Характеристики отечественных и зарубежных двигателей

Страна, фирма, модель двигателя	Расположение и число цилиндров	Литраж двигателя, л	Диаметр цилиндра и ход поршня, мм	Мощность, кВт /частота вращения, мин^-1	Максимальный крутящий момент / частота вращения, Нм/мин^-1	Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт×ч)	Литровая мощность, кВт/л

Россия, ОАО «Барнаултрансмаш» 4ТД1,6	Р4	1,8	82/ 84	90/ 4000	257/ 1800
Россия ОАО ЗМЗ 43.51430	Р4	2,23	87/ 94	100/	284/ 2500		44,8
Россия, ОАО «Автодизель», ЯМЗ 534	4Р	3,94	102/ 122	125/	650/ 1400		31,7

Окончание табл. 3.2


Россия, ОАО «Автодизель», ЯМЗ 536	V6	5,99	102/ 122	176/	1020/ 1400	29,4
Россия, ОАО КамАЗ	V6	9,5	120/ 140	257/	1500/
Россия, ОАО КамАЗ, ОАО «Автодизель»	V8	11,9	130/	367/	2200/	30,8
Россия, ОАО «Автодизель», ЯМЗ 260	V8	11,1	130/ 140	286/	1760/	25,7
Россия, ОАО «Автодизель», ЯМЗ 751	V8	14,3	130/ 140	386/	2370/
Россия, ОАО КамАЗ 340.8-450	V8	12,3	120/ 136	330/	1750/	26,8
Россия, ОАО ТМЗ	V8	17,2	140/ 140	368/	1960/	21,4
Россия, ОАО «Автодизель», ЯМЗ 401	V12	25,8	140/ 140		2450/	25,1
Германия, Mercedes-Benz	Р4	2,18	88/ 88,3		315/
Франция, Renault, DC-14	Р4	4,12	102/ 126		560/	33,4
Швеция, Scania, DC-9	Р6	8,97	115/ 144		1400/	24,5

Задание. Записать маркировку двигателей по ГОСТу. Рассчитать согласно задания следующие параметры для двигателей, приведенных в табл. 3.1, 3.2, а именно:

1. Среднюю скорость поршня.

2. Рабочий объем и литраж двигателя.

3. Среднее эффективное давление.

4. Удельный эффективный расход топлива.

5. Литровую и поршневую мощность.

6. Удельную и литровую массу.

Содержание отчета и контрольные вопросы. Сформулировать основные термины и определения, привести расчет показателей технического уровня заданного двигателя.

Практическая работа №4. Рабочий процесс

4- и 2-тактного двигателЕЙ

Цели работы: изучение рабочего процесса 4- и 2-тактного двигателей, схем продувок.

При выполнении работы используются методическая литература, наглядные пособия, учебная литература.

Порядок выполнения работы.

Изучить рабочий процесс 4- и 2-тактного двигателей, схемы продувки двухтактных двигателей, сравнить параметры 4- и 2-тактного двигателей.

Содержание работы.

Рабочий процесс как четырехтактных, так и двухтактных двигателей состоит из четырех элементов: газообмена, сжатия, сгорания и расширения. Все эти элементы рабочего процесса в четырехтактных двигателях осуществляются за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала).

При открытом всасывающем клапане и движении поршня от ВМТ к НМТ (рис. 4.1, а, линия r – а) цилиндр двигателя наполняется свежей топливно-воздушной смесью (двигатели с внешним смесеобразованием) или воздухом; этот первый ход поршня называется тактом впуска (наполнения). Всасывающий клапан закрывается с запаздыванием, после того как поршень пройдет НМТ и начнет движение к ВМТ. При движении поршня от НМТ к ВМТ (см. рис. 4.1, б, линия а – т – с) осуществляются конец наполнения и сжатие при закрытых клапанах топливно-воздушной смеси до температуры Т_с, меньшей температуры воспламенения топлива Т_ст, (бензиновые и газовые двигатели) или воздуха до температуры Т_с, большей температуры самовоспламенения топлива Т_ст (дизели). Второй ход поршня называется тактом сжатия.

Рис. 4.1. Схемы а – г и рабочий процесс д четырехтактного ДВС:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3, 5 – впускной и выпускной клапаны; 4 – свеча

или форсунка; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал

В конце сжатия происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от электрической искры (бензиновые, газовые двигатели) или самовоспламенение впрыснутого в цилиндр дизельного топлива (дизели). Далее поршень перемещается от ВМТ к НМТ при закрытых клапанах, осуществляются процессы сгорания с – z' – z, расширения z – b и при открытом выхлопном клапане – выхлоп b' – b (см. рис. 4.1, в). Третий ход поршня называется рабочим.

Затем поршень двигается от НМТ к ВМТ при открытом выхлопном клапане, выталкиваются продукты сгорания (см. рис. 4.1, г, линия b – r). Четвертый ход поршня называется тактом выпуска (выталкивания). В конце четвертого хода при открытом выхлопном клапане (он закрывается с запаздыванием после прохождения поршнем ВМТ) с опережением, т.е. до прихода поршня в ВМТ, открывается всасывающий клапан. Таким образом, около ВМТ какой-то период времени открыты одновременно всасывающие и выхлопные клапаны (перекрытие клапанов r' – r – n); в это время осуществляются продувка камеры сгорания цилиндра, ее интенсивная очистка от отработавших газов.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя показан на рис. 4.2. В двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов у двигателя осуществляется через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

Рис. 4.2. Схема работы двухтактного двигателя: а – первый такт;

б – конец первого и начало второго такта; в – конец второго такта;

1 – свеча зажигания; 6 – кривошипная камера;

2 – поршень; 7 – продувочный канал;

3 – выпускное окно цилиндра; 8 – цилиндр;

4 – карбюратор; 9 – выхлопная труба;

5 – впускное окно цилиндра; 10 – картер

При движении вверх поршень 2 (см. рис. 4.2, а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего над поршнем происходит сжатие рабочей смеси. Одновременно под поршнем создается разрежение, и из карбюратора 4 через впускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке в свече зажигания 1 (см. рис. 4.2, б) образуется электрическая искра, и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока откроются выпускные окна, и начнется выпуск отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окно продувочного канала 7, и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (см. рис. 4.2, в). Происходит продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами. Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл.

Двигатели с описанным рабочим процессом называют двигателями с кривошипно-камерной продувкой. Эти двигатели по конструкции и в эксплуатации проще, чем четырехтактные. Их работа протекает более равномерно потому, что рабочий ход происходит при каждом обороте коленчатого вала. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому двухтактные карбюраторные двигатели используют при кратковременной работе для запуска дизельного двигателя трактора.

В двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой роль продувочного (насоса) агрегата выполняет кривошипная камера.

Диаграммы рабочего процесса четырехтактного и двухтактного двигателей отличаются только процессом газообмена, который осуществляется на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширения и сжатия. В двухтактном двигателе цикл совершается за один оборот коленчатого вала.

Для повышения экономичности двухтактных двигателей применяют различные схемы продувки (газообмена).

Петлевая схема газообмена (рис. 4.3, а) значительно упрощает конструкцию двигателя, но при этом ухудшается качество газообмена, и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и широко применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов и до крупных мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Клапанно-щелевая про-дувка обеспечивает хорошее качество газообмена (см. рис. 4.3, б).

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (см. рис. 4.3, в), в которой один поршень управляет впускными окнами, а другой – выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Преимущество двухтакт-ных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена – простота устройства. Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими способами происходят значительно хуже, в результате чего уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя.

Сравнение рабочих циклов четырех и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих тактов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличение мощности в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5–1,7 раза в результате потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса.

К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала (а не за два, как в четырехтактных). Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях.

При внешнем смесеобразовании в результате продувки цилиндра горючей смесью она частично выбрасывается через выпускные окна, поэтому двухтактный процесс применяется чаще в дизелях. Исключение составляют мотоциклетные, лодочные и другие двигатели небольшой мощности, для которых большее значение имеет простота и компактность конструкции, чем экономичность.

Содержание отчета и контрольные вопросы: привести индикаторную диаграмму четырехтактного двигателя с указанием тактов, характерных точек (моменты зажигания или впрыска, воспламенения, начала и конца горения, открытия органов газообмена), преимущества и недостатки 2- и 4-тактных циклов, назначение перекрытия клапанов, виды и назначение продувок, преимущества и недостатки видов продувок.

Практическая работа №5. Устройство поршневого ДВС

Цель работы. Изучение устройства поршневого ДВС.

При выполнении работы используется методическая литература, комплекты плакатов, макеты, учебная литература.

Порядок выполнения работы.

Изучить принцип работы поршневого ДВС: назначение, устройство и работу основных механизмов и систем двигателя (по заданию преподавателя).

Содержание работы.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из кривошипно-шатунного механизма (корпуса и движущихся деталей), механизма газораспределения и систем снабжения воздухом, питания, зажигания, смазки, охлаждения.

Корпус (остов) двигателя состоит из неподвижных деталей, поддерживающих движущиеся детали кривошипно-шатунного механизма. К ним относятся фундаментная рама или поддон, картер, цилиндры, крышка (головка) цилиндров.

