Двигун внутрішнього згорання

Двигун внутрішнього згорання — це тип дви­гуна, теплова машина, в якій хімічна енергія пали­ва (звичайно застосовується рідке або газоподібне вуглеводневе паливо), що згоряє в робочій зоні, перетвориться на механічну роботу.

Одним із найпоширеніших видів теплової ма­шини є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспорт­них засобах, зокрема в автомобілях.

Розглянемо принцип дії чотиритактного двигу­на внутрішнього згоряння. Основним його елементом є циліндр із поршнем, усередині якого відбувається згоряння палива (звідси походить назва двигуна). Як правило, їх декілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи вось- мициліндрові двигуни. Перший такий двигун був побудований 1876 р. в Німеччині Н. Отто.

Циліндр має два отвори з клапанами — впуск­ним і випускним. Робота ДВЗ грунтується на чоти­рьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються. Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається донизу (мал. 1).

Мал. 1

Після того, як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється й обидва кла­пани закриваються. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, внаслідок чого її температура підвищу­ється. У верхній точці поршня суміш запалюється електричною іскрою від свічки. Вона миттєво спа­лахує й тисне на поршень. Сила тиску штовхає пор­шень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомо­гою шатунного механізму рух поршня передається колінчатому валу, який з’єднано з колесами авто­мобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного дви­гуна завершується, і згодом усе починається з пер­шого такту. Оскільки з чотирьох тактів ДВЗ лише один — робочий, двигун має інерційний меха­нізм — маховик. Він запасає енергію, за рахунок якої колінчастий вал обертається під час виконання рехти тактів.

Парова та газова турбіни

Для перетворення теплової енергії у ме­ханічну на теплових і атомних електростан­ціях використовують турбіни. Турбіни як ос­новний рушійний елемент застосовують та­кож у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла (пари чи газу) розрізняють парові і газові турбіни.

В основу дії турбін покладено обертання колеса з лопатями під тиском водяної пари чи газу. Цю ідею людина здавна реалізувала в роботі вітряків і водяних млинів: потік води тисне на ковші колеса млина і під дією ваги води змушує їх обертатися (мал. 2).

У парових турбінах перетворення енергії відбувається через різницю тисків водяної пари на вході (вхідний паропровід 1) і виході (вихідний паропровід 2) (мал. 3). Тому вона має блоки високого і низького тиску. На шляху водяної пари знаходяться робочі колеса 3 з лопатями, яких, як пра­вило, кілька. Пара, що виробляється в па­ровому котлі теплоелектростанції, спрямо­вується під високим тиском по вхідному паропроводу 1 до робочих коліс. Вона тис­не на їхні лопаті, через що турбіна обер­тається.

Таким чином, теплова енергія водяної пари, виробленої в теплоенергетичній уста­новці електростанції, завдяки турбіні пере­творюється в механічну енергію. У свою чергу, за допомогою особливого пристрою, який називається генератором, механічна енергія перетворюється в електричну.

Парові турбіни сучасних теплоелектро­станцій розвивають потужність до 1300 МВт.

У газових турбінах додатково встанов­люють спеціальну камеру згоряння, до якої упорскується паливо. Стиснуте в ній повітря має дуже високу температуру, і то­му упорснуте паливо запалюється. Відбу­вається стрімке підвищення його темпера­тури. Під високим тиском газ тисне на ло­паті робочого колеса, обертаючи газову турбіну. Частину енергії вона віддає ком­пресору, який нагнітає повітря в камеру згоряння. Інша її частина йде на виконан­ня роботи рушійним елементом газотур­бінного двигуна, наприклад гвинтом літака, колесом автомобіля, валом електрогенератора тощо.

Потужність сучасних газових турбін досягає 100…150 МВт.

Реактивний двигун

Реакти́вний двигу́н — двигун-рушій, що створює реактивний рух внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) та ракетні двигуни.

На відміну від поршневих двигунів, робочий процес у реактивних двигунах здійснюється безупинно. У камеру згоряння авіаційних реактивних двигунів роздільно подаються паливо з паливних баків і повітря, що забирається з атмосфери. Повітря піддається стиску, проходячи через дифузор (у прямоточних реактивних двигунах) чи турбіну. Відповідно до перетворень, яким піддається горюча суміш, камеру згоряння умовно поділяють на три зони. У першій паливо випаровується й утворює горючу суміш. У другій відбувається згоряння паливно-повітряної суміші. У третій продукти згоряння, температура яких досягає 2 300 °C, розбавляються повітрям, після чого їх можна подавати на турбіну, не побоюючись зруйнувати її лопаті. На виході з турбіни гази попадають у форсажну камеру. Сюди при необхідності подається додаткова порція палива, при згорянні якої одержують додаткову потужність.

Згоряння реактивних палив супроводжується утворенням нагару на форсунці, головці і стінках робочої камери. Нагар утворюється тим більше, чим вище температура кипіння, в'язкість і густина палива, а також вміст у ньому ароматичних вуглеводнів. Нагароутворення змінює гідравлічні характеристики форсунок, якість розпилення погіршується, що приводить до підвищеної димності двигуна. Робочий процес у газотурбінних установках подібний до процесу, що протікає в реактивних двигунах. В тому і в іншому випадку в камеру згоряння роздільно подають паливо і стиснене повітря. У першій зоні відбувається сумішоутворення, потім виникають зони активного горіння і догорання суміші. Продукти згоряння обертають колесо газової турбіни. Істотною відмінністю є те, що в газотурбінних установках немає форсажної камери. У газових турбінах продукти згоряння також розбавляються великою кількістю повітря, у результаті чого температура знижується з 1 800-2 000 °C до 600-850 °C. Таким чином, загальна кількість повітря, що витрачається, у кілька разів більша за стехіометрично необхідну. Однак кількість первинного повітря, яке подається в камеру згоряння, становить 25-35% від усієї кількості, так що коефіцієнт його надлишку при горінні дорівнює 1,1-1,5. Через великі втрати тепла ККД найпростіших газотурбінних установок становить 20-26%, комбінованих (обладнаних дизель-генератором з наддувом) – до 40%.

Стаціонарні газотурбінні установки при відповідній підготовці можуть споживати усі види палива, включаючи тверде (пилоподібне) і газоподібне.

Схема реактивного авіадвигуна:
1) Впуск повітря; 2) Знижений тиск компресії; 3) Підвищений тиск компресії;
4) Горіння; 5) Вихлоп; 6) Гарячий тракт; 7) Турбіна; 8) Камера згорання;
9) Холодний тракт; 10) Повітрязабірник