Лекция №2. 20.02.08

§ 1.2. Конструкция и принцип работы поршневого двигателя.

В любом двигателе происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию путем сжигания топлива и реализации термодинамического цикла для получения работы за счет выделяющегося тепла. В реактивных двигателях, кроме того, полученная работа используется для создания тяги. Совокупность служащих для этого процессов называется рабочий процесс двигателя.

Переход тепловой энергии в механическую возможен только в процессе расширения термодинамического рабочего тела – газа. Поэтому в любом рабочем процессе сообщение тепла газу или воздуху (т. е. сжигание топлива) должно происходить при повышенном против внешнего давлении, причем после сообщения тепла газ должен расширяться.

С увеличением расширения газа после его нагрева возрастает и количество преобразованного в работу тепла, поэтому для получения высокой степени использования химической энергии топлива оказывается необходимым увеличивать располагаемый при расширении перепад давлений путем предварительного сжатия газа до сообщения ему тепла.

Таким образом, любой эффективный рабочий процесс должен включать три последовательно протекающих отдельных процесса:

1. сжатие воздуха,

2. сгорание топлива при постоянном или переменном давлении,

3. расширение продуктов сгорания.

Первым типом двигателя, позволившим получить достаточно легкую силовую установку, был поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший на бензине. Этот двигатель вместе с движителем – воздушным винтом – обеспечил создание первых пригодных для практического использования самолетов. В дальнейшем силовые установки с поршневым двигателем и винтом усовершенствовались и до середины 40-х годов успешно применялись на самолетах.

Принципиальная схема поршневого двигателя.

1 – воздушный винт 6 – коленчатый вал

2 – цилиндр 7 – карбюратор

3 – свеча зажигания 8 – впускной клапан

4 – поршень 9 – кулачки распределения

5 – шатун 10 – выпускной клапан

За один оборот коленчатого вала (6)связанный с ним шатуном (5) поршень (4) совершает в цилиндре (2) два хода между своими крайними положениями, т.е. между верхней и нижней мертвыми точками (диапазон хода поршня). Рабочий процесс двигателя протекает за четыре хода поршня и, следовательно, за два оборота вала.

1-й ход поршня. В течение первого хода поршня от ВМТ до НМТ впускной клапан (8) открыт кулачком (9) и через него цилиндр наполняется смесью бензина и воздуха, получаемой в карбюраторе (7).

2-й ход поршня. При втором (обратном) ходе поршня клапаны закрыты и заполнившая цилиндр смесь сжимается. За эти два хода поршня поданный в воздушный поток бензин почти полностью испаряется и в цилиндре образуется достаточно однородная смесь его паров с воздухом. В конце сжатия эта смесь с помощью свечи зажигания (3) поджигается электрической искрой.

3-й ход поршня. В результате происходящего при почти постоянном объеме сгорания повышение температуры обусловливает и соответствующее увеличение давления продуктов сгорания в начале следующего, третьего хода поршня, кинематически повторяющего первый. Дальнейшее движение поршня к НМТ сопровождается расширением газов, при котором сообщенное им тепло частично преобразуется в работу. Поскольку расширение газов происходит при более высоком давлении, чем сжатие смеси, то полученная работа превышает работу, затраченную на сжатие, и избыток работы (за вычетом ее потерь в двигателе) передается воздушному винту (1).

4-й ход поршня. Последний, четвертый, ход поршня происходит при открытом выпускном клапане (10) и движение поршня к ВМТ сопровождается вытеснением отработавших газов в атмосферу.

В наиболее общей форме можно считать, что мощность поршневого двигателя (а следовательно, и получаемая тяга R) определяется расходом потребляемого им топлива и достигаемой в нем степенью использования содержащейся в топливе химической энергии. Однако химическая энергия преобразуется в тепловую, следовательно для ее эффективного использования необходимо располагать достаточным для сжигания топлива количеством воздуха. Используемый для этого расход воздуха по объему в десятки тысяч раз превышает расход жидкого топлива, поэтому мощность двигателя в основном определяется тем расходом воздуха, который может быть в нем достигнут, тогда как подача топлива в любом количестве особых затруднений не вызывает.

Расход воздуха G_B [кг/с] через поршневой двигатель может быть выражен как:

,

где:

– число цилиндров;

– частота вращения коленчатого вала в минуту;

– объем, описанный поршнем за один ход: рабочий объем цилиндра;

– плотность воздуха, поступающего в цилиндры;

– коэффициент наполнения.

Коэффициент наполнения – это поправочный коэффициент, с помощью которого учитывается то обстоятельство, что вследствие гидравлических потерь, подогрева от стенок и других причин действительная масса воздуха, поступившего в цилиндр за один ход поршня, не равна произведению .

Таким образом, расход воздуха определяется:

· воздушным зарядом, заполняющим один цилиндр за один ход поршня ,

· числом служащих для заполнения цилиндра ходов поршня в секунду ,

· числом цилиндров в двигателе .

Из всех возможных путей получения большего расхода воздуха наибольший интерес представляют те из них, при которых обусловленное увеличением G_B повышение мощности происходило в большей степени, чем возрастал вес двигателя, т.е. при которых одновременно с ростом мощности снижался его удельный вес (в данном случае вес на единицу мощности).

Чрезмерное увеличение размеров цилиндра, т.е. рабочего объема , оказывалось невыгодным, так как происходящее при этом повышение силовых и тепловых нагрузок сильно утяжеляло конструкцию и требовало снижения п. В результате, несмотря на увеличение мощности, удельный вес двигателя сильно возрастал. Поэтому все двигатели имели диаметр цилиндра, не превышающий 160 мм.

Наибольший эффект от увеличения расхода воздуха G_B достигался при повышении п и путем предварительного сжатия поступающего в цилиндры воздуха с помощью специальных компрессоров. В этом случае мощность двигателя возрастала при одних и тех же i и , что приводило к существенному снижению удельного веса, так как сохранение надежности требовало незначительного утяжеления конструкции. Вначале некоторый положительный эффект давало увеличение i от 4¸6 до 12¸18, так как при этом общий вес остальных конструктивных элементов повышался незначительно.

Созданию более легких двигателей способствовала разработка более совершенных конструкций и способов производства, а также более прочных и более легких материалов (легированных сталей, легких сплавов и др.).

Данные мероприятия привели к резкому улучшению мощностных и весовых данных поршневых двигателей:

· мощность увеличилась от 40¸80 до 1500¸2000 кВт,

· удельный вес снизился от 4¸5 до 0,65¸0,80 кг/кВт,

· частота вращения коленчатого вала п возросла от 800¸1000 до 3000 об/мин и более,

· давление поступающего в цилиндры воздуха повысилось до 3×10⁵ Па.

Однако экономичность двигателей изменилась несильно, так как все располагаемые возможности использовались для повышения мощности и снижения удельного веса.

Начиная с 40-х годов, дальнейшее снижение удельного веса двигателей и силовых установок в целом встречало все более серьезные трудности. Длительное форсирование рабочего процесса (путем увеличения п и ) привело к тому, что возможности обеспечения надежности конструкции при все возрастающих силовых и тепловых нагрузках оказались исчерпанными. Дальнейшее форсирование давало некоторый выигрыш в мощности, но необходимое усиление конструкции приводило к сопоставимому увеличению веса.

Для удовлетворения требований к повышению мощности оказалось необходимым пойти на увеличение числа цилиндров i, которое к 50-м годам возросло до 28¸56. Это позволило поднять мощность до 4000 кВт, но без снижения удельного веса. Однако такое повышение мощности при примерно пропорциональном возрастании веса двигателя приводило лишь к созданию все более тяжелых и сложных силовых установок, которые сильно увеличивали размеры самолетов и не способствовали улучшению их летных характеристик.

Возникающие практически непреодолимые трудности были обусловлены принципиальными особенностями рабочего процесса поршневого двигателя, которые не позволяют иметь при относительно малом весе конструкции большие расходы воздуха, а следовательно, и мощности.

Принципиальные особенности рабочего процесса поршневого двигателя заключаются в следующем:

1. Поступление воздуха в цилиндры происходит периодически, лишь в течение примерно одного хода поршня из четырех, за которые протекает рабочий цикл, т.е. примерно в течение 1/4 всего времени работы двигателя.

2. Пульсирующий характер воздушного потока сильно ограничивает допустимую скорость, поскольку после поступления воздуха в цилиндры при остановке потока его кинетическая энергия почти полностью теряется.

3. Впуск воздуха через периодически поднимаемые клапаны крайне ограничивает возможные размеры проходных сечений по отношению к размерам всего двигателя.

4. Герметичность объема цилиндра достигается контактным (с помощью упругих колец) уплотнением зазора между поршнем и стенкой цилиндра. Боковая поверхность поршня тоже прижимается к стенке цилиндра значительными усилиями. Все это требует смазки и сильно ограничивает максимально допустимую скорость поршня, а следовательно, и частоту вращения коленчатого вала n.

5. Возвратно-поступательное движение поршня является источником появления больших сил инерции, что также ограничивает возможную n.

Особенностью поршневых двигателей является также то, что получаемые в результате сгорания высокие температуры (2500¸3000 К) и давления (80·10⁵¸100·10⁵ Па) газов требуют интенсивного охлаждения цилиндра и поршня. Необходимо охлаждать и циркулирующее смазочное масло, которое сильно нагревается в двигателе. Для передачи внешнему воздуху отводимого тепла необходимо применять специальные устройства (радиаторы, ребристые поверхности и др.), которые увеличивают вес, а главное, аэродинамическое сопротивление силовой установки, роль которого резко возрастает по мере повышения скорости полета.

Снижению удельного веса силовых установок препятствовало использование воздушного винта, так как с увеличением скорости полета и поглощаемой мощности обусловленное им утяжеление силовой установки становилось все более существенным.

Следовательно, силовые установки с поршневыми двигателями практически исчерпали свои возможности. Поэтому большую актуальность приобрела разработка принципиально новых установок с воздушно-реактивными двигателями (ВРД).