Поршневые двигатели

3.5 ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Поршневые двигатели основаны, как известно, на движении поршня в цилиндре, причем чаще всего используется возвратно-поступательное движение, превращаемое при помощи шатуна и коленчатого вала во вращательное (рис. 3.5.1).

Рис. 3.5.1. Основные составные части поршневого механизма.

1 цилиндр, 2 поршень, 3 поршневые кольца (для уплотнения зазора между поршнем и цилиндром), 4 поршневой палец, 5 шатун,

6коленчатый вал

Внастоящее время из этого вида двигателей наиболее широко используются

двигатели внутреннего сгорания, в которых механическая энергия

получается при взрывообразном сгорании смеси газообразного или жидкого топлива с воздухом. Наиболее часто такие двигатели строятся четырехтактными, что означает применение рабочего цикла, состоящего из следующих этапов:

впуск смеси топлива и воздуха,сжатие горючей смеси,

зажигание горючей смеси и взрывообразное расширение вместе с возникновением давления, действующего на поршень,

выпуск продуктов сгорания топлива (выхлопного газа).

113

Рис. 3.5.2. Принцип действия четырехтактного поршневого двигателя.

a впуск, b сжатие, c рабочий ход, d выпуск

Коленчатый вал, как показано на рисунке, совершает за каждый рабочий цикл

(за 4 такта) два оборота, но энергию отдает только за время рабочего хода,

длящегося 0,5 оборота. Чтобы выровнять скорость вращения и преодолеть

нерабочие такты, одноцилиндровый двигатель обязательно должен иметь

маховик. Однако чаще в этих целях используют несколько (обычно не менее

четырех) цилиндров, соединенных с общим коленчатым валом (рис. 3.5.3). В

выпускаемых в настоящее время двигателях может быть до 16 цилиндров, но

предпринимались попытки изготовить двигатели даже с 32 цилиндрами.

Кроме четырехтактных выпускаются и двухтактные двигатели внутреннего

сгорания, в которых рабочий цикл совершается за один оборот. Первый

(рабочий) такт заключается в зажигании сжатой горючей смеси и в движении

поршня вниз, а второй такт – в выпуске продуктов горения, а также во впуске и

в сжатии новой горючей смеси.

Рис. 3.5.3. Принцип устройства четырехцилиндрового четырехтактного

поршневого двигателя. 1 блок цилиндров, 2 коленчатый вал, 3 маховик

(может и отсутствовать)

114

В качестве топлива в поршневых двигателях с электроискровым зажиганием, изображенных на рис. 3.5.1, 3.5.2 и 3.5.3, обычно используются бензин, этанол (C2H5OH), их смесь или углеводородные газы (например, природный газ или пропан). Относительно редко встречается использование водорода. Когда в отдельных странах (например, во время войны) вышеназванные виды топлива становились дефицитными, то вместо них находил применение и газ, получаемый при перегонке древесины.

Наиболее часто такими двигателями снабжаются легковые автомобили, где их мощность доходит приблизительно до 250 kW, а масса на единицу мощности составляет 2…4 kg/kW. Частота вращения коленчатого вала обычно находится в пределах от 3000 r/min до 5500 r/min. Для регулирования скорости двигатель соединяется с редуктором (с коробкой передач). Кпд таких двигателей при длительной работе с номинальной мощностью находится в пределах 30…40 %, а при переменной нагрузке составляет приблизительно 15 %. Бензодвигатели используются и на других средствах движения (на мотоциклах, моторных лодках и др.) и в малых рабочих машинах (в моторных пилах, в травокосилках и др.) Они могут применяться и в переносных электрогенераторных агрегатах,

которые выпускаются на мощность от нескольких киловатт до нескольких десятков киловатт.

Первыми поршневыми двигателями были паровые машины, история развития которых рассмотрена в разделе 3.2. В первой половине 19-го века патентовались и многие приблизительно похожие на них двигатели внутреннего сгорания, не нашедшие, однако, практического применения. Первый пригодный для применения поршневой двигатель внутреннего сгорания изготовил в 1860 году французский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар (Jean Joseph Étienne Lenoir, 1822–1900);двигатель мощностью

9 kW, имевший горизонтальный цилиндр и электроискровое зажигание, работал на

смеси осветительного газа и воздуха и своей конструкцией напоминал паровую машину двустороннего действия. Несмотря на низкий кпд (около 5 %) и на многие другие недостатки, было налажено его промышленное производство, так как он был более компактным и безопасным, чем паровая машина. В 1862 году немецкий механик и предприниматель Николаус Аугуст Отто (Nikolaus August Otto, 1832–1891) изготовил более совершенный газовый двигатель (с вертикальным цилиндром) и основал предприятие для их производства. В 1876 году он изобрел четырехтактный двигатель, работающий на газе или спирте и оказавшийся настолько эффективным, что в дальнейшем все четырех- или двухтактные двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на легком жидком топливе или газе, стали называться двигателями Отто. Первый бензиновый двигатель (с частотой вращения 800…900 1/min) изготовил в 1883 году инженер-машиностроитель Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler, 1834–1900), работавший на заводе Отто, а первый автомобильный двигатель вместе с автомобилем построил в 1885 году немецкий инженер и предприниматель Карл Фридрих Бенц (Carl Friedrich Benz, 1844–1929).

Современную электрическую систему зажигания высокого напряжения разработал в 1902 году немецкий механик и предприниматель Роберт Бош (Robert Bosch, 1861– 1942), который усовершенствовал и другое автомобильное электрооборудование. Электрический стартер изобрел в 1911 году американский инженер Чарлз Кеттеринг

(Charles Kettering, 1876–1958). [1.16]

Для улучшения свойств горения бензина (для предотвращения детонации), в 1923 году в него стали добавлять тетраэтиловый свинец (C2H5)4Pb (приблизительно 1 cm3 на литр бензина), пользуясь технологией, разработанной химиком американской фирмы

Дженерал Моторс (General Motors) Томасом Миджлей (Thomas Midgley, 1889–1944). С

выхлопным газом автомобилей стало выделяться в окружающую среду приблизительно 1 g окиси свинца PbO на каждый литр использованного бензина, что повлекло за собой широкомасштабное отравление воздуха, почвы и водоемов. Предполагают, что в окружающую среду в течение 20-го века в одних только США попало таким путем 7 Mt

115

свинца [3.15]. Особенно отравленными оказались территории вдоль автомобильных дорог на ширину до нескольких сотен метров. Из-за участившихся нарушений здоровья

людей и вреда окружающей среде использование этого химиката было постепенно прекращено в большинстве стран в 1970–1990 годах. Во всем Европейском Союзе содержащий свинец (этилированный) бензин запрещен с начала 2000 года.

В дизельном двигателе, изобретенном в 1892 году немецким инженером Рудольфом Дизелем (Rudolf Diesel, 1858–1913), при сжатии воздуха достигается настолько высокая температура, что впрыскиваемое топливо зажигается. Благодаря отсутствию электрической системы зажигания устройство дизельного двигателя проще, и в нем можно использовать более тяжелое и несколько более дешевое дизельное топливо. Это топливо обычно получается путем переработки нефти, но в последнее время находит применение и биодизель (см. раздел 2.4). Дизельные двигатели, как и другие поршневые двигатели, выполняются обычно многоцилиндровыми, причем почти в одинаковой степени применяются как четырех- так и двухтактные варианты. Дизельные двигатели используются прежде всего на грузовых автомобилях, автобусах, тепловозах, судах, танках и электростанциях, но довольно часто и на легковых автомобилях; так, например, в Европе дизельными двигателями оборудована приблизительно 1/3 всех легковых автомобилей. Двигатели для автомобилей выпускаются мощностью до нескольких сотен киловатт, для тепловозов – до 6 MW, для судов до 80 MW. Кпд дизельных двигателей несколько выше, чем бензиновых (до 42 %), но масса на единицу мощности тоже несколько больше (2,8…6 kg/kW).

На электростанциях применяются дизель-генераторные агрегаты мощностью от

нескольких десятков киловатт до нескольких десятков мегаватт как для длителного режима работы, так и в качестве пиковых и резервных источников питания. Весьма распространены автоматически (в зависимости от мощности, за несколько секунд или минут) запускаемые надежные дизельные резервные

агрегаты в системах электроснабжения ответственных электропотребителей (больниц, банков, аэропортов, радиостанций, правительственных учреждений и многих других).

