В традиционных паровых машинах и даже в современных паровых турбинах, для того чтобы нагреть воду, получить пар и привести машину в движение, топливо сжигается вне двигателя. Однако эффективнее сжигать топливо в самом двигателе и использовать расширение образующихся газообразных продуктов сгорания для приведения в движение поршня или турбины.
Впервые газовый двигатель внутреннего сгорания был построен немецким инженером Николаусом Августом Отто и продемонстрирован в Париже в 1867 г. Он был громоздким, шумным и не очень экономичным, однако послужил прототипом для 99% существующих в настоящее время двигателей.
Четырехтактный цикл
В 1876 г. Отто изобрел газовый двигатель с четырехтактным циклом. В нем газ перед сгоранием сжимался, что не только повышало кпд двигателя, но и снижало расход топдива.
Так как на четыре хода поршня приходится один рабочий ход, системы получили название четырехтактного цикла. Он наиболее типичен для большинства современных двигателей. Четыре основных такта включают движение поршня вниз, при котором происходит всасывание топливно-воздушной смеси; такт сжатия (поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь); рабочий ход – второе движение поршня вниз, обусловленное быстрым горением топлива в смеси, и такт выпуска, при котором движение поршня вверх приводит к выпуску газа из цилиндра.
Двигатели многих мотоциклов и некоторых малолитражных автомобилей работают на двухтактном цикле, предложенном Дугалдом Клерком в 1880 г. Подача топлива и выхлоп отработанных газов в процессе движения поршня происходят через отверстия в стенке цилиндра.
В четырехтактном двигателе системы впуска и выпуска снабжены клапанами; они управляются автоматически посредством кулачкового валика, вращающегося от коленчатого вала двигателя. При работе двигателя клапаны своевременно открываются и закрываются.
Момент воспламенения топливовоздушной смеси контролируется. Контроль осуществляется распределителем зажигания, механически соединенным с коленчатым валом. Распределитель направляет электрический ток к очередному цилиндру, ток «зажигает» искру в свече зажигания, а последняя воспламеняет топливовоздушную смесь в цилиндре.
Двигатели Отто успешно работают на каменноугольном газе, однако его хранение представляет определенные технологические трудности. Характеристика газовых двигателей была значительно улучшена за счет использования жидкого топлива, в частности бензина, получаемого перегонкой нефти-сырца. Горючая смесь, направляемая в цилиндры, получается смешением мелкораспыленного бензина с воздухом. Смешение осуществляется в карбюраторе.
В отличие от паровых машин большинство двигателей внутреннего сгорания не создает большой мощности при малых оборотах. Цилиндры двигателей обычно невелики, и каждый рабочий ход цилиндра производит лишь небольшую работу. Для повышения кпд необходимо увеличить число оборотов, а значит, и число рабочих ходов в 1 с. Максимальная мощность двигателя автомобиля достигается при 5000 об/мин и более. Верхний предел скорости ограничивается прочностью и износостойкостью двигателя, что обусловлено вибрацией поршней и приводов клапанов. Специально изготовленные двигатели, хорошо сбалансированные и плавные на ходу, позволяют получить большие мощности при 12 000 об/мин и более.
Экономичный дизель
В двигателе, изобретенном немецким инженером Рудольфом Дизелем (1858-1913) в 1896 г., в отличие от бензиновых двигателей нет карбюратора и свечей зажигания. В цилиндре в такте сжатия находится чистый воздух, который сжимается до 1/14 – 1/20 первоначального объема. В конце такта сжатия в цилиндр подается струя мелкораспыленного жидкого топлива. В момент максимального сжатия температура газа повышается настолько, что впрыснутая струя топлива самопроизвольно воспламеняется.
Высокие степени сжатия делают дизели более экономичными двигателями, чем бензиновые, но они сложнее в производстве. Дизели потребляют меньше топлива, однако обладают худшими характеристиками; они выгодны для устройств с частыми остановками и пусками, почему их широко применяют в такси, автобусах и грузовиках.
Мощные газотурбинные двигатели
К совершенно иным типам двигателя относится газотурбинный двигатель, элементы которого были разработаны в начале текущего века. Он состоит из турбины и компрессора, сидящих на одном валу. Чтобы турбина работала, воздух повышенного давления из компрессора смешивают с топливом, смесь зажигается; полученные при этом газы высокой температуры и давления проходят через лопатки турбины и вращают ее вместе с компрессором. Значительная часть энергии турбины расходуется на вращение компрессора, однако оставшейся энергии достаточно, чтобы установку можно было использовать в качестве двигателя. Кпд газотурбинных двигателей не очень высок, но благодаря хорошему отношению мощности к массе их можно устанавливать на самолетах. При равной массе мощность газотурбинных двигателей втрое превышает мощность поршневых.