Гайдачук А.В., Пода В.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского

«Харьковский авиационный институт»

А. В. Гайдачук, В. Б. Пода

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Учебное пособие

Харьков «ХАИ» 2008

УДК 621.43 : 621.454

Гайдачук А.В. Двигатели внутреннего сгорания. Введение в

специальности: учеб. пособие / А.В. Гайдачук, В.Б. Пода. – Х.: Нац.

аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2008. − 119 с.

Изложены общие представления о тепловых двигателях,

приведены их классификация, основные показатели, описаны области

использования, преимущества и недостатки в сравнении

друг с

другом. Показана история развития ракетных и поршневых

двигателей внутреннего сгорания. Дана классификация поршневых

двигателей, рассмотрены принцип и основные показатели их работы.

Проанализированы современное состояние и перспективы развития

поршневых и ракетных двигателей.

Для студентов, начинающих изучать дисциплины по

специальностям «Двигатели внутреннего сгорания» и «Двигатели

ракетно-космических летательных аппаратов».

Ил. 48.

Табл. 2. Библиогр.: 24 назв.

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Б.А. Трошенькин,

канд. техн. наук, доц. Ю.Н. Агафонов

«Харьковский авиационный институт», 2008 г.

1. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕПЛОВОМ ДВИГАТЕЛЕ.

КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ

ПОКАЗАТЕЛИ

1.1. Что такое двигатель?

С древнейших времен человек стремился увеличить

производительность своего труда и заменить свою мускульную

двигательную силу, свой ручной труд, какой-либо другой силой с

использованием тех или иных устройств и приспособлений. Первой

попыткой освободить себя

от ручного труда было использование все

той же мускульной силы, но не своей, а животных и рабов.

На смену «живым двигателям» пришло водяное колесо, которое

позволило превращать энергию потока воды в механическую энергию

для вращения жерновов, моловших зерно, подачи воды в поля и

города и т.п. В истории не

известно, кто и когда изобрел водяное

колесо, но в Индии еще за тысячу лет до нашей эры уже

существовали такие водосиловые приспособления.

В VII в. персы изобрели ветряную мельницу, которая

превращала в механическую работу энергию потоков атмосферного

воздуха. С появлением ветряных мельниц началась история

ветряных двигателей.

Водяные и ветряные двигатели успешно работают

и по

настоящий день. Это, например, гидротурбины на

гидроэлектростанциях и ветроэнергетические установки, в которых

энергия потоков воды и воздуха преобразуется первоначально в

механическую энергию, а затем – в электрическую.

Начиная с XVIII в. человек научился превращать в механическую

работу тепловую энергию, которая выделяется в результате сгорания

в воздухе различных органических веществ, или,

как их еще

называют, топлив.

XX в. ознаменовался освоением и преобразованием в

механическую работу энергии ядер атомов и солнечной энергии.

Таким образом, можно вывести определение двигателя как

энергетической машины, или механического устройства,

предназначенного для преобразования какого-либо вида

энергии в механическую работу. Различают первичные и

вторичные двигатели.

Первичные двигатели непосредственно преобразуют

механическую работу природные энергетические ресурсы (химическую,

тепловую, ядерную энергии, энергии воды, воздуха и т.д.).

Вторичные двигатели преобразуют энергию, получаемую с

помощью первичных. К ним относятся электрические, пневматические и

гидравлические двигатели.

1.2. Тепловые двигатели и их классификация

Первичные двигатели, которые преобразуют в

механическую работу тепловую энергию, выделяющуюся в

результате экзотермических химических реакций, называют

тепловыми двигателями.

В атомных или ядерных двигателях, если это не реактивные

двигатели, в механическую работу превращается непосредственно

также тепловая энергия. Однако в этих двигателях тепловая энергия

является

результатом преобразования в нее энергии ядер атомов,

образующейся в некоторых реакциях их деления или синтеза.

Поэтому такие двигатели выделяют в отдельный класс атомных или

ядерных двигателей.

В последние десятилетия разрабатываются различные проекты

по созданию двигателей, которые могли бы использовать тепло недр

Земли, разность температур воды в океанах и воздуха в атмосфере

но такие двигатели, хотя по сути они также являются тепловыми,

следует выделить в отдельный класс.

Принцип работы всех тепловых двигателей заключается в

следующем. Тепловая энергия подводится к так называемому

рабочему телу, в качестве которого выступает какой-либо газ,

сжатый механическим способом до высокого давления. Это повышает

его температуру, а значит,

и внутреннюю энергию. Затем

газообразное рабочее тело поступает к рабочим органам двигателя,

где расширяется с уменьшением температуры и давления, что и

приводит в движение эти органы.

В зависимости от способа подведения тепловой энергии,

выделяющейся в процессе протекания экзотермических химических

реакций, к рабочим органам тепловых двигателей (в подавляющем

большинстве случаев это окислительные

реакции сгорания

различных органических веществ в воздухе) различают двигатели

внешнего и внутреннего сгорания.

В двигателях внешнего сгорания тепловая энергия

экзотермической химической реакции выделяется за пределами

двигателя, затем с помощью различных теплообменников передается

газообразному рабочему телу, которое поступает к рабочим органам

двигателя и там уже преобразует эту тепловую энергию в

механическую

работу.

К двигателям внешнего сгорания относятся (рис. 1.1):

• паровые поршневые машины;

• паровые турбины;

• двигатели Стирлинга.

Паровые поршневые машины и турбины в качестве рабочего

тела, с помощью которого тепловая энергия превращается в

механическую, используют водяной пар. Последний получают

испарением воды в топочных устройствах 1. Там же его нагревают до

требуемой температуры и при высоком давлении, которое создает

насос 6 или компрессор, подают в поршневую машину или турбину 3.

Современные паровые турбины большой мощности (200…1200 МВт)

используют водяной пар с температурой 700…840 К и давлением

4…24 МПа. Паровые поршневые машины в настоящее время

практически

не используются из-за низкой экономической

эффективности. До недавнего времени они были основными

двигателями паровозов, пароходов, для привода различных

механизмов в угле- и нефтедобывающих, а также в других отраслях

промышленности. Паровые же турбины в настоящее время

используются достаточно широко, но преимущественно на

теплоэлектростанциях для производства электрической энергии. В

качестве транспортных двигателей

паровые турбины нашли свое

применение только в судовых силовых установках. Однако на

современных судах они почти полностью заменены на газовые

турбины и дизельные поршневые двигатели внутреннего сгорания,

которые имеют меньшие массы и габариты при больших развиваемых

мощностях.

В двигателях Стирлинга рабочим телом является газообразный

водород или гелий, который под давлением 10…20

МПа перетекает

по замкнутому контуру из холодной полости рабочего цилиндра 7

Рис. 1.1. Принципиальные схемы двигателей внешнего сгорания:

а – паровых поршневых и турбинных; б – двигателя Стирлинга:

1 – камера сгорания (топочное устройство); 2 – испаритель воды и

пароперегреватель; 3 – поршневой или турбинный двигатель;

4 – потребитель механической энергии; 5 – конденсатор; 6 – водяной насос;

7 – рабочий цилиндр двигателя Стирлинга; 8 – холодильник; 9 – регенератор

тепла рабочего тела; 10 – нагреватель

Пар

Вода

родукты

сгорания

Топливо

Воздух

Пар

Вода

Топливо

Воздух

родукты

сгорания

(см. рис. 1.1) над нижним рабочим поршнем в горячую полость над

верхним поршнем и в обратном направлении. Изменение объема

рабочего тела происходит при его охлаждении в холодильнике 8 и

нагревании за счет постороннего источника тепла в нагревателе 10. В

регенераторе 9 аккумулируется тепло отработавшего

расширившегося рабочего тела, а затем возвращается ему перед

нагревом. В

двигателях Стирлинга для подвода тепла к рабочему

телу в нагревателе 10 могут использоваться реакции сгорания в

воздухе органических топлив, экзотермические химические реакции,

солнечная энергия, энергия радиоактивного распада и др. В

настоящее время двигатели Стирлинга только начинают завоевывать

свое место пока что в основном в качестве опытных образцов для

космических и подводных

установок, автомобилей и судов,

стационарных установок и даже как двигатели для искусственного

сердца. Основные преимущества двигателя Стирлинга заключаются в

том, что в нем отсутствуют заметные динамические нагрузки на

детали, резкое повышение давления в цилиндрах, шум и вибрации,

клапаны и их приводы, системы зажигания и впрыска топлива. При

этом коэффициент полезного действия

может достигать 40% и более,

т. е. на уровне лучших образцов тепловых двигателей. Однако

серьезным препятствием к широкому использованию этих двигателей,

как и для всех двигателей внешнего сгорания, является

необходимость подвода теплоты к ним через теплообменники.

Вследствие этого двигатели получаются громоздкими, тяжелыми, с

большим временем перехода с режима на режим.

Двигателями

внутреннего сгорания называются тепловые

двигатели, в которых процессы сгорания топлива, выделения

тепловой энергии и преобразование части ее в механическую работу

происходят непосредственно внутри двигателя. Рабочим телом

такого двигателя являются газообразные продукты сгорания топлива

и нагретый воздух, который в подавляющем большинстве случаев

используется в качестве окислителя в химической реакции сгорания.

Как

уже отмечалось выше, в принципе, для получения тепловой

энергии может быть использована любая экзотермическая

химическая реакция, но для двигателей внутреннего сгорания

обязательным требованием является образование в результате такой

реакции газообразных продуктов.

Термин «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС) вплоть до

настоящего времени по традиции применяют преимущественно к

поршневым двигателям. Это объясняется тем, что

этот класс

двигателей стал первым двигателем внутреннего сгорания,

пришедшим на смену паровой поршневой машине.

Проведение процессов получения тепловой энергии и

преобразования ее в механическую работу непосредственно в

двигателе внутреннего сгорания не требует наличия таких агрегатов,

как котлы, конденсаторы, испарители, перегреватели и др. Это

значительно упрощает установки двигателей внутреннего сгорания по

сравнению с установками двигателей внешнего сгорания,

увеличивает их компактность, снижает вес, уменьшает расходы на

эксплуатацию, повышает экономичность.

К двигателям внутреннего сгорания относятся (рис. 1.2):

• поршневые двигатели внутреннего сгорания (ПДВС);

• газотурбинные двигатели (ГТД);

• комбинированные

двигатели внутреннего сгорания (КДВС),

или турбопоршневые;

• реактивные двигатели (РД).

Принцип работы перечисленных двигателей внутреннего

сгорания заключается в следующем.

В поршневом двигателе (рис. 1.2, а) топливо и необходимый

для его сгорания воздух вводятся в цилиндр 1 двигателя, который

является его камерой сгорания 4. Цилиндрическая камера сгорания 4

с одной стороны закрыта крышкой, а с другой

– подвижным поршнем 2.

В камере сгорания смесь топлива с воздухом воспламеняется и

образующиеся при ее сгорании высокотемпературные газообразные

продукты начинают расширяться, приводя в движение поршень 2.

Поступательное перемещение поршня через шарнирно связанный с

ним кривошипно-шатунный механизм 3 преобразуется во

вращательное движение вала двигателя, которое и передается

потребителю механической энергии. В связи с

возвратно-

поступательным движением поршня сгорание топлива, а

следовательно, и его подача с воздухом в цилиндр в поршневых

двигателях возможны только периодически последовательными

порциями. При этом сгоранию каждой порции топливовоздушной

смеси предшествует ряд подготовительных процессов.

В газотурбинных двигателях (рис. 1.2, б) сгорание

топливовоздушной смеси происходит в специальной камере сгорания

4. Топливо в камеру

сгорания подается насосом через форсунки, а

воздух – с помощью компрессора 5, который также осуществляет его

сжатие. Высокотемпературные газообразные продукты сгорания

топливовоздушной смеси под высоким давлением поступают из

камеры сгорания 4 на рабочие лопатки турбины 6 и приводят ее во

вращение. Турбина жестко связана с рабочим валом двигателя, по

которому механическая энергия вращения передается

потребителю

7. Часть механической энергии турбины через вал

двигателя передается на привод компрессора 5.

Комбинированные турбопоршневые двигатели (рис. 1.2, в)

состоят из поршневой и газотурбинной частей. Сжатый компрессором

5 воздух поступает в рабочий цилиндр, или камеру сгорания 4,

поршневой части двигателя, куда насосом подается и топливо.

Продукты сгорания топлива преобразуют часть выделяющейся в

Рис. 1.2. Схемы двигателей внутреннего сгорания:

а – поршневого; б – газотурбинного; в – комбинированного турбопоршневого;

г – турбореактивного; д – ракетного твердотопливного;

е – ракетного жидкостного:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – кривошипно-шатунный механизм; 4 – камера

сгорания; 5 – воздушный компрессор; 6 – газовая турбина; 7 – потребитель

мощности; 8 – сопло; 9 – баки окислителя и горючего; 10 – насосы;

11 – газогенератор

Топливо

Воздух

Продукты

сгорания

Топливо

Продукты

сгорания

Воздух

Топливо

Продукты

сгорания

Воздух

Топливо

Продукты

сгорания

Твердое

топливо

Продукты

сгорания

Продукты

сгорания

Горючее

Окислитель

процессе сгорания тепловой энергии в механическую энергию

перемещения поршня. После расширения в поршневой части

двигателя продукты сгорания выпускаются из ее рабочего цилиндра и

направляются для дальнейшего расширения на турбину 6, где часть

оставшейся тепловой энергии продуктов сгорания превращается в

механическую энергию вращения турбины. Таким образом,

механическая энергия в данном двигателе может

передаваться

потребителю тремя способами:

• валом поршневой части;

• через вал турбины;

• обоими валами вместе.

В первом случае вся механическая энергия турбины

используется для привода воздушного компрессора 5,

расположенного на одном валу с ней, в последних двух – только часть

этой энергии, а остальная передается потребителю.

В подавляющем большинстве случаев комбинированные

двигатели

используются в качестве транспортных автомобильных

двигателей, в которых мощность снимается с вала поршневой части.

Это позволяет получить значительно больший крутящий момент на

валу. Поэтому такие двигатели принято относить к классу поршневых

двигателей с газотурбинным наддувом.

К реактивным двигателям относятся турбореактивные

(ТРД) и ракетные двигатели. Кроме того, в этот класс

входят также

прямоточные (ПВРД) и пульсирующие (ПуВРД) воздушно-

реактивные двигатели.

Принцип работы реактивных двигателей заключается в том, что

сжатые до высокого давления и нагретые до высокой температуры

газообразные продукты сгорания топлива, расширяясь в сопловой

части таких двигателей и истекая из сопла с высокими

околозвуковыми или сверхзвуковыми скоростями, приводят к

возникновению

реактивной силы тяги, которая и толкает двигатель в

направлении, противоположном истечению продуктов сгорания.

Схема и принцип работы турбореактивного двигателя

(рис. 1.2, г) аналогичны схеме и принципу работы газотурбинного

двигателя, с той лишь разницей, что механическая энергия турбины

передается только на привод компрессора для сжатия воздуха, а вся

оставшаяся тепловая энергия продуктов

сгорания после прохождения

ними турбины преобразуется в сопле 8 в реактивную силу тяги.

Ракетные двигатели в зависимости от агрегатного состояния

окислителей и горючих подразделяются на ракетные двигатели

твердого топлива (РДТТ) (рис. 1.2, д) и жидкостные ракетные

двигатели (ЖРД) (рис. 1.2, е).

В отличие от всех рассмотренных выше двигателей внутреннего

сгорания в ракетных двигателях в

качестве окислителя для реакции

сгорания используется не атмосферный воздух, а любой другой

окислитель, например, твердые соли азотной и хлорной кислот,

нитроцеллюлоза и нитроглицерин в РДТТ, жидкий кислород О

азотная кислота HNO

, азотный тетраксид N

, жидкий фтор

и др. в ЖРД. Кроме того, если во всех двигателях внутреннего

сгорания, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух,

традиционно принято под термином «топливо» понимать только

горючее, то в ракетных двигателях под топливом понимают

«окислитель + горючее». В качестве горючего в ракетных двигателях

применяют как углеводородные органические вещества (различные

каучуки, пластмассы и

смолы в РДТТ, бензин, керосин,

сжиженный метан и т. п. в ЖРД), так и неуглеводородные

органические и неорганические (спирты, гидразин N

диметилгидразин (CH

)

, жидкий водород Н

и др. в ЖРД,

металлы и их соединения в РДТТ и ЖРД).

В РДТТ (см. рис. 1.2, д) твердое топливо размещается

непосредственно в камере сгорания 4. Это может быть механическая

смесь окислителя и горючего (смесевые, или гетерогенные,

топлива) или однокомпонентные вещества, содержащие в своих

молекулах атомы и окислителя, и горючего. Такие однокомпонентные

топлива, основа которых состоит в большинстве случаев из

нитроглицерина и нитроцеллюлозы, называют двухосновными,

или коллоидными, или гомогенными, топливами, или

баллиститными порохами.

В ЖРД (рис. 1.2, е) жидкие окислитель и горючее размещаются в

баках 9 на борту летательного аппарата, откуда они вытеснением

сжатыми газами или насосами 10, которые приводятся в движение

газовой турбиной 6, подаются под

высоким давлением в камеру

сгорания 4 через специальные форсунки. В ЖРД в качестве топлива

могут также использоваться индивидуальные жидкие вещества,

например перекись водорода Н

, гидразин N

и другие,

которые под воздействием температуры или какого-либо

катализатора разлагаются на газообразные продукты с выделением

тепла.

В камере сгорания ракетных двигателей окислитель и горючее

сгорают, образуя высокотемпературные газообразные продукты,

которые расширяются в сопле 8 и создают таким образом реактивную

силу тяги.

Помимо указанных выше РДТТ и ЖРД существует также

промежуточный

класс ракетных двигателей – гибридные ракетные

двигатели (ГРД), в которых один из компонентов топлива находится

в жидком состоянии, а другой – в твердом. Однако этот класс

ракетных двигателей пока что не нашел такого широкого применения,

как РДТТ и ЖРД, в основном из-за сложности процессов,

протекающих при взаимодействии жидкого и твердого компонентов.

Во

всех реактивных двигателях, как это можно увидеть из