2.7.4. Двигуни внутрішнього згоряння

Паровим двигунам (поршневій машині і турбіні) необхідний генератор робочого тіла - пари, - теплова енергія якої перетворюється в механічну. Таким генератором є паровий котел. На початковому етапі розвитку паросилові установки в складі котла і двигуна були громіздкими, важкими і тому непридатними для використання у випадках необхідності забезпечення компактних розмірів машини, або одержання великої потужності на одиницю маси двигуна.

В результаті реалізації ідеї об'єднання в одне ціле генератора робочого тіла, що утворюється при згорянні палива, і робочої машини, що перетворює теплову енергію робочого тіла в механічну, зявився двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) з горінням палива у середині циліндра машини. Але до XVII в. для даного двигуна не було придатного палива.

Першою спробою створення ДВЗ стала розробка в 1673 р. X. Гюйгенсом (1629 - 1695 рр.) порохової машини. Згідно із описом винахідника, у циліндр машини необхідно було насипати порох. При його підпалюванні порохові гази піднімали би поршень і виходили через бокові вікна циліндра назовні, після чого поршень під дією атмосферного тиску і власної ваги повинен був опускатися вниз. Побудований двигун не був [3,49].

У 1688 р. колишній асистент Гюйгенса Д. Папен виготовив таку машину, додатково обладнавши її клапанами для випуску газів. Однак двигун виявився недовговічним, в звязку з тим, що температура горіння пороху була вища 3000°С.

У 1794 р. англієць Роберт Стріт запропонував конструкцію ДВЗ на вуглеводневому паливі, однак і він не був побудований. Створити ДВЗ намагалися Джонстон, де Ріваз, Райт, Барнет, Дрейк. У 1799 р. Пилип Лебон (1769 - 1804 рр.) відкрив спосіб одержання світильного газу шляхом сухої перегонки деревини або вугілля й у 1801 р. сконструював перший двигун, що працював на світильному газі. За схемою він повторював парову машину подвійної дії. Відомостей про реалізацію двигуна немає. Тільки в 1820 р. у Кембриджу У. Сесіл продемонстрував діючу модель газового ДВЗ. У 1823 р. С. Браун удосконалив машину Сесіла, реалізувавши водяне охолодження циліндра. Двигун був побудований і випробуваний, але застосування не знайшов і для експлуатації не виготовлявся.

Першим ДВЗ, що одержав значне поширення став двигун, розроблений і випробуваний у 1860 р. французьким механіків Етьєном Ленуаром (1822 - 1900 рр.). Він винайшов двотактний горизонтальний ДВЗ подвійної дії (рис. 2. 31). Двигун конструктивно нагадував парову машину, але працював на суміші світильного газу і повітря, що стискалися окремо насосами і почергово подавались через розподільник з механічним керуванням і ковзним золотником у порожнини робочого циліндра. Для запалювання суміші служили чотири електричні свічі, закручені по дві в кожну з кришок циліндра. Відпрацьовані гази виводились через розподільник, аналогічний тому, що використовувався для пальної суміші. Двигун був недосконалий: ненадійне запалювання, низький (5 атм.) тиск у циліндрах, відсутність попереднього стиску пальної суміші, потреба у великій кількості води для охолодження. ККД складав 4%. Було випущено близько 300 зразків двигуна Ленуара, хоча і конструкція і принцип дії мали потребу в доробці.

Принцип чотиритактного двигуна на легкому паливі, у якому пальна суміш перед запаленням попередньо стискалася, що збільшувало економічність, був запропонований французьким інженером А. Бо де Рошем (1815 - 1890 рр.) в 1862 р. і реалізований у 1876 р. німецькими конструкторами Н. Отто (1832 - 1891 рр.) і Е. Лангеном (1833 - 1895 рр.). Паливом служив пальний газ низького тиску. Двигун мав золотниковий газорозподіл, запалювання забезпечувалося завдяки постійному горінню газу в робочій камері. Машина була тихохідною і мала велику масу. Паливний бак - газовий балон - був дуже великим, у звязку з чим, двигун Отто експлуатувався в основному в стаціонарних умовах. Перший його зразок мав потужність 3к.с. при 180 об/хв.

