Если в ДВС процесс преобразования тепловой энергии топлива в механическую происходит непосредственно в рабочем цилиндре, то в паровых двигателях необходим процесс генерации промежуточного теплоносителя - пара, а это связано с сооружением громоздких и сложных котельных установок. В этом принципиальное различие между схемами установок для использования тепловой энергии и всеми схемами установок с ДВС.
К преимуществам установок с ДВС по сравнению с паросиловыми можно отнести:
- сравнительно высокий термический и эффективный КПД;
- меньший удельный расход топлива при снижении нагрузки на двигатель и прекращение его расхода после остановки;
- небольшой расход воды на охлаждение двигателя;
- быстрый пуск двигателя (в течение нескольких минут);
- возможность осуществления широкой автоматизации.
К основным недостаткам установок с ДВС можно отнести:
- меньшую способность двигателя к работе с перегрузкой;
- необходимость в установке большого резерва в связи с более частыми остановками на профилактический осмотр и ремонт двигателя;
- сравнительно небольшая единичная мощность двигателя;
- потребление дорогостоящего жидкого топлива (кроме двигателей, работающих на газе).
Двигатели на газовом топливе применяются в местах, где возможно использование естественного или отбросного газа, а также в районах добычи нефти, где целесообразно устанавливать обратимые двигатели с использованием в первую очередь природного газа, сопутствующего нефтяным месторождениям. В других случаях целесообразно применять дизельные установки, особенно тогда, когда из-за ограниченности источников водоснабжения на других условий строительство паротурбинной станции экономически менее выгодно.
Если сравнивать экономичность различных типов двигателей и, в частности, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, то преимущества современных ДВС высокого сжатия очевидны. Но использовать эти преимущества возможно лишь в установках с мощностью до 12000 кВт.
Двухтактный цикл. Рабочий процесс двухтактного двигателя состоит из подготовительной части - выпуска отработавших газов, продувки и сжатия и рабочей части - сгорания топлива и расширения продуктов сгорания. Двухтактные двигатели выполняются и могут работать по тем же циклам, что и четырехтактные. На рис.8.2 показана схема двухтактного двигателя.
При положении поршня в ВМТ в цилиндре создается необходимое давление и с некоторым опережением происходит зажигание топлива, при этом продувочные 4 и выхлопные 3 окна закрыты стенками поршня.
Под давлением рабочих газов поршень перемещается до НМТ и по пути открывает выпускные, а затем продувочные окна. В НМТ окна полностью открыты, цилиндр продувается свежим воздухом и остаточные продукты сгорания уходят в атмосферу. При перемещении поршня к ВМТ закрываются продувочные окна, затем выпускные, после этого происходит сжатие воздуха или горючей смеси.
Приведенная схема газораспределения двухтактного двигателя наиболее простая и широко распространенная, однако она имеет некоторые недостатки, связанные в основном с тем, что при выпуске неизбежны значительные потери продувочного воздуха с продуктами сгорания. В других, более совершенных системах, продувочные окна располагаются на высоте выпускных окон или выше. Продувочный воздух, нагнетаемый специальным продувочным насосом, подается и на участке начала сжатия, что обеспечивает большое наполнение цилиндра. Подача продувочного воздуха перекрывается клапанами или золотниками. Величина давления продувочного воздуха должна быть строго определенной и соответствовать значению, рекомендуемому заводом-изготовителем. Отклонения давления продувочного воздуха от рекомендуемых норм приводят к снижению качества продувки.
Сравнивая четырех- и двухтактные двигатели, следует отметить меньшую быстроходность последних. С повышением средней скорости поршня период времени, отводимый на процессы выхлопа и продувки, сокращается, что неизбежно приводит к ухудшению этих процессов. Четырехтактные двигатели, в которых на процессы всасывания и выхлопа отводится более двух полных ходов поршня, естественно, являются более приспособленными к условиям быстроходной работы. Однако сравнительные габариты двухтактных двигателей несколько меньше и конструкция их проще по сравнению с конструкцией четырехтактных двигателей.
Для средней и большей мощностей двухтактные двигатели средней быстроходности равноценны таким же четырехтактным двигателям, однако некоторые конструкции двухтактных двигателей (с расходящимися поршнями) даже превосходят их по простоте и надежности работы.
Мощность двигателя можно повысить форсировкой его работы за счет увеличения числа оборотов. В последнем случае применяется наддув, при котором увеличивается массовый заряд воздуха, подаваемого в цилиндр под некоторым избыточным давлением с помощью специального нагнетателя. Наддув бывает:
- механический с приводом наддувочного агрегата - поршневого, ротативного или центробежного нагнетателя - от двигателя;
- газотурбинный с использованием энергии отработавших газов, приводящих в движение газовую турбину, соединенную непосредственно с нагнетателем;
- комбинированный, в котором одновременно используется механический и газотурбинный способы наддува.
Наиболее простым является газотурбинный наддув, нагнетатель которого не связан кинематически с двигателем. К тому же он наиболее экономичен (рис.9.3). Отработавшие газы из двигателя проходят через выпускные отверстия клапана, коллектор и поступают на рабочие диски газовой турбины 2, непосредственно соединенной с нагнетателем 3. Воздух в нагнетатель всасывается из атмосферы, сжимается до значения наддува и подается через всасывающий клапан 4 в цилиндр двигателя.
Наддув позволяет увеличить удельную мощность двигателей и обеспечить большую компактность установки.
