Один из самых распространенных тепловых двигате-
лей - двигатель внутреннего сгорания (ДВС),
существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и
дизеля.
Бензиновый ДВС работает на жидком горючем
(бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе
(сохраняемом в усатом виде в стальных баллонах).
Сегодня проектируются ДВС, в которых в качестве
горючего будет использоваться водород.
Основная часть ДВС - один или несколько цилиндров,
внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, к
слову сказать, и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень - металлический
Итакан, опоясанный пружинящими кольцами, которые не
Пропускают газы, образовавшиеся при сгорании топлива,
дпромежутки между поршнем и стенками цилиндра. Пордвень
снабжен металлическим стержнем - пальцем, который
соединяет поршень с шатуном. Последний передает
движение поршня коленчатому валу. Верхняя часть
цилиндра сообщается с двумя клапанами. Через один из
клапанов - впускной - подается горючая смесь, через
другой - выпускной - удаляются продукты сгорания. Здесь
же помещается свеча - приспособление для зажигания
горючей смеси посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил
четырехтактный ДВС.
1-ый такт - впуск (всасывание). Открывается
впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в
цилиндр горючую смесь.
2-ой такт - сжатие. Впускной клапан закрывается.
Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая
при сжатии нагревается.
3-ий такт - рабочий ход. Смесь поджигается
электрической искрой свечи. Сила давления газов
(раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз.
Движение поршня передается коленчатому валу, вал
поворачивается, и тем самым совершается полезная
работа. Производя работу и расширяясь, продукты
сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти
до атмосферного.
4-ый такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной
клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются
через глушитель в атмосферу.
Из четырех тактов только один - третий - является
рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком
(инерционным двигателем, запасающим энергию), за счет
которого коленчатый вал вращается в течение остальных
тактов.
Дизель - другой тип ДВС. Воспламенение в его
цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух,
предварительно сжатый поршнем и, следовательно,
нагретый до высокой температуры. Это основное отличие
дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего
сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в
1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем
(1858-1913), по имени которого и называется.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Использовать внутреннюю энергию - это значит
совершить за счет нее полезную работу, то есть
превращать внутреннюю энергию в механическую. В
простейшем опыте, который заключается в том, что в
пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения
(причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка
под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и
выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит
во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь,
совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя
энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.
Если пробирку заменить прочным металлическим
цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к
стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль
них, то получится простейший тепловой двигатель.
Тепловыми двигателями называют машины, в которых
внутренняя энергия топлива превращается в механическую
энергию.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое
Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке
дс нашей эры, великий греческий механик и математик
Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью
пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены
спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского
ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола
сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола
наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась
в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал
ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки
представлял собой цилиндр, по которому как поршень
скользило ядро.
Примерно тремя столетиями позже в Александрии -
культурном и богатом городе на африканском побережье
Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый
Герон, которого историки называют Героном
Александрийским. Герон оставил несколько сочинений,
дошедших до нас, в которых он описал различные машины,
приборы, механизмы, известные в те времена.
В сочинениях Герона есть описание интересного
прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он
представляет собой полый железный шар, закрепленный
так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из
закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает
в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые
трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя
энергия пара превращается в механическую энергию
вращения шара. Геронов шар - это прообраз современных
реактивных двигателей.
В то время изобретение Герона не нашло применения
и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во
времена нового расцвета науки и техники, наступившего
после периода средневековья, об использовании
внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи.
В его рукописях есть несколько рисунков с изображением
цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится
вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи
предполагал, что образовавшийся в результате нагрева
воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет
искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего
движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу
Несколько иначе представлял себе двигатель,
использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на
век ршсе великого Леонардо. Это было колесо с
лопатками, в второе с силой ударяла струя пара,
благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу,
это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой
машитрудились англичане Томас Севери (1650-1715) и
Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен
(1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов
(1728-1766) и Дрогие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз
свободно перемещался поршень. Поршень был связан
тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед
за поршнем также поднимался и опускался. По мысли
Папена, поршень можно было связать с какой-либо
машиной, Например водяным насосом, который стал бы
качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра
насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся
газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.
После отого цилиндр и поршень с наружной стороны
обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и
их давление на поршень уменьшалось. Поршень под
действием собственного веса и наружного атмосферного
давления опусускался вниз, поднимая при этом груз.
Двигатель совершал полезную работу. Для практических
целей он негодился: слишком уж сложен был
технологический цикл его работы (засыпка и поджигание
пороха, обливание водой, И это на протяжении всей
работы двигателя!). Кроме того, применение подобного
двигателя было далеко не безопасным.
Однако нельзя не усмотреть в первой машине Палена
черты современного двигателя внутреннего сгорания.
В своем новом двигателе Папен вместо пороха
использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а
сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар
поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и
находящийся в нем пар конденсировался - снова
превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового
двигателя, под действием своего веса и атмосферного
давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше,
чем пороховой, но для серьезного практического
использования был также малопригоден: нужно было
подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду,
ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.
Все эти недостатки были связаны с тем, что
приготовление пара, необходимого для работы двигателя,
происходило в самом цилиндре.
А что если в цилиндр впускать уже готовый пар,
полученный, например, в отдельном котле? Тогда
достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то
пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с
большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Об этом догадался современник Дени Палена
англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для
откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара
происходило вне цилиндра - в котле.
Вслед за Севери паровую машину (также
приспособленную для откачивания воды из шахты)
сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он
умело использовал многое из того, что было придумано до
него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар
для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном
котле.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы,
работала прерывисто - между двумя рабочими ходами
поршня была пауза. Высотой он-а была с
четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно
<прожорлива>: пятьдесят лошадей еле-еле успевали
подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из