Після появи гасу і бензину почалися роботи зі створення бензинового ДВЗ, у результаті чого він зайняв відуче місце на наземному транспорті й в авіації.

Перша спроба використання в ДВЗ гасу була зроблена американцем Брайтоном у 1873 р. Однак через низьку випаровуваність палива дослід був невдалий і Брайтон використав бензин. Він винайшов також перший випарний карбюратор. Двигун Брайтона працював при постійному тиску в циліндрі.

У 80-х рр. серб О. Костович (1851 - 1916 рр.), що прийняв російське підданство, запропонував проект легкого бензинового двигуна з карбюратором. На його основі в 1884 р. був побудований 8-циліндровий двигун потужністю 80 к.с. для дирижабля.

Перший придатний для транспорту двигун розробили і виготовили у 1883 - 1884 рр. німецькі винахідники Г. Даймлер (1834 -1900 рр.) і В. Майбах (1846 - 1929 рр.). Їх ДВЗ був горизонтальний, чотиритактний, із запалюванням від запальної трубки з пальником і повітряним охолодженням. Усмоктувальний клапан відкривався при створенні розрідження в циліндрі, випускний клапан відкривався і закривався механічно. Був використаний карбюратор випарного типу. У 1885 р. Даймлер побудував двигун з вертикальним циліндром. Він мав потужність 0,5 к.с. при 600 об/хв, робочий об’єм циліндра 0,262 л і масу 40 кг. Двигун міг працювати на газу і бензині, мав закритий картер з мастилом. Запуск здійснювався заводною рукояттю. У 1887 р. Даймлер використав водяне охолодження двигуна.

Одночасно з Даймлером К. Бенц (1844 - 1929 рр.) розробив чотиритактний двигун для автомобіля. Даний ДВЗ (1885 р.) мав горизонтальний циліндр і вертикальний колінчастий вал. Маховик розташовувався в горизонтальній площині. Для підготовки паливної суміші застосовувався карбюратор випарного типу, запалювання забезпечували електричні свічі з живленням від котушки Румкорфа і батареї. Перший двигун Бенца мав потужність 0,88 к.с. при 315 об/хв.

Розробки Даймлера та Бенца дозволили створити перші автомобілі (1885 р.).

У 1887 р. австрієць З. Маркус (1831 - 1898 рр.) запропонував карбюратор для підготовки паливоповітряної суміші. У 1891 р. Даймлер разом з В. Майбахом побудував чотирициліндровий двигун, на якому установив поплавковий карбюратор. У 1893 р. карбюратор був удосконалений угорцями Д. Банкі і Я. Чонка - распилювальний карбюратор з поплавцем.

Будова поплавцевого карбюратора показана на рис. 2.32. Якщо в циліндрі двигуна відкритий тільки впускний клапан у отвір 5 засмоктується повітря. Воно проходить навколо трубки 2, що з’єднана з поплавцевою камерою 6. В камері 6 знаходиться бензин, рівень якого підтримується поплавком 3 і відповідає висоті рівня в трубці 2. Однаковість рівнів забезпечується тим, що поплавок при натіканні бензину в камеру піднимається у верхнє положення, а зв’язана з ним голка 4 опускається донизу. В момент досягнення поплавком положення відповідного максимальному рівні в трубці, голка 4 зачиняє отвір 7 і тим припиняє подачу бензину в камеру. Повітря, проходячи із високою швидкістю поруч кінця трубки 2, засмоктує бензин і розпилює його. Таким чином утворюється паливо-повітряна суміш, подача якої до циліндра регулюється дросельною заслінкою 1.

У 1895 р. Р. Бош (1861 - 1942 рр.) винайшов магнето високої напруги, що дозволило забезпечити надійне запалювання. У 1910 р. Ч. Кеттерінг (1876 - 1960 рр.) розробив електростартер для пуску двигуна. Бензиновий двигун удосконалювався конструктивно і став надійним.

Великий внесок у створення різноманітних ДВЗ зробив російський інженер Б.Г. Луцькой (1865 - 1920 р.), що працював у Німеччині. Під його керівництвом у 1910 - 1912 рр. Розроблялись та виготовлялись двигуни різних конструкцій потужністю до 6000 к.с.

У XX в. йшло безупинне конструктивне удосконалювання ДВЗ, пов'язане з розвитком авто- і літакобудування, створенням нових зразків військової техніки. З'явилися багатоциліндрові V-подібні і зіркоподібні двигуни, змінювалися конструкції карбюраторів. Будувалися двигуни як з водяним, так і з повітряним охолодженням. Збільшувався ступінь стиску в циліндрах. У 40-х рр. він досяг 6,5 - 6,8, а в теперішній час - 10...12. Зростає частота обертання колінчастого вала двигуна. Використовується електронне запалювання. На рис. 2.33 наведена діаграма енергетичного балансу автомобільного двигуна.

Вимоги екологічної чистоти ДВЗ, зменшення вмісту токсичних речовин у вихлопі привели до створення двигунів з верхнім розташуванням клапанів, упорскуванням палива в паливний колектор і форкамерно-смолоскиповим запалюванням. Починають використовуватися нагнітачі повітря. Це, крім всього іншого, дозволяє знизити витрати палива і збільшити потужність двигуна. Наприкінці 80-х рр. виникла тенденція використання в якості палива ДВЗ зрідженого газу. Одночасно з удосконалюванням двигунів зі зворотно-поступальним рухом поршнів ведуться пошуки кардинально нових конструктивних рішень.

У 1957 р. Ф. Ванкелем був розроблений роторно-поршневий ДВЗ. Будова двигуна Ванкеля показана на рис. 2.34. У ньому застосований обертовий ротор (поршень), розміщений в розточці – робочій камері корпуса, що має форму епітрохоїди. Ротор установлений на валу і жорстко з'єднаний із зубчастим колесом, що входить у зачеплення з центральною нерухомою шестірнею. Грані ротора сковзають по поверхнях камери, відтинаючи змінні об’єми. Практичне застосування знайшли тригранні ротори з відношенням радіуса шестерні і зубчастого колеса 2:3. Двигун Ванкеля більш компактний, ніж ДВЗ звичайної схеми аналогічної потужності і дозволяє реалізовувати чотиритактний робочий цикл без механізму газорозподілу. Сумішоутворення, запалювання, охолодження і відвідення газів, що відробили, здійснюються так само, як і у звичайному ДВЗ.

Одночасно з двигунами на газоподібних паливах (природний газ) та паливах, що легко випаровуються (бензини) розроблялися двигуни на важкому паливі, у тому числі на сирій нафті. У 1806 р. К. і Ж.Н. Ньєпси розробили і виготовили перший нафтовий двигун, але запустити його не змогли. У період з 1884 по 1890 рр. в досить значних кількостях випускалися стаціонарні калоризаторні двигуни, що працювали на гасі і більш важких сортах пального, а також на сирій нафті. У них для запалення суміші палива і повітря використовувалися порожні калильні кулі - калоризатори, на розпечену поверхню яких і подавалося пальне. В Україні калоризаторні двигуни називали "нафтянками" і використовували до 20-х рр. XX в. Конструкція такого двигуна показана на рис. 2.35.

У 1892 р. з'явився двигун англійця Акройда, що працював на нафті. В циліндрі двигуна повітря стискувалося до високого тиску, а потім більша його частина випускалася в окрему камеру, стінки якої перед пуском двигуна розжарювалася паяльною лампою. Нафта подавалася в ту ж камеру, випаровувалася і займалася від розпеченої поверхні. Двигун Акройда відрізнявся від калоризаторного більш високим ступенем стиску повітря.

У 1892 р. німецький інженер Р. Дизель (1858 - 1913 рр.) висунув ідею "раціонального теплового двигуна", одержав патент на нього і у 1897р. побудував зразок ДВЗ із механічним розпилюванням і самозапалюванням від стиску. Компресорне розпилення палива стисненим повітрям Дизель реалізувати не зміг, але пізніше воно широко застосовувалося. Двигун за прізвищем винахідника одержал назву "дизель".

В дизелі (рис. 2.36) піддається стиску не паливна суміш, а чисте повітря. Застосовується 11 – 12 разовий стиск, в результаті якого температура повітря збільшується до 500 – 600 °С. Коли стиск завершується, в циліндр упорскується паливо. Робиться це за допомогою форсунки, що працює від стисненого повітря, яке нагнітається компресором, або потужним насосом. Запалювання палива здійснюється внаслідок високої температури повітря в циліндрі. Час горіння палива значно більший ніж час горіння суміші бензин – повітря в ДВЗ, поршень здійснює робочий хід, наприкінці якого відпрацьовані гази викидаються в атмосферу.

Дизель виявився більш економічним двигуном, ніж бензиновий (див. рис. 2.33) – ККД біля 38%. Він може мати значно більшу потужність на одиницю маси.

У Росії перший дизель був побудований на Путиловському заводі в 1899 р. під керівництвом професора Г.В. Тринклера. Даний двигун, спроектований ще у 1897 р., був безкомпресорним з безпосереднім упорскуванням палива форсункою в циліндр. Методи теплового розрахунку дизелів розробив у 1906 р. В.І. Гриневицький (1871 -1919 рр.).

У 1903 р. на Сормовському заводі був побудований перший у світі теплохід "Вандал". На ньому установили три трициліндрових чотиритактних дизелі конструкції заводу Е. Нобеля по 120 к.с. кожний. У 1904 р. спущений на воду російський теплохід "Сармат", що оснащувався двома двигунами заводу Нобеля по 180 к.с. при 240 об/хв. У 1905 р. аналогічні двигуни були встановлені на канонерських човнах типу "Шквал". Перші суднові дизелі конструктивно практично не відрізнялися від стаціонарних, але були більш швидкохідними, з меншим ходом поршня і регульованою частотою обертання колінчастого вала.

У 1908 р. завод Е. Нобеля почав випуск перших у світі чотиритактних реверсивних дизелів для підвідних човнів типу "Мінога". Їх потужність складала 120 к.с. при частоті 400 об/хв. У тому ж році американська фірма „Стандарт мотор конст” побудувала чотиритактний двигун подвійної дії потужністю 500 к.с.

Двигуни важкого палива розвивалися як дизелі і напівдизелі, двотактні і чотиритактні. Напівдизель відрізняється меншим, ніж у дизеля, ступенем стиску - до 21. Запалювання в ньому здійснюється від розпечених головок поршнів, що виконують ту ж функцію, що і калильні кулі в калоризаторному двигуні. Певний час спостерігалася тенденція відмови від компресора для розпилення палива. Помітне поширення одержали безкомпресорні системи живлення дизелів з насосом-форсункою, що розвиває тиск до 1700 атм. В потужних дизелях вантажних автомобілів упорскування палива здійснюється безпосередньо в циліндри, а в швидкохідних дизелях легкових машин - у передкамери або вихрові камери. Число клапанів на кожен циліндр збільшилось до 4...5.

Удосконалювання дизелів продовжується. У 1997 р. був випробуваний дизель з електронним керуванням форсунками і клапанами, призначений для легкових автомашин. При цьому використовуються клапани електричного або електрогідравлічного типу, а форсунки - електромагнітного або п'єзоелектричного, з тиском 1500 атм. Реалізоване двоступінчасте упорскування палива. Усе це дозволяє знизити шум і вібрації, підвищити швидкодію, економічність і екологічну безпеку двигуна.

Дизелі знайшли широке застосування як двигуни автомобілів, тепловозів, тракторів, танків, важких літаків, річкових і морських суден. Найбільший у світі судновий дизель швейцарської компанії "Зульцер бразерс" має потужність 41920 кВт при 96 об/хв.