Основные элементы конструкции поршневого авиационного двигателя

1. Картер служит основанием, к которому крепятся основные детали и агрегаты двигателя. Картер связывает все детали и агрегаты двигателя в один целостный механизм. Как правило, картеры изготавливаются из алюминиевых сплавов, хотя встречаются также стальные и чугунные картеры. Обычно конструкция картера состоит из двух и более частей, соединенных между собой болтами и шпильками.

2. Цилиндр авиадвигателя является рабочей камерой, в которой происходит сгорание смеси топлива с воздухом и преобразование выделенного тепла в механическую работу; кроме того, цилиндр направляет движение поршня. В процессе работы двигателя цилиндр подвергается действию высокой температуры и давления газов, поэтому должен быть прочным и хорошо охлаждаться. Вместе с тем цилиндр должен иметь небольшой вес. Чтобы удовлетворить этим требованиям, цилиндр изготавливается из двух частей – гильзы и головки. Гильза выполняется из стали (для прочности), внутри она тщательно шлифуется и полируется для уменьшения трения и износа при движении поршня. Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом цилиндра. Головка цилиндра для улучшения теплоотдачи изготовляется из алюминиевых сплавов. В головках цилиндров имеются специальные окна с клапанами, через которые в определенные моменты поступает воздух (или ТВС) и выходят продукты сгорания.

3. Поршень воспринимает давление газов и передает их работу на коленчатый вал. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью и подвергается действию высоких температур и давлений. Поэтому он должен быть легким, прочным, хорошо отводить тепло и надежно уплотнять камеру цилиндра от прорыва газов. Поршни куются или штампуются из сплавов алюминия. В поршне различают днище, на которое давят газы, и цилиндрическую часть (боковую поверхность), направляющую движение поршня. Внутри цилиндрической части имеются утолщенные приливы для размещения поршневого пальца. Снаружи на боковой поверхности сделаны кольцевые канавки, в которых помещаются газоуплотнительные (компрессионные) кольца, изготовленные из спец. чугуна и обладающие пружинящими свойствами. Кольца плотно прилегают к зеркалу цилиндра и предупреждают прорыв газов из цилиндра в картер. Кроме них, на поршне имеются еще маслоуплотнительные кольца, которые предотвращают попадание масла внутрь цилиндра. Сочленение поршня с шатуном осуществляется при помощи поршневого пальца, изготовленного из стали.

4. Шатун соединяет поршень с коленчатым валом и передает работу газовых сил коленчатому валу, приводя его во вращение. Шатун принадлежит к числу наиболее нагруженных деталей двигателя, поэтому изготавливается из спец. сталей. В шатуне различают поршневую (верхнюю) головку, кривошипную (нижнюю) головку и стержень, соединяющий обе головки. Верхняя головка шатуна шарнирно сочленяется с поршневым пальцем. Кривошипная головка надевается на шатунную шейку коленчатого вала и обычно выполняется разъемной. Стержень шатуна, как правило, имеет двутавровое сечение.

5. Коленчатый вал воспринимает работу поршней и передает ее на воздушный винт. Он относится к числу наиболее нагруженных деталей двигателя, поэтому изготавливается из спец. сталей. Коленчатый вал состоит из следующих основных частей: носка, коренных шеек; шатунных шеек; щек, соединяющих коренные и шатунные шейки в одно целое; хвостовика и противовесов. Коренные шейки –это опоры вала; ими он опирается на коренные подшипники, расположенные в перегородках картера. На шатунные шейки монтируются кривошипные головки шатунов. Носок связывает коленчатый вал с винтом или непосредственно, или через спец. шестеренчатую передачу. Хвостовик передает движение агрегатам и механизмам, установленным на двигателе. Шатунная шейка, две щеки и прилегающие к ним коренные шейки составляют кривошип или колено вала. Число и расположение кривошипов зависит от схемы двигателя.

