Классификация тепловых двигателей

Локомотивные двигатели внутреннего сгорания принадлежат к тепловым двигателям. Тепловая энергия в этих двигателях преобразуется в механическую посредством различных газообразных веществ: воздуха, горючей смеси, продуктов сгорания топлива, водяного пара и др. Эти газообразные вещества называются рабочим телом.

В зависимости от устройств для сгорания топлива и места подвода тепла к рабочему телу тепловые двигатели делят на две основные группы (рис. 1): двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания.

В двигателе внутреннего сгорания (д.в.с.) топливо вводит­ся непосредственно в двигатель, в котором совершается сгора­ние топлива, сообщение тепла рабочему телу и преобразование части тепла в механическую работу. В двигателе внешнего сгорания передача тепла рабочему телу и сгорание топлива про­исходят во внешних устройствах, а преобразование части тепла в работу в двигателе.

По типу основных рабочих органов, участвующих в преоб­разовании тепловой энергии в механическую, различают: порш­невые, лопаточные, роторно-поршневые двигатели. К группе двигателей внутреннего сгорания следует отнести также реак­тивные двигатели. Основным рабочим органом у реактивного двигателя, работающего на жидких окислителях топлива, явля­ется реактивное сопло, к которому рабочее тело поступает из камеры сгорания.

В поршневом двигателе (рис. 2) рабочее тело заключено в цилиндре, находится под давлением и имеет высокую темпе­ратуру. При расширении рабочего тела его тепловая энергия преобразуется в механическую работу поступательного движе­ния поршня. Шатунно-кривошипный механизм преобразуетпоступательное движение поршня во вращательное движение вала. Существуют также бесшатунные механизмы для преобра­зования прямолинейного движения во вращательное.

В лопаточной машине (газовой турбине, рис. 3) рабочее те­ло перемещается по криволинейным каналам, образованным ло­патками специального профиля. Лопатки 1 укреплены в стато­ре и составляют сопловой аппарат, а лопатки 2 укреплены в ро­торе 3 и вместе с ним образуют турбинное колесо. В результате расширения рабочего тела в каналах его тепловая энергия пре­образуется в механическую работу вращения ротора. Газотурбинные двигатели (г. т. д.) представляют собой тепловые дви­гатели с лопаточными машинами.

В роторно-поршневом двигателе (рис. 4) рабочее тело за­ключено в трех отдельных серповидных камерах, образованных корпусом 1 со специальными криволинейными очертаниями я ротором 2 с тремя вершинами. Стороны ротора также имеют специальную форму. Ротор расположен на эксцентрике 4 вала и передает ему вращение через планетарную зубчатую переда­чу. Вершины ротора при его вращении безотрывно перемеща­ются по корпусу. Объем каждой серповидной камеры за время одного оборота ротора изменяется дважды от наименьшего до наибольшего. Изменение объема попользуется для наполнения камер рабочим телом в виде топливно-воздушной смеси, его сгорания и расширения. Тепловая энергия, сообщенная рабочему телу, преобразуется в механическую работу вращения ротора. Ротор вращается под действием разности давлений на его бо­ковые поверхности со стороны рабочего тела в серповидных камерах.

В реактивном двигателе (рис. 5) рабочее тело образуется в камере сгорания. В нее подаются насосами жидкое топливо и окислитель. Первоначальное воспламенение топлива осуществ­ляется от электрической искры, а последующий процесс горения топлива совершается под действием высокой температуры рабо­чего тела в камере сгорания. Рабочее тело, обладая давлением к высокой температурой, вытекает через сопло.

Двигатели внутреннего сгорания могут быть также совокуп­ностью поршневых и лопаточных машин, совместно участвую­щих в преобразовании тепловой энергии в механическую. В этом случае двигатель называют комбинированным, или турбопоршневым. Современные мощные тепловозные поршневые двигатели имеют лопаточные машины, которые в подавляющем большин­стве не производят механической энергии, а предназначены для обеспечения поршневого двигателя воздухом.

