Поршневые двигатели: устройство и принципы работы.

Введение

Двигатель, использующий один или несколько возвратно-поступательных поршней

Возвратно-поступательный двигатель, также часто называемый поршневым двигателем, как правило, является тепловым двигателем, использующим один или несколько возвратно-поступательных поршней для преобразования высокой температуры и высокого давления во вращательное движение. В данной статье описываются общие характеристики всех типов. Основные типы включают: двигатель внутреннего сгорания, широко применяемый в автомобильном транспорте; паровой двигатель, являвшийся основой промышленной революции; и двигатель Стирлинга для специализированных применений. Двигатели внутреннего сгорания далее классифицируются двумя способами: двигатели с искровым зажиганием (SI), в которых воспламенение инициируется свечой зажигания; или двигатели с воспламенением от сжатия (CI), в которых воздух внутри цилиндра сжимается, тем самым нагреваясь, что приводит к воспламенению впрыскиваемого топлива в данный момент или ранее.

Общие черты всех типов

Может быть один или несколько поршней. Каждый поршень находится внутри цилиндра, в который поступает газ, либо уже находящийся под давлением (например, в паровом двигателе), либо нагреваемый внутри цилиндра либо воспламенением топливно-воздушной смеси (двигатель внутреннего сгорания), либо контактом с горячим теплообменником в цилиндре (двигатель Стирлинга). Горячие газы расширяются, толкая поршень к нижней точке цилиндра. Это положение также известно как нижняя мертвая точка (НМТ), или положение, в котором поршень образует максимальный объем в цилиндре. Поршень возвращается в верхнюю точку цилиндра (верхняя мертвая точка – ВМТ) маховиком, за счет энергии от других поршней, соединенных с тем же коленвалом, или (в цилиндре двойного действия) тем же процессом, действующим на противоположную сторону поршня. В этой точке поршень образует минимальный объем в цилиндре. В большинстве конструкций расширившиеся или "отработанные" газы удаляются из цилиндра во время этого хода. Исключение составляет двигатель Стирлинга, который многократно нагревает и охлаждает один и тот же герметичный объем газа. Ход – это расстояние между ВМТ и НМТ, или максимальное расстояние, которое поршень может пройти в одном направлении. В некоторых конструкциях поршень может приводиться в действие в обоих направлениях в цилиндре, в этом случае он называется двухсторонним. В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение посредством шатуна и коленчатого вала или кулачкового механизма или другой подходящей системы. Маховик часто используется для обеспечения плавности вращения или для накопления энергии, чтобы двигатель мог преодолеть непродуктивный участок цикла. Чем больше цилиндров у двигателя с возвратно-поступательным движением, тем меньше вибраций (плавнее) он может работать. Мощность двигателя с возвратно-поступательным движением пропорциональна суммарному рабочему объему поршней. Необходимо обеспечить герметичность между скользящим поршнем и стенками цилиндра, чтобы газ высокого давления над поршнем не просачивался мимо него и не снижал эффективность двигателя. Эта герметичность обычно обеспечивается одним или несколькими поршневыми кольцами. Это кольца из твердого металла, установленные в круговую канавку в головке поршня. Кольца плотно прилегают к канавке и слегка прижимаются к стенке цилиндра, образуя уплотнение, и сильнее при увеличении давления сгорания, которое воздействует на их внутреннюю поверхность. Такие двигатели обычно классифицируют по количеству и расположению цилиндров и общему объему, вытесняемому поршнями, движущимися в цилиндрах, обычно измеряемому в кубических сантиметрах (см³ или куб. см) или литрах (л). Например, для двигателей внутреннего сгорания одно- и двухцилиндровые конструкции распространены в небольших транспортных средствах, таких как мотоциклы, в то время как автомобили обычно имеют от четырех до восьми цилиндров, а локомотивы и корабли могут иметь дюжину или более цилиндров. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см³ или меньше в модельных двигателях до тысяч литров в судовых двигателях. Степень сжатия влияет на производительность большинства типов двигателей с возвратно-поступательным движением. Это отношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней точке хода, и объемом, когда поршень находится в верхней точке хода. Отношение диаметра цилиндра (бора) к ходу поршня – это отношение диаметра поршня (бора) к длине хода поршня в цилиндре (ходу). Если это отношение близко к 1, двигатель считается "квадратным". Если оно больше 1, то есть диаметр цилиндра больше хода, он считается "переразмерным". Если оно меньше 1, то есть ход больше диаметра цилиндра, он считается "недоразмерным". Цилиндры могут быть расположены в ряд, V-образно, горизонтально друг напротив друга или радиально вокруг коленчатого вала. В двигателях с противоположными поршнями используются два поршня, работающих с противоположных концов одного цилиндра, и эта конструкция была расширена до треугольных схем, таких как Napier Deltic. В некоторых конструкциях цилиндры вращаются вокруг вала, например, в роторном двигателе. В некоторых паровых двигателях цилиндры могут быть разного размера, при этом цилиндр с наименьшим диаметром работает с паром самого высокого давления. Затем пар последовательно подается через один или несколько цилиндров с увеличивающимся диаметром, чтобы извлечь энергию из пара при все более низком давлении. Такие двигатели называются компаунд-машинами. Помимо оценки мощности, которую может выдать двигатель, среднее эффективное давление (СЭД) также может использоваться для сравнения мощности и производительности двигателей с возвратно-поступательным движением одинакового размера. Среднее эффективное давление – это фиктивное давление, которое произвело бы ту же полезную работу, что и во время рабочего цикла. Это выражается следующим образом:

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:

где – общая площадь поршня двигателя, – длина хода поршней, а – общий рабочий объем двигателя. Следовательно:

Двигатель с более высоким СЭД производит больше полезной работы за цикл и работает более эффективно. Китайцы использовали кривошипно-шатунный механизм для привода жерновов еще во времена Западной Хань (202 г. до н.э. – 9 г. н.э.). В конечном итоге кривошипно-шатунные механизмы стали использоваться для преобразования вращательного и возвратно-поступательного движения в других приложениях, таких как просеивание муки, шелкопрядильные станки, ножные прялки и мехи, приводимые в действие лошадьми или водяными колесами. В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел коленчатый вал. Двигатель с возвратно-поступательным движением был разработан в Европе в 18 веке, сначала как атмосферный двигатель, а затем как паровой двигатель. За ними последовали двигатель Стирлинга и двигатель внутреннего сгорания в 19 веке. Сегодня наиболее распространенной формой двигателя с возвратно-поступательным движением является двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе (СНГ) или сжатом природном газе (СПГ) и используемый для привода автомобилей и электростанций. Одним из известных двигателей с возвратно-поступательным движением эпохи Второй мировой войны был 28-цилиндровый радиальный двигатель Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major. Он приводил в действие последнее поколение больших самолетов с поршневыми двигателями, прежде чем реактивные двигатели и турбовинтовые двигатели взяли верх с 1944 года. Он имел общий рабочий объем и высокое отношение мощности к весу. Самый большой серийно выпускаемый в настоящее время, но не самый большой когда-либо построенный, двигатель – это двухтактный дизельный двигатель Wärtsilä Sulzer RTA96 C с турбонаддувом, построенный компанией Wärtsilä в 2006 году. Он используется для привода крупнейших современных контейнеровозов, таких как Emma Mærsk. Он имеет высоту пяти этажей, длину и весит более в своей самой большой 14-цилиндровой версии, производящей более 84,42 МВт (114 800 л.с.). Каждый цилиндр имеет объем , что дает общий объем для самых больших версий.

Мощность двигателя

Для поршневых двигателей, рабочий объем двигателя – это объем, вытесняемый всеми поршнями двигателя за один ход. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (c.i.d., cu in, или in3) для двигателей большего объема и в кубических сантиметрах (сокращенно см³) для двигателей меньшего объема. При прочих равных условиях, двигатели с большим рабочим объемом более мощные, и, соответственно, увеличивается потребление топлива (хотя это не всегда верно для двигателей внутреннего сгорания), хотя на мощность и расход топлива влияет множество факторов, помимо рабочего объема двигателя.

Мощность

Двигатели внутреннего сгорания можно характеризовать удельной мощностью, которая обычно указывается в киловаттах на литр рабочего объема (в США также в лошадиных силах на кубический дюйм). Этот показатель дает приблизительное представление о максимальной мощности двигателя. Его не следует путать с топливной экономичностью, поскольку высокая экономичность часто требует обедненной топливно-воздушной смеси, а следовательно, меньшей удельной мощности. Современный высокопроизводительный автомобильный двигатель развивает мощность более 75 кВт/л (1,65 л.с./дюйм³).

Другие современные типы с не внутренним сгоранием

Поршневые двигатели, работающие на сжатом воздухе, паре или других горячих газах, все еще используются в некоторых областях, например, для привода многих современных торпед или в качестве экологически чистого привода. В большинстве паровых установок используются паровые турбины, которые более эффективны, чем поршневые двигатели. Французские транспортные средства FlowAIR используют сжатый воздух, хранящийся в баллоне, для привода поршневого двигателя в экологически чистом городском транспорте. Торпеды могут использовать рабочий газ, получаемый из высококонцентрированной перекиси водорода или топлива Otto II, который создает давление без сгорания. Например, торпеда Mark 46 может двигаться под водой, работая на топливе Otto без окислителя.

Квантовый тепловой двигатель

Квантовые тепловые двигатели — это устройства, которые вырабатывают мощность за счет тепла, перетекающего из горячего резервуара в холодный. Механизм работы такого двигателя описывается законами квантовой механики. Квантовые холодильники — это устройства, потребляющие мощность для перекачки тепла из холодного резервуара в горячий. В возвратно-движущемся квантовом тепловом двигателе рабочим телом является квантовая система, такая как система спинов или гармонический осциллятор. Наиболее изучены циклы Карно и Отто. Квантовые аналоги подчиняются законам термодинамики. Более того, эти модели могут обосновать предположения эндореверсивной термодинамики. Теоретическое исследование показало, что возможно и практически осуществимо создание возвратно-движущегося двигателя, состоящего из одного колеблющегося атома. Это перспективное направление для будущих исследований, которое может найти применение в нанотехнологиях.