Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Компоненты типичного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
  1. C. коленчатый вал
  2. E. Распредвал выпускных клапанов
  3. I. Впускной распределительный вал
  4. П. Поршень
  5. R. Шатун
  6. S. Свеча зажигания
  7. W. Водяная рубашка для потока охлаждающей жидкости
  8. V. Клапаны

Поршневой двигатель , также часто известный как поршневой двигатель , обычно представляет собой тепловой двигатель (хотя есть также пневматические и гидравлические поршневые двигатели) , которые использует один или несколько возвратно - поступательное движение поршней для преобразования давления в вращательное движение . В этой статье описаны общие черты всех типов. Основными типами являются: двигатель внутреннего сгорания , широко используемый в автомобилях; паровой двигатель , опора промышленной революции ; и нишевое применение двигателя Стирлинга. Двигатели внутреннего сгорания далее классифицируются по двум направлениям: либо двигатель с искровым зажиганием (SI) , где свеча зажигания инициирует сгорание; или двигатель с воспламенением от сжатия (CI) , где воздух внутри цилиндра сжимается, таким образом нагревая его , так что нагретый воздух воспламеняет топливо, которое впрыскивается тогда или раньше . [1]

Общие черты всех типов [ править ]

Изображение поршневого двигателя с трассировкой лучей

Может быть один или несколько поршней. Каждый поршень находится внутри цилиндра , в который газ вводится либо уже под давлением (например, паровой двигатель ), либо нагревается внутри цилиндра либо за счет воспламенения топливно-воздушной смеси ( двигатель внутреннего сгорания ), либо за счет контакта с горячим теплообменником. в цилиндре ( двигатель Стирлинга ). Горячие газы расширяются, толкая поршень ко дну цилиндра. Это положение также известно как нижняя мертвая точка (НМТ), или когда поршень образует наибольший объем в цилиндре. Поршень возвращается в цилиндре сверху ( верхняя мертвая точка ) (ВМТ) с помощью маховика, мощность от других поршней, подключенных к тому же валу или (в цилиндре двойного действия ) с помощью того же процесса, действующего на другой стороне поршня. Именно здесь поршень образует наименьший объем цилиндра. В большинстве типов расширенные или « отработанные » газы удаляются из цилиндра этим ходом . Исключение составляет двигатель Стирлинга , который многократно нагревает и охлаждает одно и то же количество газа в закрытом состоянии. Ход - это просто расстояние между ВМТ и НМТ, или наибольшее расстояние, которое поршень может пройти в одном направлении.

В некоторых конструкциях поршень может приводиться в действие в обоих направлениях в цилиндре, и в этом случае говорят, что он имеет двойное действие .

Паровой поршневой двигатель
Обозначенная схематическая диаграмма типичного одноцилиндрового парового двигателя простого расширения двойного действия высокого давления. Отбор мощности от двигателя осуществляется ремнем.
  1. Поршень
  2. Шток поршня
  3. Подшипник крейцкопфа
  4. Шатун
  5. Кривошип
  6. Эксцентриковое движение клапана
  7. Маховик
  8. Скользящий клапан
  9. Центробежный регулятор

В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение через шатун и коленчатый вал, либо с помощью наклонной шайбы, либо другого подходящего механизма. Маховик часто используются , чтобы обеспечить плавное вращение или для хранения энергии , чтобы нести двигатель через незапитанную часть цикла. Как правило, чем больше цилиндров имеет поршневой двигатель, тем без вибрации (плавность) он может работать. Мощность поршневого двигателя пропорциональна объему комбинированного рабочего объема поршней.

Между скользящим поршнем и стенками цилиндра должно быть сделано уплотнение, чтобы газ под высоким давлением над поршнем не просачивался мимо него и не снижал эффективность двигателя. Это уплотнение обычно обеспечивается одним или несколькими поршневыми кольцами . Это кольца из твердого металла, которые подпружинены в кольцевой канавке в головке поршня. Кольца плотно входят в канавку и слегка прижимаются к стенке цилиндра, образуя уплотнение, и более сильно, когда более высокое давление сгорания перемещается к их внутренним поверхностям.

