Типы двигателей внутреннего сгорания
04.03.2018 - 14.03.2018
Теорию поршневых двигателей не возможно изучать без знания предмета - конструкции двигателя, систем. Исторически сложилось так, что сначала были разработаны двигатели, а затем уже разрабатывались теоретические основы его работы. При этом цель теоретических изысканий, исследований состоит в поиске путей оптимизации всех процессов двигателя, и впервую очередь - процессов смесеобразования и сгорания, так как именно эти процессы определяют мощность двигателя и расход топлива. Начиная с 2000-х годов особое внимание уделяется образованию вредных веществ в двигателе и способы снижения данных выбросов. Особую роль здесь преобретает численная оптимизация рабочего процесса, систем топливоподачи, воздухоснабжения и обработки выпускных газов.
Первый промышленный двигатель внутреннего сгорания был построен во Франции в 1860 г. Ленуаром. Это был двухтактный двигатель с золотниковым газораспределением, работавший на светильном газе с воспламенением от электрической искры. В 1876 г. немецкий инженер Отто создал четырехтактный газовый двигатель, который расходовал газа в 2 раза меньше, чем двигатель Ленуара. Благодаря этому двигатель получил широкое распространение в промышленности. В двигателях использовались различные газы: светильный, генераторный, доменный, природные и попутные, нефтяные. В начале 1893 года Рудольф Дизель получел патент на «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу» в Берлине. Его двигатель достаточно быстро завоевал рынок, так как КПД его двигателя составлял 26%, что первышало КПД двигателя Отто - 20% и КПД паровых турбин - 12%. Следующим важным с точки зрения этапом равития поршневых двигателей является 1905 г., когда швейцарец Бюхи (Büchi) предложил использовать наддув с приводом от турбины, работающей на продуктах сгорания поршневого двигателя (см. рисунок 1).
Рисунок 1.1. Патент Бюхи (Büchi) на двигатель с наддувом
В России производство газовых двигателей началось в 1908 г. сначала на Коломенском, а затем и на других заводах. Стационарные двигатели, работающие на керосине и более тяжелых сортах топлива, появились в ряде стран в период с 1884 по 1890 г. Зажигание смеси топлива и воздуха в этих двигателях осуществлялось при помощи соединенного с камерой сгорания калоризатора, представляющего собой полый массивный шар, на раскаленную поверхность которого подавалось топливо. Подобные двигатели в России стали выпускаться с 1890 г., они имели широкое распространение. Это были неэкономичные двигатели с удельным эффективным расходом топлива свыше 0,4 кг/(кВт ч). Двухтактный калоризаторный двигатель завода Э. Нобеля (позже «Русский дизель») в 1893 г. получил высшую награду на Всемирной выставке в Чикаго. В 1899 г. тот же завод выпустил первый промышленный четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия, который в отличие от двигателя, построенного Р. Дизелем (1897 г.), работал не на керосине, а на сырой нефти. Двигатель расходовал топлива всего 0,3 кг/(кВт ч), т. е. почти на 30 % меньше расхода топлива керосиновыми двигателями, и отличался оригинальностью конструкции. Только с переходом на сырую нефть и тяжелое нефтяное топливо двигатель с воспламенением от сжатия (дизель) получил признание как наиболее экономичный двигатель, что обусловило широкое его распространение во всех странах мира.
 |
 |
 |
| а | б | в |
Рисунок 1.2. Пионеры создания поршневых двигателей: а - Этьен Ленуар; б - Николаус Отто; в - Рудольф Дизель
В России с самого начала производства дизелей развернулись работы по созданию отечественных оригинальных конструкций. К их числу относится первый реверсивный судовой четырехтактный дизель мощностью около 89 кВт, построенный в 1908 г. В этом же году Коломенский завод выпустил горизонтальный двухтактный реверсивный дизель с противоположно движущимися поршнями, намного опередив фирмы Юнкерс (Junkers) и Фербенкс-Морзе (Fairbanks-Morse), которые значительно позднее стали производить двигатели такого типа. В 1911 г. был построен наиболее легкий для того времени V-образный дизель мощностью 147 кВт с удельной массой 13,6 кг/кВт. Развитие отечественного двигателестроения сопровождалось разработкой вопросов теории рабочего процесса и конструкции двигателей. Уже в 1906 г. В. И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета рабочего цикла, положенный в основу современной теории процессов двигателей внутреннего сгорания, развитой в дальнейшем Н. Р. Брилингом, Е. К. Мазингом, Б. С. Стечкиным и др.
Двигатели внутреннего сгорания появились во второй половине XIX в, что было вызвано развитием промышленности и транспорта, для которых требовался более совершенный источник энергии, чем паровая машина. Теоретические основы рабочих процессов комбинированных двигателей и первые их конструкционные схемы были разработаны В. И. Гриневецким (1906 г.) и А. Н. Шелестом (1912 г). После револючии 1917 г. в России, за годы первых пятилеток в стране было организовано производство двигателей для различных областей народного хозяйства: автомобилестроения, тракторостроения, авиации, морского и речного флота, железнодорожного транспорта, строительного и дорожного машиностроения и т. п. С 1928 по 1941 г. заводами был освоен выпуск 14 новых типов дизелей многих модификаций. Среди этих дизелей были судовые дизели мощностью 1470 и 3100 кВт и др.
Были созданы специальные научно-исследовательские институты и конструкторские организации на заводах, в которых широким фронтом развернулись конструкторские и исследовательские работы по созданию новых образцов двигателей внутреннего сгорания, в том числе и комбинированных. Широкую известность получили комбинированные двигатели внутреннего сгорания конструкции В. Я. Климова, В. А. Константинова, А. А. Микулина, А. Д. Чаромского, А. Д. Швецова, В. М. Яковлева и др. После Второй мировой войны были созданы и постоянно совершенствуются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания различных типов. Можно отметить разработанные семейства тракторных и автомобильных дизелей с воздушным и водяным охлаждением, в том числе комбинированные двигатели с цилиндровой мощностью 73,5 и 147 кВт, тепловозные дизели с газотурбинным наддувом мощностью 890 … 4450 кВт, двигатели для быстроходных судов мощностью 890 … 2225 кВт и многие другие.
В советский период, в республиках СССР были созданы научные школы, не уступающие, а по некоторым вопросам опережающие иностранные школы. В это время значительное развитие получили: теория рабочих процессов, методы расчета тепло-напряженности основных деталей, методы расчета газодинамических процессов неустановившегося потока в газовоздушном тракте двигателя и т.п. Достижения в области ЭВМ дали возможность успешно использовать математическое моделирование и системы автоматизированного проектирования при создании и доводке комбинированных двигателей.
В настоящее время одной из характерных особенностей развития двигателестроения является широкое применение электронного управления, газотурбинного наддува и сложных систем топливоподачи, что позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели двигателей. Этому способствовали успехи в развиитии микроэлектроники и вычислительной технике; работы научно-исследовательских институтов по созданию турбокомпрессоров, согласованию их с характеристиками двигателей, и налаживанию специализированного производства турбокомпрессоров на ряде заводов; а также создание топливной аппаратуры с высоким давлением впрыскивания с электромагнитным и пьезоэлектрическим приводом управляющих элементов.
Одной из причин удачности промышленной революция и интенсивного развития науки, техники и технологии связано с появлением и широким применением тепловых двигателей - двигателей, в которых теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
- двигатели внешнего сгорания — паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и другие;
- двигатели внутреннего сгорания — процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким двигателям относятся поршневые и комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по различным признакам, но к основным признакам классификации следует отнести:
- способ воспламенения топливо-воздшной смеси;
- количество тактов.
- воспламенение от сжатия (ВоС);
- воспламенение электрической искрой (ВЭИ).
- двухтактный;
- четырехтактный.
Указанные типы двигателей различаются конструкцией, набором и типом вспомогательных систем. Разделение двигателей по количеству тактов (двухтактные и четырехтактные двигатели) связано с количеством оборотов коленчатого вала, которое необходимо для осуществления полного рабочего цикла двигателя. У двухтактных двигателей для полного цикла необходимо 2 хода поршня и 1 оборота коленчатого вала. Для совершения полного цикла четырехтактному двигателю необходимо 4 хода поршня и 2 оборота коленчатого вала. Принципиальная схема четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 1.3,а, двухтактного двигателя - на рисунке 1.3,б. Подробности осуществления рабочих циклов будут описаны позже.
 |
 |
| а | б |
Рисунок 1.3. Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания: а - четырехтактный; б - двухтактный; 1 - картер; 2 - цилиндр; 3 - клапан впускной; 4 - клапан выпускной; 5 - головка (крышка) цилиндра; 6 - поршень; 7 - шатун; 8 - коленчатый вал; 9 - продувочный насос; 10 - впускная коробка; 11 - выпускная коробка
У поршневого двигателя основными деталями являются: цилиндр крышка (головка) цилиндра; картер поршень; шатун; коленчатый вал впускные и выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное коленчатым валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин (или устройств), а также устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части комбинированного двигателя используется поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части, или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно. Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь их с поршневой частью и между собой определяются назначением комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны комбинированные двигатели, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном или осевом компрессоре, причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части.
Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а во второй наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении.
Комбинированный двигатель, одна из широко распространенных схем которого показана на рисунке 1.4, состоит из поршневой части, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие еще высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего колеса газовой турбины, которая передает крутящий момент компрессору. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.
Рисунок 1.4. Схема комбинированного двигателя: 1 - компрессор; 2 - турбокомпрессор; 3 - турбина; 4 - поршневой двигатель
Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определенная масса воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т. е. получить большую мощность.
Основные преимущества комбинированного двигателя — малые объем и масса, приходящаяся на 1 кВт, а также высокая экономичность, часто превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.
Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.
