Двигатели внутреннего сгорания

Наибольшее распространение среди тепловых двигателей полу­чили двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы - сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразова­ние в механическую работу - происходят непосредственно внутри двигателя. Такие двигатели используют во всех видах транспорта: автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном, а также в сельскохозяйственном производстве, в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на:

1) двигатели с периодическим сгорани­ем топлива (поршневые);

2) двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

Первая группа двигатели внутреннего сгорания, в свою очередь, подразделяется на:

а) дви­гатели с принудительным воспламенением (карбюраторные);

б) двигатели с самовоспламенением - быстроходные и тихоходные дизели.

2 Поршневые двигатели внутреннего сгорания состоят (рис. 4.1) из камеры сгорания 1, газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2 и кривошипно-шатунного механизма: цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т.д. Для обеспечения рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания имеют системы пита­ния, зажигания, смазки и охлаждения.

Вторая группа двигатели внутреннего сгорания подразделяется на:

а) реактивные двигатели (ракетные и воз­душно-реактивные);

б) газовые турбины (транспортные и стационарные).

Двигатели с принудительным воспламе­нением (карбюраторные).

В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется от внешнего источника - электрической искры (свечи), а процесс смесеобразования проис­ходит вне цилиндра в специальном устрой­стве - карбюраторе (либо во впускном тру­бопроводе или камере сгорания, куда бен­зин впрыскивается с помощью форсунки). Непосредственный впрыск применяется в авиационных поршневых двигателях и в некоторых зарубежных мо­делях двигатели внутреннего сгорания. Карбюратор служит для дозирования и распыливания, частичного испарения и смешения бензина с воздухом. Полученная в карбюраторе горючая смесь поступает в цилиндр в такте впуска. Далее горючая смесь подвергается сжатию (до е=7-9), при этом топ­ливо полностью испаряется, перемешивается и нагревается. В кон­це такта сжатия в камеру сгорания подается от свечи электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате рез­ко повышается температура и давление над поршнем. Под действи­ем давления поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и со­вершает полезную работу. Затем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулиру­ются с помощью впускных и выпускных клапанов.

В четырехтактном двигателе рабочий такт совершается за счет энергии сгорания топлива. Остальные такты рабочего цикла совер­шаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу.

Для обеспечения равномерной работы двигателя внутреннего сгорания в одном блоке распо­лагают несколько цилиндров, поршни которых через шатуны при­водят во вращение коленчатый вал. Сгорание и рабочие циклы в цилиндрах происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.

В последние годы за рубежом и в России начали выпускать но­вые модели легковых автомобилей, оснащенных с бескарбюратор­ными двигателями с электронным впуском топлива (16-клапанные). Главное их достоинство - большая по сравнению с карбюраторными двигателями топливная экономичность, обусловленная за счет рав­номерного распределения впуска топлива в камеры сгорания, и мень­шая вероятность детонационного сгорания благодаря меньшему вре­мени контакта топлива с воздухом.

Двигатели с самовоспламенением (дизели). Особенностью рабо­чего цикла дизельных двигателей является самовоспламенение го­рючей смеси без какого-либо внешнего источника воспламенения. Процесс образования горючей смеси в дизелях происходит внутри цилиндра (карбюратор и свечи отсутствуют).

В отличие от карбюраторного двигателя в такте впуска в цилиндр поступает не горючая смесь, а только воздух. Воздух затем подвер­гается сильному сжатию (е= 16-20) и нагревается до 500 - 600°С. В конце такта сжатия в цилиндр под большим давлением впрыскива­ется топливо через форсунку. При этом топливо мелко распыливается, нагревается, испаряется и перемешивается с воздухом, обра­зуя горючую смесь, которая при высокой температуре самовоспла­меняется. Все остальные стадии рабочего цикла происходят так же, как и в карбюраторном двигателе. Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает более высокий коэффициент полезного действия двигателя. Однако высокое давление требует применения более проч­ных толстостенных деталей, что повышает материалоемкость (мас­су) дизеля.

Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент таких двигателей - камера сгорания постоянного объема. В нее не­прерывно подаются горючее и окислитель. Газовый поток продук­тов сгорания за счет высокой температуры приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора га­зовой турбины. Реактивная сила тяги, возникающая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной уста­новки и от плотности окружающей среды, как у винтовых транспорт­ных средств, и может обеспечивать движение летательных аппара­тов в безвоздушном межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет. Подавляющее большинство современных самолетов оборудовано воздушно-реак­тивными двигателями (ВРД). Обычно в ВРД между камерой сгора­ния и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Часть кинетической энергии газового потока преобразуется во вращатель­ное движение турбины. На одном валу с турбиной обычно устанав­ливают компрессор, который сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, а также генератор, масляный и топливный насосы и т.д. После турбины продукты сгорания поступают в реактивное сопло, где основная часть кинетической энергии газов преобразуется в ре­активную силу тяги. Подобные двигатели называют турбо-компрес­сорными воздушно-реактивными двигателями (ТКВРД). Они полу­чили широкое распространение в современной авиации. Турбо-компрес­сорными воздушно-реактивными двигателями от­носятся к двигателям с непрерывно-протекающим рабочим процес­сом. Топливо подается в камеру сгорания непрерывно, и процесс го­рения протекает постоянно. Внешнее зажигание необходимо только в начальный момент пуска двигателя.

Поскольку при сгорании топлива в камере развивается высокая температура (1500-1800°С), а материалы камеры, лопаток газовой турбины и реактивного сопла не выдерживают столь высоких темпе­ратур, горячие газы разбавляют вторичным воздухом непосредствен­но после зоны горения топлива. При смешении газового потока с вторичным воздухом температура смеси снижается до 850 - 900°С. В зоне горения топлива необходимо создавать условия для обеспече­ния стабильности процесса горения без срывов пламени. Скорость распространения фронта пламени составляет около 40 м/с. Для сни­жения скорости газовоздушного потока до величин менее скорости распространения фронта пламени в камерах сгорания устанавлива­ют различные завихрители, стабилизаторы, обтекатели, экраны и т.д. Эти устройства, кроме того, повышают турбулентность движе­ния горючей смеси и тем самым увеличивают скорость ее сгорания.

Газотурбинные двигатели (ГТД) по принципу работы почти ана­логичны турбо-компрес­сорным воздушно-реактивными двигателям, в них отсутствует только реактивное сопло. В ГТД вся кинетическая энергия продуктов сгорания топлива преобразуется полностью во вращательное движение вала газовой турбины и соот­ветственно либо в механическую, либо электрическую.

Реактивные двигатели - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи.

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная).

Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы - продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных типов.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис.1 Классификация нефтепродуктов по назначению