0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое тепловозные двигатели

Что такое тепловозные двигатели

Тележка в сборе- 10768 кг;

Колесная пара с буксами и осевым редуктором- 3205 кг;
Рама тележки- 2284 кг;
Гидропередача- 5500 кг;
Компрессор(сухой)ПК-35- 320 кг;
Двухмашинный агрегат А-706Б- 660 кг;
Осевой редуктор(без колесной пары)- 880 кг;
Вал карданный(раздаточный)- 340 кг;
Вал карданный(тележечный)- 161 кг;
Эл. двигатель вентилятора холодильника П-72- 350 кг;
Эл. двигатель П21(о тех. характеристиках см. Здесь. )- 37,8 кг;
Эл. двигатель П22(о тех. характеристиках см. Здесь. )- 43,8 кг;
Главный воздушный резервуар- 161 кг;
Колесо вентилятора- 60 кг;
Подпятник вентилятор- 62 кг;
Охлаждающая секция водяная- 47 кг;
Маслоохладитель дизеля- 175 кг;
Маслоохладитель гидропередачи- 257 кг;
Топливоподогреватель- 52 кг;
Водяной бак- 70 кг;
Песочница- 39 кг;
Калорифер- 41 кг;
Муфта эластичная- 60 кг;
Топливный бак(левый, правый)- 270 кг;
Топливный бак под кабиной машиниста- 700 кг.

Данные о массе деталей дизеля ТГМ-4 6ЧН21/21

Двигатель с маховиком, без эксплуатационных материалов- 4800 кг;
Количество масла в двигателе- 160 кг;
Количество воды в двигателе- 80 кг;
Остов двигателя, в сборе- 2104 кг;
Втулка цилиндра(гильза)- 32 кг;
Коленчатый вал, в сборе- 776 кг;
Блок-картер с коленчатым валом- 2470 кг;
Поршень, в сборе- 18 кг;
Шатун, в сборе- 31 кг;
Крышка цилиндра, в сборе- 71 кг;
Распределительный вал, в сборе- 54 кг;
ТНВД- 75,67 кг;
Регулятор скорости(РЧО)- 16 кг;
Водяной насос охлаждения дизеля- 13 кг;
Водяной насос охлаждения наддувочного воздуха- 8 кг;
Главный масляный насос- 22 кг;
Турбокомпрессор- 75 кг;
Демпфер крутильных колебаний- 156 кг;
Маховик- 77 кг;
Стартер- 65 кг.

Масса отдельных узлов тепловоза ТГМ6

Тепловозная рама — 26 470 кг;
Тележка — 10 746 кг;
Колесная пара, вместе с буксами — 2324 кг;
Рама тележки — 2400 кг;
Редуктор осевой — 880 кг;
Дизель типа Д49:
3А-6Д49 — 10300 (масса «сухого» дизеля 3А-6Д49 — 9600 кг);
7-6Д49 — 11000 кг.
Гидропередача (УГП 1200/212ПР) — 5700 кг;
Теплообменник УГП — 257 кг;
Вспомогательный генератор КГ 12,5 — 163 кг;
Бак топливный (правый, левый) — 1030 кг;
Глушитель — 52 кг;
Вал карданный:
тележечный — 161 кг;
раздаточный — 411 кг.
Главный воздушный резервуар — 93 кг;
Вентиляторное колесо — 84 кг;
Бак водяной — 80 кг;
Топливоподогреватель — 52 кг;
Муфта, соединяющая дизель с УГП — 115 кг;
Калорифер- 41 кг;
ГМР (гидромеханический редуктор) компрессора — 290 кг;
Гидроредуктор привода вентилятора — 380 кг.

Теоретическая масса сборочных единиц и деталей дизеля ТГМ-6 ( 3А-6Д49)

Блок цилиндров — 2416 кг;
Подвеска коренного подшипника — 25 кг;
Масляная ванна — 240 кг;
Коленвал — 750 кг;
Втулка цилиндра — 70 кг;
Цилиндровая крышка — 111 кг;
Шатуны в сборе — 93 кг;
Поршень в сборе с пальцем — 36,7 — 37,2 кг;
Лоток с распредвалом — 218 кг;
Вал распределительный — 78 кг;
Привод насосов — 336 кг;
Привод механизма уравновешивания — 209,3 кг;
Привод распределительного вала — 320,2 кг;
Привод механического тахометра — 10,04 кг;
Выпускной коллектор — 237,8 кг;
Интеркулер (холодильник наддувочного воздуха) — 185,7 кг;
Кронштейн турбокомпрессора — 76 кг;
Топливоподкачивающий насос — 10,8 кг;
Индивидуальный топливный насос высокого давления — 6,7 кг;
Форсунка — 3,28 кг;
Теплообменник масла дизеля — 257,8 кг;
Фильтр грубой очистки масла — 60 кг;
Фильтр центробежный — 25 кг.

Что такое тепловозные двигатели


ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Валентин Николаевич Балабин, доцент Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), к.т.н.

В России большое внимание уделяется разработкам мероприятий по повышению топливной экономичности транспортных двигателей на эксплуатационных режимах и повышению автоматизации систем управления. Анализ мировых тенденций развития двигателестроения показал, что, начиная с середины 80-х годов, углубляется расхождение между прежде подобными группами транспортных двигателей.

Решение многих проблем, возникающих при эксплуатации тепловозных двигателей потребовало новых подходов. В практике двигателестроения стало развиваться новое направление: электронное управление системами двигателей тепловозов. Появилась возможность оптимизации управления топливоподачей и процессами газообмена в них при управлении его работой. Именно максимальное использование микропроцессоров в системах управления тепловозных дизелей определило следующую ступень развития — двигатели IV поколения. По определению специалистов ОАО ХК «Коломенский завод» тепловозный двигатель нового поколения (ТДНП) — двигатель с комплексной адаптивной системой управления, позволяющий реализовать широкий спектр эксплуатационных услуг.

Один из основных факторов, определяющих качества двигателей — его экономичность. Для двигателя железнодорожного транспорта характерна длительная эксплуатация на частичных и переходных режимах, вызываемых возмущающими и управляющими воздействиями. При этом наблюдается тенденция к смещению продолжительности работ в сторону меньших скоростей.

Для нового V12 дизель-генератора 21-26ДГ форсированного до мощностей 2500…2650 кВт характерно уменьшение удельного эффективного расхода топлива с 197 до 194 г/кВтч с перспективой дальнейшего уменьшения до значений 191…188 г/кВтч (в диапазоне эксплуатационной мощности 0,6…1 от номинальной этот параметр составляет 204…207 г/кВтч).

Для сокращения затрат на железнодорожном транспорте, важнейшая задача — повышение эффективности эксплуатации тепловозного двигателя, путем совершенствования конструкции их элементов.

У ТДНП мощностью 1000…3500 кВт необходимо увеличить межремонтные пробеги не менее, чем в два раза, при условии выполнения жестких экологических норм по введенным дизельным стандартам ГОСТ Р. ОАО «РЖД» требует увеличить пробег локомотивов с ТДНП с 2 млн до 3 млн км.

Вообще, требования, которым должны отвечать тепловозные дизели нового поколения, можно разделить на два направления: запросы основного заказчика — ОАО «РЖД» — и общие отраслевые тенденции развития мирового дизелестроения.

На совещаниях любого уровня специалисты по созданию транспортных двигателей с одной стороны и конструкторы тепловозов с другой едины в том, что создание ТДНП — сложная техническая проблема. Основные причины этого в том, что новые решения должны быть максимально адаптированы к уже имеющемуся парку тепловозов и сопутствующей инфраструктуре. Кроме того, появление нового поколения двигателей транспортного назначения и последующее успешное продвижение его на весьма насыщенном рынке, требуют дополнительных денежных вложений в соответствующие НИР и обучение персонала.

Со стороны научных структур ОАО «РЖД» должны быть ясно сформулированы результаты проведенного маркетинга по потребностям в типах и мощностях тепловозов для каждого отдельного региона применения. Они должны максимально учитывать требования перевозочного процесса. Региональные требования, это одно из важнейших направлений создания ТДНП и соответствующих им тепловозов, (которое в нашей стране никогда серьезно не рассматривалось). Здесь приходится учитывать не только климатические отличия, но и разнообразные особенности местных требований к тяговому подвижному составу и строящимся унифицированно-типажированным тепловозам.

Не следует проводить модернизацию локомотивных энергетических установок просто ради абстрактного «улучшения экономических или экологических показателей». Все этапы модернизации и, главное, последующая эксплуатация на сети железных дорог должны приносить ощутимый технический и экономический эффект, особенно с учетом затрат остающегося жизненного цикла и дополнительных расходов, связанных с потребностями в более частом выполнении ТО и ТР.

Следует активно применять не только серийные, но и новые проверенные технологии.

Рассмотрим концепцию перспективного тепловозного дизеля. Известно, что мощность, надежность и экономичность двигателей железнодорожного транспорта определяет эффективность автономной тяги. Опыт эксплуатации диктует необходимость придерживаться некоторых известных требований, главное из которых: ТДНП по мощностным параметрам должны перекрывать весь перспективный ряд новых тепловозов.

Предлагается шире использовать в конструкции нового тепловозного двигателя новейшие достижения мирового двигателестроения. Вместе с тем, одним из наиболее важных концептуальных требований к ТДНП должно стать использование апробированных технологий с низкой степенью риска, а также гарантированное исключение возможности отклонений рабочих процессов за допустимые пределы по механическим и тепловым нагрузкам, характерным у форсированных дизелей. Только в этом случае можно прогнозировать достижения требуемой надежности конструкции.

Читать еще:  Что относиться к двигателям внутреннего сгорания

Технико-экономические показатели транспортных двигателей, их эксплуатационная топливная экономичность в значительной степени зависят от расхода топлива на основных эксплуатационных режимах. В их число следует включить режимы холостого хода, а также и переходные режимы. Поэтому вопросы совершенствования газообмена на нагрузочных, переходных режимах и холостом ходу необходимо отнести к отдельному приоритетному направлению исследований.

Следует активно применять не только серийные, но и новые проверенные технологии. Ниже рассмотрены некоторые из мероприятий, требующих исследований и последующего внедрения.

Рациональная схема рабочего процесса ТДНП должна предусматривать: создание системы альтернативного немеханического привода клапанов газораспределения; отключение на режимах холостого хода и малых нагрузок части цилиндров по топливоподаче и газообмену.

Переход от фиксации ресурса ТДНП в моточасах или километрах пробега тепловоза к оценке индивидуального суммарного расхода топлива. Тепловозный дизель значительную часть работает на холостом ходу (до 40…80 % общего времени работы), а в реальной практике эксплуатации этот режим не учитывается как полезная работа. Для ТДНП необходимо непрерывно контролировать расход топлива с помощью бортовых высокоточных ролико-лопастных расходомеров, созданных в МИИТ.

Продолжить исследования по термофорсированию топливоподачи. Следует вспомнить опыт и результаты исследований, начатые в МИИТ в 70-х гг. Система предварительного подогрева топлива на линии высокого давления дизеля типа Д100 резко снизила период задержки воспламенения, уменьшила темп подъема давления (жесткость процесса). Активный период сгорания топлива сместился ближе к ВМТ.

Весьма перспективно использование на ТДНП симметричной одноступенчатой схемы полигазотурбонаддува. Полученный вариант регистрового наддува позволит реализовать необходимую мощность на всех точках скоростной характеристики при высокой экономичности, как на номинальном режиме работы, так и на частичных нагрузках.

Целесообразно создание схемы полигазотурбонаддува (ПГТН), состоящей из четырех турбокомпрессоров при секционировании коллекторов и ресиверов.

Индивидуальное микропроцессорное управление органами топливоподачи с одновременным адаптивным регулированием газораспределения позволит выбирать наиболее экономичную работу каждого турбокомпрессора на частичных и переходных режимах.

Система ПГТН обеспечивает высокие динамические качества разгона роторов турбокомпрессоров, что позволит отказаться от подкрутки, подобной электротурбокомпрессору.

Интегрированные в тепловоз вспомогательные системы ТДНП. Модульный принцип конструирования ТДНП должен плавно распространиться на весь локомотив. Так, топливная система низкого давления может быть сосредоточена непосредственно в районе или внутри топливного бака, что позволит сократить время экипировки, путем полной блочной замены бака с проверенными системами фильтрации, насосами и предохранительными устройствами.

Работу по повышению механического КПД серийных дизелей следует проводить в направлениях снижения потерь на трение, на привод вспомогательных механизмов и насосных потерь.

По приводу вспомогательных механизмов предлагается идея тесной кооперации дизелестроителей с конструкторами тепловозов. Расчеты показывают, что самостоятельный дизель-агрегат, как автономная единица, проигрывает установке, интегрированной в системы тепловоза. Можно передать некоторые вспомогательные функции с дизеля на тепловоз, установив моноблоки централизованных насосов с регулируемым асинхронным электроприводом. Это позволит сделать производительность насосов независимой от частоты вращения коленчатого вала.

На существующих локомотивах примерно поровну распределяются функции вспомогательных систем тепловоза и дизеля. При создании ТДНП необходимо выполнить перераспределение, передав до 80% функций обеспечения дизеля непосредственно тепловозу. Все фильтры, охладители теплоносителей, насосы, предохранительные приборы, приборы безопасности, вся арматура должны блочно располагаться на тепловозе.

Такое положение обеспечит дизелю без отвлечения выполнение своей основной функции — выдачу мощности по требуемым скоростным и нагрузочным характеристикам.

Разработка альтернативного, немеханического привода клапанов газораспределения. Традиционные типы механического привода клапанов газораспределения ограничивают возможности форсирования дизелей по частоте вращения и снижают моторесурс.
Проведенные в МИИТе исследования, позволяют установить целесообразность применения на ТДНП альтернативного немеханического привода клапанов.

Тепловозные двигатели большую часть времени работают на неноминальных режимах, и в этих условиях механический привод клапанов не обеспечивает требуемых фаз газораспределения (ФГР).

Многочисленная патентная литература и ряд выполненных исследований свидетельствуют, что изменением ФГР можно значительно улучшить технико-экономические показатели двигателя, расширить ассортимент используемых топлив, снизить жесткость работы двигателя и, что самое, главное — токсичность выпускных газов.

Применение регулирования ФГР позволяет увеличить величину крутящего момента на 25…30 %, а при номинальной частоте вращения — на 3…5 %. Одновременное изменение величины подъема клапанов с регулированием ФГР позволяет добиться интенсивной турбулизации заряда, что особенно важно при низких частотах вращения.

Основные виды альтернативного привода: пневматический, гидравлический, гидромеханический, электромагнитный и электрогидравлический.

Реальное распространение могут иметь три вида привода: гидравлический, электромагнитный и электрогидравлический.
Гидропривод клапанов отличается следующими особенностями: относительно высоким быстродействием; большими силами инерции по сравнению с силами сопротивления; возможностью управления отдельными фазами движения клапана и временем его выстоя в крайних положениях; достаточно высокими значениями к.п.д. всего привода.

Применение электромагнитного привода клапанов (ЭМПК) нашло практическое применение, начиная с конца 80-х гг. Особенно большое число патентных публикаций принадлежит Японии и США. Основные преимущества: обеспечение широких диапазонов регулирования ФГР; высокое быстродействие; удобство контроля работы привода; большая надежность элементов электронной системы управления и электропривода и возможность при необходимости установки дублирующих схем формирования управляющих сигналов.

Исполнительным узлом являются электромагниты, которые могут воздействовать на промежуточное звено, сочлененное с клапаном, или непосредственно на клапан.

ЭМПК позволяет получить оптимальные энергетические и экологические показатели дизеля при любых режимах работы, позволяет без дополнительных затруднений реверсировать дизель, осуществлять декомпрессию при пуске и режим противовращения.

Массогабаритные показатели ЭМПК тепловозного дизеля оказываются неудовлетворительными: электромагнит для привода одного выпускного клапана дизеля типа ЧН 26/26 обладает весом свыше 16 кг, сердечник и обмотка имеют примерно равный вес. К этому значению следует добавить вес демпфера, креплений и кожуха. К.п.д. ЭМПК получается не выше 50 %. Только на отдельных режимах работы двигателя в оптимальном варианте к.п.д. может достигнуть величины 65 %. Средняя потребляемая мощность на привод составляет приблизительно 1 кВт/км при частоте вращения коленчатого вала в 1000 мин-1. Электромагниты необходимо интенсивно принудительно охлаждать.

Хотя ЭМПК является заманчивым техническим решением, его широкое применение в таком традиционном виде, как силовой соленоид, представляется нецелесообразным. Возможно, есть области, где его преимущества возобладают над недостатками, например, судовые дизели, являющиеся тихоходными, реверсивными и не имеющими ограничений по массе и габаритам. Все же необходимость охлаждения электромагнитов, а главное — высокая стоимость, вызывает сомнения в практической ценности идеи традиционного ЭМПК. Интерес представляет применение в качестве силового привода ЭМПК линейного двигателя.

При ЭГПК обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулирования ФГР (или закона движения) клапанов, при этом обеспечиваются необходимые значения параметра «время-сечение» клапанов. ЭГПК обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими альтернативными типами приводов и, в частности, быстродействием, необходимым для качественного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных) и малой массой возвратно-движущихся частей.

Исследование работы ЭГПК применительно к транспортным дизелям проводилось на модельной одноклапанной и двухклапанной установках, а также на стендовой установке с транспортным дизелем, один цилиндр которого оборудован ЭГПК.

Несмотря на сложную конструкцию альтернативного привода клапанов газораспределения оптимизация ФГР и закона движения клапанов позволяет снизить среднеэксплуатационный расход топлива дизелем не менее чем на 8…12 %.

Многие разрабатываемые сегодня направления позволят в ближайшем будущем прогнозировать расширение диапазонов рабочих режимов и обеспечить необходимые технико-экономические показатели двигателей.

Конечным направлением исследовательских работ в нашей стране является создание адаптивного тепловозного дизеля, а также поиск решений систем управления, позволяющих производить полную или частичную адаптацию дизеля к внешним условиям.

Тепловоз

Тепловоз — рельсовое транспортное средство, автономный локомотив, первичным двигателем которого является двигатель внутреннего сгорания, обычно дизель.

Читать еще:  Двигатель lifan x60 стуки

Тепловоз появился в начале XX века и стал экономически выгодной заменой как малоэффективным устаревшим паровозам, так и появившимся в то же время электровозам, рентабельным лишь на магистралях со сравнительно большим грузо- и пассажиропотоком. При этом процесс вытеснения паровозов занял более полувека, а с электровозами тепловозы мирно сосуществуют и по сей день.

За XX век мощность тепловозного дизеля возросла с нескольких сотен, а то и десятков лошадиных сил до трёх тысяч и выше, на разных типах тепловозов используются различные способы передачи энергии двигателя на колёсные пары локомотива, значительно возросло удобство управления и обслуживания тепловоза, снизились выбросы в атмосферу. В процессе совершенствования конструкции тепловозов были опробованы различные изобретения и усовершенствования в конструкции, некоторые из них прижились, другие показали свою несостоятельность. Ныне тепловозы строятся и используются по всему миру.

Содержание

[править] Классификация

Тепловозы классифицируются по роду службы на грузовые, пассажирские и маневровые. Назначение тепловоза определяется его техническими характеристиками.

По типу передачи выделяются следующие типы тепловозов:

  • с электропередачей
  • с гидравлической передачей
  • с механической передачей (обычно маломощные мотовозы)

По компоновочному решению тепловозы могут быть с кузовом капотного типа и с кузовом вагонного типа.

Тепловозы могут быть односекционными, двух и трёх секционными. Существуют также и четырёхсекционные тепловозы — известны тепловозы серии 4ТЭ10С произведённые в особом исполнении для работы в суровых условиях Байкало-Амурской магистрали.

[править] Общая характеристика

Для тепловозов использующих электрическую передачу процесс преобразования энергии выглядит так: Дизельный двигатель тепловоза преобразует химическую энергию сгорания жидкого топлива в механическую работу вращения коленчатого вала, от которого вращение через тяговую передачу передается главному генератору (тяговому генератору). Тяговый генератор тепловоза преобразует механическую энергию вращения дизеля в электрическую. Впоследствии электрическая энергия главного генератора передается к тяговым электродвигателям, находящимся на каждой оси экипажной части или на общие тяговые двигатели тележки/тепловоза (в конструкциях с мономоторным тяговым приводом). Электродвигатели электроэнергию преобразуют в механическую энергию движения локомотива.

Для тепловозов использующих гидравлическую передачу дизельный двигатель передаёт вращение на колёсные пары через гидромуфты и гидротрансформаторы.

Кроме отбора энергии от дизеля на тяговые нужды от него также через механические или электрические приводы приводятся во вращение вспомогательные машины обеспечивающие собственные нужды тепловоза, обеспечивающие его охлаждение, снабжение воздухом, маслом, топливом.

К основным узлам тепловоза относится: кузов, рама, дизель-генераторная установка (или дизель с гидропередачей), ударно-тяговые приборы (автосцепное оборудование), ходовые части и тормозное оборудование. К вспомогательным узлам — система охлаждения, система воздухоснабжения, воздушная (тормозная) система, песочная система, система пожаротушения и т. д.

Дизельный двигатель в каждой секции тепловоза может быть как один, так и два — оба варианта достаточно широко распространены. Известны конструкции в которых использовалось 4 дизеля на одну секцию.

[править] История создания тепловоза

Ещё в XIX веке, когда конструкция паровоза была весьма далека от совершенства, инженеры пробовали создать локомотив не с паровой машиной, а с другим типом двигателя.

Готтлиб Даймлер в 1887 году создал двухосную мотрису на которой был установлен двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. 27 сентября 1887 года в Штутгарте на фольклорном фестивале произошла демонстраций этой мотрисы — практически увеселительный аттракцион. Впоследствии однако мотриса эта с модификациями использовалась в качестве трамвая.

Создатель дизельного двигателя Рудольф Дизель в 1909 году разработал тепловоз, который мог бы использоваться на железной дороге. Опытный образец был построен к сентябрю 1912 года, однако при испытаниях возникли проблемы, а довести до ума конструкцию так и не удалось — началась Первая мировая война.

Американская компания General Electric выпустила в 1913 году мотовоз с карбюраторным бензиновым двигателем. Спустя несколько лет компания свернула их производство перейдя на производство дизельного тепловоза [1] .

Что такое Двигатель тепловой: двигатели внутреннего сгорания? Значение dvigatel teplovoi dvigateli vnutrennego sgoraniya, энциклопедия кольера

Значение термина «Двигатель тепловой: двигатели внутреннего сгорания» в Энциклопедии Кольера. Что такое двигатель тепловой: двигатели внутреннего сгорания? Узнайте, что означает слово dvigatel-teplovoi-dvigateli-vnutrennego-sgoraniya — толкование, обозначение, определение термина, его лексический смысл и описание.

Двигатель тепловой: двигатели внутреннего сгорания

Двигатель тепловой: двигатели внутреннего сгорания – К статье ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Тепловые циклы. Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

Четырехтактный цикл. В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии Н.Отто.

Двухтактный цикл. В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам — в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

Достоинства и недостатки. Очевидным преимуществом двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что в нем вдвое чаще совершается рабочий ход, конструкция получается проще и легче (не требуется клапанный механизм, а маховик может иметь меньшую массу, поскольку он должен провернуть двигатель только на полоборота, а не на полтора, как в четырехтактном). Однако в двухтактный двигатель приходится подавать больше топливной смеси, чем в четырехтактный той же мощности, поскольку пространство его рабочего цилиндра не полностью освобождается от продуктов сгорания. Кроме того, укорачивается рабочий ход, в конце которого газы уже покидают рабочий цилиндр. Еще одним недостатком двухтактного двигателя являются проблемы со смазкой. В четырехтактном двигателе картер частично заполнен маслом, которое при вращении коленвала разбрызгивается на стенки цилиндра и создает смазку между ними и поршнем; в двухтактном двигателе топливная смесь захватывает брызги масла, проходя в картер и далее в рабочий цилиндр, и они уносятся с отработанными газами, уменьшая смазку цилиндра. Эта проблема решается добавлением масла в топливную смесь, что приводит к загрязнению выхлопа и ухудшению работы двигателя из-за нагара. Анализ достоинств и недостатков показывает, что сравнительно небольшие двигатели, для которых легкость, компактность и простота важнее проблем смазки и загрязненного выхлопа, предпочтительнее делать двухтактными. Такие двигатели применяются в газонокосилках, небольших мотоциклах и в моделях самолетов. Четырехтактные двигатели чаще делают в виде мощных установок с несколькими рабочими цилиндрами.

Читать еще:  Впускной коллектор двигателя что это

Топливовоздушная смесь. Для эффективного сгорания топливо и воздух должны быть смешаны в определенной пропорции. Массовое отношение воздух/топливо изменяется от 8:1 до 20:1; смесь называется «богатой», если она содержит избыточное количество топлива, и «бедной», если в ней избыток воздуха. Максимальная мощность достигается на богатой смеси (10:1 или 12:1). Сравнительно бедная смесь (14,5:1 или 15:1) используется чаще и является компромиссом между экономичностью и мощностью.

В некоторых двигателях топливо и воздух перемешиваются в цилиндре неравномерно. Такая «расслоенная» смесь обеспечивает меньшее загрязнение окружающей среды, поскольку вблизи свечи, где концентрация топлива выше, сжигание получается более полным.

Охлаждение. Хотя основная задача теплового двигателя — преобразование тепловой энергии в механическую работу, двигатели внутреннего сгорания вырабатывают больше тепла, чем могут преобразовать. Чтобы не произошло разрушение двигателя из-за перегрева, необходимо предусмотреть охлаждение цилиндров. Цилиндры небольших, а также авиационных двигателей обычно охлаждаются потоком воздуха; для улучшения охлаждения они имеют развитую внешнюю поверхность — ребра охлаждения. В больших двигателях, особенно если они находятся в замкнутом пространстве (в автомобилях или на судах), цилиндры охлаждаются жидкостью. В качестве охлаждающей жидкости используется, как правило, вода или какая-либо другая плохо испаряющаяся жидкость (например, этиленгликоль), которая не замерзает при низких температурах и неработающем двигателе. Эта жидкость охлаждается в радиаторе потоком воздуха.

В полезную работу превращается лишь 20-30% всего тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Еще 30% поглощается системой охлаждения, а остальное теряется с выхлопными газами.

Многоцилиндровые двигатели. Для повышения мощности двигателя и обеспечения большей частоты рабочих ходов создают двигатели с несколькими цилиндрами. Они могут стоять в ряд друг за другом (рядное расположение), в два ряда под углом друг к другу (V-образное), в четыре ряда (X-образное) или по окружности (радиальное). Иногда цилиндры располагают попарно головками друг к другу (оппозитное расположение). Для двигателей воздушного охлаждения обычно выбирают радиальную схему, с тем чтобы все цилиндры равномерно охлаждались потоком воздуха. Двигатели водяного охлаждения с числом цилиндров не более шести делают рядными; при большем числе цилиндров обычно используют V-образную схему — она более компактна.

Карбюраторные двигатели. Важной проблемой двигателей внутреннего сгорания является создание топливовоздушной смеси.

В бензиновых двигателях смешение воздуха с топливом происходит в карбюраторе. Обычно состав смеси регулируется за счет изменения расхода топлива, но если требуется богатая смесь (например, при запуске двигателя), то уменьшают (дросселируют) подачу воздуха.

Смесь воспламеняется искрой между электродами свечи зажигания, установленной в головке блока цилиндров. Электрическое питание обеспечивается аккумулятором или небольшим электрическим генератором; высокое напряжение, требуемое для искры, получают с помощью катушки зажигания.

Клапаны четырехтактного двигателя открываются и закрываются кулачковым механизмом, который связан с коленчатым валом зубчатой передачей. Поскольку каждый клапан открывается и закрывается один раз за два оборота коленчатого вала, кулачковый (распределительный) вал вращается в два раза медленнее коленчатого.

Синхронизация операций во времени. Для наиболее полного и эффективного использования энергии горячих газов воспламенение топлива в цилиндре, как и другие операции, должно происходить в строго определенные моменты времени. В большинстве двигателей воспламенение производится незадолго до окончания хода сжатия, поскольку сгорание топлива не происходит мгновенно. Время, требуемое для сгорания топлива, зависит от конструкции двигателя (главным образом от размеров цилиндра). В небольших двухтактных двигателях камера сгорания компактная, пламя быстро охватывает весь объем, и оптимальный момент зажигания лишь ненамного опережает момент конца хода сжатия. В больших двух- и в четырехтактных двигателях расстояние от искрового зазора свечи до концов камеры сгорания больше, и, соответственно, должно быть больше опережение зажигания. Однако для больших цилиндров повышается вероятность детонации — преждевременного, самопроизвольного и нерегулируемого горения или даже взрыва топлива, что может вызвать опасное увеличение температуры и давления в камере сгорания. Поэтому на практике выбирают меньшее опережение зажигания, чем определенное теоретически. Момент возникновения искры задается прерывателем-распределителем, который приводится во вращение от распределительного вала. Регулировка момента зажигания относительно положения поршня осуществляется за счет поворота корпуса распределителя. Величина опережения зажигания определяется в градусах поворота распределительного вала относительно положения, соответствующего нахождению поршня в верхней мертвой точке. Эта величина составляет от 2 до 10.

В четырехтактном двигателе необходимо синхронизировать моменты открытия впускных и выпускных клапанов. Эти клапаны открываются перед началом соответствующего хода и закрываются после его окончания. Так, если бы впускной клапан закрылся в момент достижения поршнем нижней точки, цилиндр не до конца заполнился бы топливовоздушной смесью. Поэтому клапан не закрывается, пока не начнется движение поршня вверх для сжатия смеси, и в цилиндр успевает поступить больше топлива (т.е. жертвуют некоторой степенью сжатия ради увеличения подачи топлива). Более раннее открытие и позднее закрытие клапанов приводит к нежелательным утечкам топлива с выхлопными газами и неполному расширению продуктов сгорания, однако эти потери перекрываются увеличением подачи топлива.

Степень сжатия. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем больше сила, толкающая поршень. Степень сжатия у автомобильных карбюраторных двигателей изменяется в диапазоне от 7:1 до 11:1.

Дизельные двигатели. При сжатии газа его температура повышается. Это повышение температуры в двигателях Р.Дизеля (1858-1913) используется для воспламенения топливовоздушной смеси. В цилиндре такого двигателя происходит сжатие только воздуха, а топливо впрыскивается под высоким давлением в конце хода сжатия. Поэтому в дизельных двигателях не нужна система зажигания, нет сложностей с опережением зажигания и можно использовать сравнительно дешевое дизельное топливо вместо дорогого продукта высокой переработки нефти — бензина. Не требуется и карбюратор, поскольку нет предварительного смешивания топлива с воздухом. Однако из-за высокой степени сжатия конструкция должна быть прочнее (и тяжелее); необходимо также обеспечить впрыск топлива под большим давлением.

Высокая степень сжатия в дизельных двигателях (до 20:1) обусловливает и более высокий КПД. Поэтому дизельные двигатели применяют в тех случаях, когда важен не столько вес, сколько экономичность и высокая мощность: на кораблях, грузовиках и железнодорожных локомотивах.

Роторный двигатель Ванкеля. Принципиально иной тип двигателя внутреннего сгорания был реализован в 1957 Ф.Ванкелем. Конструктивно двигатель относительно прост и допускает изготовление в любых размерах. Поршни заменены ротором приблизительно треугольного сечения, который вращается в камере специальной формы (поверхность камеры выполнена по эпитрохоиде), в которой размещены свеча зажигания и впускные и выпускные отверстия. Такая конструкция позволяет осуществить четырехтактный цикл без применения специального механизма газораспределения. В этом двигателе можно использовать дешевые сорта топлива; он почти не создает вибраций.

Главное преимущество двигателя Ванкеля — малые размеры при заданной мощности. В двигателе вдвое меньше движущихся частей, чем в поршневом, и, следовательно, он потенциально надежнее и дешевле в производстве.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector