Один из самых распространенных двигателей - двигатель внутреннего
сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы,
моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких
двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания -
бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем
(бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом
виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева).
Проектируют двигатели, где горючим будет водород.
Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров, внутри которых
происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень - металлический стакан, опоясанный
пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне.
Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива,
в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен
металлическим стержнем - пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун
передает движения поршня коленчатому валу (см. рис.).
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами.
Через один из каналов - впускной подается горючая смесь, через другой -
выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра
помещается свеча - приспособление для зажигания горючей смеси
посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель.
Рассмотрим его работу. 1-й такт - впуск (всасывание). Открывается
впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую
смесь. 2-й такт - сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь
вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагре-
вается. 3-й такт - рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения.
Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов -
раскаленных продуктов горения - толкает поршень вниз. Движение поршня
передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым
производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты
сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.
4-й такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные
продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.
Схема работы четырехтактного двигателя
Из 4 тактов двигателя только один, третий, - рабочий. Поэтому
двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим
энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается
в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели
устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах
для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем
валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного
вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных
двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.
Графическое изображение КПД двигателя
внутреннего сгорания
Дизель - другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в
его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух,
предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой
температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего
сгорания, в котором используется особое .устройство для воспламенения
топлива.
Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером
Р. Дизелем и получил
название от его имени.
Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя
внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр,
поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в
головке цилиндра находится топливный клапан - форсунка. Назначение ее -
в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в
цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение
от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в
движение от коленчатого вала двигателя.
Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При
движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через
который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня
закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.
В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе
внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень
сжатия в дизелях в 2-2,5 раза больше, вследствие чего температура
воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для
воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку
начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий
воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в
3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего
сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз,
объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается.
Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.
Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной
клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й
такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл
повторяется.
Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД
достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и
построены двигатели мощностью до 30 ООО кВт. Дизели используются главным
образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных
электростанциях.
