- ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
- ДВИГУНИ ЗОВНІШНЬОГО відпрацьованих газів
- Парові машини.
- Застосування.
- Двигун Стірлінга.
- ДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
- Теплові цикли.
- Чотиритактний цикл.
- Двотактний цикл.
- Достоїнства і недоліки.
- Паливноповітряна суміш.
- Охолодження.
- Багатоциліндрові двигуни.
- Карбюраторні двигуни.
- Синхронізація операцій в часі.
- Ступінь стиснення.
- Дизельні двигуни.
- Роторний двигун Ванкеля.
ДВИГУН ТЕПЛОВОЇ, машина для перетворення теплової енергії в механічну роботу. В тепловому двигуні відбувається розширення газу, який тисне на поршень, змушуючи його переміщатися, або на лопатки колеса турбіни, повідомляючи йому обертання. Прикладами поршневих двигунів є парові машини і двигуни внутрішнього згоряння (карбюраторні і дизельні). Турбіни двигунів бувають газові (наприклад, в авіаційних турбореактивних двигунах) і парові. Див. також АВІАЦІЙНА СИЛОВА ВСТАНОВЛЕННЯ ; ТУРБИНА .
ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ
У поршневих теплових двигунах гарячий газ розширюється в циліндрі, переміщаючи поршень, і тим самим робить механічну роботу. Для перетворення прямолінійного зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух вала зазвичай використовується кривошипно-шатунний механізм.
У двигунах зовнішнього згоряння (наприклад, в парових машинах) робоче тіло нагрівають за рахунок спалювання палива поза двигуном і подають в циліндр газ (пар) під високими температурою і тиском. Газ, розширюючись і переміщаючи поршень, охолоджується, а тиск його падає до близького до атмосферного. Цей відпрацьований газ видаляється з циліндра, а потім в нього подається нова порція газу - або після повернення поршня у вихідне положення (в двигунах одинарної дії - з одностороннім впусканням), або зі зворотного боку поршня (в двигунах подвійної дії). В останньому випадку поршень повертається у вихідне положення під дією розширюється нової порції газу, а в двигунах одинарної дії поршень повертається у вихідне положення маховиком, встановленим на валу кривошипа. У двигунах подвійної дії на кожен оборот валу припадає два робочих ходу, а в двигунах одинарної дії - тільки один; тому перші двигуни в два рази потужніший при однакових габаритах і швидкостях.
У двигунах внутрішнього згоряння гарячий газ, який переміщує поршень, отримують за рахунок спалювання суміші палива і повітря безпосередньо в циліндрі.
Для підведення свіжого порцій робочого тіла і випуску відпрацьованого газу в двигунах застосовується система клапанів. Підведення і випуск газу виробляються при строго певних положеннях поршня, що забезпечується спеціальним механізмом, який керує роботою впускних і випускних клапанів.
ДВИГУНИ ЗОВНІШНЬОГО відпрацьованих газів
Теоретично будь-який газ можна використовувати як робоче тіло такого двигуна, однак на практиці використовується тільки пар, оскільки він може запасти більше енергії, ніж будь-яке інше настільки ж доступне робоче тіло. Якщо в якості робочого тіла застосувати повітря, то для отримання тієї ж потужності його доведеться розігріти до більш високої температури. А для цього потрібно більш складний нагрівач, ніж паровий котел, і більш надійна теплоізоляція всіх елементів системи.
Парові машини.
Достоїнства і недоліки.
Основна перевага парової машини - її відносна простота і хороші тягові характеристики незалежно від швидкості роботи. Це дозволяє обійтися без редуктора, що вигідно відрізняє такий двигун від двигуна внутрішнього згоряння, який на малих обертах недодає потужність. Тому парова машина дуже зручна в якості тягового двигуна, наприклад, на паровозах. До серйозних недоліків парових машин відносяться їх низький ККД, порівняно невисока максимальна швидкість, велику вагу і постійну витрату палива і води. (Раніше було потрібно чимало часу, щоб паровий котел дав пар і двигун заробив; сучасні котли дозволяють швидко запустити двигун.)
Застосування.
У минулому парові машини були по суті єдиним первинним двигуном (якщо не брати до уваги водяного колеса), проте в 20 в. їх витіснили електродвигуни, двигуни внутрішнього згоряння, газові та парові турбіни, що володіють більш високими ККД, а також більшою компактністю, ефективністю і універсальністю застосування.
