Раздел 9. Двигатели внутреннего сгорания.

9.1 Классификация и область применения двс

В двигателях внутреннего сгорания топливо сгорает непосредст­венно внутри цилиндра двигателя и рабочим телом являются газооб­разные продукты сгорания. Получающееся в результате горения тепло превращается в механическую работу в рабочем цилиндре посредст­вом передачи поршню работы расширения газов. Отсутствие в двига­телях внутреннего сгорания промежуточного рабочего тела (водяного пара) и возможность проведения процесса преобразования тепла в механическую работу при высокой разности термодинамических по­тенциалов (температура газов при сгорании 1800 – 2700 К и в конце расширения 800 – 1500 К) обусловливают наибольшую эффективность преобразования теплоты в меха­ническую работу в двигателях внутреннего сгорания среди всех других видов тепловых двигателей, используемых в промышлен­ности в настоящее время.

Рис. 9.1. Продольный и поперечный разрез современного ДВС.

Наличие промежуточного рабочего тела в паротурбинной установ­ке приводит к снижению коэффициента использования энергии, т. е. к потере работоспособности тепла, выделившегося в результате сго­рания топлива, за счет необратимости при передаче тепла к воде и пару. Температура пара по сравнению с температурой газов в топке более низкая, поэтому работоспособность пара значительно ниже ра­ботоспособности газов, получающихся непосредственно в процессе сгорания в топке.

Основные преимущества теплоэнергетических установок с двигате­лями внутреннего сгорания по сравнению с паровыми сводятся к сле­дующему: а) отсутствие котельной и конденсационной установки с большим количеством вспомогательных устройств; б) быстрый за­пуск установки, т. е. готовность к действию; в) малые габариты и меньший вес установки с двигателями внутреннего сгорания для мощ­ностей примерно до 20 тыс. кВт.

Основными недостатками двигателей внутреннего сгорания явля­ются: а) необходимость применения в них только высококачественно­го жидкого и газового топлива и невозможность применения твердого топлива; б) трудность создания двигателей внутреннего сгорания в одном агрегате мощностью более 50 – 100 тыс. кВт; в) больший вес энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания по сравнению с паротурбинными установками при мощности более 20 – 40 тыс. кВт.

В связи с этим в современных крупных тепловых электростанциях применяются лишь паротурбинные установки.

В двигателях внутреннего сгорания, как и в газовых турбинах, применя­ются жидкое и газообразное топливо. Основными химическими элементами, входящими в состав топлива, являются углерод и водород; в топливе, содержится также незначительное количество кислорода, а иногда и серы. Жидкие и газовые топлива, применяемые в двигателях внут­реннего сгорания, представляют собой смесь различных углеводоро­дов . Число атомов углерода в молекуле жидкого топлива может быть п = 5 30, а в молекуле газового топлива п<5.

Исходным сырьем для жидкого топлива является обычно нефть; кроме того, используются продукты перегонки каменного угля, бу­рого угля, горючих сланцев и торфа. Основную массу нефти состав­ляют жидкие углеводороды, разные по степени сложности и структуре молекул; в связи с этим физико-химические свойства нефтей, добы­тых не только в разных районах, но даже из различных месторожде­ний одного района, могут оказаться неодинаковыми.

Подготовка смеси топлива с воздухом в необходимых про­порциях, обеспечивающих наиболее эффективное горение, называется смесеобразованием. Различаются двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

Горючая смесь может быть нормальной (на 1 кг бензина расходуется 15 кг воздуха), бедной (на 1 кг бензина приходит­ся более 17 кг воздуха) и богатой (на 1 кг бензина приходит­ся менее 13 кг воздуха).

Высокая по сравнению с другими типами тепловых двигателей экономичность двигателя внутреннего сгорания, возможность по­стройки их в весьма большом диапазоне мощностей (0,5 – 40 тыс. кВт) с относительно малым весом и габаритными размерами, быстрое при­ведение в действие обусловили их широкое распространение в самых различных отраслях промышленности, транспорта и сельского хо­зяйства. В стационарных установках двигатели внутреннего сгорания нашли широкое распространение на мелких электростанциях, в про­мышленных энергетических установках заводов, фабрик, рудников, в элеваторах, на мельницах, водокачках и в оросительных системах; они применяются как силовые агрегаты передвижных электростан­ций, компрессорных и насосных станций, в установках связи и раз­личных мастерских; используются на строительных и дорожных ма­шинах, при бурении нефтяных скважин, для привода средств меха­низации сельского хозяйства и т. д. На железнодорожном транспорте двигатели внутреннего сгорания также находят самое широкое при­менение; как известно, в нашей стране уже с 1956 г. прекращено про­изводство паровозов, и машиностроительные заводы перешли на строи­тельство тепловозов и электровозов. В 1970 г. в Советском Союзе в основном был завершен перевод железных дорог на тепловозную и электровозную тягу. В качестве силовых агрегатов средств безрельсо­вого транспорта — автомобилей, тракторов, мотоциклов, самоходных комбайнов – используются исключительно двигатели внутреннего сгорания.

В судовых установках (на быстроходных катерах, моторных лод­ках, буксирных и нефтеналивных судах) преимущественно применя­ются двигатели внутреннего сгорания. Они получили широкое распространение на грузовых и товаро-пассажирских судах (теплохо­дах и теплоэлектроходах), ледоколах, рефрижераторных, рыболов­ных и других судах морского и речного флота. В судовых установках используются разнообразные типы двигателей внутреннего сгорания. Для водного транспорта требуются двигатели от самых малых до очень крупных, развивающих мощность в несколько десятков тысяч кВт. Водный транспорт (морской и речной) является наиболее широ­кой областью для применения двигателей различных конструкций, мощностей, чисел оборотов, моторесурсов, габаритов. Поэтому в чис­ле судовых двигателей представлены различные типы двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе и на сжиженном газе.