Поршневой двигатель , также часто называемый поршневым двигателем , обычно является тепловым двигателем , который использует один или несколько возвратно-поступательных поршней для преобразования высокой температуры и высокого давления во вращательное движение . [1] В этой статье описываются 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 двумя способами: либо двигатель с искровым зажиганием (SI) , где свеча зажигания инициирует сгорание; либо двигатель с компрессионным воспламенением (CI) , где воздух внутри цилиндра сжимается, тем самым нагревая его , так что нагретый воздух воспламеняет топливо, которое впрыскивается тогда или раньше . [2] [3] [4] [5] [6]
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 где поршень образует наибольший объем в цилиндре. Поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра (верхнюю мертвую точку) (ВМТ) маховиком , мощность от других поршней, соединенных с тем же валом или (в цилиндре двойного действия ) тем же процессом, действующим на другую сторону поршня. Это место, где поршень образует наименьший объем в цилиндре. В большинстве типов расширенные или « выхлопные » газы удаляются из цилиндра этим ходом . Исключением является двигатель Стирлинга , который многократно нагревает и охлаждает одно и то же герметичное количество газа. Ход поршня — это расстояние между ВМТ и НМТ, или наибольшее расстояние, которое поршень может пройти в одном направлении.
В некоторых конструкциях поршень может перемещаться в цилиндре в обоих направлениях, в этом случае говорят о двойном действии .
В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение через шатун и коленчатый вал или наклонную шайбу или другой подходящий механизм. Маховик часто используется для обеспечения плавного вращения или для хранения энергии, необходимой для перемещения двигателя через нерабочую часть цикла. Чем больше цилиндров имеет поршневой двигатель, тем более безвибрационно (плавно) он может работать. Мощность поршневого двигателя пропорциональна объему совокупного рабочего объема поршней.
Между скользящим поршнем и стенками цилиндра должно быть сделано уплотнение , чтобы газ высокого давления над поршнем не просачивался мимо него и не снижал эффективность двигателя. Это уплотнение обычно обеспечивается одним или несколькими поршневыми кольцами . Это кольца, изготовленные из твердого металла, и они вставлены в круглую канавку 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.
Обычно такие двигатели классифицируют по количеству и расположению цилиндров и 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, а локомотивы и корабли могут иметь дюжину цилиндров или больше. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см 3 или менее в модельных двигателях до тысяч литров в судовых двигателях. [7]
Степень сжатия влияет на производительность большинства типов поршневых двигателей. Это соотношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней точке своего хода, и объемом, когда поршень находится в верхней точке своего хода.
Соотношение диаметра поршня к ходу поршня — это отношение диаметра поршня, или «отверстия», к длине хода внутри цилиндра, или «ходу поршня». Если это отношение около 1, двигатель называется «квадратным». Если это отношение больше 1, т. е. диаметр поршня больше хода поршня, он называется «сверхквадратным». Если это отношение меньше 1, т. е. диаметр поршня больше хода поршня, он называется «недоквадратным».
Цилиндры могут быть выровнены в линию , в конфигурации V , горизонтально друг напротив друга или радиально вокруг коленчатого вала. Двигатели с оппозитными поршнями размещают два поршня, работающих на противоположных концах одного и того же цилиндра, и это было расширено до треугольных конфигураций, таких как Napier Deltic . Некоторые конструкции приводят цилиндры в движение вокруг вала, например, роторный двигатель .
В некоторых паровых двигателях цилиндры могут быть разного размера, при этом цилиндр с наименьшим диаметром цилиндра вырабатывает пар с самым высоким давлением. Затем он последовательно подается через один или несколько цилиндров с все большим диаметром цилиндра, чтобы извлечь энергию из пара при все более низком давлении. Такие двигатели называются составными двигателями .
Помимо рассмотрения мощности, которую может производить двигатель, среднее эффективное давление (MEP) также может использоваться для сравнения выходной мощности и производительности поршневых двигателей того же размера. Среднее эффективное давление — это фиктивное давление, которое производило бы то же количество чистой работы, что было произведено во время цикла рабочего хода. Это показано следующим образом:
где - общая площадь поршня двигателя, - длина хода поршней, - общий рабочий объем двигателя. Следовательно:
Двигатель с большим значением MEP производит больше полезной работы за цикл и работает эффективнее. [2]
В паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания клапаны требуются для обеспечения входа и выхода газов в правильное время в цикле поршня. Они приводятся в действие кулачками, эксцентриками или кривошипами, приводимыми в движение валом двигателя. Ранние конструкции использовали золотниковый клапан D , но он был в значительной степени вытеснен конструкциями поршневого клапана или тарельчатого клапана . В паровых двигателях точка в цикле поршня, 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 двигателях действие клапанов может быть заменено качающимся цилиндром .
Двигатели внутреннего сгорания работают посредством последовательности тактов, которые впускают и выводят газы из цилиндра. Эти операции повторяются циклически, и двигатель называется 2-тактным , 4-тактным или 6-тактным в зависимости от количества тактов, необходимых для завершения цикла.
Наиболее распространенным типом является 4-тактный, имеющий следующие циклы.
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 (LPG) или сжатого природного газа (CNG) и используемый для питания транспортных средств и 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 устанавливался на последнее поколение больших поршневых самолетов, прежде чем с 1944 года на смену им пришли реактивные и турбовинтовые двигатели. Он имел общий рабочий объем двигателя 71,5 л (4360 куб. дюймов) и высокую удельную мощность .
Самый большой поршневой двигатель, который производится в настоящее время, но не самый большой из когда-либо построенных, — это двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, построенный в 2006 году компанией Wärtsilä . Он используется для питания крупнейших современных контейнеровозов, таких как Emma Mærsk . Он имеет высоту в 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, производя более 84,42 МВт (114 800 л. с.). Каждый цилиндр имеет емкость 1820 л (64 куб. фута), что дает общую емкость 25 480 л (900 куб. футов) для самых больших версий.
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 in 3 ) для более крупных двигателей и кубических сантиметрах (сокращенно cc) для меньших двигателей. При прочих равных условиях двигатели с большей мощностью более мощные, и расход топлива соответственно увеличивается (хотя это не относится ко всем поршневым двигателям), хотя на мощность и расход топлива влияют многие факторы, помимо рабочего объема двигателя.
Поршневые двигатели можно охарактеризовать по их удельной мощности , которая обычно указывается 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 эффективностью , поскольку высокая эффективность часто требует обедненного соотношения топлива и воздуха и, следовательно, более низкой плотности мощности. Современный высокопроизводительный автомобильный двигатель выдает более 75 кВт/л (1,65 л.с./дюйм 3 ).
Поршневые двигатели, работающие на сжатом воздухе, паре или других горячих газах, все еще используются в некоторых приложениях, например, для приведения в действие многих современных торпед или в качестве экологически чистой движущей силы. Большинство приложений с паровым приводом используют паровые турбины , которые более эффективны, чем поршневые двигатели.
Разработанные во Франции транспортные средства FlowAIR используют сжатый воздух, хранящийся в баллоне, для приведения в действие поршневого двигателя в экологически чистом городском транспортном средстве. [8]
Торпеды могут использовать рабочий газ, произведенный высокотемпературным пероксидом или топливом Отто II , которые создают давление без сгорания. Например, 230-килограммовая (510 фунтов) торпеда Mark 46 может пройти 11 км (6,8 миль) под водой со скоростью 74 км/ч (46 миль/ч) при использовании топлива Отто без окислителя .
Квантовые тепловые двигатели — это устройства, которые вырабатывают электроэнергию 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 цикл Отто являются наиболее изученными. [9] Квантовые версии подчиняются законам термодинамики . Кроме того, эти модели могут обосновать предположения эндообратимой термодинамики . Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить возвратно-поступательный двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область для будущих исследований и может иметь применение в нанотехнологиях . [10]
Существует большое количество необычных разновидностей поршневых двигателей, которые обладают различными заявленными преимуществами, многие из которых в настоящее время практически не используются:
