Поршенді қозғалтқыштар: Түрлері мен жұмыс принципі

Кіріспе

Бір немесе бірнеше иіліп-қайта иілетін поршеньді пайдаланатын қозғалтқыш

Иіліп-қайта иілетін қозғалтқыш, көбінесе поршеньді қозғалтқыш деп те аталады, әдетте жоғары температура мен жоғары қысымды айналмалы қозғалысқа түрлендіру үшін бір немесе бірнеше иіліп-қайта иілетін поршеньдерді пайдаланатын жылу қозғалтқышы болып табылады. Бұл мақалада барлық түрлерінің ортақ ерекшеліктері сипатталады. Негізгі түрлері: автомобильдерде кеңінен қолданылатын ішкі жану қозғалтқышы; өнеркәсіптік революцияның басты тірегі – бу қозғалтқышы; және арнайы қолданыстар үшін Стирлинг қозғалтқышы. Ішкі жану қозғалтқыштары екі түрге бөлінеді: тұтандыру (SI) қозғалтқышы, онда тұтандыру шам жануды іске қосады; немесе қысыммен тұтандыру (CI) қозғалтқышы, онда цилиндрдегі ауа қысылып, осылайша қыздырылады, нәтижесінде қыздырылған ауа сол уақытта немесе одан бұрын шашыратылған отынды тұтандырады.

