается, в это время свеча зажигания подает искру, сжатая смесь топлива и воздуха в цилиндре воспламеняется и сгорает, выделяется огромное количество газов с высокой температуры и давления и давят на поршень, опуская его вниз. Поршень через шатун вращает коленчатый вал. Таким образом, возвратно-поступательное движение поршня шатуна (вверх-вниз) преобразуется во вращательный момент коленчатого вала.

Топливо для двигателей внутреннего сгорания

Для питания двигателей внутреннего сгорания применяются жидкие и газообразные виды топлива. Наибольшее распространение получило жидкое топливо — бензин для карбюраторных двигателей и дизельное топливо для дизелей. Газообразные топлива, главным образом сжиженные газы, применяют для двигателей газобаллонных автомобилей.

Автомобильный бензин — легкое моторное топливо, состоящее из жидких углеводородов. Бензины получают из нефти путем ее тепловой переработки. Они представляют собой бесцветную жидкость со специфическим запахом и плотностью 0,70. 0,76 г/см 3 .

Основными свойствами бензина, характеризующими его эксплуа­тационные качества, являются испаряемость, теплота сгорания и детонационная стойкость.

Испаряемость бензина зависит, главным образом, от его фракционного состава, который определяется температурой перегонки 10,50 к 90% его объема. Чем больше в бензине легких фракций, т.е. его составляющих частей, полученных при более низкой температуре переработки нефти, тем лучше испаряемость бензина.

Теплотой сгорания топлива называется качество теплоты, которое выделяется при его полном сгорании в нормальных условиях. Бензин, также как и дизельное топливо, имеет высокую теплоту сгорания, составляющую около 44 МДЖ/кг.

Детонационная стойкость характеризует способность бензина быстро и плавно сгорать. Детонацией называется сверхбыстрое сгорание рабочей смеси в виде взрыва. Скорость нормального сгорания рабочей смеси составляет 20. 40 м/с, при детонации -2000 м/с и выше. Детонация сопровождается резкими металлическими стуками, дымным выпуском, снижением мощности и экономичности двигателя.

Детонационную стойкость бензина оценивают октановым числом. Этот показатель определяется на специальной установке путем сравнения испытуемого бензина с эталонным топливом (смесь изооктана с гектаном). Чем больше октановое число бензина, тем меньше он детонирует и тем большую степень сжатия может иметь двигатель. Для повышения октанового числа к бензину добавляют антидетонаторы. Наиболее сильным антидетонатором является этиловая жидкость. Такой бензин называется этилированным. Этиловая жидкость содержит свинец, поэтому этилированные бензины ядовиты, для предупреждения их окрашивают в красно-оранжевый или сине-зеленый цвет.

Нефтеперерабатывающая промышленность выпускает следующие марки бензина: А-72, А-76, АИ-93, АИ-98. Маркировка обозначает: А-автомобильный, И- октановое число получено исследовательским методом, числа (72, 76, 93, 98) — величина октанового числа.

Все бензины, кроме А-93, выпускаются в летнем и зимнем вариан­тах и различаются температурой перегонки 10% и 50% (т.е. количеством легких и средних фракций, а значит, и испаряемость). Летние бензины применяют в период с 1 апреля до 1 октября во всех районах, кроме северных и северо-восточных, и в течение всего года -в южных районах. Зимние бензины применяют в течение всех сезонов в северных и северо-восточных районах и с 1 октября до 1 апреля — в остальных районах.

Бензин А-72 предназначен для двигателей со степенью сжатия от 6,2 до 7,0 (УАЗ-69, ЗАЗ-451, ГАЗ-53Ф и др.). Бензин А-76 применяется для двигателей со степенью сжатия до 8,2 (ГАЗ-66, ЗиЛ-131 и др.), АИ-93 для двигателей со степенью сжатия 8,2. 9,0 (ГАЗ-24 «Жигули», «Москвич» и д.р.), АИ-98 — со степенью сжатия более 9,0 (ЗиЛ-114, .ЗиЛ-117). Для двигателей «Чайка» и других автомобилей этого класса выпускается автомобиль марки «Экстра».

Дизельное топливо является также продуктом переработки нефти, в основном ее тяжелых фракций. Оно состоит из жидких углеводородов и частично из растворенных в них твердых углеводородов (парафина), плотность 0,830. 0,865 г/см 3 .

Основными свойствами дизельного топлива являются: вязкость, температура помутнения и застывания, испаряемость, способность обес­печить мягкую работу двигателя, содержание в топливе серы, склонность к нагарообразованию.