Р. Дизель запатентовал свой двигатель в 1893 году и демонстрировал его с большим успехом на Парижской всемирной выставке в 1900 году. После этого на немецком моторном заводе МАН (MAN, Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg ) началось серийное производство этих двигателей, и уже в 1903 году их стали применять на судах. В 1904 году та же фирма установила первый в мире дизель-генераторной агрегат на Киевской электростанции и построила в 1923 году первый в мире дизельный грузовик. Первый дизельный легковой автомобиль внедрила в производство в 1934 году немецкая фирма

Мерседес-Бенц (Mercedes-Benz) [1.16].

Быстрое возвратно-поступательное движение поршней неизбежно вызывает вибрацию двигателя. Во избежание этого недостатка неоднократно предлагалось изготовлять двигатели с круговым движением поршня (роторно- поршневые двигатели). Наиболее известным среди них является двигатель, изобретенный в 1924 году немецким инженером Феликсом Генрихом Ванкелем

(Felix Heinrich Wankel, 1902–1988) и называемый двигателем Ванкеля.

Трехгранный поршень (ротор) этого двигателя вращается эксцентрично в цилиндре овального (точнее – эпитрохоидального) сечения и приводит через свой внутренний зубчатый венец во вращение вал двигателя (рис. 3.5.4).

116

	1
	2
4	3
	7
	5
6

Рис. 3.5.4. Принцип устройства двигателя Ванкеля.

1 цилиндр,	2 ротор, 3 вал, 4 камера сжатия, 5 камера зажигания,
	6 камера выхлопа 7 свеча зажигания

Сечение ротора – треугольник Рёлё (Reuleaux) выбрано так, что его канты скользят по внутренней поверхности цилиндра, образуя три камеры с изменяющимся объемом. На каждой грани ротора происходит за каждый оборот один четырехтактный рабочий цикл; таким образом, на каждый оборот ротора совершаются 3 рабочих цикла. Вал, расположенный относительно ротора эксцентрично, соверщает обычно 3 оборота на каждый оборот ротора. По сравнению с двигателями, основанными на возвратно-поступательном движении поршней, двигатель Ванкеля вращается более равномерно,

вибрация практически отсутствует и масса на единицу мощности приблизительно в два раза меньше. В качестве топлива обычно применяется бензин, но изготавливают и двигатели, работающие на дизельном топливе. Двигатели Ванкеля с числом цилиндров от 2 до 6 и мощностью до 200 kW находят применение в первую очередь в легковых и спортивных автомобилях, двигатели меньшей мощности – на мотоциклах и картинговых машинах.

Наиболее существенным недостатком двигателя Ванкеля следует считать менее полное сгорание топлива и, как последствие, большее количество вредных компонентов в выхлопном газе и больший расход топлива. В покрытии

внутренней поверхности цилиндра и на кантах ротора необходимо использовать стойкие к износу специальные сплавы, что существенно повышает стоимость двигателя.

Так как простые двигатели Ванкеля могут изготовляться на очень малую номинальную мощность, то они стали применяться в миниатюрных электрических источниках питания, начиная с мощности 0,1 W.

Во всех двигателях внутреннего сгорания обычно 60…80 % химической энергии топлива превращается в тепло. Несмотря на то, что бóльшая часть тепловых потерь отводится выхлопным газом, необходимо предусмотреть интенсивное воздушное или водяное охлаждение двигателя. В то же время

охлаждающий воздух или охлаждающая вода могут использоваться для отопления помещений, а иногда также для производства пара, необходимого в различных технологических процессах промышленных предприятий. В частности, кпд дизельной теплоэлектроцентрали может быть доведен почти до

90 %.

В 1998 году фирма Сименс (Siemens AG) построила для здания Рейхстага в Берлине дизельную теплоэлектроцентраль с электрической мощностью 1600 kW и тепловой мощностью 1840 kW. В составе этой ТЭЦ имеется большой подземной теплоаккумулятор, который может принимать и сохранять летний избыток вырабатываемого тепла. Годовой кпд ТЭЦ составляет приблизительно 90 % [3.16].

