Принцип работы поршневого двигателя.
Поршневой двигатель работает на принципе преобразования тепловой энергии в механическую. Рассмотрим, как практически осуществляется этот принцип (рис. 1-4). Через трубопровод 4 подается топливовоздушная смесь (ТВС) по стрелке "А". К моменту подачи топлива в камеру сгорания 6 открывается впускной клапан 5. После заполнения камеры сгорания впускной клапан закрывается и к свече 8 подается высокое электрическое напряжение. В свече возникает электрическая искра, которая поджигает ТВС. Топливовоздушная смесь, быстро сгорая, расширяется, в камере сгорания возникает значительное давление сгоревших газов. Это давление, действуя на поршень 3, заставляет его двигаться вниз в цилиндре 2 и через шатун 9 движение передается коленчатому валу 10, который вращается по стрелке "В". Коленчатый вал, вращаясь, перемещает поршень вверх и через открытый выпускной клапан 7 продукты сгорания удаляются из двигателя в атмосферу (по стрелке "Б"). Коленчатый вал вращается в корпусе 1, который носит название картера. К передней части коленчатого вала может быть присоединен редуктор, вращение которого передается воздушному винту самолета.
Рассмотрим подробно схему работы четырехтактного поршневого двигателя, применяющегося сегодня в авиационном двигателестроении.
В четырехтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания чередующиеся процессы преобразования тепловой энергии в механическую осуществляются в следующем порядке (рис. 1-5):
— поступление ТВС в камеру сгорания — впуск (первый такт);
— сжатие поступившей смеси (второй такт);
— расширение после сгорания смеси (третий такт);
— выпуск сгоревших газов (четвертый такт).
В начале такта впуска поршень 1 находится в верхнем положении. На рис. 1-3 это положение отмечено линией с обозначением ВМТ (верхняя мертвая точка). Нижнее положение поршня отмечено линией НМТ — нижняя мертвая точка. Таким образом, поршень во всех тактах перемещается от ВМТ к НМТ.
В первом такте (впуск) поршень, двигаясь вниз, при открытом впускном клапане 4 дает возможность смеси заполнить цилиндр 6. В процессе впуска цилиндр заполняется свежей ТВС. Чем больше попадет смеси в цилиндр к моменту закрытия впускного клапана, тем большую мощность может развивать двигатель.
Во втором такте (сжатие) коленчатый вал 3 через шатун 2 передает движение поршню 1, и он перемещается вверх, сжимая поступившую в цилиндр горючую смесь. В этот момент впускной клапан закрыт. Сжатие горючей смеси производится для того, чтобы обеспечить высокое давление. При большем давлении в процессе расширения будет выполнена большая работа.
В третьем такте (расширение) при закрытых клапанах впуска и выпуска в верхнюю часть цилиндра, в пространство над поршнем, находящимся в ВМТ, подается искра, от которой зажигается ТВС.
Сгорание начинается в конце такта сжатия. Сгорание топлива, входящего в топливовоздушную смесь, — химический процесс окисления углерода и водорода кислородом воздуха. В результате при полном сгорании образуются углекислый газ СО и вода Н2О. При неполном сгорании к ним добавляется окись углерода СО.
Рис.1-4. Принципиальная схема поршневого двигателя:
1— картер; 2— цилиндр; 3— поршень; 4— трубопровод подачи ТВС; 5— впускной клапан; 6— камера сгорания; 7— выпускной клапан; 8— свеча; 9— шатун; 10— коленчатый вал
Рис. 1-5. Схема работы четырехтактного поршневого двигателя:
1— поршень; 2— шатун; 3— коленчатый вал; 4— впускной клапан; 5— выпускной клапан; 6— цилиндр
Быстро расширяясь, сгоревшие газы толкают поршень вниз. Через шатун коленчатому валу придается вращательное движение. Поршень опускается до НМТ. Процесс расширения — основной процесс, так как именно здесь совершается работа по преобразованию тепла в механическую работу.
