double arrow

Принцип работы поршневого двигателя

Классификация авиационных поршневых двигателей.

Авиационные поршневые двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания. Это означает, что топливо в ПД сгорает внутри самого двигателя. Камера сгорания ПД ограничена внутренней поверхностью цилиндра и поршнем.

Существующие авиационные поршневые двигатели могут быть классифицированы по различным признакам:

1) В зависимости от применяемого топлива.

На летательных аппаратах возможно применении поршневых двигателей легкого и тяжелого топлива.

К двигателям легкого топлива относятся авиационные ПД, использующие в качестве топлива бензин. Это 4-хтактные двигатели, принцип работы которых будет рассмотрен ниже.

Двигатели тяжелого топлива работают на дизельном топливе (солярке). Эти двигатели называются «дизелями». Дизели не нашли широкого применения в качестве двигателей ЛА. Их главный недостаток: малая высотность и неудовлетворительные пусковые свойства. Ограниченно дизели конструкции А. Д. Чаромского М-40 и АЧ-30Б применялись на самолетах времен Великой отечественной войны Ер-2 и Пе-8.

В настоящее время все применяемые на ЛА ПД являются двигателями легкого топлива, т.е. в качестве топлива используют бензин.

2) По способу смесеобразования.

Различают двигатели с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с внутренним смесеобразованием (непосредственный впрыск топлива в цилиндры).

У двигателей с внешним смесеобразованием подготовка топливовоздушной смеси (ТВС) осуществляется в специальном агрегате — карбюраторе. Это обеспечивает качественную подготовку смеси, следовательно, ее полное сгорание и снижение потерь топлива. Недостатком карбюраторов является то что, они рассчитаны на работу при положительных перегрузках. Поэтому карбюраторные двигатели применяются на неманевренных самолетах (пассажирских, транспортных…) и вертолетах. Карбюраторным, например, является двигатель АШ-62ИР, устанавливаемый на самолете Ан-2.

Двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры широко применялись на самолетах-истребителях времен 2-й мировой войны. В настоящее время используются на спортивных самолетах.

3) В зависимости от расположения цилиндров.

Различают двигатели с рядным расположением цилиндров и (цилиндры располагаются в один и более рядов, один за другим) и звездообразные (цилиндры расположены по окружности).

У двигателей с рядным расположением цилиндры расположены компактно, что облегчает размещение такого двигателя на самолете. Кроме того, цилиндры можно расположить в 2, 3 или 4 ряда, что позволит получить большую мощность при незначительном увеличении габаритов двигателя. Недостатком рядного расположения цилиндров является сложность их охлаждения. Внешний вид 2-х рядного поршневого двигателя АМ-34 приведен на рис. 1-4.

У звездообразных двигателей цилиндры расположены по окружности в форме звезды. Причем, количество рядов (звезд) у одного двигателя может быть 1, 2 или 4. Недостатком такого расположения цилиндров является большие поперечные размеры двигателя, и, следовательно, и сложность компоновки на летательном аппарате.

Внешний вид однорядного звездообразного поршневого двигателя М-14 приведен на рис. 1-3.

4) В зависимости от способа охлаждения.

Различают двигатели жидкостного и воздушного охлаждения.

У двигателей жидкостного охлаждения цилиндры снаружи омываются жидкостью. Затем нагретая жидкость, проходя через специальный теплообменник (радиатор) отдает тепло атмосферному воздуху и снова возвращается к цилиндрам. Такие двигатели выполнены, как правило, с рядным расположением цилиндров, т.е. компактны и удобны для размещения на самолете. Однако они сложны конструктивно, так как на них должна быть специальная система охлаждения, обеспечивающая циркуляцию жидкости. Двигатели жидкостного охлаждения были распространены на самолетах времен 2-й мировой войны. Например, так были изготовлены все двигатели А.А.Микулина: М-34 (рис.1-2), М-35А, М-38Ф, АМ-42.

У двигателей воздушного охлаждения цилиндры охлаждаются при обдуве их воздухом. Цилиндры в таких двигателях расположены в струе воздуха, идущей от воздушного винта, и для улучшения охлаждения имеют оребрение. Так как необходимо обеспечить охлаждение всех цилиндров, каждый из них должен находиться в воздушной струе. Поэтому цилиндры располагаются по окружности (звездообразно), что приводит к значительному увеличению поперечных размеров двигателя.

Наибольшее распространение в настоящее время получили звездообразные двигатели с воздушным охлаждением. К ним относятся двигатели М-14 (рис.1-3) и АШ-62ИР.

Рис.1-2. Авиационный двигатель АМ-34

Рис.1-3. Авиационный двигатель М-14

5) В зависимости от характера изменения мощности при изменении высоты полета.

Авиационные ПД делятся на высотные и невысотные.

Высотные двигатели при увеличении высоты сохраняет свою мощность до достижения какой-то определенной высоты, называемой расчетной (Hрасч). При дальнейшем увеличении высоты (если Н>Hрасч) мощность у высотных двигателей снижается.

У невысотных двигателей мощность с увеличением высоты только снижается. На пассажирские и транспортные самолеты устанавливаются высотные двигатели. Например, высотным является двигатель АШ-62ИР.

Поршневой двигатель работает на принципе преобразования тепловой энергии в механическую. Рассмотрим, как практически осуществляется этот принцип (рис. 1-4). Через трубопровод 4 подается топливовоздушная смесь (ТВС) по стрелке "А". К моменту подачи топлива в камеру сгорания 6 открывается впускной клапан 5. После заполнения камеры сгорания впускной клапан закрывается и к свече 8 подается высокое электрическое напряжение. В свече возникает электрическая искра, которая поджигает ТВС. Топливовоздушная смесь, быстро сгорая, расширяется, в камере сгорания возникает значительное давление сгоревших газов. Это давление, действуя на поршень 3, заставляет его двигаться вниз в цилиндре 2 и через шатун 9 движение передается коленчатому валу 10, который вращается по стрелке "В". Коленчатый вал, вращаясь, перемещает поршень вверх и через открытый выпускной клапан 7 продукты сгорания удаляются из двигателя в атмосферу (по стрелке "Б"). Коленчатый вал вращается в корпусе 1, который носит название картера. К передней части коленчатого вала может быть присоединен редуктор, вращение которого передается воздушному винту самолета.

Рассмотрим подробно схему работы четырехтактного поршневого двигателя, применяющегося сегодня в авиационном двигателестроении.

В четырехтактном поршневом двигателе внутреннего сгорания чередующиеся процессы преобразования тепловой энергии в механическую осуществляются в следующем порядке (рис. 1-5):

— поступление ТВС в камеру сгорания — впуск (первый такт);

— сжатие поступившей смеси (второй такт);

— расширение после сгорания смеси (третий такт);

— выпуск сгоревших газов (четвертый такт).

В начале такта впуска поршень 1 находится в верхнем положении. На рис. 1-3 это положение отмечено линией с обозначением ВМТ (верхняя мертвая точка). Нижнее положение поршня отмечено линией НМТ — нижняя мертвая точка. Таким образом, поршень во всех тактах перемещается от ВМТ к НМТ.

В первом такте (впуск) поршень, двигаясь вниз, при открытом впускном клапане 4 дает возможность смеси заполнить цилиндр 6. В процессе впуска цилиндр заполняется свежей ТВС. Чем больше попадет смеси в цилиндр к моменту закрытия впускного клапана, тем большую мощность может развивать двигатель.

Во втором такте (сжатие) коленчатый вал 3 через шатун 2 передает движение поршню 1, и он перемещается вверх, сжимая поступившую в цилиндр горючую смесь. В этот момент впускной клапан закрыт. Сжатие горючей смеси производится для того, чтобы обеспечить высокое давление. При большем давлении в процессе расширения будет выполнена большая работа.

В третьем такте (расширение) при закрытых клапанах впуска и выпуска в верхнюю часть цилиндра, в пространство над поршнем, находящимся в ВМТ, подается искра, от которой зажигается ТВС.

Сгорание начинается в конце такта сжатия. Сгорание топлива, входящего в топливовоздушную смесь, — химический процесс окисления углерода и водорода кислородом воздуха. В результате при полном сгорании образуются углекислый газ СО и вода Н2О. При неполном сгорании к ним добавляется окись углерода СО.

Рис.1-4. Принципиальная схема поршневого двигателя:

1— картер; 2— цилиндр; 3— поршень; 4— трубопровод подачи ТВС; 5— впускной клапан; 6— камера сгорания; 7— выпускной клапан; 8— свеча; 9— шатун; 10— коленчатый вал

Рис. 1-5. Схема работы четырехтактного поршневого двигателя:

1— поршень; 2— шатун; 3— коленчатый вал; 4— впускной клапан; 5— выпускной клапан; 6— цилиндр

Быстро расширяясь, сгоревшие газы толкают поршень вниз. Через шатун коленчатому валу придается вращательное движение. Поршень опускается до НМТ. Процесс расширения — основной процесс, так как именно здесь совершается работа по преобразованию тепла в механическую работу.

В четвертом такте (выпуск) поршень из НМТ поднимается, выталкивая сгоревшие газы через открытый клапан выпуска 5. Процесс выпуска заканчивается в момент закрытия выпускного клапана.

Все четыре такта в четырехтактном поршневом двигателе совершаются за два оборота коленчатого вала. Все процессы, происходящие в цилиндре двигателя, выполняются за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и называются циклом двигателя. Цикл двигателя начинается с первого такта и заканчивается четвертым. Затем весь процесс снова повторяется, наступает следующий цикл. Поршневые двигатели, имеющие такой цикл, называются четырехтактными.

В описанной выше схеме на рис. 1-2 и 1-3 показан ПД с одним цилиндром. Из приведенного описания следует, что тепловая энергия сгоревшей смеси превращается в механическую работу только в третьем такте (расширение). Вот почему в одноцилиндровом двигателе вращение коленчатого вала не может быть равномерным, да и мощность один цилиндр выдает весьма малую. Поэтому поршневые двигатели делают многоцилиндровыми.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: