Лекция № 11 «Рабочий процесс авиационного поршневого двигателя»

Устройство и принцип действия.

В качестве авиационных поршневых двигателей в настоящее время применяются четырехтактные двигатели легкого топлива с воспламенением от электрической свечи.

Основными рабочими элементами поршневого двигателя являются: цилиндр, внутри которого находится подвижной поршень, коленчатый вал и шатун, связывающий поршень с валом. Основание, к которому крепится все части двигателя и которое объединяет их в один целостный механизм называется картером.

Кроме названных основных деталей, двигатель имеет целый ряд агрегатов, которые приводятся в движение от коленчатого вала и обеспечивают питание, охлаждение и смазку

Процесс превращения тепловой энергии в механическую энергию можно разделить на две основные части:

а) выделение из топлива тепла;

б) преобразование выделенного тепла в работу – механическую энергию.

Поршневые авиационные двигатели относятся к двигателям внутреннего сгорания. В двигателях внутреннего сгорания выделение тепла, сообщение его рабочему телу и преобразование тепловой энергии в механическую энергию осуществляется внутри цилиндров двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания топливо, смешанное с определенным количеством воздуха, вводится в цилиндр. В цилиндре эта смесь сжимается поршнем, в определенный момент воспламеняется и сгорает. После сгорания смеси образовавшиеся газы высокой температуры и давления давят на поршень и приводят его в поступательное движение.

Поступательное движение поршня посредством шатуна передается коленчатому валу, который приходит во вращательное движение. Вращение от коленчатого вала сообщается винту, или какому – нибудь иному механизму.

Рабочий процесс.

Рабочий процесс поршневого авиационного двигателя имеет следующие две характерные особенности: во - первых, все процессы изменения параметров рабочего тела происходят в одном и том же элементе двигателя, а именно, в цилиндре, во – вторых, протекающие в рабочем цикле процессы частично перекрывают друг друга. Эти особенности существенно сказываются на протекании рабочих процессов.

Все эти изменения в авиационном поршневом двигателе можно разделить на пять самостоятельных, последовательно чередующихся процессов.

За четыре хода поршня полностью осуществляется рабочий процесс поршневого двигателя, в котором можно выделить пять отдельных процессов: наполнение; сжатие; сгорание; расширение; выхлоп.

Процесс наполнения служит для зарядки цилиндра свежей смесью. В авиационных ПД весьма важно заполнить цилиндр максимально возможным количеством смеси, так как от этого зависит величина получаемой работы при данном рабочем объеме цилиндра.

Регулирование качества смеси, т.е. соотношения топлива и воздуха, осуществляется при помощи специальных устройств. Процесс наполнения осуществляется между моментами открытия и закрытия впускного клапана, которые в общем случае не совпадают с верхней мертвой точкой (в.м.т.) и нижней мертвой точкой (н.м.т.), а подбираются таким образом, чтобы процесс наполнения был продолжительнее такт наполнения.

Процесс сжатия предназначен для того, чтобы повысить температуру и давление топливно – воздушной смеси и тем самым подготовить ее для более быстрого и полного сгорания. Повышение степени сжатия улучшает эффективность и экономичность двигателя, но одновременно и увеличивает силы давления газов, действующие на кривошипно – шатунный механизм двигателя, а также и опасность перехода процесса сгорания в детонационную форму. Верхний предел степени сжатия двигателей, работающих на чистом бензине, не превышает , а при применении бензинов со специальными антидетонационными присадками .

Процесс сгорания начинается в момент проскакивания искры между электродами запальной свечи. Условной точкой окончания процесса горения считается точка, в которой температура и давлении рабочего тела достигают максимального значения.

При протекании процесса сгорания имеют следующие потери тепла:

- потеря на химический недожог топлива, что связано в первую очередь с коэффициентом избытка воздуха;

- потеря на теплообмен через стенки цилиндра;

- потеря на диссоциацию молекул продуктов сгорания;

- потеря на догорание топлива на линии расширения.

Процесс расширения является основным процессом, во время которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Начало процесса расширения условно рассматривается с момента достижения в цилиндре максимального давления. В дальнейшем расширение газов происходит в течение всего рабочего хода поршня, причем в конце рабочего хода оно частично совпадает с начинающимся процессом выхлопа.

Характер протекания процесса расширения обусловливается двумя факторами: догоранием смеси и теплоотдачей в стенки.

Среднее значение показателя политропы расширения обычно лежит в пределах .

Процесс выхлопа служит для удаления продуктов сгорания из цилиндра, которое должно быть возможно более полным, так как присутствие остаточных газов ухудшает коэффициент наполнения. Процесс выхлопа должен протекать при минимальном давлении остаточных газов с целью уменьшения затраты работы на очистку цилиндра.

Идеальный и действительный циклы.

Действительный рабочий цикл авиадвигателя может быть осуществлен либо за один оборот коленчатого вала, что соответствует двум ходам поршня, либо за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода поршня. В том и другом случаях за один ход поршня совершается только часть рабочего цикла, называемая тактом.

Тактом называется часть рабочего цикла, совершаемая за один ход поршня.

1. Такт впуска – поршень движется от верхней мертвого точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ); клапаны впуска открыты, а клапаны выпуска закрыты; в цилиндр поступает свежая горючая смесь. Такт впуска начинается при положении поршня в ВМТ и кончается при положении поршня в НМТ.

2. Такт сжатия – поршень движется от НМТ к ВМТ; клапаны впуска и выпуска закрыты; горючая смесь в цилиндре сжимается и около ВМТ воспламеняется и сгорает. Такт сжатия начинается в НМТ и кончается в ВМН.

3. Такт расширения – газы, имеющие высокие температуру и давление, расширяются и передвигают поршень от ВМТ к НМТ. В этом такте совершается полезная работа, необходимая для приведения в действие кривошипно – шатунного механизма, а поэтому такт расширения называют также рабочим ходом.

4. Такт выпуск – поршень движется от НМТ к ВМТ, клапаны выпуска открыты, а клапаны впуска закрыты, продукты сгорания выталкиваются поршнем из цилиндра. Такт выпуска начинается в НМТ и кончается в ВМТ.

Идеальный цикл процесса поршневого авиационного двигателя представляет собой сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла.

Анализ рабочего процесса поршневого двигателя показывают, что коэффициент выделения тепла зависит в основном от коэффициента избытка воздуха .относительно внутренний КПД и механический КПД сравнительно мало зависят от параметров рабочего процесса и в первом приближении могут считаться постоянными. Тяговый КПД, который для двигателей, использующих в качестве движителя воздушного винт, называется КПД винта , для поршневых двигателей зависит исключительно от скорости полета и число оборотов и не зависит от параметров рабочего процесса.