117

Одним из наиболее существенных недостатков как бензиновых, так и

дизельных двигателей является эмиссия выхлопного газа в окружающую среду. Так как топливо обоих этих двигателей содержит приблизительно 85 % углерода и 15 % водорода, то их естественными продуктами сгорания являются двуокись углерода CO2 и водяной пар H2O, которые оба относятся к газам, вызывающим парниковый эффект (см. раздел 8.2). Кроме этого нужно учесть, что в выхлопных газах содержатся и компоненты, более вредные для здоровья людей и окружающей среды; к ним относятся, в частности,

окись углерода (угарный газ) CO, возникающий при неполном сгорании топлива,

двуокись серы SO2 (из-за содержания серы в топливе),

окиси азота NOx из-за реакции азота воздуха при высокой температуре с кислородом,

бензол C6H6 , возникающий при неполном сгорании топлива и вызывающий риск возникновения рака, болезней крови и генетических нарушений,

различные другие несгоревшие летучие углеводороды,в случае дизельных двигателей – несгоревшие высокомолекулярные

полицикличные твердые взвешенные микрочастицы (дизельная копоть), возникающие, главным образом, из-за нехватки воздуха при ускорении двигателя и относящиеся к особо опасным канцерогенным веществам.

Эти и другие загрязняющие окружающую среду вещества, а также возможности

уменьшения их эмиссии более подробно рассматриваются в разделе 8.4 настоящей книги.

Существуют и поршневые двигатели с наружным нагревом. Наиболее распространенным среди них является двигатель Стирлинга, изобретенный в 1817 году английским священником Робертом Стирлингом (Robert Stirling, 1790–1878) и основанный на периодичном нагреве и охдаждении газа (например,воздуха, водорода или гелия) в закрытом цилиндре путем направления его попеременно в горячую и холодную секции цилиндра (рис.

3.5.5).

В цилиндре двигателя Стирлинга, изображенного на рисунке, имеются два поршня, движущиеся согласованно друг с другом: рабочий поршень, который

передает работу расширения нагретого газа на коленчатый вал или на другой механизм, и поршень вытеснения, который затем выжимает расширившийся горячий газ в охлаждаемую холодную секцию. После охлажденя газ снова направляется при помощи поршня вытеснения в нагреваемую секцию. Вместо коленчатого вала, изображенного на рисунке, используются и другие механизмы, например, спаренные зубчатые колеса, также обеспечивающие синхронное движение поршней. Изготовляются и двигатели, в которых для нагрева и охлажденя газа применяются отдельные, соединенные между собой цилиндры.

118

8
4
6
5
1
7
3
2

Рис. 3.5.5. Принцип устройства и работы простейшего двигателя Стирлинга. 1 цилиндр, 2 нагреватель, 3 горячая секция, 4 охладитель (например, водяная рубашка), 5 холодная секция, 6 рабочий поршень, 7 поршень вытеснения, 8 коленчатый вал

Чем больше разность температуры между горячей и холодной секциями цилиндра, тем эффективнее действует двигатель Стирлинга. Поэтому для

охлаждения холодной секции иногда применяют особо низкотемпературные криожидкости. Для нагревания горячей секции цилиндра может применяться пламя горения какого-либо топлива, но возможно использование и концентрированного солнечного излучения, геотермального тепла или радиоактивного распада (например, плутония). Давление газа в цилиндре двигателя Стирлинга намного ниже, чем в цилиндре двигателей внутреннего сгорания, и поэтому его устройство проще, но размеры обычно несколько больше. К преимуществам двигателей Стирлинга относится и их тихая работа, благодаря чему они находят применение в подводных лодках. Они выпускаются на мощность до приблизительно 100 kW и используются в установках, в которых требуются максимально возможная простота и надежность работы. Кроме того, они позволяют использовать топливо, непригодное для двигателей внутреннего сгорания (например, неочищенный биогаз).

Первоначально двигатель Стирлинга был задуман для замены паровых машин, оказавшимися взрывоопасными. Однако за последнее время он находит все чаще применение и в электроэнергетике. В 2005 году начала, например, фирма

Санмашин (Sunmachine Vertriebsgesellschaft, Германия) выпускать мини-ТЭЦ с электрической мощностью 5 kW и тепловой мощностью 15 kW, основанных на двигателе Стирлинга, сжигающие древесные пеллеты, имеющие кпд 90 % и предназначенных для электро- и теплоснабжения малых жилых домов. При цене 23 000 евро такие ТЭЦ, особенно учитывая постоянное повышение тарифов на электроэнергию и тепло, оказались вполне конкурентоспособными по отношению к крупным энергоснабжающим организациям [3.17]. В 2006 году Южно-Калифорнийская энергосистема Southern California Edison сообщила о плане построить солнечную электростанцию мощностью 500 MW, на которой

солнечное излучение концентрируется при помощи параболических зеркал на 20 000 двигателей Стирлинга, приводящих во вращение генераторы мощностью по 25 kW [3.18].

119