Поршневой двигатель , также часто известный как поршневой двигатель , обычно представляет собой тепловой двигатель , в котором используется один или несколько поршней , совершающих возвратно-поступательное движение , для преобразования высокой температуры и высокого давления во вращательное движение . В данной статье описаны общие черты всех типов. Основными типами являются: двигатель внутреннего сгорания , широко используемый в автомобилях ; паровой двигатель , оплот промышленной революции ; и двигатель Стирлинга для нишевых приложений. Двигатели внутреннего сгорания далее классифицируются по двум признакам: либо двигатель с искровым зажиганием (SI) , в котором свеча зажигания инициирует сгорание; или двигатель с воспламенением от сжатия (CI) , в котором воздух внутри цилиндра сжимается, нагревая его , так что нагретый воздух воспламеняет топливо, впрыскиваемое тогда или раньше . [1] [2] [3] [4] [5]
Может быть один или несколько поршней. Каждый поршень находится внутри цилиндра , в который вводится газ либо уже под давлением (например, паровой двигатель ), либо нагретый 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 к нижней части цилиндра. Это положение также известно как нижняя мертвая точка (НМТ), или положение, в котором поршень образует наибольший объем в цилиндре. Поршень возвращается в верхнюю мертвую точку цилиндра (ВМТ) с помощью маховика , мощность от других поршней, подключенных к тому же валу или (в цилиндре двойного действия ) посредством того же процесса, действующего на другую сторону поршня. . Здесь поршень образует наименьший объем в цилиндре. В большинстве типов расширенные или « выхлопные » газы удаляются из цилиндра посредством этого хода . Исключением является двигатель Стирлинга , который многократно нагревает и охлаждает одно и то же запечатанное количество газа. Ход — это просто расстояние между ВМТ и НМТ, или наибольшее расстояние, на которое поршень может пройти в одном направлении.
В некоторых конструкциях поршень может приводиться в движение в обоих направлениях в цилиндре, и в этом случае его называют двусторонним .
В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение посредством шатуна и коленчатого вала , автомата перекоса или другого подходящего механизма. Маховик часто используется для обеспечения плавного вращения или для накопления энергии, позволяющей двигателю проходить часть цикла без двигателя. Чем больше цилиндров имеет поршневой двигатель, тем более плавно (плавно) он может работать. Мощность поршневого двигателя пропорциональна объему суммарного рабочего объема поршней.
Между скользящим поршнем и стенками цилиндра необходимо установить уплотнение , чтобы газ высокого давления над поршнем не просачивался мимо него и не снижал КПД двигателя. Это уплотнение обычно обеспечивается одним или несколькими поршневыми кольцами . Это кольца из твердого металла, которые подпружинены в круглой канавке в головке поршня. Кольца плотно прилегают к канавке и слегка прижимаются к стенке цилиндра, образуя уплотнение, и сильнее, когда более высокое давление сгорания перемещается к их внутренним поверхностям.
Такие двигатели принято классифицировать по количеству и расположению цилиндров, а также по общему объему вытеснения газа поршнями, движущимися в цилиндрах, обычно измеряемому в кубических сантиметрах (см 3 или куб.см) или 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 цилиндров, а локомотивы и корабли могут иметь дюжину или более цилиндров. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см 3 и менее в модельных двигателях до тысяч литров в судовых двигателях. [6]
Степень сжатия влияет на производительность большинства 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.
Соотношение диаметра цилиндра и хода представляет собой отношение диаметра поршня, или «отверстия», к длине хода внутри цилиндра, или «ходу». Если это значение около 1, двигатель называется «квадратным». Если оно больше 1, т.е. отверстие больше, чем ход, то это «чрезмерно квадратный». Если оно меньше 1, т.е. ход больше диаметра отверстия, то это «недоквадрат».
Цилиндры могут быть расположены в ряд , в V-образной конфигурации , горизонтально напротив друг друга или радиально вокруг коленчатого вала. В двигателях с оппозитными поршнями два поршня работают на противоположных концах одного и того же цилиндра, и это было распространено на треугольные конструкции, такие как Napier Deltic . В некоторых конструкциях цилиндры приводятся в движение вокруг вала, например, в роторном двигателе .
В некоторых паровых двигателях цилиндры могут быть разного размера, при этом цилиндр наименьшего диаметра работает с паром под самым высоким давлением. Затем он последовательно подается через один или несколько цилиндров все большего диаметра, чтобы извлечь энергию из пара при все более низком давлении. Эти двигатели называются составными двигателями .
Помимо рассмотрения мощности, которую может производить двигатель, среднее эффективное давление (MEP) также можно использовать для сравнения выходной мощности и производительности поршневых двигателей одинакового размера. Среднее эффективное давление – это фиктивное давление, которое могло бы произвести тот же объем чистой работы, который был произведен во время цикла рабочего хода. Это показано:
где – общая площадь поршней двигателя, – длина хода поршней, – общий рабочий объем двигателя. Поэтому:
Какой бы двигатель ни имел большее значение MEP, он производит больше чистой работы за цикл и работает более эффективно. [1]
В паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания клапаны необходимы для обеспечения входа и выхода газов в нужные моменты цикла поршня. Они приводятся в действие кулачками, эксцентриками или кривошипами, приводимыми в движение валом двигателя. В ранних конструкциях использовался золотниковый клапан D , но он был в значительной степени заменен конструкциями поршневого клапана или тарельчатого клапана . В паровых двигателях точка поршневого цикла, в которой закрывается впускной клапан пара, называется отсечкой , и ее часто можно контролировать, чтобы регулировать крутящий момент , создаваемый двигателем, и повышать эффективность. В некоторых паровых машинах действие клапанов может быть заменено качающимся цилиндром .
Двигатели внутреннего сгорания работают посредством последовательности тактов, которые впускают и удаляют газы в цилиндр и из него. Эти операции повторяются циклически, и двигатель называют двухтактным , четырехтактным или шеститактным в зависимости от количества тактов, необходимых для завершения цикла.
Наиболее распространенным типом является 4-тактный двигатель, который имеет следующие циклы.
Ранним известным примером перехода от вращательного к возвратно-поступательному движению является кривошипно-шатунный механизм. Более ранние ручные шатуны появились в Китае во времена династии Хань (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.). [7] Китайцы использовали кривошип и шатун для работы с кернерами еще во времена династии Западная Хань (202 г. до н.э. – 9 г. н.э.). В конечном итоге кривошипно-шатунные стержни стали использоваться для взаимного преобразования вращательного и возвратно-поступательного движения для других применений, таких как просеивание муки, машины для намотки шелка, прялки с ножным приводом и сильфоны печей, приводимые в движение лошадьми или водяными колесами. [8] [7] Несколько лесопильных заводов в Римской Азии и Византийской Сирии в III–VI веках нашей эры имели кривошипно- шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение водяного колеса в линейное движение пильных полотен. [9] В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел коленчатый вал . [10]
Поршневой двигатель 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 поршневого двигателя является двигатель внутреннего сгорания, работающий на сгорании бензина , дизельного топлива , сжиженного нефтяного газа (СНГ) или сжатого природного газа (КПГ) и используемый для питания автомобилей и моторных электростанций .
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) . Он использовался в последнем поколении больших самолетов с поршневыми двигателями, прежде чем с 1944 года на смену пришли реактивные двигатели и турбовинтовые двигатели. Он имел общий объем двигателя 71,5 л (4360 куб. Дюймов) и высокую удельную мощность .
Самый большой поршневой двигатель, выпускаемый в настоящее время, но не самый большой из когда-либо построенных, - это двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом Wärtsilä-Sulzer RTA96-C 2006 года выпуска, построенный компанией Wärtsilä . Он используется для питания крупнейших современных контейнеровозов, таких как Emma Mærsk . Он имеет высоту пять этажей (13,5 м или 44 фута), длину 27 м (89 футов) и весит более 2300 метрических тонн (2500 коротких тонн) в своей самой большой 14-цилиндровой версии, производящей более 84,42 МВт (114 800 л.с.). Емкость каждого цилиндра составляет 1820 л (64 куб. футов), что составляет общую емкость 25 480 л (900 куб. футов) для самых больших версий.
Для поршневых двигателей мощность двигателя — это 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 3 ) для более крупных двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно cc) для двигателей меньшего размера. При прочих равных условиях двигатели большей мощности являются более мощными, и соответственно увеличивается расход топлива (хотя это справедливо не для каждого поршневого двигателя), хотя на мощность и расход топлива влияют многие факторы, не связанные с объемом двигателя.
Поршневые двигатели можно охарактеризовать по их удельной мощности , которая обычно выражается в киловаттах на литр рабочего объема двигателя (в США также в лошадиных силах на кубический дюйм). Результат дает приблизительное представление о пиковой выходной мощности двигателя. Это не следует путать с топливной экономичностью , поскольку высокая эффективность часто требует обедненной смеси топлива и воздуха и, следовательно, более низкой удельной мощности. Мощность современного высокопроизводительного автомобильного двигателя превышает 75 кВт/л (1,65 л.с./дюйм 3 ).
Поршневые двигатели, работающие на сжатом воздухе, паре или других горячих газах, до сих пор 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.
Разработанные во Франции автомобили FlowAIR используют сжатый воздух, хранящийся в цилиндре, для привода поршневого двигателя в экологически чистом городском транспортном средстве. [11]
В торпедах может использоваться рабочий газ, полученный из перекиси высокой пробы или топлива Отто II , давление которого повышается без сгорания. Например, торпеда Mark 46 массой 230 кг (510 фунтов) может преодолевать 11 км (6,8 миль) под водой со скоростью 74 км/ч (46 миль в час), питаясь топливом Отто без окислителя .
Квантовые тепловые двигатели — это устройства, которые генерируют энергию из тепла, которое перетекает из горячего резервуара в холодный. Механизм работы двигателя можно описать законами квантовой механики . Квантовые холодильники — это устройства, потребляющие 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 цикл Отто являются наиболее изученными. [12] Квантовые версии подчиняются законам термодинамики . Кроме того, эти модели могут обосновать предположения об эндообратимой термодинамике . Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить возвратно-поступательный двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область будущих исследований, и она может найти применение в нанотехнологиях . [13]
Существует большое количество необычных разновидностей поршневых двигателей, которые имеют различные заявленные преимущества, многие из которых в настоящее время практически не используются:
