Двигатель внутреннего сгорания

Поршневой ДВС с V-образной компоновкой

Двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель звездообразной компоновки на сборке (США, 1942 год)

Реактивные ДВС F-1 на ракете Сатурн-5

По другим критериям

Октановое число топлива жёстко ограничивает возможную степень сжатия

Преимущества и недостатки ДВС

По сравнению с двигателями внешнего сгорания ДВС:

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Работа двигателя Отто

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к выхлопу и расходу топлива).

Работа двигателя Ванкеля

RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок

Газовые двигатели с искровым зажиганием

Пример транспорта, двигатель которого переведён на питание газом

Это обычный поршневой ДВС, работающий по циклу Отто (с искровым зажиганием), использующий в качестве топлива углеводороды, находящиеся при в газообразном состоянии. Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки). Могут работать по 2-тактному циклу, однако 4-тактный вариант распространён больше.

Особенности устройства газового двигателя:

Поршневой ДВС с воспламенением от сжатия

Работа четырёхтактного дизеля с непосредственным впрыском. Клапаны: слева — впуск воздуха; справа — выхлопные газы.

Дизельные двигатели: особенности и преимущества

Дизельные двигатели, по сравнению с бензиновыми, обладают рядом преимуществ. Они характеризуются большим крутящим моментом на валу при равной мощности. Кроме того, они приспособлены для работы на тяжелых топливах, таких как мазут. Для запуска крупных дизельных двигателей обычно используется сжатый воздух или электрический генератор.

Цикл работы и особенности

Современные дизельные двигатели работают по циклу Тринклера — Сабатэ, что отличает их от цикла Дизеля. Это обуславливает несколько недостатков, таких как более высокая механическая напряженность, требующая повышенной прочности конструкции и увеличения ее габаритов, веса и стоимости. Дизельные двигатели также характеризуются выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Разновидности дизельных двигателей

Старые конструкции

Одним из типов дизельных двигателей является двигатель с отдачей энергии в виде поступательного движения поршня (бабы). В старых конструкциях распыление топлива происходит при ударе бабы в лунку шабота.

Свободно-поршневой двигатель

Свободно-поршневой двигатель является разновидностью дизельного двигателя, при котором поршень колеблется в цилиндре, отдавая энергию за счет сжатого газа. В таких двигателях отпадает необходимость в отдельном поршневом компрессоре.

Комбинированный двигатель

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания представляет собой комбинацию поршневой и лопаточной машин. Примером комбинированного ДВС может служить двигатель с газотурбинным наддувом.

С учетом быстрого роста электромобилей, появился спрос на маломощные бензиновые электрогенераторы, так называемые удлинители пробега. Большинство таких генераторов являются свободно-поршневыми двигателями.

Таким образом, дизельные двигатели имеют свои особенности, преимущества и разнообразные разновидности, которые находят широкое применение в различных областях промышленности.

Поршневой двигатель с турбонагнетателем

Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой двигатель с турбонагнетателем. Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова турбина (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение).

Строение турбокомпрессора

Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала.

  1. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом.
  2. На валу, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевого сплава, который при вращении вала нагнетает воздух в цилиндры ДВС.

Применение турбокомпрессора

Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем воздуха (интеркулером) ДВС улучшает транспортные характеристики двигателя. В некоторых схемах двигатели имеют две или более ступени наддува, обычно с промежуточным охлаждением, что позволяет получить разнообразные варианты зависимости мощности от оборотов.

Турбореактивный ДВС

Турбореактивный двигатель состоит из следующих элементов:

  1. Забор воздуха
  2. Компрессор низкого давления
  3. Компрессор высокого давления
  4. Камера сгорания
  5. Расширение рабочего тела в турбине и сопле
  6. Горячая зона
  7. Турбина
  8. Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания
  9. Холодная зона
  10. Входное устройство

Преимущества турбонаддува

Двигатели с нагнетанием заряда до появления реактивных двигателей были единственно возможными в высотной авиации. Наддув имеет широкое применение в дизельных двигателях, позволяя повысить удельные показатели мощности. Настройка турбонаддува и газораспределительного механизма улучшает транспортные характеристики двигателя.

Заключение

Турбонагнетатель и турбореактивный двигатель являются эффективными средствами повышения мощности двигателей путем нагнетания воздуха и использования реактивной силы. Их применение позволяет улучшить характеристики двигателей как в авиации, так и в других областях промышленности.

