Словарь
двигатель внутреннего сгорания; газовая турбина.
Главная сайта | В меню | Тепловые двигатели внутреннего сгорания
§ 4.5 Тепловые двигатели внутреннего сгорания
Содержание
Чем вызвана замена паровых машин двигателями внутреннего сгорания?
В тепловых двигателях внутреннего сгорания рабочим телом является горячий газ под высоким давлением. Он образуется при сгорании внутри двигателя какого-либо органического топлива. Это может быть природный или искусственный горючий газ, продукты перегонки нефти (бензин, керосин, дизельное топливо), спирт, растительное масло и другие горючие жидкие или газообразные вещества.
Основными видами тепловых двигателей внутреннего сгорания являются бензиновый и дизельный двигатели внутреннего сгорания и газовая турбина.
Двигатель внутреннего сгорания. Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) во многом сходна с работой поршневого пневматического двигателя и с работой паровой машины. Под действием силы давления газов сгорающего в цилиндре топлива поршень совершает возвратно-поступательные движения. Посредством кривошипно-шатунного механизма эти движения преобразуются во вращательное движение силового коленчатого вала.
Конструкция двигателя внутреннего сгорания (рис. 4.10) более сложная, чем у пневматического двигателя или паровой машины.
Рис. 4.10. Основные узлы двигателя внутреннего сгорания:
1 — коромысло управления клапанами; 2 — свеча зажигания; 3 — поршень; 4 — маховик; 5 — коленчатый вал; 6 — распределительные шестерни; 7 — шатун; 8 — штанга, толкающая коромысло
1 — коромысло управления клапанами; 2 — свеча зажигания; 3 — поршень; 4 — маховик; 5 — коленчатый вал; 6 — распределительные шестерни; 7 — шатун; 8 — штанга, толкающая коромысло
Кроме цилиндров, поршней, основного кривошипно-шатунного механизма, этот двигатель оснащают несколькими дополнительными системами.
Во-первых, ДВС имеет систему образования воздушно-топливной смеси.
Это или карбюратор, который работает как пульверизатор, или форсунки — распылители. Через них специальные насосы подают под большим давлением топливо, которое распыляется форсунками как в аэрозольном баллончике.
Если двигатель работает на газе, то системой для образования воздушнотопливной смеси служат специальные устройства для дозированной подачи газа в цилиндры.
Во-вторых, дополнительной системой в ДВС является система газораспределения.
Посредством её в цилиндры подаётся топливная смесь и отводятся отработавшие газы.
В-третьих, ДВС оборудован системой зажигания. В неё входят специальные электрические свечи, поджигающие искрой воздушно-топливную смесь в цилиндрах.
Высокое напряжение для образования искры на свечи подаётся от специальных устройств: магнето (высоковольтный генератор электроэнергии) или высоковольтной катушки зажигания, питаемой от аккумулятора.
В-четвёртых, ДВС оснащён ещё несколькими дополнительными системами:
• системой запуска двигателя от стартёра;
• системой смазки всех движущихся деталей и узлов;
• системой охлаждения цилиндров.
Система охлаждения цилиндров состоит из специальной жидкостной рубашки вокруг цилиндров двигателя, радиатора, в котором нагретая цилиндрами в рубашке жидкость охлаждается, и вентилятора, обдувающего радиатор. В автомобилях двигатель внутреннего сгорания комплектуется ещё и системой выпуска отработавших газов (глушитель, поглотители вредных выбросов).
Дизельный двигатель является вариантом бензинового ДВС. Его работа и устройство очень похожи на работу и устройство бензинового двигателя (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Схема работы бензинового двигателя:
а — всасывание воздуха; б — сжатие воздуха; в — впрыскивание топлива (рабочий ход); г — выпуск отработанных газов
а — всасывание воздуха; б — сжатие воздуха; в — впрыскивание топлива (рабочий ход); г — выпуск отработанных газов
В цилиндр дизельного двигателя при начальном движении поршня всасывается не воздушно-топливная смесь, а чистый воздух. Затем, при движении поршня вверх, воздух сильно сжимается. От такого сжатия он нагревается до 800-900 °C.