6. Редуктор. Современные авиадвигатели для получения высоких мощностей развивают большое число оборотов (2500-3000 об/мин и выше). Воздушный винт наиболее полно использует полученную энергию при сравнительно небольших оборотах (порядка 1600-1800 об/мин). Поэтому передача на винт от коленвала осуществляется через редуктор. Редуктор уменьшает число оборотов винта по отношению к числу оборотов коленвала, что позволяет снизить потери энергии на винте. У рядных двигателей редуктор обычно состоит из малой шестерни, расположенной на коленвалу, и большой шестерни, находящейся на вале редуктора. На носок вала редуктора устанавливается воздушный винт.

7. Нагнетатель. Мощность двигателя зависит от количества топлива, сгорающего в его цилиндрах в единицу времени. Чтобы сжечь больше топлива, необходимо подать больше воздуха. Увеличение подачи воздуха в цилиндры достигается при помощи нагнетателя, расположенного на двигателе. Воздух до поступления в цилиндры сжимается в нагнетателе, в результате повышается его плотность. Современные авиационные нагнетатели повышают давление воздуха в 2-3 раза и более по отношению к атмосферному давлению.

8. Механизм газораспределения предназначен для обеспечения своевременного впуска воздуха или ТВС внутрь цилиндра и выпуска отработавших газов. Механизм газораспределения состоит из клапанов с пружинами и кулачковых (распределительных) валиков. Цилиндры большинства современных двигателей снабжены двумя клапанами впуска и двумя клапанами выпуска. Клапаны удерживаются в закрытом положении клапанными пружинами. Открываются клапаны посредством кулачковых валиков, расположенных на головке блока цилиндров. Валики приводятся от коленвала и имеют ряд кулачков, которыми действуют на клапаны либо непосредственно, либо через траверсы и коромысла. Число кулачков зависит от числа и расположения клапанов на цилиндрах.

9. Кривошипно-шатунный механизм. Основным звеном, воспринимающим работу газовых сил и передающим ее для использования, является кривошипно-шатунный механизм, состоящий из поршня, шатуна и кривошипа коленвала. Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленвала.                                                                                                               

При вращении коленвала поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает двух крайних положений, одно из которых, наиболее удаленное от оси коленвала, называется верхней мертвой точкой (ВМТ), второе, наиболее близкое к оси коленвала, называется нижней мертвой точкой (НМТ). Положение ВМТ и НМТ определяется размерами шатуна и кривошипа.

Основным размером шатуна является длина (L). Длиной шатуна называется расстояние от оси его верхней (поршневой) головки до оси нижней (кривошипной) головки. Размер кривошипа характеризуется его радиусом (R). Радиусом кривошипа называется расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки. Расстояние от ВМТ до НМТ называется ходом поршня (S). Ход поршня S = 2 R соответствует 180⁰ по углу поворота коленвала. 

При перемещении поршня изменяется объем газа внутри цилиндра. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в ВМТ, называется объемом камеры сгорания (камеры сжатия), обозначается Vc. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в НМТ, называется полным объемом цилиндра, обозначается Va. Объем, оп описываемый поршнем при его движении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра, обозначается Vh, причем Va = Vh + Vc. Объем цилиндра принято выражать в литрах. Рабочий объем всех цилиндров двигателя называется литражом двигателя. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия:  ε = Va / Vc. В современных бензиновых авиадвигателях степень сжатия лежит в пределах ε = 5,5-7,5.

10. Агрегаты. У карбюраторных двигателей смесь топлива с воздухом приготовляется до до поступления ее в цилиндры в специальном агрегате – карбюраторе. Смесь топлива с воздухом в определенных соотношениях называется горючей смесью или топливовоздушной смесью (ТВС). У двигателей с непосредственным впрыском топливо подается непосредственно в цилиндры насосом высокого давления и распыливается форсунками. У таких двигателей ТВС образуется внутри цилиндров. Топливо подается в карбюратор или к насосу высокого давления подкачивающим насосом низкого давления, который расположен на двигателе.

Воспламенение ТВС производится электрической искрой (в карбюраторном двигателе) или происходит при контакте впрыскиваемого топлива с сжатым до высокого давления и имеющим соответственно высокую температуру воздухом в цилиндре двигателя. Необходимая электрическая энергия вырабатывается и распределяется по цилиндрам агрегатом, называемом магнето. Магнето устанавливается на двигателе и приводится от коленвала через промежуточную передачу.

Для смазки трущихся деталей масло подается нагнетающим маслонасосом и откачивается из картера в маслобак откачивающим маслонасосом. Оба эти насоса объединяются в один общий агрегат, устанавливаемый в нижней части картера.

Двигатели жидкостного охлаждения снабжены насосом, создающим циркуляцию жидкости в системе охлаждения. Насос устанавливается в нижней части двигателя и приводится от коленвала. Нагретая в рубашках цилиндров жидкость поступает в радиатор для охлаждения, затем возвращается к цилиндрам.

5. Схема работы четырехтактного ДВС

Преобразование тепловой энергии в механическую совершается при непрерывном изменении состояния рабочего тела (газа). Все эти изменения можно представить в виде 5-ти самостоятельных, последовательно чередующихся процессов. Вначале цилиндр двигателя заполняется свежей ТВС,- происходит процесс впуска. Затем ТВС сжимается. Если в конце впуска ТВС занимала полный объем цилиндра Va, то в конце процесса сжатия объем ТВС становится равным объему камеры сжатия Vc. Около ВМТ смесь поджигается и сгорает. Во время горения выделяется много тепла. При увеличении температуры газа возрастает и давление, в конце процесса сгорания давление в цилиндре достигает 50-75 кг/см². Под действием высокого давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и производят полезную работу. Таким образом, в процессе расширения происходит преобразование тепловой энергии в механическую энергию. После процесса расширения следует процесс выпуска, в течение которого цилиндр очищается от продуктов сгорания и подготовливается к очередному наполнению свежей ТВС, к повторению перечисленных выше процессов. Таким образом, рабочее тело (газы) в цилиндре двигателя совершает определенный круг процессов, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Такое сочетание процессов называется циклом.

      Циклом теплового двигателя называется круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу

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

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

   Все поршневые ДВС по числу тактов в каждом цикле делятся на два класса: 4-тактные и 2-тактные двигатели. В четырехтактном двигателе такты чередуются в следующем порядке:

1. Такт впуска - поршень движется от ВМТ к НМТ; клапаны впуска открыты, а клапаны выпуска закрыты; в цилиндр поступает свежая ТВС.

2. Такт сжатия – поршень движется от НМТ к ВМТ; клапаны впуска и выпуска закрыты; ТВС в цилиндре сжимается и около ВМТ воспламеняется и сгорает.

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

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

6. Процессы рабочего цикла четырехтактного ДВС

1. Процесс впуска  (процесс наполнения) служит для зарядки цилиндра свежей смесью, при сгорании которой выделяется тепло, необходимое для получения полезной работы. Чем больше смеси поступит в цилиндр двигателя, тем больше тепла выделится при сгорании, тем большую работу можно получить и тем большую мощность сможет развить двигатель.

В целях увеличения заряда цилиндров смесью у многих двигателей смесь, поступающая в цилиндр, предварительно сжимается в нагнетателе – обычно в центробежном компрессоре. Такая принудительная подача в двигатель предварительно сжатой свежей смеси называется наддувом. Кроме повышения мощности в земных условиях, наддув также используется как способ поддержания мощности с поднятием на высоту.

В карбюраторных двигателях образование ТВС начинается в карбюраторе, продолжается во всасывающих трубопроводах и заканчивается в цилиндре. В двигателях с непосредственным впрыском смесеобразование происходит непосредственно в цилиндрах. В этом случае в цилиндр через впускные клапаны поступает чистый воздух, а подача топлива в цилиндры через форсунки начинается через 30-50⁰ поворота коленвала от ВМТ в такте впуска.

Для увеличения заряда свежей смеси (или воздуха) оказывается целесообразным произвести смещение фаз газораспределения. Впускной клапан начинает открываться с опережением, т.е. когда поршень в такте выпуска не дойдет до ВМТ на 15-50⁰ по углу поворота коленвала, а закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием на 40-65⁰ по углу поворота коленвала после НМТ, т.е. уже в такте сжатия. Таким образом, общая продолжительность процесса впуска (фаза открытия впускного клапана) составляет 250-280⁰ по углу поворота коленвала.