На візок парову машину поставили вперше в 1769, однак практично використовувані машини з'явилися тільки в 1860-х роках. У 1906 на паромобіль Стенлі був встановлений світовий рекорд швидкості 190 км / год на трасі в Орландо-Біч (шт. Флорида). Однак в наступні 20 років парові двигуни на автомобілях були витіснені бензиновими двигунами внутрішнього згоряння. Парові двигуни програли змагання з двох причин: вони замерзали взимку і були неекономічні, оскільки вимагали багато палива і води.
Двигун Стірлінга.
Для застосування на автомобілях розглядаються і інші типи двигунів зовнішнього згоряння. У двигуні Стірлінга використовується гаряче повітря, гелій або водень, а не пар. Робочий цикл двигуна здійснюється за 4 такту: стиснення, нагрівання, робочий хід, охолодження. Робочий газ нагрівається зовнішнім джерелом тепла, як в паровій машині, а охолоджується водою, постійно циркулюючи в двигуні. Цей двигун був винайдений в 1816 шотландцем Р.Стірлінгом.
Двигун Стірлінга має певні переваги в порівнянні з паровими машинами, а саме, слабкий вплив на навколишнє середовище і досить високий ККД. Найбільш досконалі конструкції двигунів Стірлінга розроблені для судів і вантажних автомобілів.
ДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ
У двигунах внутрішнього згоряння джерелом тепла є хімічна енергія палива, а його згорання відбувається всередині двигуна. Тому для таких двигунів не потрібно котел або якийсь інший зовнішній нагрівач. Робочим тілом теоретично можуть служити багато горючі речовини, однак практично всі сучасні двигуни такого роду працюють на бензині або дизельному паливі.
Теплові цикли.
Робочий цикл будь-якого двигуна внутрішнього згоряння має чотири стадії: топливовоздушная суміш подається в циліндр, потім вона стискається, спалюється, і, нарешті, відпрацьовані гази видаляються з циліндра. Після цього новий цикл починається з подачі свіжої порції суміші палива і повітря. У дизельних двигунах паливо і повітря подаються в робочий циліндр окремо, але в іншому цикл той же. Існують два основних цикли роботи двигунів: чотиритактний (в якому при кожному ході поршня вгору або вниз виконується одна зі стадій) і двотактний (в якому при кожному ході виконуються дві стадії).
Чотиритактний цикл.
У чотиритактному циклі впускний клапан відкривається, коли поршень знаходиться у верхній точці циліндра, і свіжа порція палива і повітря засмоктується в циліндр поршнем, що опускається вниз і створює розрідження. Коли поршень досягає нижньої точки, впускний клапан закривається, а поршень, рухаючись вгору, стискає суміш. Коли поршень досягає верхньої точки, суміш запалюється, і утворюються гарячі гази, розширюючись, штовхають поршень вниз. Коли поршень виявляється в нижній точці, відкривається випускний клапан, а на наступному такті піднімається поршень виштовхує відпрацьовані гази, звільняючи циліндр для нової порції паливо-повітряної суміші. Весь процес відбувається за чотири ходи поршня (вгору або вниз), тобто за два оберти колінчастого вала. Під час робочого ходу маховик запасає енергію, щоб поршень міг зробити три інших ходу до наступного робочого. Перший двигун з цим циклом побудував в 1876 в Німеччині Н.Отто.
Двотактний цикл.
У двотактному циклі свіжа порція паливної суміші подається в циліндр, коли поршень знаходиться в нижній точці; потім суміш стискається при русі поршня вгору і запалюється в кінці ходу стиснення, як і в чотиритактному циклі. В кінці робочого ходу вниз відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра свіжою порцією суміші. Таким чином, в двотактному циклі на кожному обороті вала відбувається робочий хід. Коли при ході стиснення поршень піднімається, внаслідок створюється під ним розрідження в картер засмоктується чергова порція паливної суміші. Під час робочого ходу ця суміш стискається, поки клапани не відкриють доступ свіжої суміші в робочий циліндр, а відпрацьованим газам - в атмосферу. Можна обійтися і без клапанів, якщо правильно розрахувати форму поршня і розташування впускних і випускних отворів.
Достоїнства і недоліки.