Вязкость топлива определяет его подачу и впрыск в цилиндры, а также способность смазывать детали топливо подающей аппаратуры. Оптимальной считается вязкость топлива 2.5. 8,5 сСт. Помутнение топлива и затем и его застывание происходит при выделении в нем кристаллов парафина вследствие понижения температуры; этот показатель определяет марку и условия применение топлива.

Испаряемость дизельного топлива характеризует его способность к быстрому испарению и самовоспламенению в камере сгорания двигателя; это свойство оценивается фракционным составом (температурой выкипа­ния 50% и 90% перегоняемого топлива).

Способность топлива обеспечить мягкую работу дизеля оценивает­ся цетановым числом. Мягкая работа двигателя достигается при плавном нарастании давления в процессе сгорания, что возможно в случае вос­пламенения топлива сразу же после поступления в цилиндры первых его частиц. Запаздывание воспламенения приводит к единовременному сгора­нию значительного количества топлива, резкому возрастанию давления и жесткой работе двигателя. Цетановое число — это условная величина равная процентному содержанию цетана в его смеси с альсбамэтилнафталином, которая одинаковая по самовоспламеняемости с данным топливом.

Более высокое цетановое число показывает, что топливо может обеспечить более мягкую работу двигателя. Склонность топлива к образованию нагара оценивается его коксуемостью, которая должна быть не более 0,05%.

Содержание серы в топливе характеризует износостойкость деталей двигателя, поэтому эта величина строго ограничивается. По ГОСТ 300-82 дизельное топливо выпускается трех марок:

Л (летнее), 3 (зимнее), А (арктическое). По содержанию серы дизельное топливо подразделяется на два типа: не более 0,2%, не более 0,5%.

Летнее топливо применяют только при температуре окружающего воздуха выше 0°С, зимнее — при температуре до — 30°С, при более низких температурах следует применять арктическое топливо.

Только качественная недорогая мебель производства России. Вся мебель проверена специалистами.

Устройство двухтактного двигателя – характеристики, особенности, где применяется

Двигатели

Двухтактный двигатель с технической точки зрения проще четырехтактного: поршень выступает одновременно в роли движущегося элемента и распределительного органа. Во время перемещения внутри цилиндра он в нужном порядке открывает впускное и выпускное отверстие, создавая необходимое давление газов и регулируя вывод и топливоподачу.

История и область применения двухтактного ДВС

Суть ДВС в том, что поршень движется вниз, передавая импульс на маховик и придавая ему вращение, которое и движет привод устройства. Для того, чтобы толкнуть деталь, необходим взрыв, а он может произойти только под воздействием трех компонентов, которые соединяются одновременно: горючего, кислорода и искры (или тепла). Поэтому все работы над созданием двигателя внутреннего сгорания сводятся к тому, чтобы максимально эффективно объединить эти элементы в одной системе.

Мотор 139 QMB для скутера и мопеда в разрезе. h3 1,0,0,0,0 —>

Кто и когда создал первый двухтактный двигатель

Несколько изобретателей в различных странах одновременно поняли, как работает двухтактный двигатель внутреннего сгорания, поэтому установить первооткрывателя невозможно:

• Первый патент на 2 тактный двигатель был получен в 1881 году Дугладом Клерком из Шотландии.
• Через 10 лет его английский коллега Джозеф Дей представил модель с камерной продувкой.
• Немец Карл Бенц независимо от них в 1880 году получил патент на свой газовый 2-тактный ДВС.
• В 1907 году был запатентован мотор русского инженера Корейво, с двумя коленчатыми валами.
• В 1908 году еще один англичанин — Альфред Скотт построил мотоцикл на базе силового агрегата с водной рубашкой охлаждения.

С 1907 года на базе дизелей Корейво производились теплоходы.

Где используется двухтактный ДВС

Поскольку устройство двухтактного двигателя достаточно простое, и сам агрегат отличается небольшими размерами, его устанавливают на бензопилы, триммеры и другие садовые и строительные бензоинструменты, а также на небольшие транспортные средства: моторные лодки, скутеры, маломощные мотоциклы и квадроциклы.

Yamaha YFS 200 BLASTER с 2-тактным ДВС.

