Тепловые двигатели и их применение

 

Верхняя часть  цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами.

Через один из каналов  — впускной подается горючая смесь, через другой —

выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок,

прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи

кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают

клапаны посредством  стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в

верхней части  цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление

для зажигания  смеси посредством электрической  искры, получаемой от

установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

    

 

Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей

смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Если в

цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу,

то сквозь отверстие  1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо

трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3

находится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне,

что в трубочке 1 он как раз доходит до конца ее. Это достигается тем,

что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5

особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина, если уровень

его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью  мимо конца трубочки 2,

засасывает бензин и распыляет его (пульверизатор, § 182). Таким образом

получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр

регулируется  дроссельной заслонкой 7. Работа двигателя  состоит из четырех

тактов.

                             

Четыре такта  работы двигателя внутреннего сгорания

I такт —  всасывание. Открывается впускной клапан /, и поршень 2,

двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую  смесь из карбюратора.

II такт —  сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь

вверх, сжимает  горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт —  сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при

быстром ходе двигателя  несколько раньше), смесь поджигается  электрической

искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания

горючей смеси  — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому

валу, и этим производится полезная работа. Производя  работу и расширяясь,

продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода

давление в  цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт —  выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и

отработанные  продукты горения выбрасываются  сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех  тактов двигателя (т. е. за два оборота  коленчатого вала) только

один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый  двигатель должен

быть снабжен  массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого

двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые  двигатели

ставятся главным  образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с

целью получения  более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и

более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по

крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его

надо привести в движение внешней силой. В автомобилях  это делается при помощи

особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

                             

       Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля      

Добавим, что  необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения

стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров  наступает пригорание

масла, возможны преждевременные вспышки горючей  смеси и детонация (взрыв

горючей смеси  вместо сгорания, имеющего место при нормальной работе).

Детонация не только вызывает понижение мощности, но и  разрушительно действует

на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной  водой, отдающей теплоту

воздуху, или  непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры 1.

Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров  и охлаждением в

радиаторе 2. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В

радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении

вентилятором  3.

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенные

двухтактные двигатели.

Двигатель внутреннего  сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся

причиной его  широкого распространения (компактность, малая масса). С другой

стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого

топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую

частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор).

Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям для уменьшения

частоты вращения (например, к зубчатой передаче).

     Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Присматриваясь  к условиям, при которых производится работа в двигателе

внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при  которых производится

работа в паровом  двигателе. Здесь тоже имеется наличие  разности температур: с

одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является

химическая реакция  горения) создает высокую температуру  рабочего вещества; с

другой стороны, имеется громадный резервуар, в  котором рассеивается

получающаяся  теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.

    

 

                 Энергетический баланс автомобильного  двигателя                

Так как температура  газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра,

довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания

может быть значительно  выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д.

двигателей внутреннего  сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный

энергетический  баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке.

     Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И

расчеты и опыты  показывают, что для этого надо употреблять большую степень

сжатия (отношение  между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.).

При большом  сжатии горючая смесь сильнее  нагревается и получается более

высокая температура  во время горения смеси. Однако в  двигателях автомобильного

типа нельзя употреблять сжатие более 4—5-кратного. При большей степени сжатия

горючая смесь  нагревается в течение второго такта настолько, что

воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.

    

Это затруднение  обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р.

Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля

схематически  показано на рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не горючая

смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается

нагревание воздуха  до 500— 600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр

вбрызгивается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки,

работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором

[4]. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие

высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких

вспомогательных поджигающих устройств. Во время  горения нефти, продолжающегося

значительно дольше, чем горение смеси бензин —  воздух в автомобильном

двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится

выбрасывание  отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем  бензиновый (к. п. д. около

38 %). Он может  иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах

(теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших

электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает

на дешевых  «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме

того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях,

когда требуется  минимальный вес двигателя при  данной мощности, дизели

оказываются менее  выгодными.

                             

Схема двигателя  Дизеля

    

 

     Реактивные двигатели. Реактивная струя создается реактивным двигателем,

являющимся по существу двигателем внутреннего сгорания. На рисунке показана

схема устройства одного из типов реактивных двигателей, устанавливаемых на

самолетах. Двигатель заключен в цилиндрический корпус, открытый спереди

(воздухоприемное  отверстие) и сзади (выходное  сопло). Воздух входит в переднее

отверстие (это  показано стрелками) и попадает в  компрессор, состоящий из ряда

лопаток, укрепленных  на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси

двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора  воздух поступает в камеру,

в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая

воспламеняется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы

направляются  к выходному соплу, по пути приводя  в действие газовую турбину,

вращающую компрессор, а затем вырываются через сопло из заднего отверстия

двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в

направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед.

Эта сила и приводит в движение самолет.

                     Схема устройства реактивного  двигателя