Лекция 11. Тема: Двигатели внутреннего сгорания

Поиски изобретателей по возможному увеличению КПД паросиловых установок привели к созданию нового дешевого и экономичного двигателя –«машины без котла».

Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устранении части потерь теплоты перенесением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра.

Отсюда и происхождение названия – «двигатель внутреннего сгорания».

Ускоренной разработке такого двигателя способствовало и то, что к началу XIX века была разработана технология производства газового горючего, а позднее и индукционная катушка, позволявшая зажигать горючую смесь в полости цилиндра искровым разрядом.

Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Этьеном Ленуаром [2], но эта машина была еще весьма несовершенной. Низкая экономичность была следствием нерационального цикла. При всасывании горючей смеси (светильного газа с воздухом) до половины хода поршня расширение ограничивалось второй половиной хода и было всего двухкратным.

В 1862 году французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Но сам Бо де Роша не запатентовал своего предложения и не делал попыток его реализации. Эта идея была использована немецким изобретателем Н.Отто, построившим в 1878 году первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22 %, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.

Развитие нефтяной промышленности в конце XIX века дало новые виды топлива – керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью.

Для полного сгорания в составе смеси на один килограмм бензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин топливо сжигается для нагрева газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда, наряду с нагреванием воздуха происходит частичное изменение его состава: вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекул углекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более 3/4 воздуха, испытывает лишь нагревание.

Расширение производства двигателей внутреннего сгорания вызвало их специализацию по областям применения: в качестве судовых, стационарных, газогенераторных, позднее автомобильных и авиационных.

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей был запатентован в Германии Г.Даймлером в 1885 году для применения в автомобиле. В XX веке бензиновый двигатель стал применяться в авиации.

Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину КПД, является степень сжатия горючей смеси. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.

Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.

Особая линия в развитии двигателей внутреннего сгорания связана с работами немецкого инженера Рудольфа Дизеля, получившего патент в 1892 году на двигатель нового типа [3]. Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию рабочего тела в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего.

Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончанию процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатического сжатия воздуха его температура повышается до 600 - 700 градусов Цельсия. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.

Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп. После демонстрации на Парижской выставке 1900 года двигателя Дизеля начинается дизелестроение. Сам Дизель до конца своей жизни (1913 год) вынужден был защищать свои патентные права, так как горение топлива при постоянном давлении (правда без высокого сжатия) патентовалось рядом изобретателей в разных странах.

Двигатели Дизеля внедрялись в России при очень благоприятных условиях. В частности, керосин в качестве топлива был заменен сырой нефтью. Особенно много было сделано в области конструирования судовых дизельных двигателей. Первым дизельным судном в мире явился нефтевоз "Вандал" (1903 год). В 1904 году был спущен на воду второй, улучшенный вариант судна под названием «Сармат» с двумя двигателями по 180 л.с, их частота вращения достигала 240 об/мин. В 1908 году была построена подводная лодка «Минога», имевшая реверсивный двигатель. Первое буксирное судно «Мысль» (1907 год) получило быстро привившийся термин – теплоход [2].

Более высокий коэффициент полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси у них выше, чем у карбюраторных двигателей. Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах.