Быстроходные двигатели

Быстроходные двигатели внутреннего сгорания
Развитие двигателей внутреннего сгорания за последние 10 лет характеризуется широким применением газовых турбин, которые почти полностью вытеснили поршневые двигатели высокой мощности в авиации, где преимущества газовой турбины имеют наиболее благоприятные условия для реализации, в то время как ее конкурент, поршневой двигатель, оказывается менее приспособленным к работе в разреженной атмосфере.

Несмотря на проделанные уже исследования транспортных газовых турбин, пройдет еще много лет, прежде чем газовая турбина сможет конкурировать с поршневым двигателем в автомобильном транспорте, так как в этой области применения, с преобладающим фактором низкой нагрузки и требованием высокой топливной экономичности, большинство преимуществ еще остается за поршневым двигателем. Кроме появления газовой турбины, наиболее важным в развитии двигателей внутреннего сгорания за последние тридцать лет является, вероятно, успешное освоение производства легкого быстроходного двигателя с воспламенением от сжатия.

За тот же самый период бензиновый двигатель, по всем внешним признакам, претерпел только небольшие изменения; но за этот сравнительно короткий отрезок времени средняя эффективная мощность, снимаемая с двигателя определенного размера, увеличилась более чем в 2 раза, а в авиационных двигателях более чем вчетверо. Такое большое увеличение мощности двигателей получено без каких-либо радикальных изменений в конструкции. Около пятидесяти лет назад проф. Бертрам Гопкинсон обратил внимание на явление детонации в бензиновом двигателе, следствием которой он считал образование волн давления, и предполагал, что детонация является характеристикой топлива.

Постепенно пришли к выводу, что именно детонация устанавливает предел, и относительно низкий, эффективной мощности и экономичности бензинового двигателя. На практике появление детонации определяет как вес воздуха, который может быть использован при сгорании, так и возможную эффективность превращения освобожденной теплоты в полезную работу. В области быстроходных поршневых двигателей наиболее крупным событием явилось быстрое развитие двигателя с воспламенением от сжатия. В течение нескольких лет он занял место бензинового двигателя почти во всех видах тяжелого автомобильного транспорта и, конечно, во всех промышленных установках, исключая только очень небольшие мощности.

За последнее время приобрели известность миниатюрные, так называемые, двигатели Дизеля для авиамоделей. Они являются промежуточным типом двигателя, так как работают на карбюрированной смеси парообразного топлива и воздуха с воспламенением заряда от теплоты сжатия. Это возможно благодаря специфическим свойствам эфира, который составляет большую часть топливной смеси, используемой двигателем.

Несмотря на эти несколько необычные примеры, определение «воспламенение от искры» или «воспламенение от сжатия», кажется, обеспечивает наилучшую и наиболее подходящую границу между двумя типами двигателей. Книга посвящается некоторым проблемам быстроходных двигателей. Термины быстроходный и тихоходный имеют, конечно, относительное значение, и не существует четкой границы, которая могла бы быть выражена в абсолютных величинах. Граница должна быть установлена не только с учетом величин числа оборотов вала или скорости поршня, но и с учетом полного принципиального отличия конструкции, а также совершенно отличной технологии производства.

В тихоходном двигателе динамические нагрузки, возникающие от сил инерции поршней и других движущихся частей, относительно невелики; следовательно, эти части могут быть сделаны очень прочными, не вызывая чрезмерных напряжений в корпусе или подшипниках; но динамические нагрузки увеличиваются пропорционально квадрату числа оборотов, и в быстроходном двигателе приобретают решающее значение. Следовательно, сущность конструирования быстроходного двигателя состоит в том, чтобы использовать наиболее жесткий и компактный корпус, имеющий возможно более легкие движущиеся части; при этом определяющим фактором становится скорее жесткость, чем прочность.

Необходимость применения легких движущихся деталей с очень малой теплоемкостью или короткими тепловыми потоками требует специальной организации потока и передачи теплоты, которая в тихоходном двигателе может быть в основном достигнута применением толстых стенок. Кроме того, существенной особенностью быстроходного двигателя в техническом отношении является то, что все рабочие или трущиеся детали должны быть малых размеров, чтобы их можно было легко изготовить на автоматах или на специальных станках, легко подвергнуть термической обработке или сделать из дефицитных материалов.