Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Самый распростра­ненный тип современного теплового двигателя - двигатель внутреннего сго­рания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добы­ваемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Рассмотрим устройство четырехтактного бензино­вого двигателя авто­мобильного типа (см. рис. 7). Устройство двига­телей, устанавливаемых на тракторах, танках и самоле­тах, в общих чертах сходно с устройством авто­мобильного двигателя.

Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­ляется один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. От­сюда и на­звание двигателя.

Рис. 7. Устройство двигателя внутреннего сгорания (справа показано присоединение шатуна к поршню)

Внутри цилиндра передвигается поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружи­нящими кольцами 2, вложенными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назна­чение поршневых колец - не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (пока­заны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем 3 («паль­цем»), служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою оче­редь служит для передачи дви­жения от поршня коленчатому валу 5.

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 (рис. 8). Его устройство схематически показано на рисунке 7. 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.

Рис. 8. Схема устройства карбюратора

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 (по принципу пульверизатора). Таким образом полу­чается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7.

Рис. 9. Такты работы двигателя внутреннего сгорания

Работа двигателя состоит из четырех тактов:

I такт - всасывание. Открывается впускной клапан 1, 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).

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. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе. Это - система медных трубок, по которым протекает вода. В ра­диаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­имуществ, являю­щихся причиной его широкого распро­странения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются:

а) он требует жидкого топлива высокого качества;

б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например, не работает карбюратор).

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 %.

Рис. 10. Примерный энергетический баланс автомобильного двигателя внутреннего сгорания

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. 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 8-9-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 рисунке 11. 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 впрыски­вается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и впрыскивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление. 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.

Рис. 11. Схема двигателя Дизеля

Реактивные двигатели

Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую для дви­жения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи.

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы:

- источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в ки­нетическую энергию реактивной струи;

- рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из ре­активного двигателя;

- сам реактивный двигатель - преобразователь энергии.

Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппа­рата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для по­лучения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться веще­ство, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); веще­ство, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактив­ного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запа­саемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабо­чее тело представляет собой раскаленные газы - продукты сгорания химиче­ского топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сго­рающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию по­ступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на ко­тором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двига­теля является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конеч­ная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реак­тивной струи, называется реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воз­душно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах раз­личных типов.

Воздушно-реактивные двигатели. Все ВРД - тепловые двигатели, ра­бочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основ­ную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несет на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела получает из ок­ружающей среды.

ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.

Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжа­того воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без при­менения компрессора; сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.

Прямоточные ВРД для повышения давления воздуха в камере сгорания используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им по­ложительные особенности: простота конструкции, легкость, а также возрас­тание реактивной тяги пропорционально квадрату скорости полета. Поэтому они особенно выгодны при больших сверхзвуковых скоростях полета. Не­достаток – ничтожная тяга при малой скорости полета, поэтому прямоточные ВРД могут применяться на самолетах только в сочетании с другими двигате­лями, обеспечивающими необходимую тягу при взлете и на малых скоростях полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).

Пульсирующий ВРД отличается от прямоточного тем, что воздух по­ступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Дав­ление в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конст­рукция его проста. Основной недостаток – большой расход топлива. Пульси­рующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летатель­ных аппаратов с дозвуковой скоростью.

Компрессорные ВРД имеют центробежный или осевой компрессор, приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные) и мотокомпрессорные.

Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство воен­ных и гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они пригодны для полетов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их ус­танавливают также на самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов.

На рисунке 12 показана схема уст­ройства одного из типов реактивных двигателей, устанав­ливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилинд­рический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).

Рис. 12. Схема устройства турбореактивного двигателя

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.

Тяга турбореактивных двигателей с высотой и скоростью полета уменьшается, а их экономичность увеличивается. Для облегчения взлета са­молета с таким двигателем иногда используют двигатели-ускорители. Также тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена путем дополнитель­ного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и ре­активным соплом.

