Двигатели внутреннего сгорания, как правило, работают на бензине, а не на порохе, по целому ряду причин, включая физические и химические особенности этих веществ, а также технологические и экономические факторы. Давайте разберем это по порядку.
1. Химические свойства бензина и пороха
Бензин:
Бензин представляет собой смесь углеводородов, которая обладает рядом преимуществ для использования в двигателях внутреннего сгорания:
Топливная эффективность: Бензин имеет высокую энергоемкость, что позволяет эффективно преобразовывать его энергию в механическую работу. В 1 литре бензина содержится примерно 33,5 МДж энергии.
Летучесть: Бензин легко испаряется, что упрощает его впрыск в камеру сгорания и эффективное смешивание с воздухом. Это способствует стабильному и контролируемому горению.
Контролируемость сгорания: В бензине присутствуют углеводороды с различными точками кипения, что позволяет гибко регулировать его свойства в зависимости от условий работы двигателя.
Порох:
Порох (или черный порох) — это смесь угля, серы и калийной селитры, которая при воспламенении выделяет огромное количество тепла и газов. Однако его использование в двигателях внутреннего сгорания имеет несколько проблем:
Низкая энергетическая плотность: Энергия, выделяемая при сгорании пороха, значительно ниже, чем у бензина. Это делает порох менее эффективным топливом для автомобилей.
Нестабильность: Порох может воспламеняться при высоких температурах или при механических повреждениях, что делает его опасным для применения в двигателях.
Невозможность контролировать сгорание: Порох сгорает слишком быстро и с высокой силой, что делает невозможным его использование для плавного и контролируемого движения автомобиля. Это приводит к резким импульсам, а не к равномерному вращению коленчатого вала, как в случае с бензиновым двигателем.
2. Конструктивные особенности и принципы работы двигателя
Двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, использует принцип сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре, что дает возможность контролировать момент воспламенения смеси и силы сгорания. Важными являются следующие аспекты:
Воспламенение с помощью искры: В бензиновых двигателях используется система зажигания, где искра от свечи зажигания вызывает воспламенение смеси топлива и воздуха в цилиндре. Этот процесс достаточно контролируем, что позволяет двигателю работать плавно.
Плавность и долговечность: Современные бензиновые двигатели обеспечивают достаточно низкие выбросы загрязняющих веществ и работают на высоких оборотах с плавным набором мощности. Это возможно благодаря оптимальному сгоранию топлива.
Отсутствие сильного давления: В бензиновом двигателе сгорание топлива происходит с относительно низким давлением и температурой, что позволяет конструкциям двигателя оставаться долговечными.
С другой стороны, порох имеет слишком резкое сгорание, что создает огромное давление и теплоту. Двигатель, работающий на порохе, не мог бы работать эффективно без применения сложных и дорогих технологий для контроля этих факторов. В результате порох не стал бы оптимальным выбором для использования в автомобиле.
3. Историческая эволюция технологий
Когда началась разработка первых двигателей внутреннего сгорания, инжиниры исследовали различные виды топлива, включая порох и спирт. Однако многие из первых двигателей, как например, двигатель Николауса Отто, использовали бензин, так как этот топливный материал имел следующие преимущества:
Доступность: Бензин был легко доступен в больших количествах. В то время его извлечение из нефти было экономически более выгодным, чем производство пороха.
Потенциал для массового производства: В условиях растущей индустриализации бензин был гораздо проще для массового производства, хранения и транспортировки, чем порох.
К тому же, бензиновые двигатели легко адаптировались к существующим технологиям и стандартам.
4. Безопасность и стабильность
Порох опасен в обращении, особенно при попытке воспламенить его в контролируемых условиях. Взрыв при неконтролируемом сгорании или из-за высокой температуры или давления может привести к разрушению двигателя. В отличие от этого, бензин менее взрывоопасен при обычных условиях, и его можно безопасно хранить и использовать в автомобилях.
5. Экономика и масштабы производства
Кроме химических и конструктивных аспектов, ключевым фактором, который сделал бензин предпочтительным топливом для автомобильных двигателей, была его экономичность и масштабируемость:
Снижение стоимости: Бензин был дешевле в производстве и гораздо проще транспортировать в больших объемах по сравнению с порохом. Производственные процессы, связанные с бензином, были более развиты на момент появления первых автомобилей, что позволяло снизить стоимость топлива и его распространение по всему миру.
Инфраструктура: Бензиновые двигатели и инфраструктура для их обслуживания начали развиваться одновременно, что обеспечивало быстрое распространение автомобилей и развитие мировой автомобильной промышленности.
Заключение
Таким образом, выбор бензина как топлива для автомобилей был обусловлен сочетанием его химических и физико-технических характеристик, экономическими и технологическими факторами. Бензин оказался более безопасным, экономичным и удобным для массового производства и применения в двигателях внутреннего сгорания по сравнению с порохом. Это позволило создать эффективную и безопасную систему, которая продолжает использоваться в автомобилях до сих пор, хотя современные технологии уже активно развивают альтернативные источники энергии.
