Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются основой современного транспорта и многих промышленных установок. Они преобразуют химическую энергию топлива в механическую работу. Существует три основных типа ДВС, различающихся по способу подачи топливовоздушной смеси (ТВС) в камеру сгорания: циклические (карбюраторные и дизельные) и с непрерывной подачей (турбокомпрессорные).
Карбюраторные двигатели (двигатель Отто)
В двигателе, изобретенном Николаусом Отто в 1880 году, образование смеси происходит в карбюраторе, который дозирует и распыляет топливо в потоке воздуха. Рабочий цикл такого четырехтактного двигателя состоит из следующих этапов:
1. Впуск: Поршень движется вниз, засасывая ТВС через открытый впускной клапан.
2. Сжатие: Оба клапана закрыты, поршень движется вверх, сжимая смесь до 0.7–1.0 МПа и нагревая её до 200–400 °C.
3. Рабочий ход: В конце сжатия смесь воспламеняется от искры свечи. Образующиеся газы давят на поршень, заставляя его двигаться вниз и вращать через шатун коленчатый вал. Давление достигает 3–6 МПа, а температура — 1600–1800 °C.
4. Выпуск: Поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан.
Горение должно быть плавным, а не взрывным, для чего используются специальные бензины. Современные тенденции направлены на переход к системам прямого впрыска топлива, что повышает экономичность.
Дизельные двигатели
Принцип работы дизеля (Рудольф Дизель, 1897 г.) отличается. Здесь в цилиндр сначала засасывается и сильно сжимается (до 6–8 МПа) только воздух, который от этого нагревается до 550–650 °C. Затем в этот горячий воздух насос высокого давления впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется. Высокая степень сжатия (до 40–60) делает дизели на 20–30% экономичнее классических карбюраторных моторов, хотя они и крупнее. Основное топливо — дизельное, но могут использоваться и тяжелые нефтяные топлива или газ.
Двигатели с непрерывным горением: газотурбинные и реактивные
В этих двигателях цикл протекает не во времени, а в пространстве — по длине агрегата. Воздух сжимается осевым компрессором, затем в камеры сгорания впрыскивается топливо. Горячие газы (730–830 °C) вращают турбину, которая приводит компрессор. Оставшаяся энергия либо создает реактивную тягу (в авиационных ТКВРД), либо используется для привода генератора или турбокомпрессора (в стационарных ГТУ). Топливом служат газотурбинные топлива или природный газ. Мощность таких установок может достигать 110 МВт.
Ракетные двигатели: работа в безвоздушном пространстве
Для работы в космосе ракетный двигатель должен нести на борту и топливо, и окислитель (например, жидкий кислород). Компоненты подаются в камеру сгорания, где при сгорании создается температура до 3400 °C. Газы с огромной скоростью истекают через сопло, создавая тягу. Такие двигатели разгоняли ракеты и даже наземные рекордные машины до сверхзвуковых скоростей.
Таким образом, от классических автомобильных моторов до мощнейших промышленных турбин и космических двигателей — все они являются вариациями на тему преобразования энергии сгорания топлива в полезное движение.