Очевидною перевагою двотактного двигуна в порівнянні з чотиритактним є те, що в ньому вдвічі частіше відбувається робочий хід, конструкція виходить простіше і легше (не потрібно клапанний механізм, а маховик може мати меншу масу, оскільки він повинен провернути двигун тільки на півоберта, а не на півтора, як в чотиритактному). Однак в двотактний двигун доводиться подавати більше паливної суміші, ніж в чотиритактний тієї ж потужності, оскільки простір його робочого циліндра в повному обсязі звільняється від продуктів згоряння. Крім того, коротшає робочий хід, в кінці якого гази вже залишають робочий циліндр. Ще одним недоліком двотактного двигуна є проблеми зі змазкою. У чотиритактному двигуні картер частково заповнений маслом, яке при обертанні коленвала розбризкується на стінки циліндра і створює мастило між ними і поршнем; в двотактному двигуні паливна суміш захоплює бризки масла, проходячи в картер і далі в робочий циліндр, і вони несуться з відпрацьованими газами, зменшуючи мастило циліндра. Ця проблема вирішується додаванням олії в паливну суміш, що призводить до забруднення вихлопу і погіршення роботи двигуна через нагару. Аналіз переваг і недоліків показує, що порівняно невеликі двигуни, для яких легкість, компактність і простота важливіше проблем мастила і забрудненого вихлопу, краще робити двотактними. Такі двигуни застосовуються в газонокосарках, невеликих мотоциклах і в моделях літаків. Чотиритактні двигуни частіше роблять у вигляді потужних установок з декількома робочими циліндрами.
Паливноповітряна суміш.
Для ефективного згоряння паливо і повітря повинні бути змішані в певній пропорції. Масове відношення повітря / паливо змінюється від 8: 1 до 20: 1; суміш називається «багатої», якщо вона містить надмірну кількість палива, і «бідної», якщо в ній надлишок повітря. Максимальна потужність досягається на багатій суміші (10: 1 або 12: 1). Порівняно бідна суміш (14,5: 1 або 15: 1) використовується частіше і є компромісом між економічністю і потужністю.
У деяких двигунах паливо і повітря перемішуються в циліндрі нерівномірно. Така «розщеплену» суміш забезпечує менше забруднення навколишнього середовища, оскільки поблизу свічки, де концентрація палива вище, спалювання виходить більш повним.
Охолодження.
Хоча основне завдання теплового двигуна - перетворення теплової енергії в механічну роботу, двигуни внутрішнього згоряння виробляють більше тепла, ніж можуть перетворити. Щоб не сталося руйнування двигуна через перегрів, необхідно передбачити охолодження циліндрів. Циліндри невеликих, а також авіаційних двигунів зазвичай охолоджуються потоком повітря; для поліпшення охолодження вони мають розвинену зовнішню поверхню - ребра охолодження. У великих двигунах, особливо якщо вони знаходяться в замкнутому просторі (в автомобілях або на судах), циліндри охолоджуються рідиною. В якості охолоджуючої рідини використовується, як правило, вода або будь-яка інша погано випаровується рідина (наприклад, етиленгліколь), яка не замерзає при низьких температурах і непрацюючому двигуні. Ця рідина охолоджується в радіаторі потоком повітря.
У корисну роботу перетворюється лише 20-30% усього тепла, що виділяється при згорянні палива. Ще 30% поглинається системою охолодження, а решта втрачається з вихлопними газами.
Багатоциліндрові двигуни.
Для підвищення потужності двигуна та забезпечення більшої частоти робочих ходів створюють двигуни з декількома циліндрами. Вони можуть стояти в ряд один за одним (рядне розташування), в два ряди під кутом один до одного (V-образне), в чотири ряди (X-образне) або по колу (радіальне). Іноді циліндри розташовують попарно головками один до одного (оппозітноє розташування). Для двигунів повітряного охолодження зазвичай вибирають радіальну схему, з тим щоб всі циліндри рівномірно охолоджувалися потоком повітря. Двигуни водяного охолодження з числом циліндрів не більше шести роблять рядними; при більшій кількості циліндрів зазвичай використовують V-подібну схему - вона більш компактна.
Карбюраторні двигуни.
Важливою проблемою двигунів внутрішнього згоряння є створення паливо-повітряної суміші.
У бензинових двигунах змішання повітря з паливом відбувається в карбюраторі. Зазвичай склад суміші регулюється за рахунок зміни витрати палива, але якщо потрібна багата суміш (наприклад, при запуску двигуна), то зменшують (дросселирующие) подачу повітря.
Суміш запалюється іскрою між електродами свічки запалювання, встановленої в голівці блоку циліндрів. Електричне живлення забезпечується акумулятором або невеликим електричним генератором; висока напруга, необхідне для іскри, отримують за допомогою котушки запалювання.
Клапани чотиритактного двигуна відкриваються і закриваються кулачковим механізмом, який пов'язаний з колінчастим валом зубчастої передачею. Оскільки кожен клапан відкривається і закривається один раз за два оберти колінчастого вала, кулачковий (розподільний) вал обертається в два рази повільніше колінчастого.
