Поршневой двигатель - Reciprocating engine

Поршневой двигатель внутреннего сгорания
Компоненты типового, четырехтактный цикл, поршневой двигатель внутреннего сгорания.
  1. С. Коленчатый вал
  2. E. Выхлоп распредвал
  3. I. Впускной распределительный вал
  4. П. Поршень
  5. Р. Шатун
  6. С. Свеча зажигания
  7. W. Водяная рубашка для потока охлаждающей жидкости
  8. В. Клапаны

А Поршневой двигатель, также часто называемый поршневой двигатель, обычно Тепловой двигатель (хотя есть и пневматический и гидравлический поршневые двигатели), который использует один или несколько возвратно-поступательный поршни преобразовать давление в вращательное движение. В этой статье описаны общие черты всех типов. Основные типы: двигатель внутреннего сгорания, широко используется в автомобилях; то паровой двигатель, основа Индустриальная революция; и нишевое приложение двигатель Стирлинга. Двигатели внутреннего сгорания далее классифицируются двумя способами: либо двигатель с искровым зажиганием (SI), где свеча зажигания инициирует горение; или двигатель с воспламенением от сжатия (CI), где воздух внутри цилиндра сжимается, таким образом нагревая его, так что нагретый воздух воспламеняет впрыскиваемое топливо тогда или же ранее.[1]

Общие черты всех типов

Изображение поршневого двигателя с трассировкой лучей

Может быть один или несколько поршней. Каждый поршень находится внутри цилиндр, в который вводится газ, либо уже находящийся под давлением (например, паровой двигатель ), либо нагревается внутри цилиндра за счет зажигание топливовоздушной смеси (двигатель внутреннего сгорания ) или при контакте с горячим теплообменником в цилиндре (двигатель Стирлинга ). Горячие газы расширяются, толкая поршень ко дну цилиндра. Это положение также известно как нижняя мертвая точка (НМТ), или когда поршень образует наибольший объем в цилиндре. Поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра (Верхняя мертвая точка ) (ВМТ) на маховик мощность от других поршней, подключенных к тому же валу или (в цилиндр двойного действия ) тем же самым процессом, действующим на другой стороне поршня. Именно здесь поршень образует наименьший объем цилиндра. В большинстве типов расширенный или "измученный "газы удаляются из цилиндра этим Инсульт. Исключение составляет двигатель Стирлинга, который многократно нагревает и охлаждает одно и то же количество газа. Ход - это просто расстояние между ВМТ и НМТ, или наибольшее расстояние, которое поршень может пройти в одном направлении.

В некоторых конструкциях поршень может приводиться в действие в обоих направлениях цилиндра, и в этом случае говорят, что он двойного действия.

Паровой поршневой двигатель
Помеченная схематическая диаграмма типичного одноцилиндрового парового двигателя простого расширения двойного действия высокого давления. Отбор мощности от двигателя осуществляется ремнем.
  1. Поршень
  2. Шток поршня
  3. Подшипник крейцкопфа
  4. Шатун
  5. Кривошип
  6. Эксцентриковое движение клапана
  7. Маховик
  8. Скользящий клапан
  9. Центробежный регулятор

В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение через шатун и коленчатый вал или автомат перекоса или другой подходящий механизм. А маховик часто используется для обеспечения плавного вращения или для накопления энергии, необходимой для прохождения двигателем части цикла без двигателя. Как правило, чем больше цилиндров имеет поршневой двигатель, тем без вибрации (плавность) он может работать. Мощность поршневого двигателя пропорциональна объему комбинированного рабочего объема поршней.

Между скользящими поршень и стены цилиндр чтобы газ под высоким давлением над поршнем не просачивался мимо него и не снижал эффективность двигателя. Это уплотнение обычно обеспечивается одним или несколькими поршневые кольца. Это кольца из твердого металла, которые подпружинены в кольцевой канавке в головке поршня. Кольца плотно входят в канавку и слегка прижимаются к стенке цилиндра, образуя уплотнение, и более сильно, когда более высокое давление сгорания перемещается к их внутренним поверхностям.

Такие двигатели принято классифицировать по количеству и расположению цилиндров, а также по общему объему смещение газа поршнями, движущимися в цилиндрах, обычно измеряемыми в кубических сантиметрах (см3 или куб. литры (л) или (л) (США: литр). Например, для двигателей внутреннего сгорания одно- и двухцилиндровые конструкции распространены в небольших транспортных средствах, таких как мотоциклы, пока автомобили обычно бывает от четырех до восьми, и локомотивы, и корабли может иметь дюжину цилиндров или больше. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см³ и менее в модельных двигателях до тысяч литров в двигателях судов.[2]

В коэффициент сжатия влияет на производительность в большинстве 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.

В отношение диаметр цилиндра / ход поршня представляет собой отношение диаметра поршня или «отверстия» к длине хода внутри цилиндра или «ходу». Если это около 1, двигатель называется «квадратным», если он больше 1, то есть диаметр цилиндра больше, чем ход поршня, он считается «квадратным». Если он меньше 1, т. Е. Ход больше диаметра отверстия, это "под квадрат".

Цилиндры могут быть выровнены в соответствии, в V-образная конфигурация, горизонтально напротив друг друга, или радиально вокруг коленвала. Двигатели с оппозитными поршнями поместите два поршня, работающие на противоположных концах одного и того же цилиндра, и это было расширено до треугольных конструкций, таких как Napier Deltic. В некоторых конструкциях цилиндры приводились в движение вокруг вала, например, Роторный двигатель.

Поршневой двигатель Стирлинга Ромбический привод - Бета-версия двигателя Стирлинга, показывающая второй поршень буйка (зеленый) внутри цилиндра, который направляет рабочий газ между горячим и холодным концом, но сам не производит энергии.
  1.   Стенка горячего цилиндра
  2.   Стенка холодного цилиндра
  1.   Поршень буйка
  2.   Силовой поршень
  3.   Маховики

В паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания клапаны необходимы для обеспечения входа и выхода газов в правильные моменты цикла поршня. Они приводятся в действие кулачками, эксцентриками или кривошипами, приводимыми в движение валом двигателя. Ранние проекты использовали Золотниковый клапан D но это было в значительной степени вытеснено Поршневой клапан или же Тарельчатый клапан конструкции. В паровых двигателях точка поршневого цикла, в которой закрывается впускной клапан пара, называется отрезать и этим часто можно управлять, чтобы настроить крутящий момент снабжается двигателем и повышает эффективность. В некоторых паровых машинах действие клапанов можно заменить на качающийся цилиндр.

Двигатели внутреннего сгорания работают через последовательность тактов, которые впускают и удаляют газы в цилиндр и из него. Эти операции повторяются циклически, и двигатель называется 2-тактный, 4-тактный или же 6-тактный в зависимости от количества движений, необходимых для завершения цикла.

В некоторых паровых двигателях цилиндры могут иметь различный размер, при этом цилиндр с наименьшим внутренним диаметром работает с паром самого высокого давления. Затем он последовательно подается через один или несколько цилиндров с увеличивающимся диаметром цилиндра для извлечения энергии из пара при все более низком давлении. Эти двигатели называются Составные двигатели.

Помимо 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 будет производить такое же количество чистой работы, которое было произведено во время цикла рабочего хода. Об этом свидетельствуют:

Wсеть = MEP × Площадь поршня × Ход = MEP × Рабочий объем

и поэтому:

MEP = Wсеть / Объем вытеснения

Какой бы двигатель с большим значением MEP не производил больше чистой работы за цикл и работал более эффективно.[1]

История

Дальнейшая информация: История паровой машины и История двигателя внутреннего сгорания

Одним из первых известных примеров преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение является заводить механизм. Самые ранние ручные кривошипы появились в Китай вовремя династия Хан (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.).[3] Китайцы использовали кривошипно-шатунную тягу для работы квернов еще во времена династии Западная Хань (202 г. до н.э. - 9 г. н.э.). В конце концов, кривошипно-шатуны были использованы для взаимного преобразования вращательного и возвратно-поступательного движения для других приложений, таких как просеивание муки, намоточные машины, прялки с педалями и сильфоны печи, приводимые в движение лошадьми или водяными колесами. [4][3] Несколько пилорамы в Римская Азия и Византийская Сирия в течение 3–6 веков нашей эры были кривошип и шатун механизм, который преобразовал вращательное движение водяное колесо в поступательное движение пильных полотен.[5] В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел коленчатый вал.[6]

Поршневой двигатель, разработанный в Европе в 18 веке, сначала как атмосферный двигатель затем позже, 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 бензин, дизель, Сжиженный газ (LPG) или сжатый природный газ (CNG) и используется для питания автомобили и двигатели силовые установки.

Одним из примечательных поршневых двигателей эпохи Второй мировой войны был 28-цилиндровый, 3500л.с. (2600 кВт) Pratt & Whitney R-4360 Оса Майор радиальный двигатель. На нем устанавливалось последнее поколение больших самолетов с поршневыми двигателями, до того как с 1944 года на смену им пришли реактивные двигатели и турбовинтовые самолеты. Он имел общий объем двигателя 71,5 л (4360 куб. Дюймов) и высокое соотношение мощности к массе.