2. Процесс сжатия. Назначение процесса сжатия обусловливается необходимостью лучшего использования тепла и получения большей работы газов в процессе их последующего расширения. Вследствие сжатия смеси создаются благоприятные условия для ее сгорания. Сжатая смесь занимает меньший объем, ввиду этого меньше времени затрачивается для распространения пламени по всему объему смеси. Скорость сгорания сжатой смеси увеличивается, а время сгорания уменьшается.

   Повышение степени сжатия повышает КПД и работу цикла (ξ _t = 1 – 1/ε ^{k -1}). Но для двигателей легкого топлива (бензиновых) максимальное значение степени сжатия ограничивается опасностью перехода процесса сгорания во взрывную форму, т.е. появлением детонации, о которой будет сказано ниже.

3. Процесс сгорания. В двигателях легкого топлива процесс сгорания начинается с момента прохождения между электродами запальной свечи искры, воспламеняющей смесь. Продолжительность сгорания смеси определяется скоростью распространения пламени. В среднем при нормальном процессе сгорания скорость распространения фронта пламени составляет 20-30 м/сек. Так как весь процесс сгорания по углу поворота коленвала очень короток, то для обеспечения высокой полноты сгорания необходимо обеспечить возможно более высокую скорость сгорания.

Сильное влияние на скорость сгорания оказывает состав смеси. Установлено, что при α = 0,85-0,90 скорость сгорания наибольшая. При очень богатых или очень бедных смесях работа двигателя становится невозможной из-за нарушения устойчивого горения. Коэффициенты избытка воздуха, при которых прекращается распространение пламени по объему камеры сгорания, называются пределами воспламеняемости. Для богатой бензино-воздушной смеси предел воспламеняемости составляет α =0,3-0,4, для бедной смеси - α =1,3-1,5.

На продолжительность сгорания оказывают влияние и такие факторы, как температура смеси, наличие в цилиндре остаточных газов и вихревых движений, число оборотов коленвала, число и расположение свечей, форма камеры сгорания и др.

При работе двигателя может возникать ненормальное или детонационное сгорание. Детонационным сгоранием или детонацией называется такое сгорание смеси, которое происходит с очень большой скоростью (1500-2000 м/сек), что соответствует скорости сгорания взрывчатых веществ. Детонация может возникнуть при чрезмерном увеличении степени сжатия, температуры поступающего в цилиндр воздуха, давления наддува, температуры горячих деталей, с которыми соприкасается смесь и т.д. На возникновение детонации сильное влияние оказывают свойства применяемого топлива и состав смеси. Обычно склонны к детонации бедные смеси. Характерными признаками детонации являются: хлопья черного дыма из выхлопных патрубков; металлический звон в цилиндрах, вызываемый действием ударных волн; повышение температуры головок цилиндров, масла и охлаждающей жидкости; тряска и неустойчивая работа двигателя. Работа двигателя с детонацией недопустима, так как может вызвать повреждение его деталей, приводит к падению мощности двигателя и заметному снижению его экономичности.

В двигателях тяжелого топлива (дизелях) топливо через насос и распыливающую форсунку начинает впрыскиваться в цилиндр в конце такта сжатия. Благодаря высокой температуре сжатого воздуха топливо самовоспламеняется и сгорает в цилиндре. Самовоспламенение топлива обеспечивается применением высоких степенях сжатия (ε =13-18). Опасность детонации, возможной при столь высоких степенях сжатия, устраняется тем, что в процессе наполнения цилиндр заполняется не свежей смесью, а чистым воздухом, следовательно, в такте сжатия топливо в цилиндре отсутствует.

Сгорание топлива в двигателях с воспламенением от сжатия происходит вначале (вблизи ВМТ) с высокой скоростью, затем замедляется и часть топлива сгорает в процессе расширения. При рассмотрении идеальных циклов дизельных двигателей считается, что одна часть теплоты подводится при постоянном объеме, а другая часть – при постоянном давлении. В современных дизелях сгорание при постоянном давлении не реализуется, поэтому идеальный цикл с изобарным подводом теплоты используется лишь при теоретическом анализе.

Достаточно полное сгорание топлива в дизельных двигателях возможно при сравнительно большом избытке воздуха в камере сгорания. Поэтому в авиационных двигателях тяжелого топлива коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме равен примерно α = 1,5-1,8. Увеличение коэффициента α выше этих значений приводит к резкому уменьшению полноты сгорания, догоранию на выхлопе, снижению экономичности и надежности работы двигателя. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, в двигателях с воспламенением от сжатия возможное обеднение смеси практически неограниченно.

4. Процесс расширения. Преобразование тепловой энергии в энергию механическую происходит в процессе расширения продуктов сгорания (газов), образовавшихся в результате сгорания ТВС. Процесс расширения является основным и единственным процессом, в течение которого газы совершают полезную работу. 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 процесса расширения обусловливается двумя факторами: догоранием смеси и теплоотдачей в стенки. В начале расширения влияние догорания является доминирующим. В конце расширения при нормальной работе двигателя догорание почти полностью отсутствует, а потери тепла через стенки цилиндра существенно возрастают в связи с увеличением поверхности теплообмена. Это приводит к более резкому уменьшению температуры и давления газов. В конце процесса расширения, т.е. при положении поршня в НМТ, давление газов снижается до 4-6 кг/см², температура снижается до 1500-1700 К.

5. Процесс выпуска. Назначением процесса выпуска является очистка цилиндра от продуктов сгорания и подготовка его к новому такту вуска. Процесс выпуска должен протекать так, чтобы давление остаточных газов было минимальным. Чем меньше продуктов сгорания останется в цилиндре, тем больше получится заряд цилиндра свежей смесью и тем больше будет мощность двигателя. Кроме того, осуществление такта выхлопа должно происходить с минимальной затратой работы.

Начало процесса выпуска определяется моментом открытия выпускного клапана. Во всех современных быстроходных двигателях выхлопной клапан открывается с опережением в тот момент, когда поршень в такте расширения не дойдет до НМТ на 45-75⁰ по углу поворота коленвала. Это способствует уменьшению работы, затрачиваемой на выталкивание продуктов сгорания движущимся поршнем, и улучшает очистку цилиндра от продуктов сгорания, так как значительная часть продуктов сгорания будет удалена из цилиндра заблаговременно вследствие значительной разности давлений внутри цилиндра и в окружающей среде.

Выпускной клапан обычно закрывается с запаздыванием (через 20-40⁰ после ВМТ в начале такта впуска). Это также улучшает очистку цилиндра от остаточных газов, так как истечение продуктов сгорания может продолжаться по инерции и после прихода поршня в ВМТ.

Как было отмечено, клапан впуска открывается до ВМТ в такте выпуска, а клапан выпуска закрывается после ВМТ в такте впуска. Следовательно, в работе двигателя существует такой период, когда впускной и выпускной клапаны оказываются открытыми одновременно. Этот период называется перекрытием клапанов, а угол поворота коленвала, соответствующий этому периоду, называется углом перекрытия клапанов βп. В авиационных двигателях угол βп =30-120⁰. Для карбюраторных двигателей угол βп =40-50⁰, так как при больших значениях угла βп у этих двигателей происходит выбрасывание свежей смеси в выхлопные патрубки, а также возникает опасность вспышки смеси во всасывающей системе при запуске. У двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндры целесообразно расширять угол перекрытия клапанов для обеспечения продувки цилиндров воздухом. Продувка дает лучшую очистку цилиндра от остаточных газов, что приводит к увеличению заряда смеси и, соответственно, мощности двигателя на 8-10%.

Из рассмотрения рабочего цикла видно, что только в третьем такте (расширение) производится полезная работа, а остальные такты являются вспомогательными и требуют затраты работы для их осуществления.