Особенности ДВС

Конспект лекционных занятий

Лекция 1. энергетические установки. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) (2 часа)

Особенности ДВС

Одним из наиболее распространенных видов энергетических установок транспортной техники являются двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному типу тепловых двигателей, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую. Тепловые двигатели разделяются на две основные группы.

1. Двигатели с внешним сгоранием.

2. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

В двигателе внутреннего сгорания механическая работа образуется за счет энергии топлива, сгорающего внутри рабочего цилиндра. К таким двигателям относятся поршневые, роторно-поршневые, комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели (рисунок 1).

а - поршневой двигатель; б – газовая турбина; в – жидкостный реактив­ный двигатель; г – роторно-поршневой двигатель; 1 – картер; 2 – цилиндр; 3 – впускной клапан; 4 – выпускной клапан; 5 – крышка цилиндра; 6 – пор­шень; 7 – шатун; 8 – коленчатый вал; 9 и 16 – насосы; 10 – камера сгорания; 11 – направляющий аппарат; 12 – турбина; 13 – компрессор; 14 и 15 – баки; 17 – сопло; 18 – корпус; 19 – эксцентриковый вал; 20 – ротор; 21 – впускной канал; 22 – выпускной канал; 23 – свеча зажигания.

Рисунок 1 – Принципиальная схема двигателей внутреннего сгорания

У поршневого двигателя (рисунок 1, а) основными деталями являются цилиндр 2, крышка (головка) 5 цилиндра, картер 1, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, впускные 3 и выпускные 4 клапана. Топливо и воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун передается установленному в картере коленчатому валу, который и преобразует его во вращательное движение.

В роторно-поршневых двигателях (рисунок 1, г) сжатие, расшире­ние, выпуск и впуск рабочего тела производятся при изменении объемов полостей, образованных между кор­пусом 18 двигателя и совершающим сложное планетарное движение ротором 20, имеющим треугольную форму. Глав­ное их отличие от поршневых двигателей состоит в за­мене возвратно-поступательного движения поршней вращательным. Вследствие этого может быть увеличе­на частота вращения вала двигателя, что при одинако­вом массовом заряде рабочего объема позволяет полу­чить большую мощность. Поэтому при одинаковой мощ­ности роторно-поршневые двигатели компактнее обыч­ных поршневых двигателей и легче последних.

Рабочий процесс в роторно-поршневых двигателях осуществляется за четыре такта. За три оборота эксцентрикового вала двигателя совершается один полный оборот ротора. Продолжительность каждого такта таким обра­зом составляет 270° угла поворота эксцентрикового ва­ла, т. е. полный четырехтактный цикл в одной полости совершается за один оборот ротора или за три полных оборота эксцентрикового вала 19.

В газовых турбинах (рисунок 1, б) сжигание топлива производится в специальной камере сгорания 10. Топливо в нее подается насосом 9 через форсунку. Воздух нагнетаеся в камеру сгорания с помощью компрессора 13, установленного на одном валу с рабочим колесом газовой турбины 12. Продукты сгорания через направляющий аппарат 11 поступают на лопатки рабочего колеса турбины.

В жидкостных реактивных двигателях (рисунок 1, в) жидкое топливо и окислитель насосами 16 подаются под давлением из баков 14 и 15 в камеру сгорания 10. Продукты сгорания расширяются в сопле 17 и вытекают в окружающую среду с большой скоростью, что является причиной реактивной силы (силы тяги) двигателя. Сила тяги двигателя почти не зависит от скорости движения реактивного корабля, но его мощность возрастает с увеличением скорости движения. Недостатком реактивных двигателей является относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.

Комбинированными двигателями называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин, а также устройств для отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом.

Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части или валом расширительной машины, или обоими валами одновременно. Комбинированный двигатель имеет малый объем и массу на I кВт, а также высокую экономичность, по сравнению с экономичностью поршневого двигателя.

Чаще всего расширение выпускных газов поршневой части происходит в предварительно сжатом свежем заряде турбомашины. Здесь выпускные газы из поршневого двигателя отдают свою энергию лопаткам рабочего колеса газовой турбины, приводящей в действие компрессор. Последний засасывает воздух из атмосферы и под давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя, т.е. происходит наддув.

Повышение давления на впуске называется наддувом.

Поршневые и комбинированные двигатели являются наиболее экономичными. Но наличие в поршневых двигателях кривошипно-шатунного механизма усложняет конструкцию и ограничивает возможность повышения числа оборотов. В связи с этим широкое распространение получили комбинированные двигатели внутреннего сгорания, состоящие из поршневого двигателя, компрессионных (компрессора) и расширительных (газовая турбина) машин.