Однако такие двигатели не всегда выгодны экономически. В этом слу­чае для огромных транспортных самолетов лучше использовать турбовинто­вые двигатели (ТВД). Последние снабжены винтом (или винтами) на валу двигателя впереди компрессора. Для этого нужно удлинить вал, соединяю­щий турбину с компрессором, добавить редуктор, который снизит частоту вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и про­пеллер в основном будет вращаться вхолостую). Сила тяги складывается из тяги, возникающей как сила реакции при истечении газов из сопла, и из тяги винта (винтов), вращаемого специальной газовой турбиной или той же, кото­рая вращает компрессор. При малой скорости полета основная доля тяги по­лучается от работы винтов, на большой скорости – за счет силы реакции.

Ракетные двигатели. В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела ракетного двигателя (РД) находятся на борту аппарата, оснащенного им.

РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных лета­тельных аппаратах. Ракетный двигатель обладает многими примечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в ре­зультате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.

РД подразделяются на двигатели, работающие на жидком топливе (го­рючее и окислитель), - жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), на двигатели, работающие на твердом топливе, - пороховые реактивные двигатели (ПРД), разновидностью которых являются твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), и на двигатели, работающие на гибридном ракетном топливе (ГРД).

В стадии исследования, разработки и частичного применения нахо­дятся ракетные двигатели:

- ядерные (собственно ядерные, термоядерные, радиоизотопные). Тяга двигателей создается за счет энергии, выделяющейся в результате реакции деления ядер тяжелых элементов (собственно ядерный), реакции управляе­мого синтеза ядер легких элементов (термоядерный) или в результате радио­активного распада изотопов (радиоизотопный);

- электрические (электромагнитные или плазменные, электростатиче­ские, электротермические). Для создания тяги с помощью рабочего тела ис­пользуется электрическая энергия бортовой энергоустановки летательного аппарата;

- газоаккумуляторные (сублимационные и др.). Тяга двигателя созда­ется истечением газов или других продуктов через реактивное сопло за счет потенциальной энергии самих продуктов, принудительно созданной до по­лета летательного аппарата;

- фотонные. Тяга двигателя создается направленным истечением кван­тов электромагнитного излучения – фотонов. Фотонный двигатель имеет предельно возможный удельный импульс, так как скорость истечения фото­нов равна скорости света;

- комбинированные.

По назначению и характеру использования в ракетно-космической тех­нике ракетные двигатели подразделяются на основные (маршевые, старто­вые) и вспомогательные (рулевые, корректирующие, микроракетные, тор­мозные и др.).

Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. ЖРД как основной самолетный двигатель почти не применяется из-за большого расхода топлива.

ЖРД состоит из одной или нескольких камер сгорания с индивидуаль­ным или общим реактивными соплами, системы подачи компонентов ракет­ного топлива, органов регулирования и вспомогательных агрегатов.

ЖРД подразделяются:

- по типу используемого ракетного топлива – однокомпонентные, двухкомпонентные (горючее и окислитель) и многокомпонентные;

- по системе подачи топлива – вытеснительные (путем наддува баков, в которых содержится топливо, воздухом, газообразным азотом или продук­тами сгорания самих компонентов топлива) и турбонасосные (в составе газо­вой турбины и топливных насосов на общем валу);

- по схеме использования топлива – с дожиганием и без дожигания ге­нераторного газа.

В качестве жидкого ракетного топлива используются:

- в качестве горючего – легковоспламеняющиеся и, как правило, ток­сичные вещества углеводородного состава (спирты, типа керосин, жидкий водород) и азотоводородного состава (амины, гидразин, несимметричный диметилгидразин (так называемый, гептил), аммиак и др.);

- в качестве окислителя – высокоагрессивные и токсичные вещества (жидкий кислород, четырехокись азота и др.).

Твердотопливные ракетные двигатели используются в баллистических, зенитных, противотанковых и других ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твердотопливные двигатели применяются также в качестве ускорителей при взлете самолетов.

РДТТ состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором размещен весь запас ракетного топлива в виде заряда, реактивного сопла, воспламенитель­ного устройства, а также может содержать устройство для регулирования тяги по величине и направлению и устройство «отсечки» тяги (выключения двигателя).

Твердое ракетное топливо содержит окислитель и горючее в твердой фазе. По сравнению с жидким ракетным топливом имеет преимущества: воз­можность длительного хранения ракеты в снаряженном состоянии и высокую плотность. Основные недостатки: трудность управления процессом сгорания и относительно невысокая теплота сгорания.