4.2. Двигатели внутреннего сгорания

Тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее части в механическую работу, называются двигателями внутреннего сгорания.

Отказ от котла, наиболее дорогой и громоздкой части паросиловой установки, позволил создать дешевый и экономичный двигатель внутреннего сгорания, который впоследствии стал основным двигателем транспортных средств.

Развитие этих двигателей началось с 1860 года, когда французский механик Ленуар впервые построил небольшой двухтактный газовый двигатель. Двигатель работал без сжатия смеси светильного газа с воздухом. Воспламенение рабочей смеси происходило при помощи электрической искры. К.п.д. такого двигателя колебался от 3 до 5% и был ниже к.п.д. поршневых паровых машин того времени, что было следствием нерационального цикла, предложенного изобретателем. Однако это изобретение сыграло крупную роль в деле создания двигателей внутреннего сгорания.

Дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания пошло по пути усовершенствования предложенной конструкции без изменения рабочего цикла. На рис. 4.10. представлен такой тип двигателя.

И только немецкому технику Николаусу Августу Отто (1832 – 1891) из Кельна в 1887 году в содружестве с инженером Е. Лангеном удалось построить четырёхтактный горизонтальный одноцилиндровый газовый двигатель мощностью 4 л.с. со сжатием рабочей смеси. Двигатель работал по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша. К.п.д. их двигателей достигал уже 7 – 18%, то есть был выше к.п.д. паровых машин того времени. Созданный двигатель можно считать прототипом современных двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном и жидком топливе.

На рис. 4.11 представлена индикаторная диаграмма работы четырехтактного двигателя в координатах Р (давление) – V (полный объем цилиндра). При первом такте хода поршня происходит процесс всасывания в цилиндр рабочей смеси (линия 1–2 на индикаторной диаграмме). При обратном ходе поршня (второй такт) впускной клапан закрывается и в цилиндре протекает процесс сжатия рабочей смеси (линия 2–), при этом температура и давление смеси повышаются. В начале третьего хода поршня совершается быстрое воспламенение рабочей смеси от искры, а температура и давление резко увеличиваются (линия 3–4). Затем происходит расширение рабочих газов (линия 4–5), то есть выполняется полезная работа. При крайнем положении поршня в третьем такте процесс расширения заканчивается и открывается выпускной клапан, через который при четвертом ходе поршня выбрасываются отработанные газы (линия 6 – 1, которая проходит несколько выше атмосферной линии).

Рис. 4.10. Атмосферный двигатель Отто и Лангена (1865–1866 гг.) (а) и индикаторная диаграмма (б)

Рис. 4.11. Двигатель Отто. Индикаторная диаграмма

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей для автомобильной промышленности был запатентован Г. Даймлером в Германии в 1885 году.

Постройка двигателя началась на заводе Дейти. В дальнейшем на заводе конструкция двигателя была значительно усовершенствована. Вскоре двигатели Отто – Дейти благодаря компактности, экономичности и надежности в работе получили общее признание и стали выпускаться другими заводами.

К тому времени надо отнести появление двухтактных двигателей, которые по принципу действия мало чем отличаются от четырехтактных двигателей Отто. В двухтактном двигателе посреди цилиндра расположены впускные и продувочные отверстия (клапаны), открытие и закрытие которых производится поршнем. Во время первого хода поршня в цилиндре протекают процессы воспламенения и расширения рабочей смеси, в конце хода поршня открываются отверстия цилиндра и начинаются процессы выпуска отработанных газов и продувки цилиндра воздухом или горючей смесью. Эти процессы продолжаются при обратном ходе поршня, втором такте, пока поршень не перекроет отверстия и не начнется процесс сжатия свежего воздуха или горючей смеси в зависимости от типа двигателя.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В 1878 году он окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене. В патентах 1892 и 1893 гг. Дизель выдвинул идею создания двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу, близкому к идеальному, в котором наивысшая температура достигалась сжатием чистого воздуха.

В 1913 году для ведения переговоров Дизель, взяв с собой наиболее ценные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию. Однако до Англии он не добрался, а бесследно исчез с корабля при неизвестных обстоятельствах.

Двухтактные двигатели имеют более равномерный ход, вдвое меньший объем цилиндра, дешевле и нашли широкое применение в автомобильной промышленности, вытеснив четырехтактные.

Все рассмотренные выше газовые, газогенераторные, а также быстроходные двигатели, работающие на жидком топливе, – автомобильные, относятся к двигателям быстрого сгорания, у которых процессы воспламенения и горения протекают

настолько быстро, что поршень не успевает совершить даже небольшое перемещение.

Рис. 4.12. Индикаторная диаграмма дизеля

У таких двигателей к.п.д. очень зависит от степени сжатия, поэтому они работают с предельным давлением сжатия, при котором температура рабочей смеси близка к температуре её самовоспламенения. Однако двигатели быстрого сгорания, работающие на жидком топливе (нефти, керосине, бензине), не допускают высоких степеней сжатия (3, 5, 6), так как температура воспламенения этих топлив сравнительно низкая (350 – 415°С), что и обуславливает небольшой к.п.д. двигателя.

Повышение к.п.д. двигателей, работающих на жидком топливе, было достигнуто благодаря введению в технику рабочего процесса с постепенным сгоранием топлива. Процесс постепенного сгорания топлива был предложен в 1872 году американцем Брайтоном. После этого были попытки создать такой двигатель Гаргреавесом, Капитеном и др. Однако их двигатели были ненадежными в работе. Слава создания двигателя с постепенным сгоранием топлива принадлежит Р. Дизелю.

Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию воздуха в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Будучи подано в полость двигателя в конце хода сжатия, горючее воспламеняется от нагретого воздуха и, нагнетаемое постепенно, осуществляет процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Испытание опытного образца в 1896 году принесло успех, а в 1897 году Дизель построил на Аугсбургском машиностроительном заводе первый промышленный четырехтактный одноцилиндровый двигатель с постепенным сгоранием топлива, работающий на керосине, мощностью 20 л.с. Двигатель такого типа в дальнейшем получил название дизель. Он отличался высоким к.п.д., но работал на дорогостоящем керосине, имел ряд конструктивных дефектов. После некоторых усовершенствований, внесённых в 1898 – 1899 гг., двигатель стал надёжно работать на дешёвом топливе – нефти – и получил широкое распространение в промышленности и на транспорте.

Рабочий процесс двигателя постепенного сгорания (см. индикаторную диаграмму, рис. 4.12) отличается от рабочего процесса двигателя быстрого сгорания (см. рис. 4.11) следующими особенностями:

В рабочем цилиндре дизеля при втором такте – сжатии – сжимается не рабочая смесь, а воздух (линия 2 – 3) до давления 3,2–3,4 МПа. При этом температура воздуха в конце сжатия достигает 500–600 o С, то есть температуры воспламенения вводимого в цилиндр жидкого топлива.

Вследствие высокой температуры сжатого воздуха происходит самовоспламенение вводимого топлива и не требуется зажигательного приспособления.

В третьем такте топливо вводится в цилиндр не сразу, а постепенно, вследствие чего оно сгорает при постоянном давлении на некоторой части хода поршня (линия 3 – 4), а затем происходит дальнейшее расширение образовавшихся газов (линия 4 – 5).

Распыление топлива осуществляется форсункой при помощи сжатого воздуха. Для получения сжатого воздуха применяется компрессор с давлением 5–6 МПа двух-трехступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха.

Рабочие процессы в первом и четвертом тактах дизеля подобны процессам, протекающим в двигателях быстрого сгорания (линии 1 – 2 и 6 – 1).

Наиболее ответственной частью двигателя является компрессор, который приводится в действие от самого дизеля.

Первоначально все дизели работали по рассмотренному выше четырехтактному рабочему процессу, но затем стал применяться двухтактный рабочий процесс как более экономичный. Этому способствовало введение в технику принципа безвоздушного распыления топлива, то есть бескомпрессорных дизелей.

Первый в мире городской автобус с двигателем внутреннего сгорания вышел на линию 12 апреля 1903 года в Лондоне. Его предшественником можно считать автобус с паровым двигателем, который курсировал в течение четырех месяцев 1831 года между английскими городами Глостером и Челтенхемом (Наука и жизнь, 1984, № 5).

Действительное преимущество дизелей заключалось не в отличии их рабочего процесса, а в возможности получить высокие степени сжатия, неосуществимые в двигателях быстрого сгорания из-за низкой температуры самовоспламенения жидких сортов топлива. Рабочий процесс в дизелях проводился при степени сжатия 14–16 против 5–6 в двигателях быстрого сгорания, что повысило к.п.д. компрессорных дизелей до 28–32%, бескомпрессорных – до 30–34%.

После демонстрации на Парижской выставке 1900 года усовершенствованного двигателя Дизеля, где он получил высокую оценку, начался процесс бурного дизелестроения.

Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей внесли русские изобретатели. Б.Г. Луцкой (1865–1920) проектировал и строил многоцилиндровые двигатели различного назначения – автомобильные, авиационные, судовые, лодочные. В 1896 г. Г.В. Тринклер (1876–1957) построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р.А. Корейво (1852–1920) сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А.Г. Уфимцев (1880–1936) в 1910 г. разработал шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.

В России производство дизелей началось в 1899 году на заводе «Русский дизель» в Санкт-Петербурге. Выпускаемые заводом нефтяные дизели оказались вполне надежными в работе благодаря применению двухступенчатого компрессора и усовершенствованной нефтяной форсунки. Дизели завода «Русский дизель» получили впоследствии всеобщее признание и широко использовались в промышленности и на транспорте.

В торговом и на военном флоте дизели впервые были применены в России. Первая в мире судовая дизельная установка, состоящая из трех дизелей завода «Русский дизель» мощностью по 120 л.с., была смонтирована в 1903 году на нефтетопливной барже «Вандал». А первый реверсивный дизель был построен заводом в 1908 году для подводной лодки «Минога» мощностью 120 л.с. Перед первой мировой войной дизельные двигатели производились не только в Петербурге, но и в Москве, Сормове, Риге, Ревеле, Воронеже и других городах.

Двигатели внутреннего сгорания после значительных конструктивных изменений стали в ХХ веке основными двигателями всех транспортных средств.