По способу воспламенения топлива д.в.с. делят на две груп­пы: с самовоспламенением и с посторонним источником зажи­гания. В двигателях с самовоспламенением топливо подаетсянепосредственно в цилиндр, где находится сжатый воздух, на­гретый путем сжатия до температуры, превосходящей температуру самовоспламенения топлива. Такой способ образования смеси топлива с воздухом в цилиндре называют внутренним. Чтобы воздух нагрелся до высокой температуры, необходимо иметь высокую степень сжатия. Поршневые двигатели с самовоспламенением иначе называют двигателями высокого сжатия, или дизелями.

К двигателям с посторонним источником зажигания принадлежат поршневые и роторно-поршневые бензиновые двигатели автотракторного типа. У этих двигателей смесь топлива с воздухом образуется вне рабочей плоскости в специальном устройстве - карбюраторе (рис. 4). Горючая смесь сжимается в цилиндре при невысоких степенях сжатия и воспламеняется от электрической искры. Степень сжатия у этих двигателей зависит от качества применяемого топлива.

В камерах сгорания газотурбинных двигателей происходит непрерывное горение топлива, а поступающее топливо воспла­меняется от горящего факела. При пуске двигателя топливо воспламеняется от электрической искры. Поэтому такие г.т.д. следует отнести к д.в.с. с посторонним источником зажигания. В г.т.д. с поршневыми генераторами газа используется само­воспламенение топлива.

Для автономных локомотивов могут быть использованы и га­зотурбинные двигатели. Основное достоинство газотурбинного двигателя по сравнению с поршневым состоит в возможности снижения массы и габарита силовой установки при заданной мощности.

Двигатели классифицируют по числу ходов поршня, необходимому для осуществления рабочего цикла, и делят на дна типа:

— четырехтактные, в кото­рых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня;

— двухтактные, в которых для этой цели требуются два хода поршня.

По роду применяемого топлива двигатели разделяются на двигатели лег­кого жидкого топлива, тяжелого жидкого топлива, газообразного топлива, многотопливные, работающие на широком ассортименте жидких топлив от легких до тяжелых.

Двигатели классифицируются по степени быстроходности, определяемой средней скоростью поршня:

где n_д — частота вращения коленчатого вала дизеля, об/мин.

Различают двигатели тихоходные (с_т< 6 м/с), средней быстроходности (с_т =7÷10 м/с) и быстроходные (с_т> 10 м/с). В качестве тепловозных дви­гателей применяются в основном дизели средней быстроходности и реже бы­строходные — типа М756, фирм Рilstick (Франция), Maibach (ФРГ), Fiat (Италия). Однако эти дизели имеют повышенный удельный эффективный рас­ход топлива и недостаточную долговечность.

Классифицируются двигатели по способу смесеобразования: с внутренним и внешним смесеобразованием. При внутреннем смесеобразовании рабочая смесь образуется внутри рабочего цилиндра в результате распыливания топлива, впрыскиваемого в цилиндр насосом под высоким давлением и перемешивающегося с воздухом в цилиндре. Таким образом, в этих двигателях весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Для двигателей с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива, хотя в подавляющем большинстве они работают на тяжелом жидком топливе.

В двигателях с внешним смесеобразованием смесь, состоящая из паров жидкого легкого топлива с воздухом или из газа с воздухом, образуется вне рабочего цилиндра. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, лигроине, керосине, и газовые двигатели, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

Тепловозные дизели классифицируют также по конструктивному выполнению:

— с вертикальным расположением цилиндров;

— с горизонтальными цилиндрами;

— однорядные с расположением ци­линдров в один ряд, у которых оси цилиндров параллельны и расположены в одной плоскости (рис. 5, а);

— двухрядные с расположением рядов под определенным углом (V-образные) (рис. 5, б) и с параллельным располо­жением рядов (сдвоенные) (рис 5, в);

— многорядные с расположением цилиндров и под разными углами (Х-образные, Н-образные, W-образные и др.);

— звездообразные многорядные с параллельно расположенными рядами и горизонтальным расположением коленчатого вала (рис. 5, г);

— с противоположно движущимися поршнями с двумя или более колен­чатыми валами (рис. 5, д и 5, е).