Один из самых распространенных двигателей - двигатель внутреннего
сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы,
моторные и т.д., во всём мире насчитывается сотни миллионы таких
двигателей. Существует два вида двигателей внутреннего сгорания -
бензиновые и дизельные.
Бензиновые ДВС работают на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.)
или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах).
Проектируют двигатели где горючим будет водород.
Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень - металлический стакан, опоясанный
пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на
поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании
топлива, в в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень
снабжен металлическим стержнем - пальцем, он соединяет поршень с
шатуном. Шатун передаёт движения поршня коленчатому валу.
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми
клапанами. Через один из каналов - впускной, подаётся горючая смесь,
через другой - выпускной, удаляются продукты сгорания. В верхней части
цилиндра помещается свеча - приспособление для зажигания горючей смеси
посредством электрической искры.
Наибольшее распространение получил четырёхтактный двигатель. Рассмотрим
его работу. 1-ый такт - впуск (всасывание). Поршень, двигаясь вниз,
засасывает горючую смесь. 2-ой такт - сжатие. Впускной клапан
закрывается, поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии
она нагревается. 3-ий такт - рабочий ход. Поршень достигает верхнего
положения, смесь поджигается электрической искрой свечи, сила давления
газов раскалённых продуктов горения - толкает поршень вниз. Движение
поршня передаётся коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым
производится полезная работа. Произведя 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 через глушитель в атмосферу.
Из четырёх тактов двигателя только один, третий, - рабочий. Поэтому
двигатель снабжают моховиком, инерционным двигателем, запасающим
энергию, за счёт которой коленчатый вал вращается в течении остальных
тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным
образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной
работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с
цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили
название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4
МВт. Используют их главным образом в авиации.
Дизельные - другой тип двигателей внутреннего сгорания. Воспламенение в
его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух,
предварительно, сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой
температуры. Этим он отличается от бензинового топлива внутреннего
сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения
топлива.
Первый дизельный двигатель был собран в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.
Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя
внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр,
поршень клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в
головке цилиндра находится топливный клапан - форсунка. Назначение её -
в определённые фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в
цилиндр. Клапаны , топливный насос, питающий форсунку, получают
движение от распределительного вала, который, в свою очередь,
приводится в движение от коленчатого вала двигателя.
Пусть начальным положением будет верхняя мёртвая точка. При движении
поршня вниз (1-ый такт) открывается впускной клапан, через который
засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня
закрывается и в продолжении всего 2-го такта остаётся закрытым.
В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе
внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень
сжатия в дизелях в 2-2,5 раза больше, вследствие чего температура
воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для
воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мёртвую точку
начинается подача топлива из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелко
распыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (3-ем такте)
происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания,
а постепенно, в продолжении некоторой части хода поршня вниз, объем
пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому
давление газов во время работы форсунки остаётся постоянным.
Когда поршень возвращается в нижнюю мёртвую точку, открывается впускной
клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-ый
такт, поршень возвращается в верхнюю мёртвую точку. Далее цикл
повторяется.
Дизель относится к более экономичным тепловым двигателям (КПД достигает
44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и собраны
двигатели мощностью до 30 000 КВт. Дизели используются главным образом
на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках (в последнее время стали
выпускать легковые машины на дизелях), передвижных электростанциях.