ЧАСТЬ 6. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Водной из предыдущих статей (см.«Локомотив» № 10, 2015 г.) были рассмотрены самые общие принципы работы наиболее распространенного в мире типа локомотива — тепловоза. При этом не затрагивались вопросы,связанные с особенностями конструкции и функционирования основных узлов и агрегатов этого типа локомотивов.
Переходим к устройству наиболее сложного по конструкции и пока самого эффективного с точки зрения процессов преобразования и передачи энергии типа автономного локомотива — тепловоза. При этом постараемся в простой и доступной форме объяснить устройство и работу основных узлов тепловоза, а также возможные пути повышения эффективности их работы на локомотивах.
При изучении тепловоз обычно представляют состоящим из четырех основных частей: дизеля, тяговой передачи, экипажа и вспомогательного оборудования.
Важнейшей частью (узлом) тепловоза является первичный «источник» механической энергии — двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — дизель. В паросиловой установке паровоза, являющейся фактически двигателем внешнего сгорания, процессы сгорания топлива и преобразования тепловой энергии в механическую работу происходят в разных узлах — котле и паровой машине соответственно. В двигателях внутреннего сгорания, в том числе дизелях транспортных средств, оба этих процесса происходят внутри каждого рабочего цилиндра, что способствует сокращению потерь тепловой энергии и повышению КПД машины.
Первые двигатели внутреннего сгорания. Первый в мире работоспособный образец четырехтактного бензинового ДВС с принудительным (от электрической искры) зажиганием рабочей смеси (бензина и воздуха) в 1876 г. построил и получил патент немецкий инженер Николаус Аугуст Отто (1832 — 1891 гг.). Бензиновый двигатель сразу же получил самое широкое распространение в Европе. В 1885 г. немецкий инженер — изобретатель первого автомобиля Карл Бенц — установил двигатель Отто на одном из своих легковых автомобилей, что добавило популярности этому типу ДВС. Только за первые 15 лет с момента изобретения было продано более 30000 двигателей Отто.
В 1897 г. соотечественник Н. Отто инженер Рудольф Дизель (1858 — 1913 гг.) построил и получил патент на ДВС с само-60СПЛ8М6Н6НИ6М ЖИДКОГО ТОПЛИВЗ (неф
ти) посредством высокой температуры воздуха в цилиндре. Еще ранее, в 1893 г., Р. Дизель, занимаясь усовершенствованием конструкций паровых машин, опубликовал работу «Теория и конструкция рационального теплового двигателя», в которой обосновал принцип работы ДВС с самовоспламенением топлива. Сразу же оговоримся, что именно такие двигатели, названные в честь изобретателя «дизели», получили преимущественное распространение на тепловозах и других мощных транспортных машинах.
Следует также отметить, что создание работоспособного двигателя внутреннего сгорания как, кстати, и другие гениальные изобретения человечества, совершившие революционный прорыв в технике, — это, как правило, результат творчества нескольких поколений ученых, инженеров и изобретателей. При этом каждое их поколение в своей деятельности, безусловно, опирается на открытия и изобретения предшественников.
Итак, какова же история возникновения первых ДВС? XIX век историками был назван «веком пара» благодаря широкому применению паровых машин в промышленности, распространению и стремительному росту протяженности железных дорог во многих странах мира, естественно, обслуживаемых исключительно паровозной (паровой) тягой. Тем не менее, в этом «веке пара» многие ученые, инженеры и изобретатели пытались создать более совершенный, чем паровая машина Джеймса Уатта, тепловой двигатель.
Для большинства специалистов по тепловым машинам того времени было ясно, что рабочим телом нового типа теплового двигателя не должен быть водяной пар. Но замена водяного пара продуктами сгорания какого-либо топлива оказалась довольно сложной задачей. Дело в том, что для равноценной замены продукты сгорания топлива должны были обладать основными свойствами сжатого пара: одинаковыми температурой и давлением по всему объему цилиндра тепловой машины.
Теоретической основой для создания нового типа теплового двигателя, который получил название двигатель внутреннего сгорания, мог служить идеальный цикл процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу, предложенный французским инженером Николя Леонар Сади Карно в 1824 г. и названный в его честь «цикл Карно». С особенностями этого теоретического цикла мы познакомимся Нск_<Кк_/Л ЬКч_/ ппжс.
Первыми более или менее работоспособными ДВС считают двигатели, работавшие на светильном газе, которые в 1860 г. построил и запатентовал француз Жан Этьен Ленуар (1822 — 1900 гг.), родившийся в Бельгии. Необходимо отметить, что истории известен и ряд других (более ранних) попыток изобретателей построить работоспособные ДВС на газовом, жидком и других видах топлива, однако их работы в целом не привели к заметным положительным результатам. К числу таких изобретений можно отнести попытку англичанина Роберта Стрита (1794 г.) построить ДВС, в котором в качестве жидкого топлива предлагалось использовать спирт. Во Франции братья Ньепс в 1806 г. получили патент на двигатель с искусственным зажиганием и топливом, в котором предлагалось использовать измельченный каменный уголь. Были и другие неудачные попытки построить ДВС, в том числе и на газовом топливе.
Вернемся к двигателю Ленуара. Это был двухтактный ДВС (тактность двигателя — особый разговор) и по конструкции напоминал паровую машину двойного действия с золотниковым газораспределением. Светильный газ (топливо) и воздух подавались в цилиндр двигателя и там смешивались (наполнение занимало половину хода поршня), зажигание смеси обеспечивалось электрической искрой от постороннего источника.
Небольшие по мощности двигатели Ленуара (их мощность не превышала 1 кВт) сразу же завоевали определенную популярность среди мелких предпринимателей многих стран Европы, в первую очередь, во Франции и Германии, так как, в отличие от паросиловых установок, для работы двигателя Ленуара не требовалось строительство громоздкой котельной.
Такие двигатели особенно широко использовались в качестве приводов машин в ремесленных производствах. Накопленный опыт эксплуатации двигателей Ленуара выявил у них ряд серьезных недостатков: КПД ДВС не превышал 4 %, а их эксплуатация обходилась владельцам в три-четыре раза дороже использования паровой машины аналогичной мощности. Были у этих двигателей и другие менее существенные недостатки.
Как отмечалось ранее, решающий вклад в создание работоспособных ДВС (сегодня их называют карбюраторные) внес немецкий изобретатель — самоучка из Кёльна Николаус Отто. В 1866 г. ему удалось по-п\/|1ытъ свой первый патент на усовершенствованный газовый двигатель, который по экономичности значительно превосходил двигатели Ленуара и конструкции ДВС многих других изобретателей, о чем свидетельствует золотая медаль, полученная Н. Отто за свой мотор на Всемирной Парижской выставке. Так, двигатели Отто расходовали вдвое меньше газа, чем двигатели Ленуара. Н. Отто немедленно организовал вместе со своими компаньонами фирму и серийное производство своих двигателей. Успеху двигателестроительной фирмы Н. Отто способствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. Их имена известны и сегодня, в настоящее время в Германии успешно работают ими созданные фирмы и автомобилестроительные заводы.
Необходимо отметить, что еще ранее первых изобретений Н. Отто, в 1862 г. француз Альфонс Во де Роша получил патент, в котором изложил теорию рабочего процесса четырехтактного ДВС.
До объяснения сути патента Во де Роша рассмотрим некоторые понятия из термодинамики.
Рабочий цикл — это совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в цилиндре двигателя в определенной последовательности при преобразовании теплоты в механическую работу. Периодичность рабочих циклов характеризуется числом ходов поршня (тактов) ДВС.
Часть цикла, протекающего при перемещении поршня из одного крайнего положения («мертвая точка») в другое или соответствующая изменению объема цилиндра между наибольшим и наименьшим значениями, называется тактом. Если в цилиндре двигателя перемещается один поршень, то такт происходит за один ход поршня.
