Принцип работы двигателей внутреннего сгорания

В современной технике широко используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) трех основных типов. Горючая топливовоздушная смесь (ТВС) может подаваться в камеру сгорания периодически (циклически) в ДВС карбюраторных и дизельных или непрерывно в ДВС турбокомпрессорных воздушно-реактивных. В карбюраторных и дизельных ДВС в цилиндровопоршневой группе четырехтактного (или реже двухтактного) принципа реализуется рабочий цикл в четыре (или два) хода поршня (такта).

В карбюраторном ДВС (N.Otto, 1880 г.) карбюратор дозирует и мелко распыляет через жиклер порцию топлива в поток воздуха во всасывающем патрубке двигателя для образования ТВС. В первом такте (всасывание) ТВС засасывается поршнем в цилиндр через открытый впускной клапан (выпускной клапан цилиндра закрыт, поршень движется вниз). Во втором такте (впускной и выпускной клапаны закрыты, поршень движется вверх) ТВС сжимается поршнем только лишь до 0,7-1,0 МПа (превышение этого давления вызывает взрывное самовоспламенение топлива), температура в цилиндре повышается до 200-400 °С, заканчивается испарение мельчайших капель топлива и перемешивание ТВС. В конце сжатия с некоторым опережением нагретая ТВС воспламеняется от электрической искры между электродами свечи. ТВС начинает гореть, при этом давление в цилиндре (впускной и выпускной клапаны закрыты) быстро растет до 3-6 МПа за счет образования большого количества газов (продуктов) сгорания - поршень вынужденно движется вниз, совершает рабочий ход (третий такт) и вращает через шатунно-поршневой механизм коленчатый вал двигателя, который совершает полезную работу. После этого поршень движется вверх и через открытый выпускной клапан (впускной клапан закрыт) выталкивает горячие отработанные продукты сгорания из цилиндра - это четвертый такт (выхлоп) рабочего цикла двигателя. С помощью коленчатого вала и шатунно-поршневой группы в каждом из цилиндров (их может быть 4, 6, 8 и больше) двигателя последовательно друг за другом осуществляются все четыре такта рабочего цикла.


Время сгорания ТВС в цилиндре карбюраторного двигателя очень мало -тысячные доли секунды, поэтому к топливу предъявляется основное требование - сгорать постепенно (но не в форме взрыва) по мере продвижения фронта пламени по камере сгорания в верхней части цилиндра. Фронтом пламени называют тонкий слой газа (пара), в котором протекает реакция горения топлива. При нормальном горении фронт пламени распространяется со скоростью 20-30 м/с. Давление газов во время сгорания плавно поднимается до 3-6 МПа, а их температура повышается до 1600-1800 °С (в ракетном двигателе температура сгорания топлива может быть 3400 °С).

ДВС любой конструкции имеет надежную систему охлаждения (воздушного или жидкостного) для исключения перегрева деталей и узлов, которые соприкасаются с горячими продуктами сгорания. Топливом карбюраторных ДВС являются бензины. Расширяется использование в этих ДВС сжиженных углеводородных газов и сжатого природного газа. В настоящее время ожидается массовый переход ведущих автомобилестроительных фирм мира на бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива или с карбюратором и системой впрыска (совместно), при этом переход на систему впрыска бензина с повышением его октанового числа позволит сократить расход топлива в целом минимум на 10 %.

В дизельных ДВС (R. Diesel, 1897 г.), в отличие от карбюраторных, вначале цилиндр заполняется только окислителем - воздухом (первый такт - всасывание воздуха). Затем во втором такте воздух сжимается до 6-8 МПа (здесь нет ограничений по сжатию и нагреву воздуха без топлива) и в результате этого нагревается до 550-650 °С. В третьем такте в сжатый и сильно нагретый воздух дозировочным насосом высокого давления впрыскивается через форсунку мелко распыленная порция топлива. Мельчайшие капли топлива испаряются и равномерно распределяются в воздухе с образованием ТВС. Через определенный весьма незначительный момент времени ТВС самовоспламеняется и полностью сгорает. Время между началом впрыска топлива и самовоспламенением ТВС называется периодом задержки самовоспламенения. В быстроходных (высокооборотных) дизельных двигателях этот период длится не более 0,002 с. В результате сгорания ТВС давление образовавшихся продуктов сгорания достигает 6-10 МПа, они двигают поршень - происходит третий такт (рабочий ход поршня). Потом поршень выталкивает отработанные продукты сгорания из цилиндра - четвертый такт рабочего цикла двигателя. Опять же к топливу предъявляется основное требование - способность быстро самовоспламеняться и плавно (без взрыва) сгорать, обеспечивая этим постепенное нарастание давления и «мягкую» без стука работу двигателя.

Если степень сжатия (отношение объема цилиндра над поршнем в крайнем нижнем его положении к объему цилиндра над поршнем в крайнем верхнем его положении) карбюраторных ДВС обычно 8-12, то для дизельных ДВС она достигает 40-60, причем чем выше степень сжатия, тем экономичнее ДВС. Поэтому дизельные ДВС расходуют обычно на 20-30 % меньше топлива, чем карбюраторные ДВС. Однако новые бензиновые двигатели легковых автомобилей со степенью сжатия 10,5-11,6, использующие лучшие автобензины с исследовательским октановым числом 98-100 (супер и суперплюс) расходуют на единицу мощности на 15-20 % меньше топлива, чем дизельные двигатели равной мощности. При этом размеры бензиновых ДВС в 1,5 раза меньше, а расход металла на их изготовление в 2-3 раза ниже, чем дизельных. Топливом дизельных ДВС является дизельное топливо. Для стационарных дизельных ДВС, например судовых, применяют и более тяжелые нефтяные топлива (флотские мазуты). Для дизельных газомоторных компрессоров используют природный и нефтяной газы. Эксплуатируются стационарные дизельные ДВС мощностью до 30 МВт.

Третий тип ДВС с непрерывной подачей топлива в камеру сгорания используется в авиации (турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель - ТКВРД) или на стационарных газотурбинных установках (ГТУ) для привода мощных газовых центробежных компрессоров (турбокомпрессоров), на газотурбинных электростанциях и на транспорте (газотурбовозы). У этих ДВС рабочий цикл работает не во времени, а по длине двигателя, т. е. отдельные стадии цикла передаются в двигателе по его длине, за счет чего обеспечивается непрерывность подачи топлива и достигается значительно большая мощность в единице объема двигателя. Осевой компрессор, вал которого вращается со скоростью 15 000-30 000 об/мин, засасывает окружающий воздух и сжимает его до 0,8-1,2 МПа, в результате чего сжатый воздух разогревается. Сжатый и нагретый воздух поступает в 6-8 камер сгорания из жаропрочной стали, расположенных вокруг вала двигателя. По оси камеры сгорания имеются форсунки, через которые насосами высокого давления подается топливо в виде мелких капель в поток сжатого и горячего воздуха. Капли топлива испаряются, смешиваются с воздухом с образованием ТВС, которая сгорает и образует продукты сгорания. Продукты сгорания, охлажденные от температуры горения 1600-1800 °С до температуры 730-830 °С, из камеры сгорания направляются на лопатки газовой турбины и вращают ее. Турбина имеет один вал с компрессором, поэтому мощность турбины должна быть достаточной для компримирования воздуха до необходимого давления. На выходе из турбины продукты сгорания имеют еще достаточное давление, поэтому они, расширяясь при падении их давления в сопле двигателя, создают реактивную тягу для движения самолета.

На стационарных ГТУ или вертолетных ТКВРД, где реактивная тяга не нужна, всю энергию движущихся продуктов сгорания «срабатывают» на газовой турбине (в этом случае она многоступенчатая), которая не только вращает вал своего воздушного компрессора, но приводит во вращение вал внешнего источника (электрогенератора, газового компрессора, винта вертолета и т.п.). Топливом стационарных ГТУ являются различные газотурбинные топлива. Для привода мощных газовых турбокомпрессоров как на магистральных газопроводах, так и на ряде технологических установок (например, сжижения природного газа) в качестве топлива ГТУ используют природный газ. Эксплуатируются газовые турбины турбокомпрессоров для магистральных газопроводов и ГПЗ мощностью до 25 МВт. Газотурбинные двигатели нового поколения для электростанций могут иметь к.п.д 50 % и мощность до 110 МВт.

Самыми уникальными являются современные двигатели пилотируемой космической техники. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) работает в разреженных слоях атмосферы, где кислорода очень мало, и в космическом пространстве, где его практически нет. Поэтому ракета и космический корабль должны иметь на борту не только топливо, но и окислитель. Для мощных ракетных двигателей окислителем служат сжиженный кислород, тетраоксид азота (четырехокись азота), пероксид водорода и др. В качестве топлива используются сжиженный водород, жидкие ракетные топлива (например, на основе керосиновых фракций и др.), диметилгидразин (гидразин, «геп-тил») и т. д. Основные части ЖРД: баки - емкости для топлива и окислителя, парогенератор, турбонасосный агрегат, форсунки, камера сгорания, сопло, система управления и др.

Масса окислителя и топлива составляет до 90 % массы ракеты-носителя. Многоступенчатая управляемая баллистическая ракета диаметром до 4-5 м и общей высотой более 50 м для выведения в космос полезного груза до 140 т имеет стартовую массу около 3000 т (1985 г.). Ракетные двигатели работают на активном участке траектории около 15 мин. Температура продуктов сгорания, например керосина в смеси с кислородом, - до 3400 °С. Давление в камере сгорания ракетных двигателей первого поколения для космического корабля «Восток» было около 3,5 МПа, а для космических кораблей типа «Союз» - более 30 МПа. В 1970 г. американец Г. Габелиш установил рекорд скорости на суше - 1001 км/ч. Четырехколесная гоночная машина «Голубое пламя» длиной 12 м имела ракетный двигатель на топливе - сжиженном природном газе с окислителем (пероксидом водорода). В 1997 г. британец Э. Грин увеличил этот рекорд до 1228 км/ч на сверхзвуковом автомобиле «Thrust Super Sonic Саг» с двумя турбореактивными двигателями Rolls-Royce мощностью по 53 000 л.с.




Вы можете скачать файл реферат "Принцип работы двигателей внутреннего сгорания" курсовую работу абсолютно бесплатно. Скачивая файл, помните, что он служит основой для самостоятельной работы.

Чтобы получить полную информацию, подпишись на нас Vk.com/enciklopediyatehniki