Теплові двигуни - це машини, в яких хімічна енергія палива перетворюється спочатку в теплову енергію, а потім в механічну роботу. До тепловим двигунам відносяться парові машини, парові турбіни, поршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ). газотурбінні двигуни (ГТД), комбіновані турбо-поршневі двигуни, реактивні двигуни.
Особливість застосовуваних на тепловозах двигунів внутрішнього згоряння поршневого типу полягає в тому, що перетворення хімічної енергії в теплову, що відбувається при згорянні палива, відбувається безпосередньо в самому робочому циліндрі
Рис 11. Принципова схема двигуна внутрішнього сгораніяв протягом дуже короткого часу (тисячних часток секунди) при високих температурах. Це і обумовлює переваги поршневих ДВС - малі теплові і гідравлічні втрати і високий коефіцієнт корисної дії, а також компактність.
Процес перетворення тепла в двигунах внутрішнього згоряння в роботу можна простежити за схемою, зображеної на рис. 11. Поступив в циліндр двигуна через клапан 5 повітря стискається поршнем і нагрівається при цьому до температури 600-650 ° С, що вище температури самозаймання розпорошеного рідкого палива. В кінці стиснення в нагріте повітря впорскується через форсунку 4 паливо, яке запалюється і згорає. В результаті згоряння палива в циліндрі 2 утворюються гази з високою температурою і тиском. Під тиском газів поршень 1 переміщається вниз і робить роботу. Під час розширення температура і тиск газів знижуються. Віддавши частину тепла на вчинення роботи, відпрацьовані гази викидаються в атмосферу через випускний клапан 3 під час руху поршня 1 вгору, а свіже повітря знову надходить в циліндр. Потім все повторюється знову. Двигуни внутрішнього згоряння мають шатунно-кривошипний механізм, що складається з поршня 1, шатуна 6, кривошипа 7 і вала 8. Цей механізм перетворює зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух вала.
Протягом одного обороту кривошипа поршень 2 рази змінює напрямок руху. Це відбувається в так званих «мертвих» положеннях (або «мертвих» точках) механізму, які характерні тим, що сила, яка діє на поршень, що знаходить ся в одному з цих положень, не викликає крутного моменту на кривошипі. Між поршнем, що знаходиться у верхній мертвій точці (в.м.т.), і кришкою циліндра укладено обсяг простору стиснення або герметичності. Ставлення повного обсягу циліндра до об'єму камери стиснення називається ступенем стиснення.
Для задоволення потреб народного господарства двигуни внутрішнього згоряння поставляються промисловістю в різноманітному виконанні: потужністю від I до 20 000 кВт в одному агрегаті, з числом циліндрів від 1 до 20 і більше, частотою обертання валу від 120 до 6000 об / хв.
Двигуни сучасних тепловозів мають потужність від 400 до 5000 кВт, частоту обертання валу 750 1500 об / хв, число циліндрів від 4 до 20. Вони витрачають від 200 до 230 г дизельного палива на 1 кВт-год виробленої енергії. Питома маса тепловозних двигунів внутрішнього згоряння становить від 2,5 до 18,5 кг / (кВт-ч)
Способи запалювання палива. За способом займання палива поршневі двигуни внутрішнього згоряння поділяються на двигуни з примусовим запалюванням (низького стиснення) і з самозаймання (високого стиснення) - дизелі. На тепловозах застосовуються виключно двигуни високого стиснення - дизелі типів: Д100, Д45, Д50, М750, Д49, Д70. Вони значно економічніше і могутніше, ніж двигуни низького стиснення.
Двигуни низької стиснення працюють на легкому паливі (бензині і гасі). У цих двигунах в циліндри засмоктується не повітря, а робоча суміш (пари бензину і повітря). Суміш стискається до температури, меншої, ніж температура її самозаймання, тому запалювання суміші здійснюється примусово від стороннього джерела. У більшості випадків застосовується електричне запалювання: в циліндр двигуна вставляють електричну свічку, включену в ланцюг високої напруги. У певний момент ланцюг струму високої напруги замикається, внаслідок чого між електродами овечої виникає іскра, яка і запалює робочу смесьв циліндрі. Двигуни низької стиснення встановлюють на автомобілях.
У циліндри двигунів високого стиснення надходить чисте повітря, який і стискається. В кінці стиснення, коли температура повітря буде досить високою, паливо в розпиленому вигляді впорскується через форсунку в циліндр і запалюється.
Дизелі чотиритактні і двотактні. Четирехтактнимі називаються дизелі, у яких повний робочий цикл - надходження повітря> в циліндр, перемішування і згорання палива, розширення газів і видалення їх з циліндра - здійснюється за чотири ходи поршня (такти), т. Е. За 2 обороти колінчастого валу. У двотактних двигунів повний робочий цикл в циліндрі відбувається за два ходи поршня, тобто. Е. За один оборот колінчастого валу. Слід підкреслити, що у чотиритактних дизелів продування і зарядка циліндра свіжим повітрям відбуваються Інакше, ніж у двотактних, саме ж змішання палива з повітрям і згоряння робочої суміші в обох типів дизелів однаково. Зазвичай задається питання - який з цих типів дизелів краще? Протягом багатьох років в різних галузях народного господарства застосовуються і чотиритактні і двотактні дизелі. Однак якість дизеля визначає не його тактность, а надійність, економічність, конструкційна і технологічна отработанность, довговічність і, нарешті, правильний вибір типу дизеля для даного роду служби. Чотиритактні дизелі мають, як правило, менша питома витрата палива, меншу теплову напруженість, так як в одиницю часу здійснюють меншу кількість теплових і силових циклів, ніж двотактні при тих же умовах.
У двотактних дизелях простіше система газорозподілу, але в них гірше очищаються і продуваються свіжим повітрям циліндри. Разом з тим з 1 л робочого об'єму циліндра при інших рівних умовах у двотактних дизелів знімається на 60-70% більша потужність, ніж у чотиритактних. Однак зі збільшенням тиску наддуву (див. Нижче) все ясніше ви рісовивается перевага чотиритактних дизелів перед двотактними для тепловозів, так як чотиритактні дизелі з газотурбінним наддувом мають більш просту систему повітряно-постачання, більш високу економічність, а головне - кращу пристосованість до змінних експлуатаційним навантаженням і різним сортам палива і масла.
На тепловозах ТЕЗ, те7, тепловозах типів 2ТЕ10, М62 і ТЕП60 встановлені двотактні дизелі (2Д100, 10Д100, 14Д40 і 11Д45), а на тепловозах 2ТЕ116, ТЕП70, ТЕМ7, ТЕМ2, ТЕМ1, чме2, ЧМЕЗ, ТГМ4 і ТГМЗ, а також на дизель-поїздах - чотиритактні дизелі (типів Д49, ПД1М, Д50, КбБЗКЮК, М756). Як показує світова практика, чотиритактних дизелів будується 65-70%, а решта - двотактні. Двигуни низької стиснення, за винятком малопотужних, виготовляють тільки четирехтактнимі.
Способи сумішоутворення в дизелях. За способом утворення горючої суміші (сумішоутворення) дизелі діляться на однокамерні - із струменевим розпилюванням (рис. 12, а) і двокамерні, які поділяються на вихорокамерних з виносної камерою в кришці (рис. 12,6), передкамерні (рис. 12, в ) і з камерою в поршні (рис. 12, г).
Найбільшого поширення набули дизелі із струменевим розпилюванням, так як при цьому способі сумішоутворення витрата палива (при нормальних навантаженнях) найменший. Особливо такі двигуни економічні при мало змінюються навантаженнях і частотах обертання. Однак при змінних режимах роботи у цих двигунів проявляються істотні недоліки. На малих навантаженнях і хо Лост ходу у них погіршуються розп-ливание палива і перемішування його з повітрям. Крім того, дизелі із струменевим розпилюванням вимагають високоякісного палива і дуже точного виготовлення і гарного змісту паливної апаратури.
На тепловозах застосовуються, як правило, дизелі з однокамерним струменевим смесеобразованием. На таких дизелях встановлені паливні насоси (секції) плунжерного типу високого тиску (до 90 МПа) і форсунки закритого типу. При нагнітанні палива голка форсунки піднімається і паливо під високим тиском через отвори в розпилювачі діаметром 0,30-0,40 мм впорскується в камеру згоряння у вигляді дрібних крапель, які перемішуються з повітрям, спалахують і згоряють. Величина порції уприснуло палива в циліндр змінюється поворотом плунжера. Управляє величиною подачі регулятор дизеля.
Для освіти якісної суміші палива з повітрям при струменевому сумішоутворення необхідно правильно вибирати фор.му камери стиснення відповідно до напряму, кількістю і далекобійністю паливних струменів, дрібністю розпилювання палива і вихровими рухами повітря в камері.
Сутність двокамерного сумішоутворення (див. Рис. 12,6 і в) полягає в тому, що при ході поршня до верхнього положення стиснене повітря з циліндра з об'ємом Уц перетікає в виносну камеру об'ємом Ув. Зовнішня камера може мати обсяг 20-60% загального обсягу камери стиснення Ус. Завдяки тангенціальному напрямку з'єднувального каналу повітря, що витісняється поршнем в вихрову камеру (див. Рис. 12,6), отримує
Рис 12. Схеми способів розпилювання палива і сумішоутворення:
а - струминне; б - вихорокамерних; я - предкямерное; г - об'ємно-плівкове; 1 - форсунка; 2
обертальний рух, що сприяє гарному перемішуванню повітря з палива, що впорскується.
У дизелях з передкамерним смесеобразованием (див. Рис. 12, в) під час стиснення повітря перетікає в передкамеру, куди при низькому тиску (7-10 МПа) впорскується дизельне паливо. Тут паливо запалюється і частково згорає. Все паливо в передкамері згоряти не може, так як для цього не вистачає повітря. В результаті часткового згоряння палива тиск у передкамері швидко зростає, і гази разом з несгоревшим паливом викидаються в циліндр, де відбувається догорання палива. Таким чином, гарне змішування палива з повітрям забезпечується тут в основному потоком гарячого газу.
При двокамерному сумішоутворення, як правило, застосовуються прості і надійні в роботі насоси і форсунки. Однак внаслідок великих поверхонь охолодження мають місце підвищені теплові втрати, а також втрати енергії при перетікання повітря і продуктів згоряння через сполучні канали. Тому дизелі з двокамерним сумішоутворенням мають невисоку економічність.
У двигунах з камерою в поршні (див. Рис. 12, г) здійснюється об'ємно-плівкове сумішоутворення. Хороша якість процесу досягається тим, що факел палива направляється на гарячі стінки поршня і ділиться на дві частини: менша розпилюється в просторі камери, а велика, потрапляючи на внутрішні стінки камери поршня, утворює тонку плівку. Створювані в процесі руху поршня потоки повітря як би здувають зі стінок камери пари палива, які добре перемішуються з повітрям і згорають. При двокамерному сумішоутворення якість суміші і її згоряння мало залежать від навантажувального і швидкісного режиму роботи двигуна.
⇐ | Технічні та тягові характеристики магістральних і маневрових тепловозів | | Тепловози: Механічне обладнання: Пристрій і ремонт | | наддув дизелів | ⇒
Зазвичай задається питання - який з цих типів дизелів краще?