Классификация тепловых двигателей и принцип работы ДВС с периодическим сгоранием топлива

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ КЛАССИФИКАЦИИ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в работу, называют двигателями. Устройства, трансформирующие в работу тепловую энергию, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомо­бильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах.

Различают ТД стационарные и транспортные. Для транспорт­ных двигателей характерна работа при изменении в широких пре­делах скоростного и нагрузочного режимов, а также необходимость сохранения работоспособности при изменениях положения двига­теля в пространстве. К ним предъявляются повышенные требования по уменьшению габаритов и массы.

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ – это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепло­вой энергии в работу) различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Для ДВПТ характерны следующие особенности:

- теплота к РТ подводится вне двигателя (обычно в теплообмен­нике);

- РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;

- работа совершается в турбине или в расширительном ци­линдре.

Классический пример этого типа ДВПТ – паровой двигатель, схе­ма которого приведена на рис. 1.1. Здесь теплота Q₁ подводится к РТ (вода) в парогенераторе и в пароперегревателе, работа L_M со­вершается в паровой турбине, теплота Q₂ от РТ отводится в конденсаторе, где отработавший в турбине пар превращается в воду. Далее вода питательным насосом перекачивается вновь в парогене­ратор.

Рис.1.1. Схема парового двигателя:

1 – парогенератор (котел); 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 - конденсатор; 5 – питательный насос

Для ДВС характерны следующие признаки:

• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в работу происходят непосредственно в двигателе;

• РТ обновляется в процессе работы двигателя.

ДВС по сравнению с ДВПТ имеют, как правило, существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, вследствие чего они являются в настоящее время основным типом т ранспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энер­гия сгорающего топлива преобразуется в работу, различают: порш­невые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД); газотурбинные двигатели (ГТД); реактивные двигатели (РД).

В качестве примера для анализа признаков, присущих конструк­ции ДВС, рассмотрим схему простейшего одновального ГТД, пред­ставленную на рис. 1.2.

Принцип работы двигателя заключается в следующем: компрес­сором, рабочее колесо которого находится на одном валу с турби­ной, воздух сжимается до давления р_к и подается в камеру сгорания, куда топливным насосом впрыскивается через форсунку топливо. После поджигания факела топлива запальной свечой в камере об­разуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, ко­торые поступают на турбину, где производят полезную работу. Далее РТ покидает двигатель в виде отработавших газов (ОГ). Как следует из приведенной схемы, теплота при сгорании топлива выде­ляется внутри двигателя и РТ непрерывно обновляется. Из-за не­удовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике.

Рис.1.2. Схема одновального газотурбинного двигателя:

1 – компрессор; 2 – форсунка; 3 – камера сгорания; 4 – топливный насос; 5 – турбина

Здесь в качестве энергетических установок используются главным образом ПДВС*.

НМТ ВМТ

Рис.1.3. Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: 1 – поплавковая камера; 2 – диффузор; 3 – дроссельная заслонка; 4 – свеча зажигания

По способу воспламенения смеси различают ДВС с принуди­тельным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, ра­ботающие с воспламенением от сжатия. В двигателях с искровым зажиганием используются два вида топлива: жидкость – преимущественно бензин (бензиновые двигатели) и газ (газовые двига­тели).

Бензиновые карбюраторные (рис. 1.3) и газовые двигатели, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне цилиндра в автономном устройстве, назы­ваемом карбюратором или смесителем, по другому признаку классификации относят к ДВС с внешним смесеобразованием.

Двигатели с искровым зажиганием выполняются также с впры­скиванием топлива во впускной трубопровод (обычно на впускной клапан) (рис. 1.4) или в цилиндр. В этом случае формально к двига­телям с внешним смесеобразованием может быть отнесен только первый конструктивный вариант.

В дизелях топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, в силу чего они относятся к двигателям с внутренним смесеоб­разованием (рис. 1.5).

Следует отметить еще один признак, отличающий двигатель с искровым зажиганием от дизеля, - способ регулирования мощ­ности. Двигатели с искровым зажиганием относятся к ДВС с ко­личественным регулированием, так как их мощность регулируется на большей части режимов изменением количества подаваемой в цилиндры топливовоздушной смеси (ТВС).