Поршневой двигатель — это известный тип двигателя, который использует один или несколько поршней для преобразования тепловой энергии топлива во вращательное движение. Он известен как поршневой двигатель из-за возвратно-поступательного движения поршня вперед-назад, которое генерирует механическую мощность, необходимую для выполнения задачи. Поршневой двигатель также известен как поршневой, поскольку в нем используется поршень. Эти двигатели используются в большинстве легких самолетов.
Эти двигатели имеют различные типы, такие как ДВС (двигатель внутреннего сгорания), используемый в большинстве автомобилей, двигатель Стирлинга и ДВС (двигатель внешнего сгорания). Двигатели Ванкеля могут выполнять те же задачи, что и поршневые двигатели, но их метод работы сильно отличается из-за треугольного ротора.
Работа поршневого двигателя
Поршневой двигатель работает по основному принципу преобразования химической энергии (топлива) в механическую энергию (вращательное движение). Это преобразование происходит внутри цилиндра двигателя в процессе сгорания топлива.
Все поршневые двигатели имеют один или несколько поршней. Поршневые двигатели могут быть как двухтактными, так и четырехтактными.
Работа поршневого двигателя
1) Ход всасывания: —
Во время такта всасывания поршень движется вниз (от TDC до BDC). Когда поршень достигает точки BDC, в цилиндре двигателя образуется вакуум. Вследствие этого возникает разность давлений между внутренним давлением цилиндра и атмосферным давлением. Эта разница давлений приводит к всасыванию топлива в цилиндр через впускной клапан.
Во время этого процесса выпускной клапан остается закрытым.
2) Сжатие поршня : -.
После процесса всасывания поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре для сжатия топлива. Во время такта сжатия поршень движется вверх. Двигаясь вверх, он уменьшает объем цилиндра и сжимает топливовоздушную смесь.
В этом процессе поршень превращает заряд (топливо или воздушно-топливную смесь) в топливо высокой температуры и давления. На этом этапе свеча зажигания (для бензиновых двигателей) подает искру и воспламеняет сжатое топливо.
3) Power Stroke: —
Когда свеча зажигания воспламеняет топливо, возникает большая тяга, смещающая поршень в сторону BCD (как показано на рисунке выше).
Когда поршень начинает вращаться, он также вращает коленчатый вал через шатун. Поэтому этот такт известен как такт мощности.
4) Такт выхлопа.
После завершения такта мощности поршень снова перемещается из нисходящего в восходящее направление (как показано на рисунке выше). При этом воспламенившиеся газы выходят из цилиндра двигателя.
Части поршневого двигателя
- Поршень
- Шатун
- Жиклеры охлаждения
- Цилиндр
- Свеча зажигания
- Клапаны
- Топливный инжектор
- Поршневое кольцо
1) Поршень
Поршень — это самый главный и важный компонент поршневого или поршневого двигателя. Он имеет круглую форму. Он совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндра. Движение поршня вниз и вверх помогает двигателю всасывать и сжимать топливо.
Поршень напрямую связан с коленчатым валом. Он передает свое вращательное движение коленчатому валу через шатун.
2) Цилиндр
Цилиндр также имеет круглую форму. Он работает как замкнутое пространство, в котором происходит процесс сгорания. В цилиндре находится поршень, который перемещается вверх и вниз для всасывания и сжатия.
В разных двигателях цилиндры расположены по-разному, например, плоское расположение, W-образное расположение, V-образное расположение, горизонтальное или однорядное расположение.
3) Шатун
Один конец шатуна связан с коленчатым валом, а другой — с поршнем. Шатун служит для передачи возвратно-поступательного движения поршня коленчатому валу.
4) Коленчатый вал
Коленчатый вал изготовлен из твердого материала. В поршневом двигателе во время движения поршня вниз двигатель всасывает топливо в цилиндр. Во время такта сжатия коленчатый вал перемещает поршень вверх.
Коленчатый вал получает возвратно-поступательное движение поршня через шатун и преобразует его во вращательное движение.
После преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное коленчатый вал передает это движение шинам автомобиля и приводит их в движение.
5) Свеча зажигания
Свеча зажигания используется в бензиновом поршневом двигателе. Она устанавливается в верхней части цилиндра над впускными и выпускными клапанами. Эта часть двигателя используется для сжигания сжатой воздушно-топливной смеси.
Свеча зажигания поджигает воздушно-топливную смесь, когда поршень преобразует ее в топливо под высоким давлением и при высокой температуре.
6) Топливный инжектор
Топливная форсунка — это часть поршневого двигателя, которая впрыскивает топливо в цилиндр. Он также регулирует качество и время впрыска топлива в цилиндр.
7) Поршневое кольцо
- Оно используется для предотвращения износа цилиндра и поршня, поскольку они находятся в непосредственном контакте.
- Оно также удаляет дополнительное топливо с поверхности цилиндра в поддон картера. Поршневое кольцо также очищает поверхность поршня.
- Эта часть двигателя обеспечивает плотное уплотнение, чтобы воздушно-топливная смесь не могла вытечь из цилиндра.
8) Клапаны
- Впускной клапан: Когда двигатель всасывает топливо в цилиндр, оно поступает через впускной клапан. Впускной клапан действует как обратный клапан. Он останавливает обратный поток топлива.
- Выхлопной клапан: Этот клапан используется для выпуска продуктов сгорания и выхлопных газов из цилиндра двигателя.
Типы поршневых двигателей
- ДВС (двигатель внутреннего сгорания)
- ECE (двигатель внешнего сгорания)
- Двигатель Стирлинга
Подробное описание этих типов приведено ниже:
1) Двигатель IC
Это тип двигателя, в котором процесс сгорания топлива происходит в камере сгорания. Эти двигатели чаще всего используются в различных транспортных средствах, поездах, самолетах, кораблях, лодках и т.д.
Двигатель IC работает на основе основного принципа закона идеального газа:
PV = nRT
Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на следующие типы:
i) Двигатель с искровым зажиганием (СИ)
Двигатель с искровым зажиганием — это известный тип поршневого двигателя, в котором процесс зажигания происходит за счет искры, подаваемой свечой зажигания.
Когда поршень сжимает воздушно-топливную смесь внутри цилиндра сжатия и преобразует ее в высокое давление и температуру, свеча зажигания подает искру на сжатую смесь и воспламеняет ее.
Двигатель SI
В этом типе двигателя в качестве рабочей жидкости используется бензин или газолин.
ii) Двигатель с воспламенением от сжатия (CI)
В двигателе с воспламенением от сжатия процесс воспламенения происходит благодаря высокому сжатию воздушно-топливной смеси.
В этом двигателе, когда воздушно-топливная смесь поступает в цилиндр, поршень сжимает ее и превращает смесь в газы слишком высокой температуры и давления.
Сжатая смесь имеет настолько высокую температуру и давление, что смесь воспламеняется сама по себе. В этом поршневом двигателе нет необходимости в свече зажигания. Поэтому двигатель CI также известен как двигатель с самовоспламенением.
В этих двигателях в качестве рабочей жидкости используется дизельное топливо. Поэтому он также известен как дизельный двигатель.
iii) Двухтактный двигатель
Двухтактный двигатель совершает рабочий цикл за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня в камере сжатия. Этот двигатель завершает рабочий цикл за два такта, поскольку впуск и выпуск происходят одновременно.
Двухтактный двигатель
Эти двигатели внутреннего сгорания производят больше загрязнений. Они также имеют низкую эффективность использования топлива. Они используются для выработки электроэнергии для различных видов применения, таких как большие лодки и силовые установки.
iv) Четырехтактный рециркуляционный двигатель
Четырехтактный двигатель совершает рабочий цикл при двух оборотах коленчатого вала или четырех ходах поршня в камере сжатия. В этих двигателях используется четыре хода поршня, так как впускной и выпускной ходы происходят не одновременно.
Четырехтактный двигатель
Эти двигатели производят меньше загрязнений, чем двухтактные. Они также имеют высокую топливную эффективность. Но двухтактный двигатель имеет большую мощность, чем четырехтактный.
2) Двигатель внешнего сгорания
Двигатель внешнего сгорания — это двигатель, в котором внешний источник передает тепло рабочей жидкости через теплообменник.
Двигатель внешнего сгорания
Эти двигатели имеют очень низкий уровень выбросов и очень выгодны для производства огромной мощности. Но эти двигатели не подходят для работы с низкой нагрузкой. Они также имеют проблемы с утечками.
3) Двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга — это одноступенчатый двигатель внешнего сгорания, использующий водород, гелий или воздух в качестве рабочей жидкости. Этот поршневой двигатель имеет герметичный цилиндр с одной холодной частью и другой горячей.
Двигатель Стирлинга
В этом двигателе рабочая жидкость течет от высокотемпературного (горячего) конца к низкотемпературному (холодному) концу через механизм. Когда жидкость находится на горячем конце, она набухает и заставляет поршень двигаться вверх. Когда жидкость возвращается к холодному концу, она сжимается.
Правильно спроектированный двигатель Стирлинга имеет два импульса мощности за один оборот, что позволяет ему работать очень плавно. Эти двигатели могут стать более эффективными, чем типичные двигатели IC.
Кроме того, в таких двигателях меньше вибрации и шума во время процесса. Однако двигатели Стирлинга не очень полезны для таких применений, как самолеты и автомобили, поскольку они не могут запускаться так же быстро, как двигатель внутреннего сгорания. Поэтому эти двигатели в основном используются в подводных энергетических системах, системах охлаждения и отопления.
Преимущества и недостатки поршневого двигателя
Поршневой или поршневой двигатель имеет следующие основные преимущества и недостатки:
Преимущества поршневого двигателя
- Быстрое получение электроэнергии
- По сравнению с традиционными методами, для работы требуется гораздо меньше воды
- Эти двигатели имеют более высокий электрический КПД.
- Свойства отбора тепла делают его лучшим для получения горячей воды.
- Они могут быстро запускаться и останавливаться.
- Некоторые типы поршневых двигателей обладают способностью к самовоспламенению, как, например, дизельные двигатели.
- Они могут работать при частичной нагрузке и имеют отличный КПД при частичной нагрузке.
- Они требуют мало времени для запуска.
- Поршневой двигатель может получить высокий тепловой КПД за счет нормального максимального давления рабочей жидкости.
- Поршневой двигатель менее дорогой, чем реактивный двигатель.
Недостатки поршневого двигателя
- Поршневой двигатель в несколько раз менее компактен как по объему, так и по весу, чем реактивный двигатель.
- Эти двигатели имеют высокий уровень выбросов.
- В процессе охлаждения такого двигателя выделяется тепло более низкого класса.
- Эти двигатели имеют высокие относительные затраты на техническое обслуживание.
- Поршневой двигатель имеет более низкий тепловой КПД, чем двигатель Ванкеля.
Области применения поршневого двигателя
- Поршневые или поршневые двигатели используются для выработки электроэнергии и обратной энергии.
- Они могут работать на различных видах топлива, таких как бензин, дизельное топливо, метан и т.д.
- Эти типы двигателей используются на небольших автомобилях.
- Поршневые двигатели также используются в поездах, самолетах и кораблях.
Разница между поршневым двигателем и двигателем Ванкеля
Ниже приведены основные различия между поршневым двигателем и двигателем Ванкеля:
что такое амортизационный двигатель
Амортизационный двигатель также известен как двигатель Ванкеля. В нем для цикла сжатия и сгорания вместо поршня используется вращающийся ротор.
Для чего используются поршневые двигатели?
Поршневые двигатели используются для аварийного, резервного, резервного энергоснабжения или для производства электроэнергии в больших масштабах.