Движущиеся детали кривошипно-шатунного механизма воспринимают давление газов, передают возникающие силы коленчатому валу и преобразуют поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. К этим деталям относятся поршневые комплекты, шатуны (в отдельных случаях крейцкопфный механизм), коленчатый вал и маховик.

Механизм газораспределения предназначен для осуществления в определенной последовательности выпуска продуктов сгорания и впуска в цилиндры свежего заряда. Он состоит из впускных и выпускных элементов (клапанов) и деталей, передающих движение от коленчатого вала: шестерен, распределительных валов, толкателей, штанг и коромысел.

Система воздухоснабжения предназначена для подачи воздуха при определенных параметрах состояния. К ней относятся воздушный фильтр, глушитель шума впуска, продувочный насос (в двухтактных двигателях без наддува), компрессор или турбокомпрессор, детали привода, воздушный холодильник и воздушный ресивер.

Система питания обеспечивает подготовку и распыливание топлива, а также регулирование качества или количества заряда. Система питания карбюраторных (бензиновых) и газовых двигателей состоит из карбюраторов или смесительных устройств, регуляторов, баков или баллонов, топливопроводов, топливоподающих насосов и др. (форсунок для систем впрыска). Система питания дизелей включает топливные баки, топливные насосы низкого и высокого давления, фильтры, регуляторы, форсунки, топливопроводы.

Система зажигания предназначена для принудительного воспламенения рабочей смеси от электрической искры, возникающей между электродами свечи под действием импульса электрического тока высокого напряжения. Система зажигания используется в карбюраторных (бензиновых) и газовых двигателях и состоит из аккумуляторной батареи, генератора, катушки зажигания, свечей зажигания, проводов и прерывателя-распределителя (коммутатора). В современных системах зажигания нет прерывателя-распределителя. Система состоит из свечей зажигания, катушек и электронного блока с датчиками.

Система смазки служит для подвода масла к узлам трения и к охлаждаемым им деталям. Она состоит из масляных насосов, фильтров, маслосборников, масляных холодильников, маслопроводов.

Система охлаждения обеспечивает охлаждение деталей, соприкасающихся с горячими газами. Охлаждение осуществляется водой, специальными жидкостями, маслом (поршни), топливом (распылители, насос-форсунки) или воздухом. К этой системе в зависимости от способа охлаждения относятся различные механизмы и устройства, обеспечивающие циркуляцию теплоносителя, и теплообменники. Например, система охлаждения водой или тосолом автомобильного двигателя состоит из насоса, радиатора, вентилятора, канатов в блоке и головке цилиндров и термостата.

Кроме названных механизмов и систем, в конструкции двигателя могут быть и другие устройства, например, устройства для пуска, реверса, контроля, управления, утилизации теплоты отработавших газов, нейтрализации токсичных выбросов.

Содержание отчета и контрольные вопросы. Привести назначение, принципиальную схему, краткое описание устройства и работы механизма или системы поршневого двигателя (по заданию преподавателя).

Практическая работа №6. Роторно-поршневые двигатели

Цель работы. Изучение рабочего процесса роторно-поршневого двигателя. При выполнении работы используется методическая литература, комплекты плакатов, учебная литература.

Порядок выполнения работы.

Изучить историю создания роторно-поршневых двигателей (РПД), принцип осуществления рабочего цикла, преимущества и недостатки в сравнении с обычными поршневыми двигателями.

Содержание работы.

Роторные двигатели применяют в основном на автомобилях. Эти двигатели характеризуются малой удельной массой, отсутствием возвратно-поступательно движущихся частей (в отличие от поршневых ДВС), большей частотой вращения вала. Поэтому роторно-поршневые двигатели при равной мощности обычно легче и компактнее обычных поршневых двигателей.

Первый работоспособный роторный двигатель был создан Ванкелем в 1957 г., хотя принцип использования вращающегося поршня был известен еще в XVI веке.

В роторно-поршневых двигателях весь рабочий процесс – газообмен, сжатие, расширение рабочего тела осуществляется при изменении объемов полостей, которые образуются между корпусом и треугольной формы ротором, совершающим сложное планетарное движение. Это двухтактный ДВС.

В полости III (рис. 6.1, а) происходит сгорание смеси и расширение газов, в полости I заканчивается выпуск и начинается процесс впуска, а в полости II смесь сжимается. Когда поршень проворачивается в положение (см. рис. 6.1, б), в полости III заканчивается расширение продуктов сгорания, а в положении (см. рис. 6.1, в) из полости III начинается выпуск продуктов сгорания. Одновременно электрическая искра, проскакивающая меж-ду электродами свечи, восп-ламеняет смесь, сжатую в полости II. На рис. 6.1, г показано положение поршня, соответствующее началу рабочего хода в полости II.

