Газовый двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который использует в качестве топлива не жидкие нефтепродукты, а газообразные вещества. К ним относятся, например, природный (метан) или сжиженный (пропан-бутан) газы. В зависимости от способа воспламенения топливной смеси выделяют две основные разновидности таких силовых агрегатов:
1) газодизель, где газовоздушная смесь поджигается от впрыскиваемой в цилиндр порции жидкого дизельного топлива;
2) классический газовый двигатель с искровым зажиганием, работающий по принципу, аналогичному бензиновому мотору.
Рабочий цикл газового двигателя с искровым зажиганием
Полный рабочий цикл такого двигателя состоит из пяти последовательных тактов, каждый из которых выполняет свою функцию:
1. Впуск. При движении поршня от верхней мёртвой точки к нижней открывается впускной клапан. В цилиндр поступает свежая порция газообразного топлива, которая смешивается с остаточными газами от предыдущего цикла, формируя рабочую смесь.
2. Сжатие. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Поршень движется вверх, сжимая рабочую смесь. В начале такта температура топлива ниже температуры стенок цилиндра, поэтому тепло передаётся от металла к газу. По мере сжатия температура смеси резко возрастает и начинает превышать температуру стенок, после чего теплообмен меняет направление — тепло отводится от газа к охлаждаемым стенкам цилиндра.
3. Сгорание. В момент, близкий к верхней мёртвой точке поршня, смесь воспламеняется от электрической искры, создаваемой свечой зажигания. Происходит быстрое горение с выделением большого количества тепловой энергии.
4. Расширение (рабочий ход). Образовавшиеся при сгорании горячие газы с высоким давлением толкают поршень вниз, совершая полезную работу. В течение этого такта также продолжается активный теплообмен: раскалённые газы отдают часть тепла стенкам цилиндра.
5. Выпуск. Открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему, освобождая его для следующего цикла.
История создания и эволюция
История газовых двигателей началась на рубеже XVIII–XIX веков с открытием так называемого светильного газа, получаемого из угля. В 1801 году французский инженер Филипп Лебон получил патент на проект двигателя, работающего на этом газе. Его ключевой идеей было использование энергии не только тепла от сгорания, но и давления расширяющихся газов. По сути, Лебон заложил концептуальные основы будущего двигателя внутреннего сгорания, однако его ранняя смерть помешала реализовать проект в металле.
Практическое воплощение эти идеи получили лишь в 1860 году благодаря бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Он создал и запатентовал первый практически пригодный газовый двигатель, в котором топливная смесь воспламенялась с помощью электрической искры. Сама идея была революционной и крайне востребованной промышленностью, однако первоначальная конструкция имела серьёзные недостатки. Хотя опытные образцы работали удовлетворительно, при длительной эксплуатации в реальных условиях двигатель быстро перегревался и выходил из строя из-за отсутствия систем охлаждения и эффективной смазки. Конкурентоспособным изобретение Ленуара стало только после того, как другие инженеры дополнили его этими критически важными системами, что открыло путь для массового использования двигателей внутреннего сгорания.