(С этим явлением нагревания любых газов при сжатии вы познакомитесь на уроках физики.)
В этот момент в цилиндр через форсунку (распылитель) в виде очень мелких капелек впрыскивается топливо (рис. 4.11, в). От высокой температуры воздуха оно воспламеняется. Образующиеся от сгоревшего топлива горячие газы создают высокое давление. Это давление с большой силой толкает поршень вниз. На последнем этапе, при новом движении поршня вверх, отработанные газы выталкиваются из цилиндра (рис. 4.11, г).
Газовая турбина. Работа газовой турбины очень похожа на работу паровой турбины. В паровой турбине рабочим телом является высокотемпературный лар под большим давлением. В газовой турбине эту роль выполняют раскалённые газы под большим давлением от сгорающего жидкого или газообразного топлива (рис. 4.12).
Рис. 4.12. Схема работы и конструкция газовой турбины
В газовой турбине раскалённые газы образуются в камерах сгорания при сжигании в них распылённого жидкого или газообразного топлива (рис. 4.12). Воздух, необходимый для сгорания топлива, под давлением подаётся от компрессора.
Компрессор — это воздушный насос высокой производительности. Он необходим, чтобы дать больше кислорода для сгорания топлива.
Из камер сгорания раскалённые газы под большим давлением подаются на лопатки турбины. Вращаясь, турбина передаёт усилие на вал и при этом приводит во вращение компрессор.
Скорость вращения вала газовой турбины очень высокая. Она доходит до десятков тысяч оборотов в минуту. Поэтому для привода рабочих органов транспортных средств газовая турбина комплектуется редуктором, уменьшающим на выходном валу число оборотов до нескольких тысяч в минуту.
Коэффициент полезного действия газовой турбины меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Он составляет 25-25 %. Однако турбина обладает значительно большей мощностью.
Профессии и производство
Разработкой устройства двигателей и совершенствованием их конструкций и принципов устройства занимаются инженеры. Это замечательная профессия, имеющая направления в различных областях и соединяющая в себе технику и творчество!
Теоретической основой для создания двигателя внутреннего сгорания можно назвать термодинамический цикл процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу, предложенный французским инженером Сади Карно в 1824 г.
Первыми работоспособными двигателями внутреннего сгорания считаются двигатели, которые создал во Франции Жан-Этьен Ленуар, получивший патент в 1860 г.
Усовершенствованием двигателей Ленуара заинтересовался немецкий изобретатель-самоучка Николаус Аугуст Отто (1832—1891). Он получил первый патент на газовый двигатель в 1866 г. Отто со своими партнёрами, среди которых были талантливые немецкие инженеры Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, организовал производство двигателей. В 1883 г. Готлиб Даймлер построил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором использовалось жидкое топливо — бензин. Горючая смесь в виде паров бензина и воздуха образовывалась в специально разработанном им устройстве — карбюраторе. Поставив карбюраторный бензиновый двигатель на повозку, Даймлер построил первый автомобиль.
В конце 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжёлое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нём воздуха. С тех пор такие двигатели называют по имени их создателя — дизелями.
В 1896 г. российский специалист Г. В. Тринклер, работавший в Нижнем Новгороде, построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия. По смешанному циклу (циклу Тринклера) работают все современные бес ком прессорные дизельные двигатели.
Одним из первых создателей промышленного образца газотурбинной установки был русский инженер П. Д. Кузьминский. В 1908 г. русский инженер В. В. Караводин построил газотурбинную установку со сгоранием топлива при постоянном объёме.
Проверьте себя:
1. Как работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания?
2. Какими системами дополнительно оснащается ДВС для обеспечения его работы?
3. В чём отличие дизельного двигателя внутреннего сгорания от обычного бензинового двигателя?
4. В чём преимущества газовой турбины по сравнению с ДВС?
Как вы думайте, почему автомобильные двигатели были созданы не на порохе, а на бензине? Ведь при одинаковом количестве пороха и бензина от сгорания пороха образуется в 40 раз больший объем горячих газов, чем от сгорания бензина. Обоснуйте свой ответ.