В 1963-1966 годах Audi производила автомобили с двухтактными силовыми агрегатами. p, blockquote 6,0,1,0,0 —>

Одна из проблем 2-тактного автомобильного мотора — вывод отработки. Поскольку выхлопные газы содержали большое количество масляных паров, глушители быстро выходили из строя, тем не менее на заправках Европы топливо для подобных авто продавалось до конца 80-х.

Как работает двухтактный ДВС

Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит из двух движений поршня внутри цилиндра: вверх и вниз, которые и называются тактами. В отличие от четырехтактного агрегата, впуск топливной смеси и вывод отработки совмещены с рабочими процессами сжатия и расширения рабочих газов.

Мотор Honda AF18E для скутеров и мопедов. h3 3,0,0,0,0 —>

Устройство двухтактного двигателя

Перед тем, как подробно разобрать принцип работы 2х тактного двигателя, остановимся на его строении. Агрегат состоит из:

• картера и кривошипной камеры, внутри которой находится цилиндр и коленвал с подшипниками;
• поршня, установленного на коленчатый вал и двигающегося внутри цилиндра;
• свечи зажигания (в моторах, работающих на бензине);
• впускного и выпускного коллекторов.

p, blockquote 10,0,0,0,0 —>

Силовые агрегаты обычно конструируют так, чтобы они получали максимальное воздушное охлаждение, но модели, установленные на сложной технике, могут иметь дополнительный водный контур.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

Определить тип мотора легко: если агрегат имеет одно заливное отверстие для масла и бензина — значит, он двухтактный, а если раздельные — четырехтактный. Но есть и исключения: например, на некоторых скутерах устанавливается отдельный бачок.

Как смазывается коленвал на 2 тактном двигателе скутера с раздельной системой смазки. h3 4,0,0,0,0 —>

Принцип работы 2-тактного ДВС

Первый такт (подъем поршня) вызывает сжатие газов:

• Поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ), выталкивая выхлопные газы.
• Когда элемент перекроет выпускное отверстие, начинается сжатие топливовоздушной смеси. Одновременно с этим открывается впускное окно и в кривошипную камеру поступает новая порция горючего.
• По достижении поршнем ВМТ (когда смесь в камере сгорания сжата до максимально возможной степени) свеча зажигания подает искру, воспламеняя горючее.
• За счет давления расширяющихся газов, деталь отбрасывается вниз, к нижней мертвой точке (НМТ).

p, blockquote 14,0,0,0,0 —>

Второй такт (опускание и вывод отработки), который также называется рабочим ходом:

• Поршень движется по направлению к нижней мертвой точке придавая вращение кривошипу, по ходу следования он открывает выпускное отверстие и освобождает кривошипную камеру от отработанных газов.
• Впускное окно закрывается, предотвращая попадание отработки в систему подачи топлива.
• Когда откроется продувочное окно, из кривошипной камеры в надпоршневую область поднимается топливовоздушная смесь. Цилиндр заполняется, и одновременно продувается от ненужных более газов.
• Такт заканчивается, когда поршень достигает НМТ. Далее деталь по инерции снова поднимается и цикл повторяется.

p, blockquote 16,0,0,0,0 —>

Анимированная схема работы двухтактного двигателя:

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

Отличия в работе дизельного силового агрегата

Входное окно, подающее кислород, необходимый для сгорания топлива расположено в нижней части камеры дизельного ДВС. Поднимаясь от НМТ, поршень сначала закрывает впускное окно, останавливая забор воздуха, а потом и выпускное — прекращая процесс выхлопа.

p, blockquote 19,0,0,1,0 —>

Далее деталь продолжает двигаться вверх, сжимая и нагревая находящийся в камере кислород, когда поршень доходит до ВМТ, форсунки впрыскивают в камеру сгорания раскаленное и распыленное на мельчайшие капли дизтопливо. Происходит взрыв, и поршень отбрасывается вниз, по пути открывая входное и выходное окна, аналогично бензиновому ДВС, далее цикл повторяется.

Двухтактный двигатель на дизтопливе. h2 3,0,0,0,0 —>

Правильная эксплуатация и тюнинг мотора

Во время эксплуатации важно понимать, как работает двухтактный двигатель, чтобы не сократить его ресурс в долгосрочной перспективе. В данных ДВС использование обычного автомобильного масла недопустимо — оно содержит другие присадки, которые могут нанести вред силовому агрегату.

p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

Масло необходимо для эффективной смазки движущихся узлов, но нагар, который из-за, него образуется может способствовать закоксовыванию поршневых колец, приводя к потере мощности. При нормальной работе ДВС нагар убирается сам, но из-за некачественного масла или проблем с зажиганием, карбюратором, либо поршневой группой, а также долгой работы на небольших оборотах этого не происходит, в таком случае необходимо убирать нагар самостоятельно.

