Тепловой двигатель и двигатели внутреннего сгорания

Большинство двигателей, применяемых в настоящее время на транспорте, включая двигатели внутреннего сгорания, являются тепловыми.

Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Тепловыми двигателями также являются двигатели внешнего сгорания – паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга.

Переход от газа нагретого состояния к холодному осуществляется путем последовательной смены следующих этапов. На этапе изотермического (при постоянной температуре) расширения газ приводится в контакт с нагревателем. Газ изотермически расширяется и совершаемая им работа равна количеству подводимой к рабочему телу теплоты. Алее следует адиабатическое (без притока и отдачи тепла) расширение. Поскольку газ расширяется в отсутствии теплообмена, его температура падает. В процессе адиабатического расширения газ совершает положительную работу.

На третьем этапе – этапе изотермического сжатия газ приводится в контакт с холодильником, отдает тепло и совершает отрицательную работу равную количеству отданного тепла. На последнем этапе – этапе адиабатического сжатия температура газа повышается, и он совершает отрицательную работу. Полная работа, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках цикла. На диаграмме, изображающей цикл Карно, полная работа равна площади цикла.

В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы, в основе которых лежит цикл идеальной тепловой машины – цикл Карно. Например, в карбюраторном (бензиновом) и дизельном двигателях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (процесс, протекающий при постоянном объеме) и двух адиабат (процесс, протекающий без теплового обмена).

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) процесс сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходит непосредственно внутри двигателя – в камере сгорания (цилиндре). Основная часть ДВС – один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива.

Внутри цилиндра движется поршень. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя клапанами. Через впускной клапан подается горючая смесь, через выпускной – удаляются продукты сгорания. Здесь же помещается свеча – приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС. 1-ый такт – впуск (всасывание). Открывается впускной клапан, поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь (смесь горючего с воздухом).

2-ой такт – сжатие.

Впускной клапан закрывается, поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается. 3-ий такт – рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи, сила давления раскаленных продуктов сгорания толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-ый такт – выпуск (выхлоп).

Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Из четырех тактов только один (третий) является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию), за счет которого коленчатый вал вращается в течение остальных тактов.

Дизельный двигатель – другой тип ДВС. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Это основное отличие дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в 1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем (1858-1913), по имени которого и называется. Первый дизель имел мощность 14,7кВт, его КПД превышал КПД паровых машин и не зависел от размера двигателя. Очень экономичный, компактный, удобный и простой по устройству, дизель получил широкое распространение, в том числе и на транспорте. Железные дороги начали использовать дизель позже других видов транспорта.

Первый промышленный двигатель внутреннего сгорания построен в 1860 году построен во Франции. Двухтактный двигатель с золотниковым газораспределением работал на светильном газе с воспламенением от электрической искры. В 1876 году немецкий инженер Отто создал четырехтактный двигатель, в два раза экономичней предыдущего.

В России производство газовых двигателей началось в 1908 году сначала на Коломенском, а затем и на других заводах. В 1893 году двухтактный двигатель завода Нобеля получил высшую награду на всемирной выставке в Чикаго. В 1899 году тот же завод выпустил первый промышленный четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия топлива, который в отличие от двигателя, построенного Р. Дизелем в 1897 году, работал на сырой нефти.