Тепловые двигатели

Самым первым образцом поршневого двигателя можно считать метательные трубки действующие от дыхания охотника. Это фактически пневматические двигатели однотактного действия. Данное изобретение оказалось очень живучим, что подтверждает его широкое использование для охоты как на дичь в джунглях, так и на одноклассников в школе. По прошествии некоторого небольшого времени, скорее всего нескольких тысяч лет, народ додумался, что поршень можно использовать и многократно, в результате чего появились вакуумные поршневые двигатели, Христиана Гюйгенса (1681 г.) (слева) и Дениса Папена (1680-е гг.) (справа). Будучи передовыми образцами техники своего времени они обладали замечательными особенностями, присущими любым современным новинкам: работали на дорогом топливе (двигатель Гюйгенса работал на порохе), были сложны в управлении и не особо надёжны. Двигатель Гюйгенса являлся первым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), а двигатель Папена – первой действующей паровой машиной, однако пар использовался не для создания избыточного давления (как в классических паровых машинах), а для создания разряжения в цилиндре. В результате работу совершало атмосферное давление (пароатмосферная паровая машина), действовавшее на противоположную сторону поршня, как и в двигателе Гюйгенса, который являлся вакуумным ДВС.

Вакуумные двигатели показали, хотя они не были особенно хороши,  что есть альтернатива общепринятым биоприводу на фуражном топливе и водяному колесу.

Дальнейшее совершенствование  двигателей привело к созданию уже  эффективного парового вакуумного насоса Томаса Ньюкомена (1725 г.), ставшего первой эффективно действующей паровой  машиной. 

 Первая известная универсальная «огнедействующая машина» (паровая машина) была создана Иваном Ивановичем Ползуновым, к посторйке которой он приступил в 1763 г. Первый её успешный пуск был осуществлён 23 мая (5 июня) 1766 г., через неделю после смерти изобретателя. Фактически пароатмосферная машина Ползунова,

уникальной мощностью  в 40 л.с., создавалась независимо от зарубежных конструкций, т.к. в России того времени паровые машины отсутствовали  полностью. Единственным русским источником была книга Президента Берг-коллегии Ивана Андреевича Шаттлера «Обстоятельное наставление рудокопному делу», в которой описывался принцип  действия паровой машины Ньюкомена. Достижение Ползунова заключалось  в создании двухцилиндровой машины, в которой суммировалась работа двух цилиндров, что позволяло получать не дискретное, а относительно непрерывное  движение приводимого оборудования.

В 1769 г. француз Жозеф Кюньо  поставил пароатмосферный двигатель  на повозку, чем создал первое наземное транспортное средство с приводом от паровой машины. Учитывая, что та машина не имела достаточной удельной мощности, т.к. для пароатмосферных  машин перепад давлений на поршень  составлял не более 0,5 атмосферы, армия  не заинтересовалась таким орудийным  тягачом. Так же им, скорее всего, не заинтересовалось сельское хозяйство, что не позволило ему пройти путь, который проторил непринятый «зелёными» артиллерийский тягач, ставший впоследствии трактором К-700 «Кировец». Так же не нашёл применения безрельсовый паровой  локомотив, созданный в 1801 г. Ричардом Тривитиком, учеником Уильяма Мердока.

В Англии пошли своим путём, т.к., скорее всего, туда не дошла информация о работах Ползунова. В связи  с этим последующие попытки создания парового универсального двигателя  пошли по пути различных способов механического аккумулирования  работы одного цилиндра. В частности различные конструкции пароатмосферных машин реализовали Томсон и Картрайт, пока  Фальк не создал двухцилиндровую паровую машину, позволяющую получать вращательное движение выходного вала.

В 1784 г. Джеймс Уатт запатентовал универсальный паровой двигатель, отличительными особенностями которого было использование расширения пара в цилиндре и использование вынесенного  конденсатора. Следует отметить, что  идея расширения пара была ненова, т.к. её предложил ещё в 1724 г. Я. Леупольд (пример безалаберного отношения  к интеллектуальной собственности). С момента окончания действия патентов Уатта в начале 19 в., совершенствование  паровых машин пошло возрастающими  темпами, т.к. было снято ограничение  на создание машин, действующих от расширения пара в цилиндрах. Развитие паровых  машин пошло не по тому, что все  резко поумнели, а в связи с  тем, что патенты Уатта были составлены столь грамотно, что перекрывали  кислород всем его конкурентам, т.к. защищали основополагающие решения  в конструкции паровых машин.

В качестве одного из последних достижений в создании паровых машин можно  отметить паровую машину И. Штумпфа, созданную в 1908 г. (см. рис.). Она отличалась крайне малым вредным пространством (объём между поверхностью поршня и крышкой цилиндра), применением перегретого пара и свободным выходом пара через постоянно открытые окна цилиндра. Применение свободного выхода пара позволило существенно снизить гидравлическое сопротивление выходного тракта (как у двухтактных дизелей), что позволило эффективно использовать более глубокий вакуум в конденсаторе.

В конструкциях Уатта были собраны использовавшиеся прежде и  заложены новые принципы работы, характерные  для паровых машин, созданных  в дальнейшем. В качестве примера  можно взять резервные паровые  насосы для котельных, имеющие современную  дату изготовления, а по качеству и  параметрам работы современные продукции  Уатта и Болтона. Но нет худа без  добра, наличие таких монстров (как  показано на рисунке) позволило включить их в правила Котлонадзора, что  открывает путь на этот рынок и  другим паровым машинам, которые  можно и нужно использовать в  качестве основных приводов оборудования в паровых котельных (о чём  будет сказано подробно в соответствующем  разделе).

Если кратко резюмировать то, что сделано, то первое – придумали  цилиндропоршневую группу, а второе – начали совершать работу не вакуумом а избыточным давлением (пара).

Кратко отметить можно  следующее, что с 19 в. предпринимались  попытки существенно упростить  паровой двигатель, и избавиться от недостатков возвратно-поступательного  движения поршня. Как можем видеть по прошествии скоро двух сотен лет, в создании этих конструкций народ  не сильно преуспел, т.к. классические поршневые двигатели чаще являются работающими приводами, чем редкими  экспонатами музеев.

Примером попытки создания одного из первых кольцевых (коловратных) двигателей может служить изображенный на рисунке двигатель. Отличительной  особенностью этой и аналогичных  конструкций было то, что избавиться от возвратно-поступательного или  возвратно-вращательного движения не удалось, т.к. здесь возвратно-поступательное движение совершает не поршень, а  перегородка, делящая рабочую камеру. С учётом этого, а так же того, что кольцевые двигатели имеют присущие классическим паровым машинам проблемы, а так же до кучи и ряд своих собственных проблем, они не смогли вытеснить паровые машины.

Карбюраторные поршневые двигатели.

К составляющим карбюраторного поршневого двигателя относятся:

• кривошипно-шатунный механизм,
• газораспределительный механизм,
• система питания,
• система выпуска отработавших газов,
• система зажигания,
• система охлаждения,
• система смазки.

А теперь рассмотрим принцип  работы на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Его устройство представлено на рисунке 8.

Рис. 8 Одноцилиндровый карбюраторный двигатель внутреннего сгорания

а) «стакан» в «стакане»; б) поперечный разрез1 — головка цилиндра; 2 — цилиндр; 3 — поршень; 4 — поршневые кольца; 5 — поршневой палец; 6 — шатун; 7 — коленчатый вал; 8 — маховик; 9 — кривошип; 10 — распределительный вал; 11 — кулачок распределительного вала; 12 — рычаг; 13 — клапан; 14 — свеча зажигания

В цилиндре (2) со съемной  головкой (1) находится поршень (3), в  специальные канавки справа и  слева помещены поршневые кольца (4). Кольца скользят по поверхности  цилиндра, не давая образующимся газам  вырваться вниз и препятствуя  попаданию наверх масла.

Поршневой палец (5) и шатун (6) соединяют поршень с кривошипом коленчатого вала (9). Он вращается  в подшипниках, которые расположены  в картере двигателя. На конце  коленчатого вала (7) укреплен маховик (8).

Когда кулачки распределительного вала (11) находят на рычаги (12), клапаны (13) открываются. При этом, через впускной клапан проходит горючая смесь (бензин и воздух), а через выпускной  выходят отработанные газы. Закрываются  клапаны под воздействием пружин, когда кулачки сбегают с рычагов. В движении коленчатый вал и кулачки  приводятся с помощью коленчатого  вала.

Свеча зажигания (14) расположена в  резьбовом отверстии головки  цилиндра (1). Между ее электродами  проскакивает искра и воспламеняет горючую смесь (см. выше).

Вот основные принципы работы одноцилиндрового карбюраторного двигателя.Также  существуют показатели, которые используются для оценки двигателей (рисунок 9).

Рис. 9Ход поршня и объемы цилиндра двигателя а) поршень в нижней мертвой точкеб) поршень в верхней мертвой точке

ВМТ и НМТ – верхняя  и нижняя «мертвая» точка, соответственно. Эти показатели характеризуют положение  поршня, при котором он удален от оси коленчатого вала.S – ход  поршня. Путь от одной «мертвой»  точки до другой.Vс — объемом камеры сгорания. Это объем над поршнем, когда он находится в ВМТ.Vр — рабочий объем цилиндра. Тот объем, который освобождает поршень, перемещаясь от верхней «мертвой» точке к нижней.Vп – полный объем цилиндра. Показатель, который исчисляется суммированием объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.При сложении рабочих объемов всех цилиндров мы получаем рабочий объем двигателя. Мы рассмотрели работу двигателя с одним цилиндром, но современные машиностроительные заводы выпускают двигатели с количеством цилиндров 4, 6, 8, 12.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Чтобы заставить вращаться  ведущие колеса автомобиля двигатель  должен пройти так называемый рабочий  цикл. Двигатель автомобиля совершает  этот цикл за четыре такта (схема представлена на рисунке 10):

• впуск горючей смеси,
• сжатие рабочей смеси,
• рабочий ход,
• выпуск отработавших газов.

Рис. 10 Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

а) впуск; б) сжатие; в) рабочий  ход; г) выпуск

Первый такт – впуск  горючей смеси (рис. 10а). Клапан открывается, горючая смесь заполняет цилиндр, смешивается с остатками газов и превращается в рабочую смесь.

Второй такт — сжатие рабочей смеси (рис. 10б). Клапаны закрыты, следовательно, рабочая смесь сжимается, температура газов повышается. Если оценить это в цифрах, то мы получим следующие величины: давлении в цилиндре составит 9-10 кг/см2, температура газов – 400оС.

Третий такт — рабочий ход (рис. 10в). На этом этапе сгорает рабочая смесь, в результате происходит выделение энергии, которая превращается в механическую работу. Расширяющиеся газы создают давление на поршень, далее через шатун и кривошип на коленчатый вал. Под силой давления коленчатый вал и ведущие колеса автомобиля начинают вращаться.

Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 10г). Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ, при этом открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят из цилиндра.

Только в ходе третьего такта (рабочего хода) совершается полезная механическая работа. А первый, второй и четвертый – это подготовительные процессы. Этим процессам способствует кинестетическая энергия маховика (рисунок 11), который вращается по инерции

Рис. 11 Коленчатый вал двигателя с маховиком

1 — коленчатый вал двигателя; 2 — маховик с зубчатым венцом; 3 — шатунная шейка; 4 — коренная (опорная) шейка; 5 — противовес

Металлический диск, закрепленный на коленчатом валу, и называется маховик. Во время третьего такта, коленчатый вал, раскрученный поршнем через  шатун и кривошип, передает запас  инерции маховику. В свою очередь, под действием энергии, отдаваемой маховиком, поршень движется вверх (выпуск и сжатие) и вниз (впуск). Т.е. подготовительные такты в обратном порядке осуществляются только за счет запасов инерции в массе маховика через коленчатый вал, шатун и поршень.