В четвертом такте (выпуск) поршень из НМТ поднимается, выталкивая сгоревшие газы через открытый клапан выпуска 5. Процесс выпуска заканчивается в момент закрытия выпускного клапана.
Все четыре такта в четырехтактном поршневом двигателе совершаются за два оборота коленчатого вала. Все процессы, происходящие в цилиндре двигателя, выполняются за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и называются циклом двигателя. Цикл двигателя начинается с первого такта и заканчивается четвертым. Затем весь процесс снова повторяется, наступает следующий цикл. Поршневые двигатели, имеющие такой цикл, называются четырехтактными.
В описанной выше схеме на рис. 1-2 и 1-3 показан ПД с одним цилиндром. Из приведенного описания следует, что тепловая энергия сгоревшей смеси превращается в механическую работу только в третьем такте (расширение). Вот почему в одноцилиндровом двигателе вращение коленчатого вала не может быть равномерным, да и мощность один цилиндр выдает весьма малую. Поэтому поршневые двигатели делают многоцилиндровыми.
Кривошипно-шатунный механизм. Геометрические параметры ПД.
Как было сказано выше, поршень совершает возвратно-поступательные перемещения от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Коленчатый вал двигателя при этом вращается. Передача перемещения от поршня к коленчатому валу двигателя производится при помощи кривошипно-шатунного механизма. Т.е. можно сказать, что кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основные части кривошипно-шатунного механизма: поршень, шатун и кривошип (рис.1-6). Конструктивно кривошип выполнен как составная часть коленчатого вала.
Очевидно, что положения ВМТ и НМТ определяются длиной шатуна и радиусом кривошипа. Длина шатуна — это расстояние от оси поршневой (верхней) головки шатуна до оси кривошипной (нижней) головки шатуна. Обозначается длина шатуна буквой L. Радиус кривошипа — это расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки. Обозначается радиус кривошипа буквой R. Проходимое поршнем расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршням и обозначается буквой S. Ход поршня осуществляется за пол-оборота коленчатого вала, т.е. за 180°, и равен двум радиусам кривошипа: S = 2R.
Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение его внутреннего объема. При этом различают три характерных объема цилиндра: объем камеры сжатия, рабочий объем и полный объем.
Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в ВМТ, называется камерой сжатия или камерой сгорания и обозначается VС.
Рис. 1-6. Кривошипно-шатунный механизм:
1— поршень; 2 — шатун; 3— коленчатый вал
Объем цилиндра, соответствующий ходу, поршня S, называется рабочим объемом. Он обозначается Vh.
Его можно определить, зная диаметр цилиндра D и ход поршня S:
Рабочий объем всех цилиндров двигателя носит название литража и равен:
где i— число, цилиндров двигателя.
Объем цилиндра, ограничиваемый поршнем при его положении в НМТ, называется, полным объемом цилиндра и обозначается Vа. Очевидно, что: Va = Vc + Vh.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и обозначается буквой ε, т. е.
Степень сжатия в авиационных поршневых двигателях лежит в пределах 5 ÷ 8.
Механический, тепловой и объемный КПД. Рабочие циклы.
Диаграмма идеального рабочего цикла поршневого двигателя
Рабочий цикл – это совокупность циклически повторяющихся термодинамических процессов в цилиндре поршневого двигателя. В ходе цикла изменяются параметры рабочего тела (воздуха). Цикл, как было сказано выше, включает в себя 4 такта, соответствующим 2 оборотам коленчатого вала. Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего тела в цилиндре ПД за один цикл, и построим график зависимости давления в цилиндре (р) от его объема (V). В результате получим замкнутую кривую, которая называется индикаторной диаграммой двигателя.
Приведем условия, при которых рабочий цикл ПД считается идеальным:
— отвода тепла через стенки поршня и цилиндра не происходит;
— сопротивления перетеканию воздуха (газа) в каналах впуска и выпуска нет;
— давление воздуха в каналах впуска и выпуска равно атмосферному (ро),
— давление воздуха во внутренних объемах двигателя равно атмосферному;
— клапаны открываются и закрываются в ВМТ и НМТ с бесконечно большой скоростью;
— ТВС в цилиндре сгорает с бесконечно большой скоростью.
1. Такт «впуск».
Клапан впуска открыт, клапан выпуска закрыт, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, рабочий объем цилиндра возрастает и заполняется топливовоздушной смесью. Так как клапан впуска открыт, давление в цилиндре постоянно и равно атмосферному. Такту впуска соответствует линия «ra» на графике (рис.1-7).
2. Такт «сжатие».
Оба клапана закрыты, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, происходит адиабатическое сжатие ТВС. Такту сжатия соответствует линия «aс» на графике (рис.1-7).
5. Такт «расширение».
Оба клапана закрыты, в ВМТ происходит подача напряжения на свечи и воспламенение ТВС, происходит резкий рост давления и температуры газа при постоянном объеме. Затем поршень под действием высокого давления газа перемещается от ВМТ к НМТ, передавая усилие на коленчатый вал двигателя. Такту расширения соответствуют две линии на графике: линия «сz» – горение ТВС, линия «zb» – адиабатическое расширение газа.
6. Такт «выпуск».
Клапан впуска закрыт, клапан выпуска открыт, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, цилиндр освобождается от продуктов сгорания. Такту выпуска соответствуют две линии на графике: линия «ba» – падение давления в цилиндре после открытия выпускного клапана, линия «ar» – вытеснение продуктов сгорания при движении поршня. Так как при движении поршня клапан выпуска остается открытым давление в цилиндре равно атмосферному.
Рис.1-7. Индикаторная диаграмма идеального рабочего цикла поршневого двигателя
Тогда в целом для рабочего цикла можно сказать: работа расширения-сжатия газа в цилиндре ПД за один цикл будет равна сумме работ в каждом из тактов. Эта работа называется работой цикла.
Lц = Lвп + Lсж + Lрасш + Lвып,
Где Lц— работа цикла— работа, вырабатываемая одним цилиндром ПД за один цикл (4 такта);
Lвп— работа такта впуска — работа, затрачиваемая на перемещение поршня при заполнении цилиндра ТВС;
Lсж— работа такта сжатия— работа, затраченная на адиабатическое сжатие газа в цилиндре двигателя.
Lрасш— работа такта расширения— работа, производимая расширяющимся газом.
Lвып— работа такта выпуска — работа, затрачиваемая на перемещение поршня при удалении продуктов сгорания из цилиндра.
С учетом принятых допущений и рассмотренной выше схемы работы, можно сделать вывод, что работа в такте впуска и выпуска равны нулю. Это объясняется равенством давлений в камере сгорания и во внутреннем объеме двигателя, поэтому суммарная сила, действующая на поршень в тактах впуска и выпуска равна нулю, следовательно, равна нулю и работа на перемещение поршня (Lвп=0, Lвып=0).
Из анализа схемы работы ПД можно сказать, что работа расширения является положительной (Lрасш > 0 ) т.к. сгоревшие газы перемещают поршень и через шатун коленчатому валу придается вращательное движение. Работа сжатия отрицательна (Lсж <0 ) т.к. необходимо затратить работу на сжатие газа. Тогда, преобразовав формулу (4) с учетом знака работы для идеального цикла, можно записать:
Lц = Lрасш— Lсж
Как известно из термодинамики (см. приложение 1-2) работа расширения-сжатия газа эквивалентна площади фигуры, ограниченной графиком изменения параметров газа, построенного в координатах p-V, и линией обозначающей давление, действующее на поршень со стороны внутреннего объема двигателя. Поэтому работа расширения газа эквивалентна площади фигуры «rzba» (рис.1-7); работа сжатия — площади «rca». Откуда работа цикла эквивалентна площади «czba». Следовательно, можно сделать вывод: работа цикла поршневого двигателя эквивалентна площади внутри графика, построенного в р—V координатах.