1. Классификация тепловых двигателей

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепло­вой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механиче­скую. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внеш­ним сгоранием (паровые машины, паровые турбины и др.) и двигатели внутреннего сгорания.

Первыми тепловыми машинами с внутренним сгоранием бы­ли поршневые двигатели, характерной особенностью которых является периодичность процесса сгорания. И до настоящего времени под термином двигатели внутреннего сгорания в пер­вую очередь подразумевают поршневые двигатели. В последние 40 - 50 лет интенсивно развивается другая группа двигателей внутреннего сгорания, куда входят реактивные двигатели и га­зовые турбины, процесс сгорания в которых осуществ­ляется непрерывно.

2. Принцип работы поршневых двс

Наибольшее распространение среди тепловых двигателей по­лучили двигатели с периодическим сгоранием топлива (поршневые двигатели) или их также называют - двигатели внутреннего сгорания (ДВС). В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразование в механическую работу — происходят непо­средственно внутри двигателя. Такие двигатели используют в качестве силовой установки во всех видах транспорта — автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном. Они же являются источником механической энергии в сельскохозяйст­венном производстве и в строительстве, в нефтяной и газовой промышленности, а также в других областях народного хо­зяйства.

Спецификой работы поршневых двигателей являет­ся цикличность, обусловленная периодичностью процесса сгора­ния топлива, т. е. того процесса, в результате которого и преоб­разуется тепловая энергия в механическую. Основные детали поршневых двигателей следующие (см. рис. 2): цилиндр 2, го­ловка цилиндра 5, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, кар­тер 1, впускные 3 и выпускные 4 клапаны. Пространство, огра­ниченное стенками цилиндра, головкой и поршнем, называют камерой сгорания. В него вводятся топливо и воздух, необходи­мый для сгорания топлива.

При сгорании топливовоздушной смеси выделяется большое количество тепла, а образующиеся при этом газы давят на пор­шень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня передается через шатун на коленчатый вал, где оно преобразуется во вращательное движение. Последнее, как пра­вило, и требуется потребителю механической энергии, например колесам автомобиля, гребному винту катера и т. п.

Процесс сгорания в поршневом двигателе осуществляется в ограниченном объеме камеры сгорания, и для совершения по­лезной работы используется расширение продуктов сгорания. После стадии расширения газов для сжигания новой порции топлива необходимо удалить отработавшие газы из рабочей полости двигателя и вновь создать топливовоздушную смесь со­ответствующего состава. Таким образом, возвратно-поступатель­ное движение поршня в цилиндре двигателя обеспечивает воз­можность сжигания топлива лишь последовательными порция­ми. При этом сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных стадий, которые протекают в цилиндре двигателя в строгой последовательности. Совокупность всех процессов называют рабочим циклом, и эти циклы во время работы двигателя периодически повторяются.

Полезная работа, совершаемая двигателем, зависит от того, сколько воздуха находится в камерах сгорания и, соответствен­но, сколько топлива можно сжечь в этом объеме воздуха. Есте­ственно, чем больше общий объем всех камер сгорания, тем боль­ший объем воздуха они могут вместить, а, следовательно, тем больше топлива можно сжечь и получить большую мощность двигателя.

Однако в последние годы находит применение другой способ увеличения мощности поршневых двигателей — так называемый способ «наддува». В двигатель подается воздух не при атмосфер­ном давлении, а при некотором избыточном давлении. Тогда в том же объеме камеры сгорания удается сосредоточить больше воздуха, сжечь больше топлива и получить большую мощность.

Для создания избыточного давления воздуха устанавливают специальный компрессор, на привод которого расходуется часть мощности двигателя. Двигатели с наддувом получают широкое применение в технике.

В поршневых двигателях внутреннего сгорания воспламене­ние рабочей смеси может осуществляться по двум, принципи­ально различным схемам. В одной схеме воспламенение смеси топлива с воздухом предусматривается от постороннего источ­ника, обычно от электрической искры, в другой — смесь само­воспламеняется от горячего воздуха, нагретого в процессе сжа­тия.