Беседы о физике и технике

Карбюраторные двигатели работают обычно на высококачественном бензине, тогда как дизели — на относительно недорогом жидком топливе, являющемся грубой фракцией перегонки нефти. Более высокий КПД дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями, а также важнейший в настоящее время ресурсосберегающий фактор (наиболее полное использование всех продуктов переработки естественных запасов сырья) обусловили их более широкое применение на транспорте, электростанциях, в тракторах.

Если КПД бензиновых двигателей не превышает 30 %, то для дизеля он достигает 35–40 %. Эти обстоятельства привели к тому, что 25 советских автозаводов, выпускающих свыше 300 моделей автомобилей, к концу одиннадцатой пятилетки поставляли народному хозяйству каждый третий автомобиль, оснащенный дизельным двигателем (в 1,8 раза больше, чем в 1980 г.). А это миллионы тонн сбереженного топлива!

ТАК КАК ЖЕ РАБОТАЮТ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ?

Все двигатели внутреннего сгорания с точки зрения осуществляемого в них рабочего цикла могут быть разделены на три типа:

1) двигатели, использующие четырехтактный цикл Отто,

2) двигатели Дизеля,

3) двигатели, использующие цикл Тринклера.

Если сгорание в двигателе происходит при постоянном объеме, то замкнутый цикл работы такого двигателя называют циклом с горением при постоянном объеме или циклом Отто (по имени немецкого изобретателя Отто, предложившего такой цикл в 1876 г.). По такому циклу работают все карбюраторные двигатели.

Если сгорание в двигателе происходит при постоянном давлении, то цикл работы такого двигателя называют циклом с горением при постоянном давлении. Такой цикл осуществляется в двигателях внутреннего сгорания системы дизеля (по имени немецкого инженера Дизеля, предложившего в 1897 г. цикл, в котором сгорание топлива осуществляется при постоянной температуре, а не при постоянном давлении, как в существующих двигателях).

Если сгорание рабочей смеси происходит сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении, такой цикл называют циклом смешанного горения или циклом Тринклера (по имени русского инженера Тринклера, предложившего его в 1904 г. из стремления упростить машину Дизеля). По такому циклу работают быстроходные автомобильные двигатели с высоким сжатием.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ДИЗЕЛЯ?

В связи с наибольшим распространением в настоящем и будущем двигателей Дизеля ознакомимся кратко с рабочим циклом одноцилиндрового двигателя (рис. 4). В описании встретятся сокращения: ВМТ — верхняя мертвая точка (максимально высокое положение поршня при вертикальном расположении цилиндра), НМТ — нижняя мертвая точка.

В цилиндре дизельного двигателя происходит четыре процесса: впуск чистого воздуха, сжатие чистого воздуха, расширение газов после впрыскивания через специальные форсунки топлива и его сгорания (рабочий ход), выпуск отработавших газов.

Рис. 4. Схема устройства и рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя:

_{а — впуск чистого воздуха, б — сжатие, в — расширение (рабочий ход), г — выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал, 2 — шатун, 3 — поршень, 4 — выпускной клапан, 5 — форсунка, 6 — впускной клапан, 7 — воздухоочиститель, 8 — цилиндр, 9 — маховик}

1. Процесс впуска (на рабочей диаграмме, представленной на рис. 5, линия 0–1). Поршень движется от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан открывается. Вследствие разрежения, создающегося над поршнем, воздух заполняет цилиндр.

2. Процесс сжатия (адиабата 1–2 на рис. 5). Поршень движется от НМТ к ВМТ, сжимая воздух в цилиндре. Оба клапана при этом закрыты. В результате быстрого сильного сжатия температура воздуха внутри цилиндра возрастает до 600 °C, а давление повышается до (35–40)∙10⁵ Па.

В конце сжатия при положении поршня, близком к ВМТ, через форсунку в цилиндр под давлением (120–200)∙10⁵ Па впрыскивается мелко распыленное жидкое топливо. Смешиваясь с сильно нагретым воздухом, топливо сначала нагревается, а потом самовоспламеняется (изобара 2–3 на рис. 5).

3. Процесс расширения (рабочий ход). На рис. 5 этому процессу соответствует адиабата 3–4. Во время рабочего хода поршень движется от ВМТ к НМТ.

Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. В самом начале рабочего хода поршня впрыскивание топлива и его сгорание в цилиндре еще продолжаются. Температура газов, образовавшихся во время сгорания топлива, возрастает до 1800–2000 °C, а их давление — до (55–65)∙10⁵ Па. Это давление передается поршнем через шатун коленчатому валу, заставляя его вращаться и производить работу. При движении поршня от ВМТ к НМТ газы в цилиндре расширяются, в результате чего к концу хода поршня давление их снижается до (4–5)∙10⁵ Па, а температура — до 900—1100 °C.

Рис. 5. Рабочая диаграмма цикла дизеля

4. Процесс выпуска. Выпускной клапан открывается. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Выталкивание этих газов происходит сначала под действием их остаточного давления, а затем поднимающимся поршнем. К концу хода поршня выпускной клапан закрывается. Давление в цилиндре составляет (1,1–1,2)∙10⁵ Па, а температура 600–700 °C. В дальнейшем процесс повторяется.

Если в паровой машине разность температур нагревателя и холодильника составляет 500 К, в карбюраторных — 1000 К, то в дизелях она значительно больше: 1800–2000 К.

Отсюда понятно, почему КПД дизеля значительно выше, чем у других тепловых двигателей, (во всех случаях за температуру холодильника принимается температура атмосферы).

ЧТО ТАКОЕ СОВРЕМЕННАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА?

Прошло более двух тысячелетий после Герона Александрийского (предложившего, как нам известно, идею использования энергии пара в турбине), прежде чем в конце XIX в. его идея получила признание и применение.

Турбины получили широкое распространение, например, на электростанциях, для работы которых необходим двигатель с большим числом оборотов и большой мощности. В настоящее время экономичные паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания вытеснили паровые машины отовсюду. Достаточно сказать, что в 60-е годы нашего столетия более 80 % всей электроэнергии, вырабатываемой в стране, давали паротурбинные станции. И хотя в целях экономии природных источников получения теплоты (угля, нефти, газа) удельный вес паротурбинных установок в общем балансе должен сокращаться за счет гидростанций, паровые турбины все же будут иметь большое значение в народном хозяйстве. Простейшая турбина (рис. 6) состоит из закрепленного на валу 1 рабочего колеса 4 с лопатками 5, расположенными по окружности колеса (барабана).

Рис. 6. Модель простейшей одноступенчатой турбины

Пар при температуре 600–650 °C с давлением до 3∙10⁷ Па (в современных турбинах) поступает на лопатки через специальные каналы — сопла 2, назначение которых состоит в получении струи с надлежащей по модулю и направлению скоростью. В сопле пар расширяется и часть его внутренней энергии преобразуется в кинетическую. В результате изменения направления движения пара в лопатках турбины (при неизменном давлении пара) рабочее колесо начинает вращаться, приводя в действие электрический генератор, воздуходувку, компрессор или какое-либо другое устройство.