Самый большой из производимых в настоящее время поршневых двигателей, но не самый большой из когда-либо построенных, - это Wärtsilä-Sulzer RTA96-C турбированный двухтактный дизельный двигатель 2006 г. постройки Wärtsilä. Он используется для питания крупнейших современных контейнеровозов, таких как Эмма Мэрск. Его высота составляет пять этажей (13,5 м или 44 фута), длина 27 м (89 футов), а его масса составляет более 2300 метрических тонн (2500 коротких тонн) в самой большой версии с 14 цилиндрами и мощностью более 84,42 МВт (114 800 л.с.). Каждый цилиндр имеет объем 1820 л (64 куб. Футов), что составляет 25 480 л (900 куб. Футов) для самых больших версий.

Мощность двигателя

Для поршневых двигателей мощность двигателя равна объем двигателя Другими словами, объем, охватываемый всеми поршнями двигателя за одно движение. Обычно измеряется в литры (l) или кубические дюймы (c.i.d., cu in, или же дюйм³) для двигателей большего размера и кубические сантиметры (сокращенно куб. см) для двигателей меньшего размера. При прочих равных, двигатели с большей мощностью являются более мощными, и соответственно увеличивается расход топлива (хотя это не относится к каждому поршневому двигателю), хотя на мощность и расход топлива влияют многие факторы, помимо рабочего объема двигателя.

Мощность

Поршневые двигатели можно охарактеризовать удельная мощность, который обычно выражается в киловаттах на литр объем двигателя (в США также Лошадиные силы на кубический дюйм). Результат предлагает приблизительное значение максимальной выходной мощности двигателя. Это не следует путать с эффективность топлива, поскольку для высокого КПД часто требуется обедненное соотношение топлива и воздуха и, следовательно, более низкая удельная мощность. Двигатель современного высокопроизводительного автомобиля вырабатывает более 75 кВт / л (1,65 л.с. / дюйм3).

Другие современные типы без внутреннего сгорания

Поршневые двигатели, приводимые в действие сжатым воздухом, паром или другими горячими газами, все еще используются в некоторых приложениях, например, для привода многих современных торпед или в качестве экологически чистой движущей силы. Большинство приложений с паровым приводом используют паровые турбины, которые более эффективны, чем поршневые двигатели.

В автомобилях FlowAIR французской разработки используется сжатый воздух, хранящийся в цилиндре, для приведения в действие поршневого двигателя городского автомобиля, не загрязняющего окружающую среду.[7]

Торпеды могут использовать рабочий газ, производимый высокий уровень перекиси или же Отто Топливо II, которые создают давление без горения. 230 кг (510 фунтов) Марк 46 торпеда, например, может проехать 11 км (6,8 мили) под водой со скоростью 74 км / ч (46 миль / ч) на топливе Otto без окислитель.

Возвратно-поступательный квантовый тепловой двигатель

Квантовые тепловые двигатели представляют собой устройства, вырабатывающие энергию из тепла, которое течет из горячего резервуара в холодный. Механизм работы двигателя можно описать законами квантовая механика. 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.[8]Квантовые версии подчиняются законам термодинамика. Кроме того, эти модели могут оправдать предположениянеобратимая термодинамика Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить поршневой двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область для будущих исследований и может найти применение в нанотехнологии.[9]

Разные двигатели

Существует большое количество необычных разновидностей поршневых двигателей, которые имеют различные заявленные преимущества, многие из которых практически не используются в настоящее время:

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б Термодинамика: инженерный подход Юнус А. Дженгал и Майкл А. Болес
  2. ^ Хэнлон, Майк. Самый мощный дизельный двигатель в мире GizMag. Доступ: 14 апреля 2017 г.
  3. ^ а б Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Часть 2, Машиностроение. Тайбэй: Caves Books, Ltd. Страницы 118–119.
  4. ^ Хун-Сен Ян, Марко Чеккарелли (2009). Международный симпозиум по истории машин и механизмов. Springer Science and Business Media. п. 235–249. ISBN  978-1-4020-9484-2.
  5. ^ Ритти, Туллия; Греве, Клаус; Кессенер, Пол (2007), «Рельеф водяной каменной пилы на саркофаге в Иераполисе и его последствия», Журнал римской археологии, 20: 138–163, Дои:10.1017 / S1047759400005341
  6. ^ Салли Ганчи, Сара Ганчер (2009), Ислам и наука, медицина и технологии, The Rosen Publishing Group, стр.41, ISBN  978-1-4358-5066-8
  7. ^ AIRPod производства MDI SA. Доступ 19 февраля 2015 г.
  8. ^ [1] Необратимая работа квантовой гармонической тепловой машины, Резек и Кослофф, New J. Phys. 8 (2006) 83
  9. ^ Можно ли построить автомобильный двигатель из одной частицы? Physorg, 30 ноября 2012 г. Автор: Лиза Зига. Доступ 01-12-12

внешняя ссылка