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

Чтобы мотор прослужил дольше, необходимо правильно составлять для него смесь из бензина и масла.

Зная принцип работы двухтактного двигателя и имея необходимые навыки, можно значительно улучшить потенциал силового агрегата:

• Увеличение выходного отверстия позволяет выпустить максимальное количество газов, повышая мощность устройства.
• Расширение входного окна поможет обеспечить дополнительную продувку камеры сгорания, чтобы смесь быстрее перемещалась в картере.
• Добавление инжекторных систем впрыска дает возможность точнее дозировать топливо и избежать излишних потерь.
• Установка лепестковых клапанов во входной тракт также позволяет повысить мощность и экономичность.
• Компрессорные (или турбокомпрессорные — на дизелях) системы наддува увеличивают подачу воздуха и горючего.

Чем двухтактный двигатель отличается от четырехтактного и какой тип ДВС лучше

Благодаря тому, что двухтактный двигатель совершает только один полный ход поршня за цикл, уменьшается потеря кинетической энергии, и мотор способен выдавать в 1,5 раза большую мощность, чем четырехтактный (при аналогичных оборотах). К тому же, он отличается меньшим весом и более простой конструкцией. Но, помимо достоинств, 2-тактные силовые установки обладают и недостатками:

• Металлические элементы работают более интенсивно и быстрее изнашиваются, к тому же агрегат при работе производит больше шума и вибрации.
• Типовая конструкция ДВС не предусматривает отдельного масляного контура, поэтому приходится вручную заливать смазку в бензин.
• Многие модели не имеют рубашки охлаждения, понижая рабочую температуру только за счет окружающего воздуха.
• Все механизмы работают в одном пространстве, поэтому требуется тщательная герметизация.
• Перепад давления в моторе не очень большой — для увеличения мощности нужна дополнительная продувка.

Принцип работы двухтактного двигателя проще, чем четырехтактного — последнему для полного цикла необходимо два хода поршня вверх-вниз (четыре движения). Но 4-тактные более стабильны, долговечны, экономичны и выделяют в атмосферу меньше вредных веществ.

Сравнительная схема двухтактного двигателя и четырехтактного. p, blockquote 26,0,0,0,1 —>

Применять двухтактный двигатель целесообразно на устройствах, для которых важнее небольшие габариты и меньший вес. Но этот силовой агрегат нельзя назвать экономичным — часть горючего выходит вместе с выхлопными газами, не производя полезной работы.

Как работает двигатель бензиновый

Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.

Светлане Плачковой посвящается

Издание посвяща ется жене, другу и соратнику, автору идеи, ини циатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою люби мую отрасль – энергетику.

Книга 2. Познание и опыт — путь к современной энергетике

… … …

4.2. Двигатели внутреннего сгорания

Тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее части в механическую работу, называются двигателями внутреннего сгорания.

Отказ от котла, наиболее дорогой и громоздкой части паросиловой установки, позволил создать дешевый и экономичный двигатель внутреннего сгорания, который впоследствии стал основным двигателем транспортных средств.

Развитие этих двигателей началось с 1860 года, когда французский механик Ленуар впервые построил небольшой двухтактный газовый двигатель. Двигатель работал без сжатия смеси светильного газа с воздухом. Воспламенение рабочей смеси происходило при помощи электрической искры. К.п.д. такого двигателя колебался от 3 до 5% и был ниже к.п.д. поршневых паровых машин того времени, что было следствием нерационального цикла, предложенного изобретателем. Однако это изобретение сыграло крупную роль в деле создания двигателей внутреннего сгорания.

Дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания пошло по пути усовершенствования предложенной конструкции без изменения рабочего цикла. На рис. 4.10. представлен такой тип двигателя.

И только немецкому технику Николаусу Августу Отто (1832 – 1891) из Кельна в 1887 году в содружестве с инженером Е. Лангеном удалось построить четырёхтактный горизонтальный одноцилиндровый газовый двигатель мощностью 4 л.с. со сжатием рабочей смеси. Двигатель работал по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша. К.п.д. их двигателей достигал уже 7 – 18%, то есть был выше к.п.д. паровых машин того времени. Созданный двигатель можно считать прототипом современных двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном и жидком топливе.

