В ходе обсуждений я не раз замечал, что для многих людей различие между двигателями внешнего и внутреннего сгорания остается не до конца понятным. Эта статья призвана прояснить этот вопрос и познакомить читателей с удивительным многообразием силовых агрегатов, принципы работы которых могут кардинально отличаться.
Тепловые двигатели и их место среди других типов
Прежде всего, важно понимать, что и двигатели внешнего, и двигатели внутреннего сгорания относятся к обширной категории тепловых двигателей. Это первичные двигатели, чья основная задача — преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в полезную механическую работу. Однако тепловые машины — не единственный способ получения энергии. Существуют и другие типы первичных двигателей, использующие иные природные силы: гравитационную энергию падающей воды (гидротурбины), кинетическую энергию ветра (паруса, ветрогенераторы) или солнечное излучение (фотоэлектрические панели). В космической технике рассматривается даже экзотический солнечный парус, который использует давление солнечного света для создания тяги. Отдельно стоят вторичные двигатели, такие как электродвигатели, пневмомоторы и гидромоторы, которые преобразуют уже готовую энергию (электрическую, энергию сжатого воздуха или жидкости) в механическое движение.
Классификация тепловых двигателей
Тепловые двигатели, в свою очередь, делятся на две основные группы, ключевое различие между которыми заключается в месте, где происходит сгорание топлива и нагрев рабочего тела.
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) характеризуются тем, что топливо сгорает непосредственно внутри рабочей камеры самого двигателя. Они подразделяются по способу воспламенения топливно-воздушной смеси:
— Двигатели с искровым зажиганием (например, бензиновые). Смесь поджигается электрической искрой.
— Двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные). Топливо самовоспламеняется из-за высокого давления и температуры в цилиндре.
— Двигатели с калорическим зажиганием (болиндеры). Воспламенение происходит от раскаленной поверхности специальной камеры — калоризатора.
Двигатели внешнего сгорания (ДВнС) устроены иначе: сгорание топлива происходит за пределами рабочего цилиндра, в отдельной камере (топке, котле). Полученное тепло затем передается рабочему телу через стенку. Классификация ДВнС основана на способе создания давления:
— Паровые двигатели. Давление создается за счет фазового перехода воды в пар (испарения).
— Газовые двигатели (например, двигатель Стирлинга). Рабочее тело (газ) нагревается и охлаждается, изменяя свой объем, без изменения агрегатного состояния.
— Адсорбционные двигатели (аммиачно-паровые). Давление создается за счет выделения газа (аммиака) из его раствора при нагреве.
Другие принципы классификации
Помимо места сгорания, двигатели можно классифицировать по принципу действия рабочего тела. По этому признаку все силовые установки делятся на две большие категории:
— Турбины (проточные машины), где энергия потока рабочего тела (пара, газа, воды) преобразуется во вращение лопаток ротора. Турбины могут быть как паровыми (ДВнС), так и газовыми (ДВС).
— Машины объемного расширения, где энергия преобразуется за счет расширения рабочего тела в замкнутом объеме. Сюда относятся поршневые и роторные двигатели. Например, поршневой двигатель может быть как дизельным (ДВС), так и паровым (ДВнС).
Рисунок к патенту на паровой роторный двигатель, США, 1880 год.
Интересное: Замена двигателя внутреннего сгорания на Шкоду.
Роторные двигатели и реактивная тяга
Машины объемного расширения, в свою очередь, делятся по типу движения основного рабочего органа. Если в поршневых двигателях происходит возвратно-поступательное движение, то в роторных двигателях рабочий орган совершает непрерывное вращение. Это обширное семейство, включающее в себя до семи различных типов конструкций. К роторным машинам относятся не только турбины, но и, например, двигатель Ванкеля с планетарным движением ротора. Роторные конструкции особенно широко распространены в гидравлических и пневматических моторах. Множество проектов паровых роторных двигателей было создано на рубеже XIX–XX веков.
Отдельного упоминания заслуживают реактивные двигатели. Установки, работающие на жидком (ракетные двигатели) или твердом (двигатели снарядов) топливе, где сгорание происходит в камере, а создаваемая реактивная струя газа создает тягу, также относятся к двигателям внутреннего сгорания.
Паровой реактивный двигатель.
Но что самое удивительное — реактивный принцип может быть реализован и в двигателе внешнего сгорания. Яркий пример — так называемый паровой реактивный двигатель. Известны экстремальные эксперименты, когда баллон с перегретой водой под давлением в 40–60 атмосфер использовался в качестве движителя для саней. После длительного нагрева на костре и открытия клапана мощная струя пара с огромной силой толкала конструкцию вперед, разгоняя ее до высоких скоростей. Этот пример наглядно показывает, как один и тот же физический принцип (реактивная тяга) может быть воплощен в рамках разных классов двигателей.
Интересное еще здесь: Совет.
Классификация разных типов двигателей - внешнее и внутренне сгорание, паровые и газовые.