Обычно такие двигатели классифицируют по количеству и расположению цилиндров, а также по общему объему вытеснения газа поршнями, движущимися в цилиндрах, обычно измеряется в кубических сантиметрах (см3 или куб.см), литрах (л) или (л) (США: литр). 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, а локомотивы , а корабли могут иметь дюжину цилиндров или больше. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см³ и менее в модельных двигателях до тысяч литров в двигателях судов. [2]

Степень сжатия влияет на производительность в большинстве типов поршневых двигателей. Это соотношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объемом, когда поршень находится в верхней части своего хода.

Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня - это отношение диаметра поршня, или «отверстия», к длине хода внутри цилиндра, или «ходу». Если это около 1, двигатель называется «квадратным», если он больше 1, т. Е. Диаметр цилиндра больше, чем ход поршня, он считается «квадратным». Если он меньше 1, т. Е. Ход больше диаметра отверстия, это "под квадрат".

Цилиндры могут быть выровнены в линию , V-образную конфигурацию , горизонтально друг напротив друга или радиально вокруг коленчатого вала. В двигателях с оппозитными поршнями два поршня работают на противоположных концах одного цилиндра, и это было расширено до треугольных механизмов, таких как Napier Deltic . В некоторых конструкциях цилиндры приводятся в движение вокруг вала, например, роторный двигатель .

Поршневой двигатель Стирлинга Ромбический привод - Бета-конструкция двигателя Стирлинга, показывающая второй поршень буйка (зеленый) внутри цилиндра, который направляет рабочий газ между горячим и холодным концом, но сам не производит энергии.
  1.   Стенка горячего цилиндра
  2.   Стенка холодного цилиндра
  1.   Поршень буйка
  2.   Силовой поршень
  3.   Маховики

В паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания клапаны необходимы для обеспечения входа и выхода газов в правильные моменты цикла поршня. Они приводятся в действие кулачками, эксцентриками или кривошипами, приводимыми в движение валом двигателя. В ранних конструкциях использовался золотниковый клапан D, но его в значительной степени вытеснили поршневые или тарельчатые клапаны . В паровых двигателях точка поршневого цикла, в которой закрывается впускной паровой клапан, называется отсечкой, и ею часто можно управлять, чтобы регулировать крутящий момент, создаваемый двигателем, и повышать эффективность. В некоторых паровых машинах действие клапанов можно заменить колеблющимся цилиндром .

Двигатели внутреннего сгорания работают через последовательность тактов, которые впускают и удаляют газы в цилиндр и из него. Эти операции повторяются циклически, и двигатель называется 2-тактным , 4-тактным или 6-тактным в зависимости от количества тактов, необходимых для завершения цикла.

В некоторых паровых двигателях цилиндры могут иметь различный размер, при этом цилиндр с наименьшим внутренним диаметром работает с паром самого высокого давления. Затем он последовательно подается через один или несколько цилиндров с увеличивающимся диаметром цилиндра для извлечения энергии из пара при все более низком давлении. Эти двигатели называются составными двигателями .

Помимо мощности, которую может производить двигатель, среднее эффективное давление (MEP) также можно использовать для сравнения выходной мощности и производительности поршневых двигателей того же размера. Среднее эффективное давление - это фиктивное давление, которое будет производить такое же количество чистой работы, которое было произведено во время цикла рабочего хода. Об этом свидетельствуют:

W net = MEP × Площадь поршня × Ход = MEP × Рабочий объем

и поэтому:

MEP = Вт нетто / Рабочий объем

Какой бы двигатель с большим значением MEP не производил больше чистой работы за цикл и работал более эффективно. [1]

История [ править ]

Дополнительная информация: История парового двигателя и История двигателя внутреннего сгорания.

Ранний известный пример вращательного движения к возвратно-поступательному - кривошипно-шатунный механизм. Первые кривошипы с ручным приводом появились в Китае во времена династии Хань (202 г. до н.э. - 220 г. н.э.). [3] Китайцы использовали кривошипно-шатунную тягу для работы квернов еще во времена династии Западная Хань (202 г. до н.э. - 9 г. н.э.). В конце концов, кривошипно-шатуны были использованы для взаимного преобразования вращательного и возвратно-поступательного движения для других приложений, таких как просеивание муки, намоточные машины, прялки с педалями и сильфоны печи, приводимые в движение лошадьми или водяными колесами. [4] [3] Несколько лесопильных заводов в Римской Азии и Византийской Сирии.в течение 3-го 6 - й вв имели кривошип и шатун соединительный механизм , который преобразуется вращательным движением водяного колеса в линейное перемещение пильных дисков. [5] В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел коленчатый вал . [6]

Поршневой двигатель был разработан в Европе в 18 веке, сначала как атмосферный двигатель, а затем как паровой . Они были затем двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания , в 19 - м веке. Сегодня наиболее распространенной формой поршневого двигателя является двигатель внутреннего сгорания, работающий на сгорании бензина , дизельного топлива , сжиженного нефтяного газа (LPG) или сжатого природного газа (CNG) и используемый для питания автомобилей и силовых установок .

Одним из примечательных поршневых двигателей времен Второй мировой войны был 28-цилиндровый радиальный двигатель Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major мощностью 3500  л.с. (2600 кВт) . На нем устанавливалось последнее поколение больших самолетов с поршневыми двигателями, до того как с 1944 года на смену им пришли реактивные двигатели и турбовинтовые самолеты. Он имел общий объем двигателя 71,5 л (4360 куб. Дюймов) и высокое соотношение мощности к массе.

Самый крупный поршневой двигатель, производимый в настоящее время, но не самый большой из когда-либо построенных, - это двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом RTA96-C с турбонаддувом 2006 года выпуска, построенный Wärtsilä . Он используется для питания крупнейших современных контейнеровозов, таких как Emma Mærsk . Его высота составляет пять этажей (13,5 м или 44 фута), длина 27 м (89 футов), а его масса составляет более 2300 метрических тонн (2500 коротких тонн) в самой большой версии с 14 цилиндрами и мощностью более 84,42 МВт (114800 л.с.). Каждый цилиндр имеет объем 1820 л (64 куб. Футов), что составляет 25 480 л (900 куб. Футов) для самых больших версий.

Объем двигателя [ править ]

Для поршневых двигателей мощность двигателя - это рабочий объем двигателя , другими словами, объем, охватываемый всеми поршнями двигателя за одно движение. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (cid, cu in или in³) для более крупных двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно cc) для двигателей меньшего размера. При прочих равных, двигатели с большей мощностью являются более мощными, и соответственно увеличивается расход топлива (хотя это верно не для каждого поршневого двигателя), хотя на мощность и расход топлива влияют многие факторы, помимо рабочего объема двигателя.

Мощность [ править ]

Поршневые двигатели могут быть охарактеризованы их удельной мощностью , которая обычно выражается в киловаттах на литр рабочего объема двигателя (в США также лошадиные силы на кубический дюйм). Результат дает приблизительное значение максимальной выходной мощности двигателя. Это не следует путать с топливной экономичностью , поскольку для высокой эффективности часто требуется обедненное соотношение топлива и воздуха и, следовательно, более низкая удельная мощность. Двигатель современного высокопроизводительного автомобиля вырабатывает более 75 кВт / л (1,65 л.с. / дюйм 3 ).

Другие современные типы без внутреннего сгорания [ править ]

Поршневые двигатели, приводимые в действие сжатым воздухом, паром или другими горячими газами, все еще используются в некоторых приложениях, например, для привода многих современных торпед или в качестве экологически чистой движущей силы. В большинстве систем с паровым приводом используются паровые турбины , которые более эффективны, чем поршневые двигатели.

В автомобилях FlowAIR французской разработки используется сжатый воздух, хранящийся в цилиндре, для приведения в действие поршневого двигателя городского транспортного средства, не загрязняющего окружающую среду. [7]

Торпеды могут использовать рабочий газ, произведенный перекисью с высоким содержанием перекиси водорода или топливом Отто II , который создает давление без сгорания. Торпеда Mark 46 весом 230 кг (510 фунтов) , например, может проехать 11 км (6,8 мили) под водой со скоростью 74 км / ч (46 миль / ч), заправленная топливом Otto без окислителя .

Возвратно-поступательный квантовый тепловой двигатель [ править ]

Квантовые тепловые двигатели - это устройства, вырабатывающие энергию из тепла, которое течет из горячего резервуара в холодный. Механизм работы двигателя можно описать законами квантовой механики . Квантовые холодильники - это устройства, которые потребляют электроэнергию с целью перекачки тепла из холодного резервуара в горячий.

В возвратно-поступательном квантовом тепловом двигателе рабочим телом является квантовая система, такая как спиновые системы или гармонический осциллятор. Цикл Карно и циклом Отто являются те , наиболее изученными. [8] Квантовые версии подчиняются законам термодинамики . Кроме того, эти модели могут подтвердить предположения необратимой термодинамики . Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить поршневой двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область будущих исследований, которая может найти применение в нанотехнологиях . [9]

Разные двигатели [ править ]

Существует большое количество необычных разновидностей поршневых двигателей, которые имеют различные заявленные преимущества, многие из которых практически не используются в настоящее время:

  • Свободнопоршневой двигатель
  • Оппозитно-поршневой двигатель
  • Качающийся поршневой двигатель
  • Двигатель IRIS
  • Двигатель Бурка
  • Термомагнитный двигатель

См. Также [ править ]

  • Тепловой двигатель для изучения термодинамики этих двигателей.
  • Для контрастного подхода без использования поршней см. Бесшумный роторный двигатель .
  • Для исторической перспективы см. Хронологию технологии тепловых двигателей .
  • Паровой двигатель
    • Паровоз
  • двигатель Стирлинга
  • Двигатель внутреннего сгорания
    • Цикл Отто
    • Дизельный цикл
    • Конфигурация двигателя для обсуждения компоновки основных компонентов поршневого двигателя внутреннего сгорания.
    • Дизель
    • Бензиновый двигатель

Примечания [ править ]

  1. ^ a b Термодинамика: инженерный подход Юнуса А. Ценгала и Майкла А. Болеса
  2. ^ Хэнлон, Майк. Самый мощный дизельный двигатель в мире GizMag . Доступ: 14 апреля 2017 г.
  3. ^ a b Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 2, Машиностроение. Тайбэй: Caves Books, Ltd. Страницы 118–119.
  4. Перейти ↑ Hong-Sen Yan, Marco Ceccarelli (2009). Международный симпозиум по истории машин и механизмов . Springer Science and Business Media. п. 235–249. ISBN 978-1-4020-9484-2.
  5. ^ Ритти, Туллия; Греве, Клаус; Kessener, Павел (2007), «А Рельеф водяного камень пилораму на саркофаге в Иераполисе и его последствия», журнал римской археологии , 20 : 138-163, DOI : 10,1017 / S1047759400005341
  6. ^ Салли Ганчи, Сара Ганчер (2009), Ислам и наука, медицина и технологии , издательская группа Розена, стр. 41 , ISBN 978-1-4358-5066-8
  7. ^ AIRPod производства MDI SA. Доступ 19 февраля 2015 г.
  8. ^ [1] Необратимая работа квантовой гармонической тепловой машины, Резек и Кослофф, New J. Phys. 8 (2006) 83
  9. ^ Можно ли построить автомобильный двигатель из одной частицы? Physorg, 30 ноября 2012 г. Автор: Лиза Зига. Доступ 01-12-12

Внешние ссылки [ править ]

  • Видео о сгорании - сгорание в цилиндре в оптически доступном двухтактном двигателе
  • HowStuffWorks: Как работают автомобильные двигатели
  • Поршневые двигатели в Infoplease.
  • Поршневые двигатели на праздновании столетия летной комиссии США.