На рис. 4.11 представлена индикаторная диаграмма работы четырехтактного двигателя в координатах Р (давление) – V (полный объем цилиндра). При первом такте хода поршня происходит процесс всасывания в цилиндр рабочей смеси (линия 1–2 на индикаторной диаграмме). При обратном ходе поршня (второй такт) впускной клапан закрывается и в цилиндре протекает процесс сжатия рабочей смеси (линия 2–), при этом температура и давление смеси повышаются. В начале третьего хода поршня совершается быстрое воспламенение рабочей смеси от искры, а температура и давление резко увеличиваются (линия 3–4). Затем происходит расширение рабочих газов (линия 4–5), то есть выполняется полезная работа. При крайнем положении поршня в третьем такте процесс расширения заканчивается и открывается выпускной клапан, через который при четвертом ходе поршня выбрасываются отработанные газы (линия 6 – 1, которая проходит несколько выше атмосферной линии).

Рис. 4.10. Атмосферный двигатель Отто и Лангена (1865–1866 гг.) (а) и индикаторная диаграмма (б)

Рис. 4.11. Двигатель Отто. Индикаторная диаграмма

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей для автомобильной промышленности был запатентован Г. Даймлером в Германии в 1885 году.

Постройка двигателя началась на заводе Дейти. В дальнейшем на заводе конструкция двигателя была значительно усовершенствована. Вскоре двигатели Отто – Дейти благодаря компактности, экономичности и надежности в работе получили общее признание и стали выпускаться другими заводами.

К тому времени надо отнести появление двухтактных двигателей, которые по принципу действия мало чем отличаются от четырехтактных двигателей Отто. В двухтактном двигателе посреди цилиндра расположены впускные и продувочные отверстия (клапаны), открытие и закрытие которых производится поршнем. Во время первого хода поршня в цилиндре протекают процессы воспламенения и расширения рабочей смеси, в конце хода поршня открываются отверстия цилиндра и начинаются процессы выпуска отработанных газов и продувки цилиндра воздухом или горючей смесью. Эти процессы продолжаются при обратном ходе поршня, втором такте, пока поршень не перекроет отверстия и не начнется процесс сжатия свежего воздуха или горючей смеси в зависимости от типа двигателя.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В 1878 году он окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене. В патентах 1892 и 1893 гг. Дизель выдвинул идею создания двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу, близкому к идеальному, в котором наивысшая температура достигалась сжатием чистого воздуха.

В 1913 году для ведения переговоров Дизель, взяв с собой наиболее ценные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию. Однако до Англии он не добрался, а бесследно исчез с корабля при неизвестных обстоятельствах.

Двухтактные двигатели имеют более равномерный ход, вдвое меньший объем цилиндра, дешевле и нашли широкое применение в автомобильной промышленности, вытеснив четырехтактные.

Все рассмотренные выше газовые, газогенераторные, а также быстроходные двигатели, работающие на жидком топливе, – автомобильные, относятся к двигателям быстрого сгорания, у которых процессы воспламенения и горения протекают

настолько быстро, что поршень не успевает совершить даже небольшое перемещение.

Рис. 4.12. Индикаторная диаграмма дизеля

У таких двигателей к.п.д. очень зависит от степени сжатия, поэтому они работают с предельным давлением сжатия, при котором температура рабочей смеси близка к температуре её самовоспламенения. Однако двигатели быстрого сгорания, работающие на жидком топливе (нефти, керосине, бензине), не допускают высоких степеней сжатия (3, 5, 6), так как температура воспламенения этих топлив сравнительно низкая (350 – 415°С), что и обуславливает небольшой к.п.д. двигателя.

Повышение к.п.д. двигателей, работающих на жидком топливе, было достигнуто благодаря введению в технику рабочего процесса с постепенным сгоранием топлива. Процесс постепенного сгорания топлива был предложен в 1872 году американцем Брайтоном. После этого были попытки создать такой двигатель Гаргреавесом, Капитеном и др. Однако их двигатели были ненадежными в работе. Слава создания двигателя с постепенным сгоранием топлива принадлежит Р. Дизелю.

Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию воздуха в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Будучи подано в полость двигателя в конце хода сжатия, горючее воспламеняется от нагретого воздуха и, нагнетаемое постепенно, осуществляет процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Испытание опытного образца в 1896 году принесло успех, а в 1897 году Дизель построил на Аугсбургском машиностроительном заводе первый промышленный четырехтактный одноцилиндровый двигатель с постепенным сгоранием топлива, работающий на керосине, мощностью 20 л.с. Двигатель такого типа в дальнейшем получил название дизель. Он отличался высоким к.п.д., но работал на дорогостоящем керосине, имел ряд конструктивных дефектов. После некоторых усовершенствований, внесённых в 1898 – 1899 гг., двигатель стал надёжно работать на дешёвом топливе – нефти – и получил широкое распространение в промышленности и на транспорте.

Рабочий процесс двигателя постепенного сгорания (см. индикаторную диаграмму, рис. 4.12) отличается от рабочего процесса двигателя быстрого сгорания (см. рис. 4.11) следующими особенностями:

В рабочем цилиндре дизеля при втором такте – сжатии – сжимается не рабочая смесь, а воздух (линия 2 – 3 ) до давления 3,2–3,4 МПа. При этом температура воздуха в конце сжатия достигает 500–600 o С, то есть температуры воспламенения вводимого в цилиндр жидкого топлива.

Вследствие высокой температуры сжатого воздуха происходит самовоспламенение вводимого топлива и не требуется зажигательного приспособления.

В третьем такте топливо вводится в цилиндр не сразу, а постепенно, вследствие чего оно сгорает при постоянном давлении на некоторой части хода поршня (линия 3 – 4 ), а затем происходит дальнейшее расширение образовавшихся газов (линия 4 – 5 ).

Распыление топлива осуществляется форсункой при помощи сжатого воздуха. Для получения сжатого воздуха применяется компрессор с давлением 5–6 МПа двух-трехступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха.

Рабочие процессы в первом и четвертом тактах дизеля подобны процессам, протекающим в двигателях быстрого сгорания (линии 1 – 2 и 6 – 1 ).

Наиболее ответственной частью двигателя является компрессор, который приводится в действие от самого дизеля.

Первоначально все дизели работали по рассмотренному выше четырехтактному рабочему процессу, но затем стал применяться двухтактный рабочий процесс как более экономичный. Этому способствовало введение в технику принципа безвоздушного распыления топлива, то есть бескомпрессорных дизелей.

Первый в мире городской автобус с двигателем внутреннего сгорания вышел на линию 12 апреля 1903 года в Лондоне. Его предшественником можно считать автобус с паровым двигателем, который курсировал в течение четырех месяцев 1831 года между английскими городами Глостером и Челтенхемом (Наука и жизнь, 1984, № 5).

Действительное преимущество дизелей заключалось не в отличии их рабочего процесса, а в возможности получить высокие степени сжатия, неосуществимые в двигателях быстрого сгорания из-за низкой температуры самовоспламенения жидких сортов топлива. Рабочий процесс в дизелях проводился при степени сжатия 14–16 против 5–6 в двигателях быстрого сгорания, что повысило к.п.д. компрессорных дизелей до 28–32%, бескомпрессорных – до 30–34%.

После демонстрации на Парижской выставке 1900 года усовершенствованного двигателя Дизеля, где он получил высокую оценку, начался процесс бурного дизелестроения.

Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей внесли русские изобретатели. Б.Г. Луцкой (1865–1920) проектировал и строил многоцилиндровые двигатели различного назначения – автомобильные, авиационные, судовые, лодочные. В 1896 г. Г.В. Тринклер (1876–1957) построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р.А. Корейво (1852–1920) сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А.Г. Уфимцев (1880–1936) в 1910 г. разработал шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.

В России производство дизелей началось в 1899 году на заводе «Русский дизель» в Санкт-Петербурге. Выпускаемые заводом нефтяные дизели оказались вполне надежными в работе благодаря применению двухступенчатого компрессора и усовершенствованной нефтяной форсунки. Дизели завода «Русский дизель» получили впоследствии всеобщее признание и широко использовались в промышленности и на транспорте.

В торговом и на военном флоте дизели впервые были применены в России. Первая в мире судовая дизельная установка, состоящая из трех дизелей завода «Русский дизель» мощностью по 120 л.с., была смонтирована в 1903 году на нефтетопливной барже «Вандал». А первый реверсивный дизель был построен заводом в 1908 году для подводной лодки «Минога» мощностью 120 л.с. Перед первой мировой войной дизельные двигатели производились не только в Петербурге, но и в Москве, Сормове, Риге, Ревеле, Воронеже и других городах.

Двигатели внутреннего сгорания после значительных конструктивных изменений стали в ХХ веке основными двигателями всех транспортных средств.