Машины, в которых топливо сжигается непосредственно в цилиндре под поршнем, называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Их достаточно широко используют на транспорте, на электростанциях для привода насосных установок, на нефте-и газоперерабатывающих и буровых установках, в сельском хозяйстве
, на металлургических заводах. Это объясняется наличием определенных преимуществ:
1) отсутствие громоздкой котельной установки, а следовательно, небольшие размеры помещений для размещения силовой установки;
2) постоянная готовность к пуску и немедленного приема нагрузки, а также отсутствие расхода топлива в нерабочий период двигателя
3) малая потребность в воде.
К недостаткам следует отнести:
1) ограниченность запасов жидкого и газообразного топлива по сравнению с твердым топливом, применяется преимущественно в паросиловых установках;
2) трудности использования теплоты отработавших газов;
3) невозможность получения высокой мощности в одном агрегате через большие инерционные усилия, возникающие от движущихся деталей возвратно-постепенно, при повышении частоты вращения коленчатого вала (предельная мощность современных ДВС, как правило, не более 3500-4000. Принцип работы поршневого ДВС заключается в том (рис. 3.12), что под воздействием давления газов движение поршня в цилиндре через шатун передается на коленчатый вал. Рабочий цилиндр и его головка, где размещаются клапаны и свеча зажигания, имеют рубашки при жидкостном охлаждении или ребра при воздушном охлаждении, чтобы избежать перегрева и разрушения стенок под воздействием высоких температур и давления рабочего тела. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала и уменьшения инерционных усилий, а также для возможности осуществления холостых ходов поршня в цилиндре и вывода его из крайних положений на хвостовике коленчатого вала размещается маховик, а двигатель имеет несколько цилиндров (2, 4, 6, 8, 12, 16 цилиндров и более). В последнем случае порядок работы цилиндров выбирается так, чтобы по возможности в двух соседних цилиндрах не происходило одинаковых тактов, тогда нагрузка на коленчатый вал получаются более равномерными и возможно осуществление холостых ходов поршней в одних цилиндрах за счет рабочих ходов поршней в других цилиндрах. Органы впуска и выпуска рабочего тела в поршневых ДВС чаще всего выполняют в виде тарельчатых клапанов, открывающихся в нужные моменты с помощью рычагов, штанг и толкателей, приводимых в движение от кулачков. Кулачки находятся на распределительном валу, который имеет привод от коленчатого вала двигателя.
Из описания принципа работы поршневых ДВС видно, что в них, собственно говоря, не происходит круговых процессов, так как газообразные продукты горения после расширения и отдачи энергии с помощью поршня на коленчатый вал удаляются из цилиндра двигателя, а на их место поступает свежая порция горючей смеси , химический состав которой в результате следующего процесса сгорания меняется. Однако условно можно говорить о круговой процесс работы двигателя внутреннего сгорания, если не считать химических изменений и определять его КПД по уравнениям.
Существует несколько различных классификаций ДВС:
1) по способу заполнения горючей смеси двигатели с вынужденным зажиганием топлива и двигатели с воспламенением горючей смеси в атмосфере сжатого воздуха;
2) по способу подготовки горючей смеси различают двигатели с внешней (карбюраторы) и с внутренней подготовкой горючей смеси.
3) по количеству тактов различают 2 типа поршневых ДВС-четырехтактных и двухтактных (за один такт принимают ход поршня от верхней мертвой точки к нижней, причем все типы двигателей могут выполняться как четырехтактными так и двухтактный).
Основными характеристиками цикла теплового двигателя в зависимости от способа подвода теплоты могут быть следующие безразмерные величины:
1) степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале V1 и конце V2 сжатия)
Все современные поршневые двигатели внутреннего сгорания подразделяют на три группы:
1) с быстрым сгорания топлива с подводом теплоты при постоянном объеме (карбюраторные ДВС);
2) с постепенным сгорания топлива с подводом теплоты при постоянном давлении (компрессорные дизели);
3) со смешанным сгорания топлива с подводом теплоты частично при постоянном объеме и частично при постоянном давлении (Бескомпрессорные дизели).
Отдача теплоты холодном источнику q2 во всех этих циклах осуществляется только в изохорно процессе.
Эти три вида циклов состоят из термодинамических обратимых процессов. При исследовании этих циклов стремятся определить условия для получения максимального КПД.
Если же делать раздельный сжатие воздуха и топлива, то это ограничение отпадает. Воздух при большом сжатии имеет настолько высокую температуру, что топливо, которое подается в цилиндр, самозапалюеться без всяких специальных воспалительных приспособлений. И наконец, раздельный сжатие воздуха и топлива позволяет использовать любое жидкое тяжелое и дешевое топливо - нефть, мазут, смолы, каменноугольные масла и др..
Такие высокие достоинства имеют двигатели, работающие с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении. У них воздух сжимается в цилиндре двигателя, а жидкое топливо распыляется сжатым воздухом от компрессора. Раздельный сжатие позволяет применять высокие степени сжатия (до Е = 20) и исключает преждевременное самовоспламенение топлива. Процесс горения топлива при постоянном давлении обеспечивается соответствующим регулированием топливной форсунки. Создание такого двигателя связывают с именем немецкого инженера Дизеля, который впервые разработал конструкцию подобного двигателя.
Рассмотрим идеальный цикл двигателя с постепенным сгоранием топлива при постоянном давлении, т.е. цикл из подводам теплоты при постоянном давлении. На рисунке 3.14 изображен этот цикл в Pv-и Ts-диаграммах. Осуществляется он следующим образом. Газообразное рабочее тело с начальными параметрами Р1, V1 и Т1 сжимается по адиабаты 1-2, потом к телу по изобар 2-3 подводится некоторое количество теплоты qi. От точки 3 рабочее тело расширяется по адиабаты 3-4. И наконец, изохора 4-1 рабочее тело возвращается в исходное состояние, при этом в теплоприемник отводится теплота q2.
дним из них является наличие компрессора, который применяется для подачи топлива, на работу которого расходуется 6-10% от общей мощности двигателя усложняет конструкцию и уменьшает экономичность двигателя. Кроме того, необходимо иметь сложные устройства насоса, форсунки и др.. Установка имеет большой вес.
Стремление упростить и улучшить работу таких двигателей привело к созданию Бескомпрессорные двигателей, в которых осуществляется механическое распыление топлива при давлениях 50-70 МПа. Проект Бескомпрессорные двигателя высокого сжатия со смешанным подводом теплоты разработал русский инженер В. Тринклера. Этот двигатель лишен недостатков обоих предварительно разобранных типов двигателей.
В этом двигателе жидкое топливо топливным насосам подается через топливную форсунку в головку цилиндра в виде мелких капелек. Попадая в нагретый воздух, топливо самовоспламеняется и горит в течение всего периода, пока открыта форсунка: в начале при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении.