Поршневые двигатели внутреннего сгорания

Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания называются газовыми, поскольку ни в одном из термоди­намических процессов, составляющих эти циклы, не присутствует конденсированная фаза ТРТ. Кроме того, эти циклы называются прямыми, поскольку позволяют получить механическую работу, в отличие от обратных циклов орудий (компрессор, например), тре­бующих подвода механической работы извне.

Наконец, название циклу дает процесс, при котором подводится тепло (изобарный, изохорный или смешанный цикл).

Основными элементами поршневого двигателя являются (рис.22, а) цилиндр 1, поршень 2, шатун 3, прикрепленный к поршню с по­мощью поршневого пальца 4 и соединенный с кривошипом 5 ко­ленчатого вала 6.

Верхняя крышка 7 цилиндра, внутренние стенки цилиндра и верхняя поверхность поршня образуют в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня камеру сгорания 8, периодически сообщающуюся с впускным 9 и выпускным 10 коллекторами при помощи впускного 11 и выпускного 12 клапанов. Если вспышка топлива производится от постороннего источника, то этот источник, например электриче­ская свеча 13 зажигания, также располагается в камере сгорания. Все детали двигателя монтируются на его картере 14.

Индикаторная диаграмма поршневого двигателя с помощью датчика давления, расположенного в камере сгорания, регистрирует изменение давления в зависимости от положения поршня, то есть в зависимости от геометрического объема надпоршневого простран­ства или времени (рис. 22,6). Для четырехтактных поршневых двигателей характерны такт всасывания 1-2, такт сжатия 2-3, закан­чивающийся процессом сгорания 3-4, захватывающим и часть такта расширения 4-5 и, наконец, такт выхлопа-выталкивания (5-6).

Для термодинамического анализа реальную индикаторную диаг­рамму представляют в идеальном виде: убирают такты всасывания и выталкивания, в качестве ТРТ рассматривают идеальный газ, про­цесс сгорания заменяют условным процессом подвода тепла, строят идеальный термодинамический цикл только из простейших полит — ропных (pvn = const) процессов: изохорного (v= const), изобарного (р = const), изотермного (T=pv= const) н адиабатного (pvk — const,

где к-Ср /С v— отношение теплоемкости ТРТ при постоянном

давлении к его же теплоемкости при постоянном объеме).

Двигатели легкого топлива (бензиновые) работают по изохор­ному циклу (циклу Отто) рис.23, а. Двигатели тяжелого топлива (дизельные) работают по изобарному циклу (циклу Дизеля) рис.23, б. Быстроходные двигатели работают по смешанному циклу. У них часть теплоты подводится при постоянном объеме, а часть — при постоянном давлении рис.23, в.

Авиационные поршневые двигатели делают многоцилиндровы­ми воздушного АИ-14р (рис.24, а) или водяного (рис.24, б) охлаж­дения (АМ-34).

В последнее время пристальное внимание инженеров привлека­ет поршневой двигатель Стирлинга и ему подобные, реализую­щие теоретический коэффициент полезного действия (КПД), численно равный КПД цикла Карно, состоящего из двух изотерм и двух адиабат:

Но двигатель с циклом Карно неосуществим из-за малой ра­боты цикла (мала площадь, ограниченная кривой цикла), соизмери­мой с механическими потерями. Таким образом, очевидно, что лю­бой двигатель не только должен иметь высокий КПД, но, прежде всего, должен быть работоспособным. Двигатель Стирлинга рабо­тоспособен. Более того, его термический КПД равен КПД цикла Карно.