Быстрое распространение двигателей внутреннего сгорания в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике было обусловлено высокой экономичностью и высокой удельной мощностью. Основная причина достижения указанных преимуществ - это осуществление рабочего цикла в одном цилиндре (в одной полости) с малыми потерями теплоты и значительным перепадом температур и давлений между источником теплоты и холодным источником. Как у всех технических устройств у поршневого двигателя внутреннего сгорания существует ряд преимуществ и ряд недостатков. Традиционно к преимуществам относят:
- поршневой двигатель может быть соединен с любым потредителем энергии, что объясняется возможностью получения соответствующих характеристик изменения мощности и крутящего момента;
- невысокая стоимость изготовления;
- компактность, малая масса;
- легкость пуска при нормальных условиях окружающей среды;
- хорошая приспособленность к работе на неустановившихся режимах;
- высокий тормозной момент;
- многотопливнсоть.
- ограниченная агрегатная мощность (по сравнению с паровыми и газовыми турбинами);
- высокий уровень шума;
- высокая частота вращения при пуске;
- невозможность прямого соединения с ведущими колесами;
- токсичность выхлопных газов;
- возвратно-поступательное движения поршня (за исключением роторно-поршневого двигателя), ограничивающее максимальную частоту вращения и вызывающее силы и моменты инерции, приводящие к вибрации.
Для маркировки двигателей приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр (ГОСТ 10150-2014).
Буквы обозначают: Ч — четырехтактный; Д — двухтактный; Р — реверсивный; С — судовой с реверсивной муфтой; П — с редукторной передачей; К — крейцкопфный; Н — с наддувом.
Цифры обозначают: первая — число цилиндров; число перед чертой — диаметр цилиндра в сантиметрах; число за чертой — ход поршня в сантиметрах; последняя цифра — модернизацию (первая, вторая и т. д) двигателя. В условном обозначении тронкового дизеля отсутствует буква К, а в обозначении нереверсивного дизеля — буква Р.
Примеры условных обозначений следующие:
- дизель 8ЧН 14/14 — восьмицилиндровый, четырехтактный, нереверсивный, тронковый, с наддувом, диаметр цилиндра 140 мм, ход поршня 140 мм;
- дизель 3ДСП 19/30 — трехцилиндровый, двухтактный, тронковый, судовой с реверсивной муфтой и редукторной передачей, диаметр цилиндра 190 мм, ход поршня 300 мм;
- дизель 8ДКРН 55/120 — восьмицилиндровый, двухтактный, крейцкопфный, реверсивный, с наддувом, диаметр цилиндра 550 мм, ход поршня 1200 мм.
На рисунке 1.5 приведен поперечный разрез типичной конструкции современного двигателя с искровым зажиганием (4Ч8,2/7,6), а на рисунке 1.6 приведен поперечный разрез тепловозного дизеля (12ЧН26/26).
Рис. 1.5. Поперечный разрез двигателя с искровым зажиганием 4Ч8,2/7,6:
7 - поршневой палец; 11 - крышка головки блока цилиндров; 12 – выпускной распределительный вал; 13 - крышка подшипника распределительного вала; 14 - ресивер; 17 - гидротолкатель; 18 - пружина клапана; 19 - клапан; 21 - головка блока цилиндров; 22 - блок цилиндров; 23 - поршень; 24 - маховик; 25 - шатун; 27 - коленчатый вал; 30 - крышка шатуна; 31 - поддон картера; 32 - приемник масляного насоса; 35 - пробка сливного отверстия поддона картера; 36 - масляный фильтр; 37 - насос охлаждающей жидкости; 38 - выпускной коллектор; 39 - выпускной клапан; 40 - впускной распределительный вал; 41 - форсунка; 42 - впускной коллектор; 43 - направляющая втулка клапана: 44 - впускной клапан
Рис. 1.6. Поперечный разрез дизеля 12ЧН26/26:
1 - втулка цилиндра; 2 - поршень; 3 - крышка цилиндра; 4 - лоток; 5 - объединенный регулятор; б - топливный насос; 7 - выпускной коллектор; 8 - блок цилиндров; 9 - шатунный механизм; 10 - охладитель масла
- Назовите фамилии авторов и годы создания первых поршневых двигателей внутреннего сгорания;
- Дайте определение двигателей внутреннего сгорания и двигателей с внешним подводом теплоты;
- Назовите два основных способа воспламенения топливовоздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания;
- Перечислите основные элементы конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания;
- Дайте определение для комбинированного двигателя внутреннего сгорания
- Перечислите преимущества поршневого двигателя внутреннего сгорания
- Перечислите недостатки поршневого двигателя внутреннего сгорания
- Расскажите основные положения условной буквенно-цифровой маркировки двигателей (ГОСТ 10150-2014)
- Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др.; Под общ. ред. А. С. Орлина,М. Г. Круглова., М.: Машиностроение, 1990
- Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 с.
- Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" направления подготовки "Энергомашиностроение" / Р. З. Кавтарадзе. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 719 с. : ил.; 22 см.; ISBN 978-5-7038-3086-4
- Конструирование двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности "Двигатели внутреннего сгорания" направления подготовки "Энергомашиностроение" / Н. Д. Чайнов, Н. А. Иващенко, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков; под. ред. Н. Д. Чайнова. М.: Машиностроение, 2008. 496 с., ил.