Реактивные двигатели: работа и применение

Реактивный двигатель совмещает двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Особенности реактивных двигателей

Характеризуется сжатием рабочего тела в компрессорной части, после сгорания значительно увеличившиеся в объёме (за счёт теплового расширения) продукты сгорания проходят турбинную часть. В случае газотурбинного двигателя, мощность отдаётся на вал турбины, в случае турбореактивного — движение продуктов сгорания создаёт импульс двигателя.

Огнестрельное оружие как тепловой двигатель

Особенностью огнестрельного оружия, как теплового двигателя, служит применяемое твёрдое топливо, имеющее высокие объёмную теплоту сгорания и скорость сгорания, обеспечивающее многократное увеличение объёма продуктов сгорания и эффективный разгон выбрасываемых из ствола (цилиндра) пуль или снарядов, служащих поршнем.

Качество и характеристики двигателя

Как и другие двигатели, огнестрельное оружие может иметь воздушное и жидкостное охлаждение; в массивных орудийных установках применяют принудительную продувку, охлаждающую ствол, после каждого выстрела. Зажигание топлива производится ударом бойка по капсюлю. С каждым циклом работы такой двигатель разгоняет пулю или снаряд, поражающие цель на большой дистанции без физических усилий стрелка.

Рабочие характеристики двигателя

Для потребителей производители предоставляют внешние скоростные характеристики с нетто-мощностью ISO-1585, согласно региональному стандарту измерения мощности ДВС, который зависит от температуры, давления, влажности воздуха, применяемого топлива и наличия отбора мощности на установленные агрегаты. Двигатели производителей США до 1972 года испытывали по другому стандарту (SAE Gross), позднее по SAE Net (измерение мощности брутто и нетто соответственно).

**Внешняя скоростная характеристика 2,7-литрового шестицилиндрового двигателя Porsche Boxster**

Скоростные характеристики ДВС с количественным регулированием:

  1. внешняя,
  2. частичные при различных положениях дроссельной заслонки.

При количественном регулировании максимум крутящего момента при снижении мощности смещается в область низких оборотов. Внешней эту характеристику называют потому, что линии мощности и крутящего момента проходят выше частичных скоростных характеристик, и нельзя получить мощность выше этой кривой никакими манипуляциями с органами подачи топлива (абсолютная скоростная — смотри ниже).

В публикациях 1980-х годов и более ранних приводятся скоростные характеристики, базирующиеся на измерении мощности брутто (кривая крутящего момента, соответственно, также располагается на графике выше). Эта мощность определяется без учёта потерь на приводы внешних агрегатов двигателя (вентилятор, водяной насос, генератор). Из приводимых коленвалом потребителей в таком случае остаётся только масляный насос и распределительный вал (валы).

Скоростные характеристики ДВС с качественным регулированием (обычно дизели): 1 — абсолютная, 2 — внешняя, 3 и 4 — частичные при различной цикловой подаче. При качественном регулировании (нет дросселя) максимум крутящего момента остаётся примерно в том же районе частот вращения при разной мощности.

В значительной степени определяется конструкцией и степенью форсировки. В последнее время, в связи с ростом экологических требований, предельно допустимый ресурс двигателя ограничен не только его снижением мощности и расхода топлива, но и ростом вредных выбросов.

Для поршневых и роторных ДВС ресурс в значительной степени обусловлен износом уплотнений поршня (поршневые кольца) или ротора (торцевые уплотнения), для газотурбинных и реактивных — потерей прочностных качеств материалом и деформацией лопаток. Во всех случаях происходит постепенный износ подшипников и уплотнений валов, а в связи с зависимостью основного механизма двигателя от вспомогательных агрегатов ресурс ограничен отказом первого из них.

Поломки и ремонт ДВС

Заложенный при проектировании ресурс из денежных соображений должен быть израсходован (при увеличении расчётной долговечности возрастает вес и стоимость двигателя), однако вследствие естественного разброса условий эксплуатации некоторые двигатели могут выходить из строя раньше намеченного. Кроме полного отказа, причиной ухода в ремонт может быть нарушение экологических требований, снижение мощности, увеличение расхода топлива, ускоренный износ (стук, задиры) и т. д.

Ремонт ДВС классифицируют на текущий, промежуточный, и капитальный. Первый подразумевает оставление основных деталей без смены (для поршневых — без выема поршней и коленвала), второй — частичную смену основных деталей (для поршневых — замена поршневых колец, вкладышей вала без шлифования), капитальный же включает замену основных деталей и шлифование вала. Для газотурбинных установок промежуточный ремонт не осуществляется.

Высокие экологические требования вызвали смену политики многих двигателестроительных заводов, оставлявших ранее много промежуточных размеров для ремонта, так что современные двигатели имеют либо малое количество ремонтных размеров, либо расточка их вовсе не предусмотрена. Это компенсируется увеличением ресурса до капитального ремонта (или полного ресурса). Во избежание преждевременного отказа двигателя из-за нарушений условий эксплуатации, их комплектуют устройствами контроля уровня масла, охлаждающей жидкости, температуры, вибрации (тензодатчики) и другими. Вкупе с электронным управлением подачи топлива и момента зажигания, современный двигатель становится всё более компьютеризованным устройством. Во многих случаях диагностика поломок производится с помощью так называемых мотор-тестеров, подключаемых к диагностическому разъёму транспортного средства. Однако при возникновении механических, а не программных или электронных поломок, двигатель всё-таки нуждается в частичном или полном (капитальном) ремонте.

Влияние ДВС на экологию, экологические требования к конструкции ДВС

Наибольший процент вредных выбросов даёт наземный транспорт, в первую очередь легковые и грузовые автомобили. Установленные на них поршневые двигатели для достижения высокой экономичности имеют высокую температуру сгорания, при которой образуются окислы азота. Выбросы углероводоров ограничиваются в значительной степени эффективно работающими катализаторами, но к сожалению, при прогреве двигателя и на холостом ходу из-за низкой температуры отходящих газов их эффективность снижается.

Ранее автомобильные и авиационные двигатели использовали этилированный бензин, продукты сгорания которого содержали практически не выводимый из организма человека свинец. Больше всего загрязнение сказывается в крупных городах, расположенных в низинах и окруженных возвышенностями: при безветрии в них образуется смог. В настоящее время нормируются не только собственно вредные выбросы, но также выделение транспортным средством углекислого газа и воды (в связи с влиянием на климат).

Уровень развития ДВС как мерило технического прогресса

В данном разделе приводится методика расчета выбросов парниковых газов от энергетической деятельности, связанной со сжиганием топлива. При проведении инвентаризации выбросов парниковых газов от сжигания топлива с целью производства энергии (электричества и тепла) и для собственных нужд предприятия оцениваются выбросы газов с прямым парниковым эффектом – двуокиси углерода (СО2), метана (СН4) и закиси азота (N2O).

В процессе сжигания топлива большая часть углерода выбрасывается непосредственно в виде CO2. Другие газы (СН4 и N2O) также оцениваются. Весь высвободившийся углерод рассматривается в качестве выбросов CO2. Неокислившийся углерод, остающийся в виде твердых частиц, сажи или золы, исключается из общих показателей выбросов парниковых газов путем умножения на коэффициент1 окисления углерода в топливе (который показывает долю сгоревшего углерода).

Выбросы двуокиси углерода

Выбросы двуокиси углерода при стационарном сжигании топлива являются результатом высвобождения углерода из топлива в ходе его сгорания и зависят от содержания углерода в топливе. Содержание углерода в топливе является физико-химической характеристикой, присущей каждому конкретному виду топлива и не зависит от процесса или условий сжигания топлива.

Таблица 1 – Приставки и множители

Исходными данными для расчета выбросов служат данные о деятельности предприятия. Данные о деятельности представляют собой сведения о количестве и виде сожженного за год ископаемого топлива, то есть фактическое потребление топлива за год, по которым предприятия ведут учет.

Для расчетов используются следующие физические единицы измерения массы или объема топлива: для твердого и жидкого топлива – тонны, для газообразного топлива – тысячи кубических метров. Для перевода физических единиц в общие энергетические единицы – джоули (Дж), мегаджоули (МДж), гигаджоули (ГДж) или тераджоули (ТДж) (Таблица 1) – используется низшее теплотворное значение (теплота сгорания, или теплотворное нетто-значение – ТНЗ) каждой категории топлива.

Оценка выбросов диоксида углерода при сжигания топлива установками

Каждое топливо имеет определенные химико-физические характеристики, которые воздействуют на горение, такие, как значение ТНЗ, и содержание углерода. Содержание углерода в топливе может определяться в лаборатории на предприятии, что позволяет рассчитать собственный коэффициент выбросов двуокиси углерода и получить более точное значение выбросов. Использование собственных коэффициентов выбросов предпочтительнее усредненных коэффициентов, указанных в методике.

Расчет выбросов СО2 при сжигании топлива разбивается на следующие шаги:

  1. фактически потребленное количество каждого вида топлива по каждой установке в натуральных единицах (т, м3) для соответствующего вида продукции умножается на коэффициент его теплосодержания ТНЗ (ТДж/т, м3);

  2. полученное произведение (расход топлива в энергетических единицах – ТДж) умножается на коэффициент выбросы углерода (т C/ТДж);

  3. полученное произведение корректируется на неполное сгорание топлива – умножается на коэффициент окисления углерода (отношение СО2 : СО);

  4. пересчет выбросов углерода в выбросы СО2 – путем умножения откорректированного углерода на 44/12.

Расчет выбросов СО2 для каждого вида топлива для отдельных источников (установок для сжигания) производится по формуле:

Е = М х К1 х ТНЗ х К2 х 44/12

Е – годовой выброс СО2 в весовых единицах (тонн/год);

М – фактическое потребление топлива за год (тонн/год);

К1 – коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода), таблица 2;

ТНЗ – теплотворное нетто-значение (Дж/тонн), таблица 3;

К2 – коэффициент выбросов углерода (тонн/Дж), таблица 3;

44/12 – коэффициент пересчета углерода в углекислый газ (молекулярные веса соответственно: углерод – 12 г/моль, О2 = 2 х 16 = 32 г/моль, СО2 = 44 г/моль).

Определение фактического потребления топлива производится на основании учетных данных предприятия о потреблении различных видов топлива.

При сжигании топлива не весь содержащийся в нем углерод окисляется до СО2. Учет неполного сгорания топлива производится с помощью коэффициента окисления углерода К1. Средние значения К1 представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Коэффициенты окисления углерода (K1)

Вид топлива Коэффициент окисления углерода (К1)

Нефть и нефтепродукты 0,99

Для перевода потребленного количества топлива в энергетические единицы его масса умножается на его теплотворное нетто-значение (ТНЗ). Для получения эмиссий углерода полученное количество потребленного топлива умножается на коэффициент выбросы углерода. Значения ТНЗ и коэффициентов выбросы углерода для видов топлива приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Коэффициенты низших теплотворных нетто-значений (ТНЗ) и коэффициенты выбросов углерода (К2) для видов топлива

Виды топлива ТНЗ,ТДж/тыс.т Коэффициент выбросов углерода,К2, тС/ТДж

Реактивное топливо типа бензина

Реактивное топливо типа керосина 43,32CS 19,78CS

Керосин осветительный и прочий 44,75 19,6

Топливо печное бытовое 42,54CS 20,29CS

Топливо для тихоходных дизелей (моторное) 42,34CS 20,22CS

Топливо нефтяное (мазут) 41,15CS 20,84CS

Пропан и бутан сжиженные 47,31D 17,2D

Углеводородные сжиженные газы

Битум нефтяной и сланцевый 40,19D 22D

Отработанные масла (прочие масла) 40,19D 20D

Кокс нефтяной и сланцевый 31,0D 27,5D

Прочие виды топлива 29,309D 20D

Лигнит (бурый уголь) 15,73PS 25,15PS

Кокс и полукокс из каменного угля 25,12D 29,5D

Дрова для отопления 10,22CS 29,48CS

Оценка выбросов парниковых газов от сжигания топлива автомобильным транспортом

Автомобильный транспорт производит значительное количество выбросов ПГ, таких, как диоксид углерода (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O). По методологии МГЭИК автомобильный транспорт, как один из источников эмиссий ПГ, входит в модуль «Энергетическая деятельность», так как выбросы ПГ от автотранспорта связаны со сжиганием топлива. При оценке выбросов ПГ можно использовать национальные факторы эмиссий или факторы эмиссий ПГ по умолчанию, предложенные в Справочном руководстве МГЭИК.

Расчеты выбросов от транспортных средств основаны на данных об общем потреблении топлива. Удельная теплота сгорания и коэффициенты выбросов для каждого типа топлива были частично рассчитаны с учетом специфики используемого топлива.

Методика расчета выбросов от сжигания топлива от автомобильного транспорта подразделяется на две части: оценка эмиссий двуокиси углерода и оценка эмиссий других газов. Оценка выбросов CO2 лучше всего рассчитывается на основе количества и типа сгораемого топлива и содержания углерода в нем. Количество окисленного углерода практически не варьирует в зависимости от применяемой технологии сжигания топлива. Оценка выбросов других газов с парниковым эффектом более сложна, так как зависит от типа автомобиля, топлива, характеристик эксплуатации транспортного средства, типа технологии контроля за выхлопными газами.

