Кривошипно-шатунный механизм. Геометрические параметры ПД

Как было сказано выше, поршень совершает возвратно-поступательные перемещения от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Коленчатый вал двигателя при этом вращается. Передача перемещения от поршня к коленчатому валу двигателя производится при помощи кривошипно-шатунного механизма. Т.е. можно сказать, что кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основные части кривошипно-шатунного механизма: поршень, шатун и кривошип (рис.1-6). Конструктивно кривошип выполнен как составная часть коленчатого вала.

Очевидно, что положения ВМТ и НМТ определяются длиной шатуна и радиусом кривошипа. Длина шатуна — это расстояние от оси поршневой (верхней) головки шатуна до оси кривошипной (нижней) головки шатуна. Обозначается длина шатуна буквой L. Радиус кривошипа — это расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки. Обозначается радиус кривошипа буквой R. Проходимое поршнем расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршням и обозначается буквой S. Ход поршня осуществляется за пол-оборота коленчатого вала, т.е. за 180°, и равен двум радиусам кривошипа: S = 2R.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение его внутреннего объема. При этом различают три характерных объема цилиндра: объем камеры сжатия, рабочий объем и полный объем.

Объем цилиндра над поршнем, когда последний находится в ВМТ, называется камерой сжатия или камерой сгорания и обозначается V_С.

Рис. 1-6. Кривошипно-шатунный механизм:

1— поршень; 2 — шатун; 3— коленчатый вал

Объем цилиндра, соответствующий ходу, поршня S, называется рабочим объемом. Он обозначается V_h.

Его можно определить, зная диаметр цилиндра D и ход поршня S:

Рабочий объем всех цилиндров двигателя носит название литража и равен:

где i— число, цилиндров двигателя.

Объем цилиндра, ограничиваемый поршнем при его положении в НМТ, называется, полным объемом цилиндра и обозначается V_а. Очевидно, что: V_a = V_c + V_h.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия и обозначается буквой ε, т. е.

Степень сжатия в авиационных поршневых двигателях лежит в пределах 5 ÷ 8.

Механический, тепловой и объемный КПД. Рабочие циклы.

Диаграмма идеального рабочего цикла поршневого двигателя

Рабочий цикл – это совокупность циклически повторяющихся термодинамических процессов в цилиндре поршневого двигателя. В ходе цикла изменяются параметры рабочего тела (воздуха). Цикл, как было сказано выше, включает в себя 4 такта, соответствующим 2 оборотам коленчатого вала. Рассмотрим, как изменяются параметры рабочего тела в цилиндре ПД за один цикл, и построим график зависимости давления в цилиндре (р) от его объема (V). В результате получим замкнутую кривую, которая называется индикаторной диаграммой двигателя.

Приведем условия, при которых рабочий цикл ПД считается идеальным:

— отвода тепла через стенки поршня и цилиндра не происходит;

— сопротивления перетеканию воздуха (газа) в каналах впуска и выпуска нет;

— давление воздуха в каналах впуска и выпуска равно атмосферному (р_о),

— давление воздуха во внутренних объемах двигателя равно атмосферному;

— клапаны открываются и закрываются в ВМТ и НМТ с бесконечно большой скоростью;

— ТВС в цилиндре сгорает с бесконечно большой скоростью.

1. Такт «впуск».

Клапан впуска открыт, клапан выпуска закрыт, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, рабочий объем цилиндра возрастает и заполняется топливовоздушной смесью. Так как клапан впуска открыт, давление в цилиндре постоянно и равно атмосферному. Такту впуска соответствует линия «ra» на графике (рис.1-7).

2. Такт «сжатие».

Оба клапана закрыты, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, происходит адиабатическое сжатие ТВС. Такту сжатия соответствует линия «aс» на графике (рис.1-7).

5. Такт «расширение».

Оба клапана закрыты, в ВМТ происходит подача напряжения на свечи и воспламенение ТВС, происходит резкий рост давления и температуры газа при постоянном объеме. Затем поршень под действием высокого давления газа перемещается от ВМТ к НМТ, передавая усилие на коленчатый вал двигателя. Такту расширения соответствуют две линии на графике: линия «сz» – горение ТВС, линия «zb» – адиабатическое расширение газа.

6. Такт «выпуск».

Клапан впуска закрыт, клапан выпуска открыт, поршень перемещается от НМТ к ВМТ, цилиндр освобождается от продуктов сгорания. Такту выпуска соответствуют две линии на графике: линия «ba» – падение давления в цилиндре после открытия выпускного клапана, линия «ar» – вытеснение продуктов сгорания при движении поршня. Так как при движении поршня клапан выпуска остается открытым давление в цилиндре равно атмосферному.

Рис.1-7. Индикаторная диаграмма идеального рабочего цикла поршневого двигателя

Тогда в целом для рабочего цикла можно сказать: работа расширения-сжатия газа в цилиндре ПД за один цикл будет равна сумме работ в каждом из тактов. Эта работа называется работой цикла.

Lц = Lвп + Lсж + Lрасш + Lвып,

Где Lц— работа цикла— работа, вырабатываемая одним цилиндром ПД за один цикл (4 такта);

Lвп— работа такта впуска — работа, затрачиваемая на перемещение поршня при заполнении цилиндра ТВС;

Lсж— работа такта сжатия— работа, затраченная на адиабатическое сжатие газа в цилиндре двигателя.

Lрасш— работа такта расширения— работа, производимая расширяющимся газом.

Lвып— работа такта выпуска — работа, затрачиваемая на перемещение поршня при удалении продуктов сгорания из цилиндра.

С учетом принятых допущений и рассмотренной выше схемы работы, можно сделать вывод, что работа в такте впуска и выпуска равны нулю. Это объясняется равенством давлений в камере сгорания и во внутреннем объеме двигателя, поэтому суммарная сила, действующая на поршень в тактах впуска и выпуска равна нулю, следовательно, равна нулю и работа на перемещение поршня (Lвп=0, Lвып=0).

Из анализа схемы работы ПД можно сказать, что работа расширения является положительной (Lрасш > 0) т.к. сгоревшие газы перемещают поршень и через шатун коленчатому валу придается вращательное движение. Работа сжатия отрицательна (Lсж <0) т.к. необходимо затратить работу на сжатие газа. Тогда, преобразовав формулу (4) с учетом знака работы для идеального цикла, можно записать:

Lц = Lрасш— Lсж

Как известно из термодинамики (см. приложение 1-2) работа расширения-сжатия газа эквивалентна площади фигуры, ограниченной графиком изменения параметров газа, построенного в координатах p-V, и линией обозначающей давление, действующее на поршень со стороны внутреннего объема двигателя. Поэтому работа расширения газа эквивалентна площади фигуры «rzba» (рис.1-7); работа сжатия — площади «rca». Откуда работа цикла эквивалентна площади «czba». Следовательно, можно сделать вывод: работа цикла поршневого двигателя эквивалентна площади внутри графика, построенного в р—V координатах.