4.2. Двигуни внутрішнього згоряння

Теплові двигуни, в циліндрах яких одночасно проходять процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її частини в механічну роботу, називаються двигунами внутрішнього згоряння.

Відмова від котла, найбільш дорогої і громіздкої частини паросилової установки, дозволила створити дешевий і економічний двигун внутрішнього згоряння, який згодом став основним двигуном транспортних засобів.

Розвиток цих двигунів почався з 1860 року, коли французький механік Ленуар вперше побудував невеликий двотактний газовий двигун. Двигун працював без стиснення суміші світильного газу з повітрям. Запалювання робочої суміші відбувалося за допомогою електричної іскри. К.к.д. такого двигуна коливався від 3 до 5% і був нижчим к.к.д. поршневих парових машин того часу, що було наслідком нераціонального циклу, запропонованого винахідником. Однак цей винахід зіграв велику роль у справі створення двигунів внутрішнього згоряння.

Подальший розвиток двигунів внутрішнього згоряння пішов шляхом удосконалення запропонованої конструкції без зміни робочого циклу. На мал. 4.10 представлений такий тип двигуна.

І лише німецькому техніку Ніколаусу Авґусту Отто (1832–1891) з Кельна у 1887 році в співдружності з інженером Е. Ланґеном вдалося побудувати чотиритактний горизонтальний одноциліндровий газовий двигун потужністю 4 к.с. зі стисненням робочої суміші. Двигун працював за принципом, запропонованим французьким інженером Бо-де-Роша. К.к.д. їх двигунів досягав вже 7–18%, тобто був вищим к.к.д. парових машин того часу. Створений двигун можна вважати прототипом сучасних двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на газоподібному і рідкому паливі.

На мал. 4.11 представлена індикаторна діаграма роботи чотиритактного двигуна в координатах Р (тиск) – V (повний об'єм циліндра). При першому такті ходу поршня відбувається процес всмоктування в циліндр робочої суміші (лінія 1–2 на індикаторній діаграмі).

 Мал. 4.10. Атмосферний двигун Отто і Ланґена (1865–1866 рр.) (а) та індикаторна діаграма (б)Мал. 4.11. Двигун Отто. Індикаторна діаграма

Один з перших найвдаліших бензинових двигунів для автомобільної промисловості був запатентований Г. Даймлером в Німеччині у 1885 році.

При зворотному ході поршня (другий такт) впускний клапан закривається і в циліндрі протікає процес стиснення робочої суміші (лінія 2–3), при цьому температура і тиск суміші підвищуються. На початку третього ходу поршня відбувається швидке запалювання робочої суміші від іскри, а температура і тиск різко збільшуються (лінія 3–4). Потім відбувається розширення робочих газів (лінія 4–5), тобто виконується корисна робота. При крайньому положенні поршня в третьому такті процес розширення закінчується і відкривається випускний клапан, через який при четвертому ході поршня викидаються відпрацьовані гази (лінія 6–1, яка проходить дещо вище атмосферної лінії).

Спорудження двигуна почалося на заводі Дейті. Надалі на заводі конструкція двигуна була значно вдосконалена. Незабаром двигуни Отто–Дейті завдяки компактності, економічності та надійності в роботі набули загального визнання і почали випускатися іншими заводами.

До того часу треба віднести появу двотактних двигунів, які за принципом дії мало чим відрізняються від чотиритактних двигунів Отто. У двотактному двигуні посеред циліндра розташовані впускні й продувні отвори (клапани), відкриття і закриття яких здійснюється поршнем. Під час першого ходу поршня в циліндрі протікають процеси запалювання і розширення робочої суміші, в кінці ходу поршня відкриваються отвори циліндра і починаються процеси випуску відпрацьованих газів і продування циліндра повітрям або горючою сумішшю. Ці процеси продовжуються при зворотному ході поршня, другому такті, доки поршень не перекриє отвору і не почнеться процес стиснення свіжого повітря або горючої суміші залежно від типу двигуна.

Двотактні двигуни мають більш рівномірний хід, удвічі менший об'єм циліндра, дешевші й набули широкого застосування в автомобільній промисловості, витіснивши чотиритактні.

 Рудольф Дизель (1858–1913) – німецький інженер, творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення. У 1878 році він закінчив Вищу політехнічну школу в Мюнхені. У патентах 1892 і 1893 рр. Дизель висунув ідею створення двигуна внутрішнього згоряння, що працює за циклом, близьким до ідеального, в якому найвища температура досягалася стисненням чистого повітря. У 1913 році для ведення переговорів Дизель, узявши із собою найцінніші документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Але до Англії він не дістався, а безслідно зник з корабля за невідомих обставин.

Всі розглянуті вище газові, газогенераторні, а також швидкохідні двигуни, що працюють на рідкому паливі, – автомобільні, відносяться до двигунів швидкого згоряння, в яких процеси запалювання і горіння протікають настільки швидко, що поршень не встигає здійснити навіть невелике переміщення.

У таких двигунів к.к.д. дуже залежить від ступеня стиснення, тому вони працюють із граничним тиском стиснення, при якому температура робочої суміші близька до температури її самозаймання. Проте двигуни швидкого згоряння, що працюють на рідкому паливі (нафті, гасі, бензині), не допускають високих ступенів стиснення (3, 5, 6), оскільки температура запалювання цих палив порівняно низька (350–415 °С), що і обумовлює невеликий к.к.д. двигуна.
Мал. 4.12. Індикаторна діаграма дизеля

Підвищення к.к.д. двигунів, що працюють на рідкому паливі, було досягнуте завдяки введенню в техніку робочого процесу з поступовим згорянням палива. Процес поступового згоряння палива був запропонований у 1872 році американцем Брайтоном. Після цього були спроби створити такий двигун Ґарґреавесом, Капітеном та іншими. Проте їх двигуни були ненадійними в роботі. Слава створення двигуна з поступовим згорянням палива належить Р. Дизелю.

Пропозиція Дизеля зводилася до високого стиснення повітря в порожнині двигуна для підвищення його температури вище за температуру запалювання пального. Будучи поданим в порожнину двигуна в кінці ходу стиснення, пальне запалюється від нагрітого повітря і, нагнітаючись поступово, здійснює процес підведення тепла без зміни температури у відповідності до циклу Карно. Випробування дослідного зразка у 1896 році принесло успіх, а у 1897 році Дизель побудував на Ауґсбурзькому машинобудівному заводі перший промисловий чотиритактний одноциліндровий двигун з поступовим згорянням палива, який працював на гасі, потужністю 20 к.с. Двигун такого типу надалі отримав назву дизель. Він відрізнявся високим к.к.д., але працював на дорогому гасі, мав ряд конструктивних дефектів. Після деяких удосконалень, внесених у 1898–1899 рр., двигун став надійно працювати на дешевому паливі – нафті – й набув великого поширення в промисловості та на транспорті.

Робочий процес двигуна поступового згоряння (див. індикаторну діаграму, мал. 4.12) відрізняється від робочого процесу двигуна швидкого згоряння (див. мал. 4.11) такими особливостями:

1. У робочому циліндрі дизеля при другому такті – стисненні – стискується не робоча суміш, а повітря (лінія 2–3) до тиску 3,2– 3,4 МПа. При цьому температура повітря в кінці стиснення досягає 500–600°C, тобто температури запалювання рідкого палива, яке вводиться в циліндр.

2. Внаслідок високої температури стисненого повітря відбувається самозаймання палива, яке вводиться, і не потрібен запалювальний пристрій.

3. У третьому такті паливо вводиться в циліндр не відразу, а поступово, внаслідок чого воно згоряє при постійному тиску на деякій частині ходу поршня (лінія 3–4), а потім відбувається подальше розширення газів, що утворилися (лінія 4–5).

4. Розпилення палива здійснюється форсункою за допомогою стисненого повітря. Для отримання стисненого повітря застосовується компресор з тиском 5–6 МПа двотриступеневого стиснення з проміжним охолоджуванням повітря.

Робочі процеси в першому і четвертому тактах дизеля подібні процесам, що протікають в двигунах швидкого згоряння (лінії 1–2 і 6–1).

Найвідповідальнішою частиною двигуна є компресор, який приводиться в дію від самого дизеля.

Спочатку всі дизелі працювали за розглянутим вище чотиритактним робочим процесом, але потім став застосовуватися двотактний робочий процес як більш економічний. Цьому сприяло введення в техніку принципу безповітряного розпилення палива, тобто безкомпресорних дизелів.

Справжня перевага дизелів полягала не у відмінності їх робочого процесу, а в можливості отримати високі ступені стиснення, нездійснені в двигунах швидкого згоряння через низьку температуру самозаймання рідких сортів палива. Робочий процес в дизелях здійснюється при ступені стиснення 14–16 проти 5–6 в двигунах швидкого згоряння, що підвищило к.к.д. компресорних дизелів до 28–32%, безкомпресорних – до 30–34%.

Перший у світі міський автобус з двигуном внутрішнього згоряння вийшов на лінію 12 квітня 1903 року в Лондоні. Його попередником можна вважати автобус з паровим двигуном, який курсував протягом чотирьох місяців 1831 року між англійськими містами Ґлостером і Челтенхемом.
(Наука и жизнь, 1984, № 5). 

Після демонстрації на Паризькій виставці 1900 року вдосконаленого двигуна Дизеля, де він отримав високу оцінку, почався процес бурхливого дизелебудування.

Великий внесок в удосконалення дизельних двигунів зробили російські винахідники. Б.Г. Луцкой (1865–1920) проектував і будував багатоциліндрові двигуни різного призначення – автомобільні, авіаційні, суднові, човнові. У 1896 р. Г.В. Тринклер (1876–1957) побудував безкомпресорний двигун внутрішнього згоряння. У 1910 р. Р.А. Корейво (1852–1920) сконструював дизельний двигун із поршнями, що протилежно рухаються, і передачею на два вали. А.Г. Уфімцев (1880–1936) у 1910 р. розробив шестициліндровий карбюраторний двигун для літаків.

У Росії виробництво дизелів почалося у 1899 році на заводі «Російський дизель» в Санкт-Петербурзі. Нафтові дизелі, що випускалися заводом, виявилися цілком надійними в роботі завдяки застосуванню двоступеневого компресора і вдосконаленої нафтової форсунки. Дизелі заводу «Російський дизель» набули згодом загального визнання і широко використовувалися в промисловості та на транспорті.

У торговому і на військовому флоті дизелі вперше були застосовані в Росії. Перша в світі суднова дизельна установка, що складалася з трьох дизелів заводу «Російський дизель» потужністю 120 к.с., була змонтована у 1903 році на нафтоналивній баржі «Вандал». А перший реверсивний дизель був побудований заводом у 1908 році для підводного човна «Мінога» потужністю 120 к.с. Перед першою світовою війною дизельні двигуни вироблялися не тільки в Петербурзі, але і в Москві, Сормові, Ризі, Ревелі, Воронежі та інших містах.

Двигуни внутрішнього згоряння після значних конструктивних змін стали у ХХ столітті основними двигунами всіх транспортних засобів.