Синхронізація операцій в часі.
Для найбільш повного і ефективного використання енергії гарячих газів займання палива в циліндрі, як і інші операції, повинно відбуватися в строго певні моменти часу. У більшості двигунів займання проводиться незадовго до закінчення ходу стиснення, оскільки згоряння палива не відбувається миттєво. Час, необхідний для згоряння палива, залежить від конструкції двигуна (головним чином від розмірів циліндра). У невеликих двотактних двигунах камера згоряння компактна, полум'я швидко охоплює весь обсяг, і оптимальний момент запалювання лише ненабагато випереджає момент кінця ходу стиснення. У великих дво- і в чотиритактних двигунах відстань від іскрового зазору свічки до кінців камери згоряння більше, і, відповідно, має бути більше випередження запалювання. Однак для великих циліндрів підвищується ймовірність детонації - передчасного, мимовільного і нерегульованого горіння або навіть вибуху палива, що може викликати небезпечне збільшення температури і тиску в камері згоряння. Тому на практиці вибирають менше випередження запалювання, ніж певний теоретично. Момент виникнення іскри задається переривачем-розподільником, який приводиться в обертання від розподільного вала. Регулювання моменту запалювання щодо положення поршня здійснюється за рахунок повороту корпусу розподільника. Величина випередження запалювання визначається в градусах повороту розподільного валу щодо положення, відповідного знаходженню поршня у верхній мертвій точці. Ця величина складає від 2 до 10.
У чотиритактному двигуні необхідно синхронізувати моменти відкриття впускних і випускних клапанів. Ці клапани відкриваються перед початком відповідного ходу і закриваються після його закінчення. Так, якби впускний клапан закрився в момент досягнення поршнем нижньої точки, циліндр не до кінця заповнився б паливо-повітряної сумішшю. Тому клапан не закривається, поки не почнеться рух поршня вгору для стиснення суміші, і в циліндр встигає вчинити більше палива (тобто жертвують деяким ступенем стиснення заради збільшення подачі палива). Більш раннє відкриття і пізніше закриття клапанів призводить до небажаних витоків палива з вихлопними газами і неповного розширення продуктів згоряння, однак ці втрати перекриваються збільшенням подачі палива.
Ступінь стиснення.
Ставлення повного обсягу циліндра до об'єму камери згоряння називається ступенем стиснення. Чим вище ступінь стиснення, тим більше сила, що штовхає поршень. Ступінь стиснення у автомобільних карбюраторних двигунів змінюється в діапазоні від 7: 1 до 11: 1.
Дизельні двигуни.
При стисненні газу його температура підвищується. Це підвищення температури в двигунах Р. Дизеля (1858-1913) використовується для займання паливо-повітряної суміші. У циліндрі такого двигуна відбувається стиснення тільки повітря, а паливо впорскується під високим тиском в кінці ходу стиснення. Тому в дизельних двигунах не потрібна система запалювання, немає складнощів з випередженням запалювання і можна використовувати порівняно дешеве дизельне паливо замість дорогого продукту високої переробки нафти - бензину. Не потрібно і карбюратор, оскільки немає попереднього змішування палива з повітрям. Однак через високий ступінь стиснення конструкція повинна бути міцніше (і важче); необхідно також забезпечити впорскування палива під великим тиском.
Високий степень стисненого в дизельних двигун (до 20: 1) обумовлює и більш високий ККД. Тому дизельні двигуни застосовують у тих випадках, коли важливий не стільки вага, скільки економічність і висока потужність: на кораблях, вантажівках і залізничних локомотивах.
Роторний двигун Ванкеля.
Принципово інший тип двигуна внутрішнього згоряння був реалізований в 1957 Ф.Ванкелем. Конструктивно двигун відносно простий і допускає виготовлення в будь-яких розмірах. Поршні замінені ротором приблизно трикутного перетину, який обертається в камері спеціальної форми (поверхня камери виконана по епітрохоїді), в якій розміщені свічка запалювання і впускні і випускні отвори. Така конструкція дозволяє здійснити чотиритактний цикл без застосування спеціального механізму газорозподілу. У цьому двигуні можна використовувати дешеві сорти палива; він майже не створює вібрацій.
Головна перевага двигуна Ванкеля - малі розміри при заданої потужності. У двигуні вдвічі менше рухомих частин, ніж в поршневому, і, отже, він потенційно надійніше і дешевше у виробництві.