Вернемся к изобретению Во де Роша. Вот как он сформулировал рабочий цикл, протекающий в цилиндре ДВС за 4 хода поршня, т.е. четырехтактный цикл.
Первый такт — такт впуска. Поршень опускается и втягивает в цилиндр смесь воздуха с топливом.
Второй такт — такт сжатия. В конце такта нагретая смесь поджигается искрой.
Третий такт — рабочий такт под действием образовавшихся газов.
Четвертый такт — такт выпуска. Поршень движется вверх и выталкивает газы через клапан.
Бо де Роша был теоретиком и в 1862 г. издал книгу «Новые исследования над практическими условиями для большего использования тепла и, вообще, движущей силы», в которой помимо четырехтактного цикла упомянул о теоретической возможности самовоспламенения топлива посредством сжатия. Необходимо сразу же оговориться, что он даже не пытался построить двигатель внутреннего сгорания.
Уже говорилось, что идеи Бо де Роша реализовал в металле немецкий инженер Николаус Отто, который в 1876 г. сконструировал первый действующий образец бензинового четырехтактного ДВС. Им же были созданы ДВС, работающие на нефти, керосине и других видах жидкого топлива. Все ДВС с искровым воспламенением ра
бочей смеси в последующем получили название — двигатели Отто (карбюраторные двигатели), а рабочий цикл этих ДВС — циклом Отто, хотя и следует признать некоторую историческую несправедливость по отношению к автору идеи четырехтактного цикла Бо де Роша.
Первые дизели. Как уже отмечалось выше, в конце 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель создал двигатель внутреннего сгорания, в котором тяжелое жидкое топливо самовоспламенялось в цилиндре от высокой температуры сжатого в нем воздуха. Основой двигателя Р. Дизеля стал трехметровый железный цилиндр (рис. 1), мощность ДВС составила 20 л.с., КПД — 30 %. В настоящее время этот двигатель Р. Дизеля можно увидеть в Машиностроительном музее города Аугсбург (Германия).
Р. Дизель создал так называемый компрессорный тип двигателя с самовоспламенением топлива (компрессорный дизель), в котором подача топлива в цилиндр через форсунку осуществлялась при помощи сжатого воздуха, давление которого должно быть значительно больше давления в цилиндре в конце сжатия. Следовательно, для работы такого двигателя в составе энергетической установки требовался отдельный агрегат — компрессор, который должен был обеспечивать сжатие воздуха для этих целей. Принцип подачи топлива, собственно, и был главным элементом в изобретении Дизеля.
Строго говоря, Р. Дизель не изобрел нового двигателя, поэтому впоследствии его патент неоднократно оспаривался. Тем не менее, новый тип двигателя внутреннего сгорания стали называть именем его реального создателя — дизель.
До появления работоспособных ДВС Отто и Дизеля несколькими поколениями ученых были исследованы идеальные ци-КЛЫ б ТёПЛОВЫХ ДВИГЗТ6ЛЯХ.
Идеальные циклы тепловых двигателей. В XVII веке возникла новая физическая наука термодинамика — наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы.
Работа тепловых машин (двигателей) основана на переносе теплоты с использованием газов или паров. Это вещество в термодинамике называют рабочим телом. В отличие от практически несжимаемых жидких и твердых тел газы и пары допускают значительные изменения своего удельного объема V, например, под воздействием давления Р или температуры Т. Таким образом, физическое состояние рабочего тела в тепловом процессе определяется, в основном, тремя этими параметрами: V, Р, Т.
Во второй половине XVII века англичанин Роберт Бойль (1661 г.) и независимо от него француз Эдм Мариотт (1676 г.) открыли один из важнейших «газовых» законов, получивший впоследствии название «закон Бойля — Мариотта». Коротко его можно сформулировать так: при неизменной температуре Т произведение удельного объема газа V на его давление Р есть величина постоянная, т.е. PV = const при Т = const.
Более чем через 100 лет французский физик Жак Шарль (1787 г.) и его соотечественник Жозеф Луи Гей-Люссак (1802 г.) сделали ряд научных открытий, впоследствии названных вторым «газовым» законом (законом Гей-Люссака). Этот закон гласит, что при постоянном давлении Р объем газа V линейно зависит от его температуры Т, т.е. V/T = const.
На основании законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака несколько позже было получено уравнение состояния идеальных газов (объединенный «газовый» закон), которое связало все три термодинамических параметра PV = RT, где R — удельная газовая постоянная для 1 кг газа. Все эти газовые законы подробно изложены в школьном курсе физики.
Было также установлено, что при изменении объема AV = V, — V2 теплота газа может совершать механическую работу Ам, например, поступательное движение поршня, величина которой равна Ам = P-AV.
Почти 200 лет после постройки первых паровых машин Д. Уатта (1769 г.) изобретатели многих стран пытались существенно повысить их КПД, но заметных результатов не получили: максимальное значение КПД паровых машин паровозов не превышало 15 — 20%.
Первым в мире человеком, который ответил на вопрос, какую максимальную работу (эффективность) можно получить от тепловой машины, был французский военный инженер Сади Карно. В 1824 г. он опубликовал книгу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой впервые ввел в теорию понятие циклического процесса в тепловых машинах и исследовал идеальный цикл с подводом теплоты при постоянной температуре (Т = const). Рабочим телом в цикле предлагалось использовать газ (не пар!), а эффективность идеального цикла должна быть наиболее возможной.
Перед объяснением цикла Карно полезно дать некоторые пояснения. Под идеальным циклом понимают цикл, основанный на следующих серьезных допущениях:
□ рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью и химическим составом;
количество, состав и свойства идеального газа во время цикла не меняются, т.е. не принимаются во внимание неизбежные потери, возникающие при наполнении и очистке цилиндра;
□ теплота к газу подводится от внешнего источника;
□ теплота отводится от идеального газа к внешнему теплоприемнику без теплообмена между газом и стенками цилиндра.
Сади Карно построил замкнутый контур теплового процесса идеального цикла в координатах P-V (рис. 2), который представляет собой совокупность четырех последовательных процессов. Идеальный цикл Карно показывает, что полезную работу в тепловой машине можно получить лишь при условии перехода теплоты от нагретого тела к более холодному. При этом С. Карно сформулировал теорему, что величина полезной работы в идеальном цикле зависит только от разности температур источника теплоты и теплоприемника и не зависит от вида рабочего тела, работающего в машине. Результаты научной работы С. Карно привели изобретателей к мысли о том, что процесс горения можно осуществить не в топке парового котла, как для паровых машин, а, например, внутри рабочего цилиндра — т.е. к идее создания две.
Вернемся к циклу Карно. Вначале выделим некоторые особенности поведения газа: при нагревании температура газа повышается, при сжатии газ нагревается (примером может служить нагревание ручного насоса при накачивании велосипедной шины); при расширении газ охлаждается: Например, расширяясь, влажный атмосферный воздух поднимается на большую высоту и в результате его охлаждения выпадает дождь или снег.
Цикл Карно нагляднее рассмотреть с помощью P-V-диаграммы, которая позволяет оценить полезную работу, совершаемую в цилиндре машины (Ам = P AV). Предположим, что идеальный газ (в нем отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, т.е. нет внутреннего трения) находится внутри цилиндра тепловой машины и отделен от внешней среды поршнем. Дно и стенки цилиндра, поршень должны быть абсолютно нетеплопроводными. Необходимо отметить, что в изотермических процессах (при Т = const) дно цилиндра должно попеременно сообщаться с источником теплоты Q1 или с теплоприем-ником (холодильником) 02.
Цикл Карно состоит из четырех последовательных процессов и начинается в точке а (см. рис. 2). От внешнего источника к днищу цилиндра подводится теплота Q., в результате на участке а — b цикла происходит изотермическое* (при Т = const) расширение газа. Идеальный газ, расширяясь, перемещает поршень, который в свою очередь совершает механическую работу Ам.
В точке b начинается следующий процесс — адиабатное** (без теплообмена с внешней средой) расширение газа за счет его внутренней энергии. Поршень также совершает механическую работу. Температура и давление газа снижаются. В точке с газ через днище цилиндра вступает в контакт с теплоприемником, на участке с — d происходит изотермическое сжатие, и теплота газа полностью отводится в те-плоприемник. Соответственно, в цилиндре происходят уменьшение объема и повышение давления газа.
Адиабатное сжатие d — а завершает цикл. В результате температура и давление идеального газа повышаются до первоначального состояния (точка а на рис. 2). Цикл завершен. Каков же результат данного цикла? На этапах расширения (кривые а — b, b — с) газ производил работу, на этапах сжатия (с — d, d — а) затрачивалась энергия на работу с газом. Таким образом, заштрихованная площадь диаграммы abed есть не что иное, как полезная работа цикла Карно Ам. Отношение полезной работы Аи к количеству теплоты, поглощенной в процессе изотермического расширения (Q2 — Q,), называется коэффициентом полезного действия цикла, т.е.
Л ~ ^м/^2 Ql)’
Какие же выводы можно сделать из рассмотренного цикла Карно?
Любая тепловая машина не может иметь значение КПД выше КПД теоретического цикла Карно.
Тепловая машина не может производить работу без отдачи тепла низкотемпературному теплоприемнику.
Величина полезной работы, выполненной за цикл, зависит от разности температур между нагревателем и теплоприемником (холодильником), т.е. О2 — Qr
Перейдем к рассмотрению идеального цикла Отто и проследим за его ходом по P-V-диаграмме (рис. 3,а). Поршень находится в точке а. Цилиндр заполнен смесью воздуха и бензина. В результате движения поршня вверх от V1 до V2 в цилиндре происходит адиабатическое сжатие рабочей смеси — линия а — б на P-V-диаграмме. Объем смеси уменьшается, ее давление возрастает. Так как поршень от положения V, до V2 движется достаточно быстро, можно считать, что во время этого такта теплообмена между рабочим телом и стенками цилиндра не происходит. В точке b искра воспламеняет смесь, которая горит так быстро, что движением поршня можно пренебречь. Следовательно, происходит изохорический (при постоянном объеме) подвод тепла Q, — участок b — с, рост давления и температуры до точки с. Таким образом, идеальный цикл Отто является циклом быстрого (мгновенного) сгорания рабочей смеси и соответствует идеальному циклу с подводом тепла по изохоре*** (V = const).
Далее в цилиндре происходит адиабатическое расширение газа, образовавшегося в результате горения смеси, поршень совершает механическую работу — участок с — d диаграммы Р-V. Необходимо подчеркнуть, что в реальном двигателе Отто в точке d открывается выпускной клапан и поршень выталкивает газы, а затем объем цилиндра вновь заполняется рабочей смесью. Однако сложный процесс выпуска-впуска в идеальном двигателе можно заменить отводом тепла О2 в теплоприемник — участок d — а.
(Окончание части 6 следует)
В.С. РУДНЕВ, профессор МИИТа
* изотерма — происходит от слов изо и греческого therme — тепло; изотермический процесс — процесс, происходящий при постоянной температуре;
** адиабата — от греч. слова Adiabatos — не-
переходимый; адиабатный процесс — процесс, при котором система не получает теплоты извне и не отдает ее, т.е. протекающий при постоянной теплоемкости;
***изохора — происходит от слов изо и греч. chora — занимаемое место, пространство; изохорический процесс — процесс, протекающий в цилиндре (системе) при постоянном объеме;
