Области применения и элементы классификации двигателей

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в механическую работу, называются двигателями.

Машины, трансформирующие тепловую энергию в механическую работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, автомобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорожно-строительных машинах. Различают ТД стационарные и транспортные.

Для транспортных двигателей характерна работа при изменении в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов, а также необходимость сохранения работоспособности при изменениях положения двигателя в пространстве. К ним предъявляются повышенные требования по уменьшению габаритов и массы.

По способу подвода теплоты к рабочему телу (РТ) (РТ — это субстанция, с помощью которой происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу) различают:

• двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ)
• двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Для ДВПТ характерны следующие особенности:

• теплота к РТ подводится вне рабочего цилиндра двигателя (обычно в теплообменнике);
• РТ не обновляется и циркулирует в различных агрегатных состояниях по замкнутому контуру;
• работа совершается в турбине или в расширительном цилиндре.

Классический пример этого типа ТД — паровой двигатель, схема которого приведена на рисунке.

Рис. Схема парового двигателя:
1 — парогенератор (хотел); 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина; 4 — конденсатор; 5 — питательный насос

Здесь теплота Ql подводится к РТ (вода) в парогенераторе и в пароперегревателе, механическая работа Lм совершается в паровой турбине, теплота Q2 от РТ отводится в конденсатор, где отработанный в турбине пар превращается в воду. Далее вода питательным насосом перекачивается вновь в парогенератор.

Для ДВС характерно следующее:

• сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя;
• РТ обновляется в процессе работы двигателя.

ДВС по сравнению с ДВГГГ имеют, как правило, существенно меньшие габариты и массу на единицу производимой мощности, вследствие чего они являются в настоящее время основным типом транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую работу, различают:

• поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС);
• двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД);
• газотурбинные двигатели (ГТД);
• реактивные двигатели (РД).

В качестве примера для анализа признаков, присущих конструкции ДВС, рассмотрим схему простейшего одновального ГТД, представленную на рисунке.

Рис. Схема однодольного газотурбинного двигателя:
1 — компрессор; 2 — форсунка; 3 — камера сгорания; 4 — топливный насос; 5 — турбина

Принцип работы двигателя заключается в следующем: компрессором, рабочее колесо которого находится на одном валу с турбиной, воздух сжимается до давления р, и подается в камеру сгорания, куда топливным насосом впрыскивается через форсунку топливо. После поджигания факела топлива запальной свечой в камере образуются продукты сгорания, имеющие высокую температуру, которые поступают на турбину, где производят полезную работу. Далее РТ покидает двигатель в виде отработавших газов (ОГ). Как следует из приведенной схемы, теплота к рабочему телу подводится внутри двигателя и РТ периодически обновляется.

Рис. Схема и индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя: 1 — поплавковая камера; 2 — диффузор карбюратора; 3 — дроссельная заслонка; 4 — свеча зажигания

Из-за неудовлетворительной топливной экономичности РПД, ГТД и РД не нашли широкого применения в наземной транспортной технике. Здесь в качестве энергетических установок используются главным образом ПДВС.

По способу воспламенения смеси различают ДВС с принудительным (преимущественно искровым) зажиганием и дизели, работающие с воспламенением от сжатия.

В двигателях с искровым зажиганием используются два вида топлива: жидкость — преимущественно бензин (бензиновые двигатели) и газ (газовые двигатели).

Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюраторные и газовые, в которых топливовоздушная смесь, поступающая в цилиндры, подготавливается вне их, т. е. в автономном устройстве, называемом карбюратором или смесителем. По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием.

Имеются также двигатели с впрыском топлива непосредственно в цилиндр или во впускной трубопровод (обычно на впускной клапан).

Рис. Схема двигателя с впрыскиванием бензина во впускную систему:
1 — кривошипно-шатунный механизм; 2 — картер; 3 — свеча зажигания; 4 — форсунка; 5 — дроссель; 6 — расходомер; 7 — воздухоочиститель; 8 — электронный блок управления; 9 — топливный фильтр; 10 — топливный насос; 11 — топливный бак

Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразованием.

Рис. Схема и индикаторная диаграмма дизеля:
1 — редуггор; 2 — ТНВД; 3 — форсунка

Следует отметить и еще один признак, отличающий двигатель с искровым зажиганием от дизеля, — способ регулирования мощности.

Двигатели с искровым зажиганием относятся к ДВС с количественным регулированием, мощность которых регулируется на большей части режимов изменением количества подаваемой в цилиндры топливовоздушной смеси (ТВС).

Дизели являются двигателями с качественным регулированием, так как в них для изменения мощности в практически неизменное количество воздушного заряда впрыскивается различное количество топлива, что резко меняет состав ТВС, т. е. относительное содержание в ней топлива и воздуха.

Это обстоятельство существенно влияет на характер физико-химических процессов, обеспечивающих преобразование энергии топлива в механическую работу.

По способу осуществления цикла различают двухтактные и четырехтактные ДВС. Из определения такта работы как совокупности процессов, протекающих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ), следует, что в четырехтактном ДВС рабочие процессы совершаются за два оборота коленчатого вала, в двухтактном — за один.