Оценка выбросов диоксида углерода от сжигания топлива автомобильным транспортом

Расчет выбросов диоксида углерода от сжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания рекомендуется проводить на основе учета видов топлива и типов двигателя. Выбросы углекислого газа по этому методу оцениваются следующим образом. Сначала оценивается потребление каждого вида топлива по типам транспорта (легковой, грузовой, автобусы, спецмашины). Затем оцениваются общие выбросы СO2 путем умножения количества потребленного топлива на фактор выбросы для каждого типа топлива и типа транспорта по формуле:

М – фактическое потребление вида топлива за год (тонн/год);

К1 – коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода), таблица 4;

ТНЗ – теплотворное нетто-значение (Дж/тонн), таблица 4;

К2 – коэффициент выбросов углерода (тонн С/Дж), таблица 4;

44/12 – коэффициент для пересчета выбросов углерода С в двуокись углерода СО2.

Для оценки выбросов диоксида углерода от автотранспортного сектора для используемых видов топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ, сжатый природный газ) были рассчитаны региональные коэффициенты пересчета сожженного топлива в выбросы СО2 (теплотворные нетто-значения, коэффициенты выбросы углерода, фракция окисленного углерода). Расчеты коэффициентов для пересчета, представленные в таблице 3.4, были проведены по составу топлива и их физическим характеристикам на основе следующих источников данных: данные ГОСТов различных видов топлива; справочные данные; данные, полученные от некоторых нефтяных и газовых месторождений.

Таблица 4 – Коэффициенты для пересчета сожженного топлива в выбросы СО2 для автотранспорта

Виды топлива Теплотворное нетто-значение низшее,ТНЗ ТДж/тыс.тонн Коэффициент выбросов углерода,К2, тС/ТДж Фракция окисленного углерода, К1

Коэффициенты для расчета выбросов СО2 при сжигании ископаемого топлива

Выбросы СО2 от сжигания топлива — не только главная составляющая всех антропогенных выбросов парниковых газов, но и их наиболее точно известная часть. Во всех странах сжигание топлива — предмет строгой статистической отчетности. При этом выбросы СО2 при сжигании угля, газа, нефтепродуктов и торфа зависят, прежде всего, от количества использованного топлива. Энергетическая эффективность сжигания топлива очень важна для энергетики и транспорта, но на выбросы СО2 влияет слабо. Главное именно то, сколько топлива было сожжено. Здесь мы не рассматриваем энергетику стран. Однако в качестве справочной информации для заполнения энергетического паспорта и Приложения 7 «Сведения по выбросам СО2-эквивалента при использовании энергетических ресурсов за отчетный (базовый) год» полезно привести коэффициенты пересчета — данные о том, сколько СО2 поступает в атмосферу при сжигании тонны того или иного топлива.

Таблица 5 – Коэффициенты для расчета выбросов СО2 при сжигании ископаемого топлива

Виды топлива Выбросы СО2

Природный газ 1,85 т СО2/(тыс. м3)

Каменный уголь 2,7–2,8 т СО2/т, в зависимости от марки угля

Торф ~1,5 т СО2/т, одна тонна торфа дает в ~2 раза меньше энергии, чем тонна угля

Топочный мазут 3,1 т СО2/т

Автомобильный бензин 3,0 т СО2/т или 2,1–2,3 кг СО2/л в зависимости от температуры топлива и его марки (летнее более плотное, а зимнее менее плотное)

Дизельное топливо 3,15 т СО2/т или 2,6–2,8 кг СО2/л в зависимости от температуры топлива и его марки (летнее более плотное, а зимнее менее плотное

Авиационный керосин 3,1 т СО2/т

Древесное топливо и сельскохозяйственные отходы Выбросы СО2 считают равными нулю, так как СО2, поступивший в воздух при горении, ранее был поглощен из атмосферы в процессе роста растений (образуется замкнутый круговорот, не ведущий к росту концентрации СО2 в атмосфере)

См. также: Распоряжение Минприроды России от 16.04.2015 г. № 15-р «Об утверждении методических рекомендаций по проведению добровольной инвентаризации объема выбросов парниковых газов в субъектах Российской Федерации».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *