Авиационные поршневые двигатели

Сравнение циклов поршневых ДВС

    Степень совершенства любого цикла определяется значением его термического КПД. Обычно сравнение циклов проводится по TS-диаграмме. При этом применяют два метода: первый заключается в сравнении площадей на TS-диаграмме, а второй – в сравнении среднеинтегральных температур в процессах подвода и отвода теплоты в циклах.

    Сравнение циклов с изохорным и изобарным подводом теплоты при разных степенях сжатия и при равенстве количеств отведенной теплоты и одинаковых максимальных температурах Т₃. 1234 – цикл с изохорным подводом теплоты; 1534 – цикл с изобарным подводом теплоты. Так как подведенная теплота в цикле с изобарным подводом теплоты изображается большей площадью, чем подведенная теплота в цикле с изохорным подводом теплоты, т.е. пл.6537>пл.6237, то КПД цикла с изобарным подводом теплоты больше КПД цикла с изохорным подводом теплоты.

    Сравнение циклов с изохорным и изобарным подводом теплоты по среднеинтегральным температурам. Для упрощения некоторых ТД-исследований вводится понятие о среднеинтегральной температуре. Среднеинтегральная температура для любого процесса равна отношению количества теплоты, участвующей в процессе, к изменению энтропии рабочего тела.

Т_СИ = q/(S₂ – S₁) = (Т ₂ – Т ₁)/(lnT₂/T₁).                                         (1)

    Из этого выражения следует, что среднеинтегральная температура для любого (политропного) процесса зависит только от его начальной и конечной температур. Среднеинтегральная температура на TS-диаграмме определяется как высота прямоугольника, площадь которого равна площади под кривой процесса.

    Выражение (1) можно использовать для определения термического КПД произвольного цикла с адиабатным сжатием и расширением рабочего тела. Количество подведенной теплоты q 1 = Т1СИ(S 6 – S 5), количество отведенной теплоты q 2 = Т2СИ(S 6 – S 5). Тогда термический КПД произвольного цикла определяется как

      ξ t = 1 – q ₂ / q ₁ = 1 – Т_2СИТ_1СИ.                                                  (2)

    Термический КПД произвольного цикла равен термическому КПД цикла Карно, осуществленному между среднеинтегральными температурами процессов подвода и отвода теплоты.

     Из выражения (2) следует, что чем выше среднеинтегральная температура процесса подвода теплоты и чем ниже среднеинтегральная температура процесса отвода теплоты, тем выше термический КПД.

    При сравнении циклов поршневых ДВС с разными степенями сжатия получаем, что температура Т_1СИ изобарного подвода теплоты больше, чем температура Т_1СИ изохорного подвода теплоты, а температура Т_2СИ изохорного отвода теплоты в обоих циклах будет одинаковой. Отсюда следует, что

ξ _{t .изоб} > ξ_{t .изох}.

 

Авиационные поршневые двигатели

(опорный конспект лекций)

 

1. Тепловые двигатели

   Авиационный двигатель является основой всякой силовой установки летательного аппарата. Все наиболее значительные достижения в авиации связаны, главным образом, с созданием более совершенных типов самолетных силовых установок.

  Полет самолета связан с непрерывным расходом механической энергии на преодоление сопротивлений, возникающих при движении самолета в воздухе. Механическую энергию, необходимую для полета самолета, можно получить из энергии другого вида, например, из тепловой или электрической энергии. Машины, при помощи которых происходит преобразование тепловой энергии в механическую, называются тепловыми двигателями. Все современные авиационные двигатели относятся к числу тепловых двигателей. В настоящее время в авиации применяются два основных типа тепловых двигателей:  поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинные двигатели (ГТД).

   В поршневом двигателе преобразование теплоты, выделяющейся при сгорании топлива внутри цилиндра двигателя, происходит путем последовательного чередования следующих процессов:

    1) впуска воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр; 2) сжатия рабочего тела; 3) сгорания топливовоздушной смеси; 4) расширения продуктов сгорания; 5) выпуска отработавших газов.

   Передача работы от газа в цилиндре двигателя к выходному валу ДВС производится при помощи кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

2. Типы авиационных поршневых двигателей

По расположению цилиндров поршневые авиадвигатели делятся на две группы: рядные двигатели, у которых цилиндры расположены один за другим, V-образные, оппозитные, звездообразные (могут быть 1-рядными, 2-рядными и т.д.);

По способу организации рабочего процесса: 2-тактные и 4-тактные.

По способу приготовления горючей смеси - на карбюраторные и двигатели с непосредственным впрыском. В карбюраторных двигателях приготовление топливовоздушной смеси (ТВС) происходит вне цилиндра, – в карбюраторе. В двигателях с непосредственным впрыском смесеобразование происходит непосредственно в цилиндрах.

По способу воспламенения смеси - на двигатели с электрическим запалом (двигатели легкого топлива), к которым относится большинство современных бензиновых авиадвигателей, и двигатели с воспламенением от сжатия, называемые дизелями (двигатели тяжелого топлива).

     По способу охлаждения - на двигатели жидкостного охлаждения и двигатели воздушного охлаждения. В качестве охлаждающей жидкости чаще всего применяется вода, но могут применяться и другие жидкости, имеющие, например, высокую температуру кипения (этиленгликоль) или низкую температуру замерзания (антифриз).

  В настоящее время на летательных аппаратах (ЛА) находят применение в основном 4-тактные поршневые двигатели легкого топлива с воздушным охлаждением. По сравнению с другими типами поршневых ДВС они в большей степени удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к силовым установкам ЛА с небольшими дозвуковыми скоростями полета: имеют хорошую экономичность, сравнительно малый удельный вес, отличаются высокой надежностью и долговечностью в работе.

3. Устройство поршневого ДВС

Основными рабочими элементами поршневого ДВС являются: цилиндр, внутри которого находится подвижный поршень, коленчатый вал и шатун, связывающий поршень с коленвалом. Основание, к которому крепятся все части двигателя и которое объединяет их в один целостный механизм, называется картером. Возвратно-поступательное движение поршня посредством шатуна передается коленчатому валу, который приходит во вращательное движение. Вращение от коленчатого вала сообщается воздушному винту. 

В ДВС выделение тепла, сообщение его рабочему телу и преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется внутри цилиндров двигателя. При этом 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 с высокой температурой и давлением давят на поршень и приводят его в поступательное движение.

Для заполнения цилиндра смесью топлива с воздухом и для очистки его от продуктов сгорания после использования их энергии в цилиндре имеются специальные окна, закрываемыевпускными и выпускными клапанами. Клапаны открываются при помощи специального механизма, который приводится в действие коленчатым валом. Этот механизм состоит из кулачкового (распределительного) валика, связанного с коленчатым валом какой-либо передачей, и клапанных рычагов, действующих непосредственно на клапаны. Закрытие клапанов происходит под действием пружин, расположенных на головке цилиндра.

Смесь топлива с воздухом приготавливается в карбюраторе и по трубопроводу подводится к впускным клапанам цилиндров. К карбюратору топливо подается из бака топливным насосом. Воспламенение ТВС в цилиндре осуществляется электрической искрой, образующейся между электродами запальной свечи. Электрический ток, питающий свечу, вырабатывается магнето.

Продукты сгорания, имеющие высокую температуру (до 2500⁰), отдают часть своего тепла деталям двигателя и в первую очередь стенкам цилиндра. Поэтому нормальная работа двигателя возможна лишь при интенсивном охлаждении его цилиндров. При жидкостном охлаждении стенки цилиндра охлаждаются циркулирующей вокруг них жидкостью. Нагретая жидкость поступает в радиатор, где охлаждается воздухом, затем снова поступает к цилиндрам. Такова принципиальная схема устройства и работы поршневого ДВС.