Основными элементами роторно-поршневого двигателя являются корпус, эксцентриковый вал отбора мощности и установленный на нем ротор. Корпус с торцов закрыт двумя крышками. На эксцентриковом валу с двух сторон располагаются маховики-противовесы, которые служат для уравновешивания центробежных сил, возникающих при вращении ротора вокруг оси эксцентрикового вала. Сложное планетарное движение ротора обеспечивается двумя шестернями, одна из которых – малая неподвижно укреплена в корпусе двигателя, а другая – большая соединена с ротором. Передаточное отношение передачи равно 3:2. При качении большой шестерни вокруг малой центр большой шестерни описывает окружность радиусом, равным эксцентриситету эксцентрика. Ротор при вращении эксцентрикового вала совершает сложное движение.

С каждой стороны ротора устанавливают по три торцовых уплотнения. Уплотняющие пластины прижимаются к поверхности корпуса пластинчатыми пружинами. Нарушение уплотнения в какой-либо полости может вызвать прорыв горячих газов и воспламенение свежего заряда в соседней полости.

Вследствие непрерывного изменения наклона уплотняющей пластины относительно поверхности корпуса контакт пластины с поверхностью происходит по линии. Поэтому поверхности уплотнения и корпуса двигателя быстро изнашиваются, и срок службы роторно-поршневого двигателя меньше срока службы поршневого ДВС. Утечки рабочего тела из полости сгорания у роторного двигателя больше по сравнению с утечками в обычном двигателе. При износе уплотнений выходит из строя весь двигатель.

При работе роторно-поршневого двигателя происходит тепловая деформация корпуса вследствие неравномерного его нагрева, что приводит к увеличению износа элементов уплотнения. Для уменьшения деформации корпуса его интенсивно охлаждают в области сгорания и подбирают соответствующие материал и толщину стенок корпуса. Вследствие интенсивного нагрева ротора его тоже следует охлаждать. Для охлаждения ротора используют топливовоздушную смесь и масло. Последнее сильно нагревается и для его охлаждения необходимо иметь мощные радиаторы. Удельный расход топлива в роторно-поршневых двигателях составляет 310– 370 г/ (кВт×ч).

Токсичность выпускных газов роторных двигателей несколько меньше токсичности выпускных газов поршневых ДВС, но выше норм для автомобильных ДВС. Применение тех или иных способов уменьшения токсичности выпускных газов роторных двигателей приводит к их усложнению и снижению экономичности.

Содержание отчета и контрольные вопросы. История создания РПД, область применения, принцип осуществления рабочего процесса РПД, преимущества и недостатки РПД в сравнении обычными поршневыми двигателями.

Практическая работа №7. Газотурбинные двигатели

Цель работы. Изучение рабочего процесса газотурбинного двигателя (ГТД).

При выполнении работы используется методическая литература, комплекты плакатов, макеты, учебная литература:

Порядок выполнения работы.

Изучить принцип осуществления рабочего цикла ГТД, преимущества и недостатки в сравнении с поршневыми ДВС, перспективы использования.

Содержание работы.

Газотурбинным двигателем называется двигатель, в котором рабочим телом является неконденсирующийся газ (воздух, продукты сгорания топлива, нейтральные газы), а в качестве расширительной машины применяется газовая турбина. ГТД состоит из трех основных элементов: газовой турбины, камеры сгорания и компрессора.

Газовая турбина – машина, в лопаточном аппарате которой термодинамическая работа изменения давления потока превращается в кинетическую энергию рабочего тела и в механическую работу на лопатках турбины.

В компрессоре механическая работа превращается в кинетическую энергию рабочего тела с последующим превращением в термодинамическую работу повышения давления.

В зависимости от кратности использования рабочего тела различают газотурбинные установки (ГТУ) открытого и закрытого цикла.

В ГТУ открытого цикла наружный воздух после однократного осуществления элементов рабочего процесса – сжатия, подвода теплоты, расширения выбрасывается в атмосферу, и последующие циклы происходят с новыми порциями рабочего тела.

В ГТУ закрытого цикла рабочее тело не меняется, а многократно сжимается, подогревается, расширяется и охлаждается, причем подогрев и охлаждение рабочего тела осуществляются в теплообменных аппаратах поверхностного типа, и рабочее тело не смешивается с продуктами сгорания топлива и окружающим воздухом.

Наибольшее распространение на транспорте и в промышленности получили только ГТУ открытого цикла.

Простейшая ГТУ открытого цикла изображена на рис. 7.1, а –техническая и б – термодинамическая схемы одновальной ГТУ, в –термодинамическая схема двухвальной ГТУ.

Рабочий процесс простейшей ГТУ осуществляется следующим образом: атмосферный воздух, сжатый до некоторого давления (р ₂=0,5–0,7 МПа и Т ₂= 460–520 К) в компрессоре, беспрерывно поступает в камеру сгорания, где его температура повышается за счет сжигания топлива (Т ₃=980–1130 К) при постоянном давлении.

Продукты сгорания на выходе из камеры сгорания (рис. 7.2) должны иметь температуру, не превышающую заданную. При этом в газе не должно быть сажи, частиц кокса, так как они вызывают загрязнение и эрозию проточной части газовой турбины.

При горении жидкого топлива и природного газа в ядре факела развивается температура около 2000 °С. Такую высокую температуру применяемые в турбостроении материалы выдержать не могут.

Температуру продуктов сгорания понижают, разбавляя их относительно холодным воздухом. Для этой цели поток воздуха перед входом в камеру сгорания разделяется на два: поток первичного и поток вторичного воздуха (см. рис. 7.2). Первичный воздух (примерно 1/3 от суммарного количества) подается в зону горения, а вторичный – протекает между жаровой трубой и кожухом и подмешивается постепенно по ходу к продуктам сгорания, снижая их температуру до заданной. Для авиационных ГТУ коэффициент избытка воздуха на выходе из камеры сгорания a = 4–5, для стационарных ГТУ a = 6–10.

Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к газовой турбине, в которой совершается работа расширения газа.

Рабочий процесс простейшей ГТУ в координатах р–V представлен на рис. 7.3. Заштрихованная вертикальными линиями площадь b34а численно равна работе расширения в газовой турбине. Линия 4–1 в реальном процессе условно изображает замещение отработавших газов новой порцией рабочего тела. Площадь, ограниченная линиями цикла 12341, равна разности работ расширения в газовой турбине и сжатия в компрессоре и представляет собой полезную работу газотурбиной установки, которая используется для привода уст-ройств (электрических генера-торов, нагнетателей, др. потре-бителей).

Чем выше температура газа перед турбиной, тем больше работа и выше экономичность двигателя.

После газовой турбины продукты сгорания (Т ₄ = 670–720 К) выбрасываются в атмосферу.

Показатели ГТД простой схемы в одновальном и двухвальном исполнении на номинальной нагрузке ничем существенно не отличаются. Применение двухвального ГТД простейшей схемы оправдывается только в условиях переменного режима работы, когда тяговая газовая турбина работает с заданной переменной скоростью и при различной нагрузке. В этом случае при переходе с номинального на частичные режимы показатели двухвального ГТД по сравнению с одновальным наиболее стабильны.

Для эффективной работы ГТД необходима высокая температура газов перед турбиной. Высокая температура газов перед турбиной затрудняет ее использование и обусловливает применение жаропрочных сталей и сплавов. Особенно тяжелы условия работы лопаток газовой турбины. Для понижения температуры лопаток и ротора их охлаждают. Вследствие этого может быть существенно повышена начальная температура газов перед турбиной (при тех же самых материалах), что приводит к значительному увеличению КПД ГТУ. Наибольшее распространение получило воздушное охлаждение продувкой сжатым воздухом специальных каналов.

В ГТУ простейшей схемы отработавшие газы после расширения в турбине выбрасываются в атмосферу с высокой температурой, что является одной из причин низкой экономичности ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать в теплообменных аппаратах-генераторах, в которых теплота передается сжатому компрессором воздуху.

В ГТУ с регенерацией теплоты (рис. 7.4) воздух сжимается в компрессоре, далее сжатый воздух проходит через регенератор, где температура его повышается, затем воздух проходит камеру сгорания, а температура продуктов сгорания повышается.

Продукты сгорания расширяются в газовой турбине, после чего проходят регенератор, в котором охлаждаются, затем выбрасываются в атмосферу. Таким образом, экономичность ГТУ с регенерацией теплоты выше, чем экономичность ГТУ простейшей схемы без регенерации.

Поверхность нагрева регенераторов образуют большое число труб малого диаметра или волнообразные пластины. По каналам между двумя волнистыми пластинами проходит нагреваемый воздух. С внешней стороны стенки этих каналов омываются отработавшими газами турбин.

Можно увеличить экономичность ГТУ, применяя промежуточный подогрев газа и охлаждения воздуха, т.е. используя сложные схемы. ГТУ с промежуточным подогревом рабочего тела и охлаждения воздуха в конструктивном отношении сложны и их применение оправдано в стационарной теплоэнергетике.

ГТУ получили распространение в металлургической промышленности, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в качестве судовых двигателей. Перспективно применение газовых турбин в качестве вспомогательных агрегатов (наддув) в поршневых и реактивных двигателях.

ГТД имеют ряд преимуществ перед поршневыми: рабочие органы совершают в них только вращательное движение и легко уравновешиваются; характеристика крутящего момента протекает весьма благоприятно (с уменьшением частоты вращения крутящий момент резко возрастает), что позволяет упростить конструкцию коробки скоростей; могут работать на любом малосернистом жидком или газообразном топливе с большим избытком воздуха, поэтому продукты сгорания их имеют меньшую концентрацию токсичных веществ; легко пускаются при низких температурах и отличаются большой габаритной мощностью.

Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым ДВС, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Без теплообменника ГТД имеют низкую экономичность, существующие теплообменники громоздки и сложны в изготовлении. Рабочая частота вращения вала тяговой турбины составляет 30-50 тыс. в минуту, что усложняет трансмиссию автомобиля. ГТД сложны и дороги в производстве.

Для осуществления высокоэффективного ГТД необходимо решить проблемы: металловедческую, связанную с изысканием жаропрочных сплавов, и аэродинамическую, заключающуюся в усовершенствовании проточных частей газовой турбины и осевого компрессора.

Повышение эффективности использования газотурбинного привода может осуществляться не только за счет повышения экономичности самого двигателя (повышение температуры газов перед турбиной, применение регенерации теплоты отходящих газов или использование других теплотехнических мероприятий), но и за счет широкой утилизации отходящих газов турбины. В частности, теплота отходящих газов ГТУ может быть эффективно использована на отопление помещений.

Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем ГТД позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.

Содержание отчета и контрольные вопросы. Принцип осуществления рабочего процесса ГТД, классификация ГТД, способы повышения эффективности ГТД, области применения, преимущества и недостатки в сравнении с поршневыми ДВС, проблемы и перспективы развития.

Практическая работа №8. Паровая машина

На рис. 8.1 изображена схема паросиловой установки, включающая паровой котел 1, пароперегреватель 2, паровую машину (поршневую или турбину) 3, конденсатор 4 и насос 5.

В паровом котле происходят одновременно следующие процессы: горение топлива; передача тепла воде через стенки; получение водяного пара и его перегрев; тяга топочных газов, которые отводятся в атмосферу.

Паровой котел состоит из топки и собственно котла (рис. 8.2). Уголь или дрова сжигаются в топке 1 на колосниковых решетках. Жидкое топливо сжигается в распыленном состоянии.

Котел 2 состоит из металлической емкости и вваренных в неё труб 3, через стенки которых теплота от горючих газов передается воде. На котле имеется манометр 5 за наблюдением пара и предохранительный клапан 6 выпускающий пар, если давление превысит допустимую величину. В котле имеется прибор 7 для контроля уровня воды.

Из котла пар поступает в поршневую машину, где его теплота преобразуется в механическую работу. Поршневая машина (рис. 8.3) состоит из цилиндра 1, поршня 2, распределительного механизма (золотника) 3 и кривошипно-шатунного механизма, включающего ползун 4, шатун 5 и кривошип 6. При помощи золотника пар направляется в левую или правую полость цилиндра и, действуя на площадь поршня, создает силу, приводящую во вращение колесо машины.

Рис. 8.3. Схема паровой поршневой машины:

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – золотник; 4 – ползун;

5 – шатун; 6 – кривошип

Основным недостатком поршневой паровой машины является ее низкая экономичность. Коэффициент полезного действия лучших образцов стационарных и судовых машин не превышает 25%, а паровозных – 10%. Причиной низкого КПД поршневой машины является малое давление до 2 МПа (20 атм.) при температуре 320–350 ^оС. Производство паровых машин в России было прекращено в 1957 г.

Практическая работа №9. Двигатели внешнего сгорания

Цель работы. Изучение рабочего процесса двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Порядок выполнения работы.

Изучить историю создания двигателя Стирлинга, принцип осуществления рабочего цикла, преимущества и недостатки в сравнении с обычными поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

Содержание работы.

Работы, направленные на поиск альтернативных поршневому двигателю энергетических установок, ведутся во всех развитых странах и обусловлены стремлением к наиболее рациональному расходованию энергии топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды продуктами его сгорания. С этой точки зрения весьма перспективен двигатель внешнего сгорания Стирлинга, который может работать практически в сочетании с любым тепловым источником.

Принцип действия такого двигателя разработал и в 1816 г. запатентовал шотландский священник Роберт Стирлинг, именем которого в дальнейшем и стали называть тепловой двигатель внешнего сгорания с замкнутой циркуляцией газообразного рабочего тела. Однако практическая реализация такого двигателя была осуществлена только в середине 20-х годов прошлого века, а всесторонние исследования и совершенствование конструкции данного двигателя далеки еще от завершения и в наши дни. Некоторые технологические особенности и используемые материалы не позволяют пока двигатель Стирлинга уверенно применять в качестве транспортной силовой установки, хотя достигнуты уже хорошие результаты и налажено широкое его применение для привода систем на космических объектах и в стационарных силовых агрегатах специального назначения.

Принцип действия двигателя Стирлинга рассмотрим на примере одноцилиндрового двухпоршневого варианта, который был исходным для последующего совершенствования конструкции (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Принцип действия двигателя Стирлинга: а, б, в, г – такты двигателя;

д – индикаторная диаграмма; I – сжатие (г–а–б – в полости Б; в–г–а – в полости А);

II – подвод теплоты; III – расширение (а–б–в – в полости А; б–в–г – в полости Б);

IV – отвод теплоты

Двигатель состоит из цилиндра 13, в котором совершают возвратно-поступательное движение два поршня, условно называемые вытеснительным 1 и рабочим 2. Взаимное перемещение поршней и передача крутящего момента на кривошипные валы 9 осуществляется с помощью ромбовидного шатунного механизма 10 и соосных штока 12, вытеснительного поршня и штока 11 рабочего поршня.

Рабочее тело находится в полости А между верхним рабочим поршнем и головкой цилиндра и в полости Б между поршнями, а в процессе перемещения поршней оно проходит холодильник 3, регенератор 4 и теплообменник-нагреватель 6, где воспринимает теплоту продуктов сгорания топлива, подаваемого в зону горения форсункой 5. Отходящие газы 8 подогревают воздух, подводимый по каналу 7 к горелке.

В положении (см. рис. 9.1, а) рабочий поршень 2 подошел к верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень 1 сжимает рабочее тело в полости Б (процесс изображен на нижней ветви I индикаторной диаграммы, см. рис. 9.1, д), откуда оно поступает через холодильник в регенератор и к нагревателю (ветвь II). В регенераторе рабочее тело предварительно нагревается, используя для этого теплоту предыдущего рабочего цикла. При повороте кривошипов вала в направлении стрелок поршни взаимно сближаются (см. рис. 9.1, б), и объем полости Б еще более уменьшается, но к тому времени происходит уже рабочий ход – расширение нагретого рабочего тела в полости А (верхняя ветвь III индикаторной диаграммы). При последующем повороте кривошипов (см. рис. 9.1, в) завершается расширение в полости А, и начинается расширение в полости Б, куда и устремляется рабочее тело, проходя через регенератор 4 и отдавая ему свою теплоту, и далее охлаждаясь в холодильнике 3 (ветвь IV). В положении (см. рис. 9.1, г) объем рабочего тела максимальный. При дальнейшем повороте кривошипов верхний поршень завершает движение к ВМТ, а нижний начинает ход сжатия.

В качестве рабочего тела может быть использован воздух, но чаще применяют более легкие газы – водород или гелий, обладающие меньшей вязкостью, что снижает гидравлические потери на газообмен. Повышение термического КПД двигателей Стирлинга связано с повышением давления рабочего тела, поэтому обычно они работают с давлениями до 15,0– 20,0 МПа при температуре в верхней части цилиндра 650–700 °С, а в нижней (подпоршневом пространстве) – 70–80 °С. Рассмотренная схема, реализованная фирмами «Филлипс» (Голландия) для зарядных станций, «ДАФ» (Дания) для автобуса (четырехцилиндровый двигатель) и некоторыми другими, имеет ряд недостатков. Сложный и громоздкий кривошипный механизм подвержен высоким нагрузкам, а надежное уплотнение взаимно перемещающихся штоков и поршней в цилиндре связано с большими трудностями.

Рис. 9.2. Двигатель Стирлинга фирмы «Форд»: а – конструктивная схема; б –схема работы двигателя

В начале 70-х годов XIX века был разработан четырехцилиндровый двигатель Стирлинга с одинарными поршнями в каждом цилиндре. На рис. 9.2, а показана конструктивная схема. На функциональной схеме (см. рис. 9.2, б) этот двигатель представлен в виде рядного со смещением кривошипов коленчатого вала под 90°, при этом полости А и Б здесь образованы в надпоршневом и подпоршневом пространствах смежных цилиндров. В рассматриваемом двигателе Стирлинга (см. рис. 9.2, а) усилие поршня 6 передается штоком 4 на наклонную шайбу 2, связанную с выходным валом 1. Боковые усилия воспринимаются направляющими 3 штоков. Подпоршневая полость уплотняется резиновой манжетой. Мощность двигателя регулируется перепуском части рабочего тела из зоны рабочего хода в зону расширения или откачкой рабочего тела в специальный ресивер высокого давления. Для повышения термического КПД двигателя, поступающий в камеру сгорания воздух, предварительно нагревают от медленно вращающегося дискового керамического регенератора.

Теплообменник 7 образован рядом бесшовных тонкостенных капиллярных трубок, способных выдерживать высокие давления. Развитая поверхность множества трубок позволяет осуществлять эффективную теплопередачу от продуктов сгорания к рабочему телу.

Именно технологическая сложность изготовления теплообменника является основным препятствием для освоения двигателя Стирлинга в массовом производстве. Не решена пока и проблема оптимального регулирования мощности. Вместе с тем основным его достоинством является возможность работы с любым источником теплоты, в том числе, например, с тепловым аккумулятором, заряжаемым «сбросовой» теплотой ядерных электростанций. На космических объектах также двигатели используют энергию солнечного излучения.

На рис. 9.3 показана действующая модель двигателя Стирлинга [10]. Рабочий поршень 2 движется в рабочем цилиндре 1 и уплотнён кольцами. Он соединён с кривошипно-шатунным механизмом 15, который имеет маховик 14. Маховик служит для равномерного вращения коленчатого вала и запуска двигателя. Поршень-вытеснитель 10 располагается с зазором, что обеспечивает движение воздуха из холодной полости в горячую и наоборот. Цилиндр 9, где движется поршень-вытеснитель 10, включает в себя холодильник 6 (радиатор), регенератор 7. Поршень-вытеснитель 10 имеет шток, который уплотнён при помощи сальника 5. При движении поршня-вытеснителя 10 и рабочего поршня 2 объем воздуха между ними остается постоянным. При нагревании данного объема воздуха давление повышается, а при охлаждении – понижается.

Рис. 9.3. Двигатель Стирлинга (действующая модель):

1 – рабочий цилиндр; 2 – рабочий поршень; 3 – трубопровод; 4 – шок; 5 – втулка сальника; 6 – радиатор (холодильник); 7 – регенератор;

8 – стекловата; 9 – цилиндр; 10 – поршень-вытеснитель; 11 – горелка;

12 – рама; 13 – подставка; 14 – маховик; 15 – кривошипно-шатунный

механизм; – горячая полость; – холодная полость

При помощи горелки 11 правая часть цилиндра 9 нагревается до температуры 300–400 ^оС. При движении поршня-вытеснителя 10 вправо (к ВМТ) холодный воздух, проходя через зазоры между поршнем-вытеснителем 10 и горячим цилиндром 9, нагревается. Температура и давление повышаются, и давление передаётся через трубопровод 3 и действует на рабочий поршень 2. При вращении маховика 14 двигатель запускается. При движении поршня-вытеснителя 10 влево (к НМТ) горячий воздух, проходя через зазоры и холодильник 6, отдаёт тепло, тем самым охлаждается. Следовательно, давление падает, что позволяет рабочему поршню 2 начать движение к ВМТ. Далее цикл повторяется, за счёт движения поршня-вытеснителя 10 влево и вправо.

Содержание отчета и контрольные вопросы. История создания двигателя Стирлинга, принцип осуществления рабочего процесса, способ регулирования мощности, основная проблема освоения, области применения, преимущества и недостатки в сравнении с поршневыми ДВС, перспективы использования.

Библиографический список

1. Автомобильные и тракторные двигатели / Под ред. И.М. Ленина. – М.: Высшая школа, 1976. – Ч. 1. – 200 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1980. – 288 с.

3. Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания / В.М. Кондрашов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 272 с.

4. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа, 1986. – 352 с.

5. Романов Б.А. Двигатели внутреннего сгорания. – М.: Недра, 1989. – 172 с.

6. Новоселов А.Л., Нечаев Л.В. История развития двигателей внутреннего сгорания: Учебное пособие. – Барнаул: Алт. политехн. ин-т,1992. – 32 с.

7. Макушев Ю.П. Система питания быстроходных дизелей. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2004. – 181 с.

8. Введение в специальность: Методические указания к выполнению практических работ / Сост. А.Е. Свистула. – Барнаул: Изд-во АлтГАУ, 2004. – 39 с.

9. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания»/ В.П. Алексеев и др.; Под общей ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд., пер. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.

10. Скурьят Эрнест. И снова «Стирлинг» // Техника-молодежи. – 1986.– № 7. – С. 26–30.

Учебное издание

В В Е Д Е Н И Е

В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Методические указания

к практическим работам

по специальности

«Двигатели внутреннего сгорания»

Составители: Юрий Петрович Макушев,

Лариса Юрьевна Михайлова,

Александр Александрович Скок

***

Компьютерную верстку и редактирование

выполнила Т.И. Кукина

***

Подписано к печати 18.09.08

Формат 60´90 1/16. Бумага писчая

Оперативный способ печати

Гарнитура Таймс

Усл. п. л. 3,0, уч.-изд. л. 3,0

Тираж 100 экз. Заказ №___

Цена договорная

***

Издательство СибАДИ

644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10