Барлық түрлердің ортақ белгілері

Бір немесе бірнеше поршень болуы мүмкін. Әрбір поршень цилиндрдің ішінде орналасады, оған газ жіберіледі, ол қысым астында (мысалы, бу машинасы), немесе цилиндрдің ішінде отын-ауа қоспасының тұтануы арқылы (ішкі жану қозғалтқышы), немесе цилиндрдегі ыстық жылу алмастырғышымен (Стирлинг қозғалтқышы) байланыста болады. Ыстық газдар кеңейіп, поршеньді цилиндрдің төменгі жағына итеріп жібереді. Бұл жағдай Төменгі өлі нүкте (BDC) деп те аталады, немесе поршень цилиндрдегі ең үлкен көлемді құрайды. Поршень цилиндрдің жоғарғы жағына (Жоғарғы өлі нүкте) (TDC) серпіліс дөңгелегімен, сондай-ақ осы білікке қосылған басқа поршеньдерден келетін қуатпен немесе (қос әрекетті цилиндрде) поршеньнің екінші жағында әрекет ететін сол процестің нәтижесінде қайтарылады. Бұл жерде поршень цилиндрдегі ең кішкентай көлемді құрайды. Көптеген түрлерінде кеңейтілген немесе "көтерілген" газдар осы соққымен цилиндрден шығарылады. Стирлинг қозғалтқышы бұл ретте ерекшеленеді, ол бірдей мөлшердегі газды қайта-қайта қыздырып, суытады. Соққы – бұл TDC мен BDC арасындағы қашықтық, немесе поршеньнің бір бағытта жүзе алатын ең үлкен қашықтығы. Кейбір конструкцияларда поршень цилиндрде екі бағытта да қозғалуы мүмкін, мұндай жағдайда ол қос әрекетті болып саналады. Көптеген түрлерінде поршеньнің түзу қозғалысы жалғаушы таяқша мен коленвал арқылы немесе иінтірек тақтасы немесе басқа да қолайлы механизм арқылы айналмалы қозғалысқа айналады. Серпіліс дөңгелегі көбінесе тегіс айналуды қамтамасыз ету үшін немесе циклдің қуатсыз бөлігі арқылы қозғалтқышты жүргізу үшін энергияны сақтау үшін қолданылады. Цилиндрлі қозғалтқыштағы цилиндрлердің саны неғұрлым көп болса, ол соғұрлым аз дірілдеп (тегіс) жұмыс істей алады. Цилиндрлі қозғалтқыштың қуаты поршеньдердің біріктірілген орын ауыстыру көлеміне пропорционалды. Поршень мен цилиндрдің қабырғалары арасында тығыз жабылу қамтамасыз етілуі керек, сонда поршеньнің үстіндегі жоғары қысымды газ оның сыртынан ағып кетіп, қозғалтқыштың тиімділігін төмендетпеуі керек. Бұл тығыздық әдетте бір немесе бірнеше поршень сақиналарымен қамтамасыз етіледі. Бұл қатты металдан жасалған сақиналар, олар поршень басындағы дөңгелек ойыққа бекітіледі. Сақиналар ойыққа тығыз орналасады және герметикалық жабылу үшін цилиндрдің қабырғасына жеңіл қысады, ал жоғары жану қысымы олардың ішкі беттеріне жылғанда күштірек қысады. Мұндай қозғалтқыштарды цилиндрлердің саны мен орналасуы және поршеньдердің цилиндрлерде газды орын ауыстыруының жалпы көлемі бойынша жіктеу қалыпты, әдетте кубикалық сантиметрлерде (см3 немесе cc) немесе литрлерде (л) немесе (L) (АҚШ: литр) өлшенеді. Мысалы, ішкі жану қозғалтқыштарында мотоциклдер сияқты кіші көліктерде бір және екі цилиндрлі конструкциялар жиі кездеседі, ал автомобильдерде әдетте төрттен сегізге дейін, ал локомотивтер мен кемелерде оншақты цилиндрлер немесе одан да көп болуы мүмкін. Цилиндрлердің сыйымдылығы модельдік қозғалтқыштарда 10 см3 немесе одан аз, ал кемелік қозғалтқыштарда мыңдаған литрге дейін болуы мүмкін. Сығу қатынасы көптеген типтегі цилиндрлі қозғалтқыштардың жұмысына әсер етеді. Бұл поршень соққысының төменгі жағындағы цилиндрдің көлемі мен поршень соққысының жоғарғы жағындағы көлем арасындағы қатынас. Диаметр/соққы қатынасы – поршеньнің диаметрінің немесе "диаметрінің" цилиндр ішіндегі қозғалыс ұзындығына немесе "соққыға" қатынасы. Егер бұл шамамен 1 болса, онда қозғалтқыш "квадрат" деп аталады. Егер ол 1-ден үлкен болса, яғни диаметрі соққыдан үлкен болса, ол "артық квадрат" болып табылады. Егер ол 1-ден аз болса, яғни соққы диаметрінен үлкен болса, ол "кем квадрат" болып табылады. Цилиндрлер бір қатарда, V пішінде, бір-біріне көлденең орналасқан немесе коленвалдың айналасында радиалды түрде орналасуы мүмкін. Қарсы поршеньді қозғалтқыштарда бір цилиндрдің қарама-қарсы шеттерінде жұмыс істейтін екі поршень болады және бұл Нейпер Дельтикі сияқты үшбұрышты құрылымдарға дейін кеңейтілген. Кейбір конструкциялар цилиндрлерді вал айналасында қозғалтуға мүмкіндік береді, мысалы, роторлық қозғалтқыш. Кейбір бу қозғалтқыштарында цилиндрлер әр түрлі мөлшерде болуы мүмкін, ең кішкентай диаметрлі цилиндр ең жоғары қысымды буды жұмыс істейді. Содан кейін ол бір немесе бірнеше, бірінен кейін бірі үлкен диаметрлі цилиндрлер арқылы, будан қуатты үнемі төмен қысыммен алу үшін жіберіледі. Бұл қозғалтқыштар күрделі қозғалтқыштар деп аталады. Қозғалтқыштың өндіретін қуатын қарастырудан басқа, орташа тиімді қысымды (MEP) да қолдануға болады, бұл бірдей өлшемдегі цилиндрлі қозғалтқыштардың қуаттылығы мен өнімділігін салыстыру үшін қолданылады. Орташа тиімді қысым – қуат соққысы кезінде жасалған таза жұмыстың сомасына тең болатын шартты қысым. Бұл келесідей көрсетіледі:

There may be one or more pistons. Each piston is inside a cylinder, into which a gas is introduced, either already under pressure (e. g. steam engine), or heated inside the cylinder either by ignition of a fuel air mixture (internal combustion engine) or by contact with a hot heat exchanger in the cylinder (Stirling engine). The hot gases expand, pushing the piston to the bottom of the cylinder. This position is also known as the Bottom Dead Center (BDC), or where the piston forms the largest volume in the cylinder. The piston is returned to the cylinder top (Top Dead Center) (TDC) by a flywheel, the power from other pistons connected to the same shaft or (in a double acting cylinder) by the same process acting on the other side of the piston. This is where the piston forms the smallest volume in the cylinder. In most types the expanded or "exhausted" gases are removed from the cylinder by this stroke. The exception is the Stirling engine, which repeatedly heats and cools the same sealed quantity of gas. The stroke is simply the distance between the TDC and the BDC, or the greatest distance that the piston can travel in one direction. In some designs the piston may be powered in both directions in the cylinder, in which case it is said to be double acting. In most types, the linear movement of the piston is converted to a rotating movement via a connecting rod and a crankshaft or by a swashplate or other suitable mechanism. A flywheel is often used to ensure smooth rotation or to store energy to carry the engine through an un powered part of the cycle. The more cylinders a reciprocating engine has, generally, the more vibration free (smoothly) it can operate. The power of a reciprocating engine is proportional to the volume of the combined pistons' displacement. A seal must be made between the sliding piston and the walls of the cylinder so that the high pressure gas above the piston does not leak past it and reduce the efficiency of the engine. This seal is usually provided by one or more piston rings. These are rings made of a hard metal, and are sprung into a circular groove in the piston head. The rings fit closely in the groove and press lightly against the cylinder wall to form a seal, and more heavily when higher combustion pressure moves around to their inner surfaces. It is common to classify such engines by the number and alignment of cylinders and total volume of displacement of gas by the pistons moving in the cylinders usually measured in cubic centimetres (cm3 or cc) or litres (l) or (L) (US: liter). For example, for internal combustion engines, single and two cylinder designs are common in smaller vehicles such as motorcycles, while automobiles typically have between four and eight, and locomotives and ships may have a dozen cylinders or more. Cylinder capacities may range from 10 cm3 or less in model engines up to thousands of liters in ships' engines. The compression ratio affects the performance in most types of reciprocating engine. It is the ratio between the volume of the cylinder, when the piston is at the bottom of its stroke, and the volume when the piston is at the top of its stroke. The bore/stroke ratio is the ratio of the diameter of the piston, or "bore", to the length of travel within the cylinder, or "stroke". If this is around 1 the engine is said to be "square". If it is greater than 1, i. e. the bore is larger than the stroke, it is "oversquare". If it is less than 1, i. e. the stroke is larger than the bore, it is "undersquare". Cylinders may be aligned in line, in a V configuration, horizontally opposite each other, or radially around the crankshaft. Opposed piston engines put two pistons working at opposite ends of the same cylinder and this has been extended into triangular arrangements such as the Napier Deltic. Some designs have set the cylinders in motion around the shaft, such as the rotary engine. In some steam engines, the cylinders may be of varying size with the smallest bore cylinder working the highest pressure steam. This is then fed through one or more, increasingly larger bore cylinders successively, to extract power from the steam at increasingly lower pressures. These engines are called compound engines. Aside from looking at the power that the engine can produce, the mean effective pressure (MEP), can also be used in comparing the power output and performance of reciprocating engines of the same size. The mean effective pressure is the fictitious pressure which would produce the same amount of net work that was produced during the power stroke cycle. This is shown by:

мұнда – қозғалтқыштың жалпы поршень ауданы, – поршеньдердің соққы ұзындығы және – қозғалтқыштың жалпы орын ауыстыру көлемі. Сондықтан:

MEP мәні жоғарырақ қозғалтқыш цикл бойына көбірек таза жұмыс жасайды және тиімдірек жұмыс істейді. Қытайлықтар бұрыннан, Батыс Хань дәуірінде (б.з.д. 202–9 ж.) діңгектерді және жалғаушы таяқшаларды діңгектерді басқару үшін қолданған. Соңынан діңгектер мен жалғаушы таяқшалар айналмалы және түзу қозғалыстың өзара алмасуы үшін ұн сарғыту, жібек өндіру машиналары, аяқпен басқарылатын тігіш дөңгелектер және жылқылар немесе су доңғалақтарымен қозғалтылатын пеш үскіштері сияқты басқа да қолданулар үшін қолданылды. 1206 жылы араб инженері Әл-Жазари коленвалды ойлап тапты. Цилиндрлі қозғалтқыш 18 ғасырда Еуропада дамыды, алдымен атмосфералық қозғалтқыш ретінде, содан кейін бу қозғалтқышы ретінде. Одан кейін 19 ғасырда Стирлинг қозғалтқышы және ішкі жану қозғалтқышы пайда болды. Бүгінде ең көп таралған цилиндрлі қозғалтқыш – бензин, дизель, сұйытылған мұнай газы (LPG) немесе табиғи газды (CNG) жағу арқылы жұмыс істейтін және автокөліктерді және электр станцияларын қуаттандыруға қолданылатын ішкі жану қозғалтқышы. Екінші дүниежүзілік соғыс кезеңінен танымал цилиндрлі қозғалтқыштардың бірі – 28 цилиндрлі Pratt & Whitney R 4360 Wasp Major радиалды қозғалтқышы. Ол 1944 жылдан бастап реактивтік қозғалтқыштар мен турбовинттер басымдыққа ие болғанға дейін үлкен поршеньді ұшақтардың соңғы буынына қуат берді. Оның жалпы қозғалтқыш сыйымдылығы және жоғары қуат-салмақ қатынасы болды. Қазіргі кезде өндірістегі ең үлкен цилиндрлі қозғалтқыш, бірақ ең үлкені емес, – 2006 жылы Wärtsilä компаниясы салған Wärtsilä Sulzer RTA96 C турбожылдамды дизельдік қозғалтқышы. Ол Emma Mærsk сияқты ең ірі заманауи контейнерлік кемелерді қуаттандыру үшін қолданылады. Оның биіктігі бес қабатқа жетеді, ұзындығы және ең үлкен 14 цилиндрлі нұсқасының салмағы аспайды, қуаты 84,42 МВт (114 800 а.к.) асады. Әр цилиндрдің сыйымдылығы , ал ең үлкен нұсқалардың жалпы сыйымдылығы .

Қозғалтқыштың қуаты

Поршенді қозғалтқыштар үшін қозғалтқыштың сыйымдылығы – қозғалтқыштың жұмыс көлемі, яғни қозғалтқыштың барлық поршеньдері бір циклда ығыстыратын көлем. Ол әдетте үлкен қозғалтқыштар үшін литрмен (л) немесе куб дюйммен (c.i.d., cu in, немесе in3), ал кіші қозғалтқыштар үшін куб сантиметрмен (қысқартылған cc) өлшенеді. Басқа шарттар тең болса, көлемі үлкен қозғалтқыштар қуаттырақ болады және отын тұтынуы да сәйкесінше артады (бірақ бұл әрбір поршенді қозғалтқышқа қатысты дұрыс емес), алайда қуат пен отын тұтынуы қозғалтқыш көлемінен басқа көптеген факторларға байланысты.

Қуат

Реципрокациялық қозғалтқыштардың сипаттамасы олардың нақты қуатымен беріледі, ол әдетте қозғалтқыш көлемінің литріне шаққандағы киловаттармен (АҚШ-та – текше дюймге шаққандағы ат күші) көрсетіледі. Бұл көрсеткіш қозғалтқыштың максималды қуатын шамамен анықтауға мүмкіндік береді. Отынның тиімділігімен шатастырмау керек, себебі жоғары тиімділік көбінесе отын мен ауаның қатысының төмендеуін қажет етеді, демек қуат тығыздығы төмендейді. Қазіргі заманғы, жоғары өнімділік көрсеткіштері бар автомобильдердің қозғалтқыштары 75 кВт/л-ден (1.65 а.к./дюйм³) жоғары қуаттылыққа ие.

Басқа заманауи ішкі жанбайтын типтер

Қысылған ауамен, бумен немесе басқа да ыстық газдармен жұмыс істейтін поршеньді қозғалтқыштар кейбір қолданыстарда, мысалы, көптеген қазіргі заманғы торпедаларды қозғау үшін немесе ластанусыз қозғалтқыш күш ретінде әлі де қолданылады. Бумен жұмыс істейтін көптеген құрылғылар бу турбиналарын пайдаланады, олар поршеньді қозғалтқыштардан тиімдірек. Француздық FlowAIR көліктері цилиндрде сақталған қысылған ауаны қолданып, жергілікті ластанусыз қалалық көлікте поршеньді қозғалтқышты басқарады. Торпедалар жоғары тазалықтағы пероксид немесе Otto II отынынан алынған жұмыс газын пайдалана алады, ол жанбай-жанусыз қысыммен жұмыс істейді. Мысалы, Mark 46 торпедасы тотықтырғышсыз Otto отынымен су астында жүзе алады.

Кванттық жылу қозғалтқышы

Кванттық жылу қозғалтқыштары – ыстық резервуардан суық резервуарға ағын жасайтын жылудан қуат өндіретін құрылғылар. Қозғалтқыштың жұмыс істеу механизмін кванттық механика заңдары арқылы сипаттауға болады. Кванттық тоңазытқыштар – суық резервуардан ыстық резервуарға жылуды тасымалдау үшін қуатты тұтынатын құрылғылар. Кванттық жылу қозғалтқыштарында жұмыс ортасы спин жүйелері немесе гармоникалық осциллятор сияқты кванттық жүйе болып табылады. Карно циклі және Отто циклі ең көп зерттелген циклдар. Кванттық нұсқалары термодинамика заңдарына сәйкес келеді. Бұған қоса, бұл модельдер эндореверсивтік термодинамиканың болжамдарын негіздеуге мүмкіндік береді. Теориялық зерттеу көрсеткендей, бір ғана тербелісті атомнан құралған поршенді қозғалтқышты жасау мүмкін және практикалық. Бұл болашақ зерттеулер үшін маңызды бағыт және нанотехнологияда қолданылуы мүмкін.