додому двигун Як працює поршневий двигун. Як працює поршень двигуна внутрішнього згоряння? Причини поломок поршневих двигунів

двигун

Як працює поршневий двигун. Як працює поршень двигуна внутрішнього згоряння? Причини поломок поршневих двигунів

При спалюванні палива виділяється теплова енергія. Двигун, в якому паливо згорає безпосередньо всередині робочого циліндра і енергія утворюються у своїй газів сприймається рухомим в циліндрі поршнем, називають поршневим.

Отже, як вже зазначалося раніше, двигун цього типу є основним для сучасних автомобілів.

У таких двигунах камера згоряння розміщена в циліндрі, в якому теплова енергія від згоряння паливоповітряної суміші перетвориться в механічну енергію поршня, що рухається поступально і потім спеціальним механізмом, який називається кривошипно-шатунним, перетворюється у обертальну енергію колінчастого вала.

За місцем освіти суміші, що складається з повітря і палива (горючою) поршневі ДВС поділяються на двигуни з зовнішнім і внутрішнім перетворенням.

При цьому, двигуни із зовнішнім сумішоутворенням за родом застосовуваного палива поділяються на карбюраторні і інжекторні, що працюють на легкому рідкому паливі (бензині) і газові, що працюють на газі (газогенераторний, світильний, природний газ і т.д.). Двигуни із запалюванням від стиснення це дизельні двигуни (дизелі). Вони працюють на важкому рідкому паливі (дизельному паливі). В цілому конструкція самих двигунів практично однакова.

Робочий цикл чотиритактних двигунів в поршневому виконанні відбувається коли колінчастий вал робить два оберти. За визначенням він складається з чотирьох окремих процесів (або тактів): впуску (1 такт), стиснення паливо-повітряної суміші (2 такт), робочого ходу (3 такт) і випуску відпрацьованих газів (4 такт).

Зміна тактів роботи двигуна забезпечується за допомогою газорозподільного механізму, що складається з розподільного вала, Передавальної системи штовхачів і клапанів, ізолюючих робочий простір циліндра від зовнішнього середовища і головним чином забезпечують зміну фаз газорозподілу. З огляду на інерційності газів (особливостей процесів газодинаміки) такти впуску і випуску для реального двигуна перекриваються, що означає їх спільна дія. на високих оборотах перекриття фаз позначається позитивно на роботу двигуна. Навпаки, чим воно більше на низьких оборотах, тим менше крутний момент двигуна. В роботі сучасних двигунів враховується це явище. Створюють пристрої, що дозволяють змінювати фази газорозподілу в процесі роботи. Існують різні конструкції таких пристроїв, найбільш придатними з яких є електромагнітні пристрої регулювання фаз газорозподільних механізмів (BMW, Mazda).

карбюраторні ДВС

У карбюраторних двигунах топливовоздушная суміш готується до її надходження в циліндри двигуна, в спеціальному пристрої - в карбюраторі. У таких двигунах горюча суміш (суміш палива та повітря), що надійшла в циліндри і змішалася з залишками відпрацьованих газів (робочої суміші) запалюється від стороннього джерела енергії - електричної іскри системи запалювання.

інжекторниє ДВС

У таких двигунах завдяки наявності розпилюють форсунок, які здійснюють впорскування бензину у впускний колектор, відбувається сумішоутворення з повітрям.

газові ДВС

У цих двигунах тиск газу після виходу з газового редуктора сильно знижується і доводиться до близького атмосферному, після чого за допомогою повітряно-газового змішувача всмоктується, за допомогою електричних форсунок впорскується (аналогічно інжекторним двигунам) У впускний колектор двигуна.

Запалювання, як і в попередніх типах двигунів, здійснюється від іскри свічки, проскакує між її електродами.

дизельні ДВС

У дизельних двигунах смесеобразование відбувається безпосередньо всередині циліндрів двигуна. Повітря і паливо надходять в циліндри окремо.

При цьому, спочатку в циліндри надходить тільки повітря, він стискається, і в момент його максимального стиснення, струмінь мелкораспиленном палива через спеціальну форсунку впорскується в циліндр (тиск всередині циліндрів таких двигунів досягає набагато більших значень, ніж у двигунах попереднього типу), відбувається займання утвореної суміші.

При цьому підпалювання суміші відбувається в результаті підвищення температури повітря при сильному його стисканні в циліндрі.

серед недоліків дизельних двигунів можна виділити більш високий, порівняно з попередніми типами поршневих двигунів - механічна напруженість його деталей, особливо кривошипно-шатунного механізму, що вимагає поліпшених характеристик міцності якостей і, як наслідок, великих габаритів, ваги та вартості. Вона підвищується за рахунок ускладненої конструкції двигунів і застосування більш якісних матеріалів.

Крім цього, такі двигуни характеризуються неминучими викидами сажі і підвищеним вмістом оксидів азоту в вихлопних газах за рахунок гетерогенного горіння робочої суміші всередині циліндрів.

газодизельні ДВС

Принцип роботи такого двигуна аналогічний роботі будь-якого з різновидів газових двигунів.

Паливноповітряна суміш готується за аналогічним принципом, шляхом подачі газу в повітряно-газовий змішувач або у впускний колектор.

Однак, підпалюється суміш запальний порцією дизпалива, що впорскується в циліндр за аналогією з роботою дизельних двигунів, а не з використанням електричної свічки.

Роторно-поршневі ДВС

Крім усталеного назви, цей двигун має найменування по імені який створив його вченого-винахідника і називається двигуном Ванкеля. Запропоновано на початку XX століття. В даний час такими двигунами займаються виробники Mazda RX-8.

Основну частину двигуна утворює трикутний ротор (аналог поршня), що обертається в камері специфічної форми, за конструкцією внутрішньої поверхні, що нагадує цифру «8». Цей ротор виконує функцію поршня колінчастого вала і газорозподільного механізму, таким чином, дозволяє відмовитися від системи газорозподілу, обов'язкової для поршневих двигунів. Він виконує три повних робочих циклу за один свій оборот, що дозволяє одним таким двигуном замінити шестициліндровий поршневий двигунНезважаючи на багато позитивних якостей, серед яких також і принципова простота його конструкції, має, недоліки, що перешкоджають його широкому використанню. Вони пов'язані зі створенням довговічних надійних ущільнень камери з ротором і побудовою необхідної системи змащення двигуна. Робочий цикл роторно-поршневих двигунів складається з чотирьох тактів: впуску паливо-повітряної суміші (1 такт), стиснення суміші (2 такт), розширення згоряє суміші (3 такт), випуску (4 такт).

Роторно-Лопасня ДВС

Це той самий двигун, який застосований в Е-мобіле.

газотурбінні ДВС

Вже сьогодні ці двигуни з успіхом здатні замінити поршневі ДВС в автомобілях. І хоча того ступеня досконалості конструкція цих двигунів досягла тільки в останні кілька років, ідея застосувати в автомобілях газотурбінні двигуни виникла давно. Реальну можливість створення надійних газотурбінних двигунів тепер забезпечують теорія лопаткових двигунів, що досягла високого рівня розвитку, металургія і техніка їх виробництва.

Що ж газотурбінний двигун собою являє? Для цього давайте розглянемо його принципову схему.

Компресор (поз9) і газова турбіна (поз.7) знаходяться на одному валу (поз.8). Вал газової турбіни обертається в підшипниках (поз.10). Компресор забирає повітря з атмосфери, стискає його і направляє в камеру згоряння (поз.3). Паливний насос (Поз.1), також наводиться в рух від вала турбіни. Він подає паливо в форсунку (поз.2), яка встановлена \u200b\u200bв камері згоряння. Газоподібні продукти згоряння надходять через направляючий апарат (поз.4) газової турбіни на лопатки її робочого колеса (поз.5) і змушують його обертатися в заданому напрямку. Відпрацьовані гази випускаються в атмосферу через патрубок (поз.6).

І хоча цей двигун повний недоліків, вони в міру розвитку конструкції поступово ліквідуються. При цьому, в порівнянні з поршневими ДВС, газотурбінний ДВС має ряд істотних переваг. Перш за все слід зазначити, що як і парова турбіна, газова може розвивати більших обертів. Що дозволяє отримувати більшу потужність від менших за розмірами двигунів і більш легких за вагою (майже в 10 разів). Крім того, єдиним видом руху в газовій турбіні є обертальний. У поршневого двигуна крім обертального, є зворотно-поступальні рухи поршнів і складні рухи шатунів. Також газотурбінні двигуни не вимагають спеціальних систем охолодження, змащення. Відсутність значних поверхонь тертя при мінімальній кількості підшипників забезпечують тривалу роботу і високу надійність газотурбінного двигуна. Нарешті, важливо відзначити, що харчування їх здійснюється із застосуванням гасу або дизельного палива, тобто дешевших видів, ніж бензин. Стримує розвиток автомобільних газотурбінних двигунів причиною є необхідність штучного обмежування температури надходять на лопатки турбіни газів, оскільки ще дуже дороги високопожарочние метали. Що в результаті знижує корисне використання (ККД) двигуна і збільшує питому витрату палива (кількість палива на 1 к.с.). Для пасажирських і вантажних двигунів температуру газу доводиться обмежувати а межах 700 ° С, а в авіаційних двигунах до 900 ° С.Однако вже сьогодні існують деякі способи підвищення ККД цих двигунів за рахунок відведення теплоти відпрацьованих газів для підігріву надходить в камери згоряння повітря. Вирішення проблеми створення високоекономічного автомобільного газотурбінного двигуна багато в чому залежить від успіху робіт в цій галузі.

комбіновані ДВС

Великий внесок в теоретичні аспекти роботи і створення комбінованих двигунів вніс інженер СРСР, професор А.Н.Шелест.

Олексій Нестерович Шелест

Ці двигуни являють собою комбінацію з двох машин: поршневий і лопатки, в якості якої може виступати турбіна або компресор. Обидві ці машини є важливими елементами робочого процесу. Як приклад такого двигуна з газотурбінним наддувом. При цьому в звичайному поршневому двигуні за допомогою турбокомпресора відбувається примусова подача повітря в циліндри, що дозволяє збільшити потужність двигуна. В основі лежить використання енергії потоку відпрацьованих газів. Він впливає на крильчатку турбіни, закріпленої на валу з одного боку. І розкручує її. На тому ж валу з іншого боку розташовані лопаті компресора. Таким чином, за допомогою компресора нагнітається повітря в циліндри двигуна за рахунок розрідження в камері з одного боку і примусової подачі повітря, з іншого боку в двигун надходить велика кількість суміші повітря і палива. В результаті, обсяг сгораемого палива збільшується і утворюється в результаті цього згоряння газ займає більший обсяг, що і створює велику силу на поршні.

двотактні ДВС

Так іменується ДВС з незвичною системою газорозподілу. Вона реалізована в процесі проходження поршнем, що здійснює зворотно-поступальні рухи, двох патрубків: впускний і випускного. Можна зустріти його іноземне позначення «RCV».

Робочі процеси двигуна відбуваються протягом одного обороту колінчастого валу і двох ходів поршня. Принцип роботи полягає з наступного. Спочатку відбувається продування циліндра, що означає впуск горючої суміші з одночасним впусканням відпрацьованих газів. Потім відбувається стиснення робочої суміші, в момент повороту колінчастого вала на 20-30 градусів від положення відповідного НМТ при переміщенні до ВМТ. І робочий хід, по протяжності становить хід поршня від верхньої мертвої точки (ВМТ) не доходячи до нижньої мертвої точки (НМТ) на 20-30 градусів по оборотам колінчастого вала.

Існують явні недоліки двотактних двигунів. По-перше слабкою ланкою двотактного циклу є продування двигуна (знову ж з т. З. Газодинаміки). Це відбувається з одного боку через те, що, відділення свіжого заряду від вихлопних газів забезпечити неможливо, тобто неминучі втрати по суті вилітає в вихлопну трубу свіжої суміші, (або повітря якщо мова про дизелі). З іншого ж боку робочий хід триває менше половини обороту, що вже говорить про зниження ККД двигуна. Нарешті тривалість надзвичайно важливого процесу газообміну, в чотиритактний двигун займає половину робочого циклу, не може бути збільшена.

Двотактні двигуни складніше і дорожче за рахунок обов'язкового застосування системи продувки або системи наддуву. Безсумнівно, що підвищена теплова напруженість деталей циліндро поршневої групи вимагає застосування більш дорогих матеріалів окремих деталей: поршнів, кілець, втулок циліндрів. Також виконання поршнем газорозподільних функцій накладає обмеження на розмір його висоти, що складається з висоти ходу поршня і висоти вікон для продувки. Це не так критично в мопеді, але значно ускладнює поршень при установки його на автомобілях вимагають значних витрат потужності. Таким чином, коли потужність вимірюється десятками, а то й сотнями кінських сил, Збільшення маси поршня буває дуже помітно.

Проте проводилися певні роботи в напрямку вдосконалення таких двигунів. У двигунах Рікардо вводили спеціальні розподільні гільзи з вертикальним ходом, що було певною спробою зробити можливим зменшення габаритів і маси поршня. Система виявилася досить складною і дуже дорогий у виконанні, тому такі двигуни використовувалися тільки в авіації. Необхідно додатково зауважити, що мають вдвічі більшу теплонапряженности випускні клапани (при прямоточною клапанної продувке) в порівнянні з клапанами чотиритактних двигунів. Крім того сідла мають більш тривалий прямий контакт з відпрацьованими газами, а отже найгірший тепловідвід.

Шестітактние ДВС

В основі роботи покладено принцип дії чотиритактного двигуна. Додатково в його конструкції є елементи, які з одного боку підвищують його ККД, в той час як з іншого боку знижують його втрати. існує два різних типи таких двигунів.

У двигунах працюють на основі циклів Отто і Дизеля існують значні втрати тепла при згорянні палива. Ці втрати використовуються в двигуні першої конструкції в якості додаткової потужності. У конструкціях таких двигунів додатково паливо-повітряної суміші в якості робочого середовища для додаткового ходу поршня використовується пар або повітря, в результаті чого підвищується потужність. У таких двигунах після кожного уприскування палива поршні рухаються три рази в обох напрямках. В цьому випадку є два робочих ходу - один з паливом, а інший з парою або повітрям.

У цій області створені такі двигуни:

двигун Баюласа (з англ. Bajulaz). Був створений компанією Баюлас (Швейцарія);

двигун Кроуера (з англ. Crower). Винайдено Брюсом Кроуером (США);

Брюс Кроуер

Двигун Велозета (з англ. Velozeta) Був побудований в інженерному коледжі (Індія).

Принцип дії другого типу двигуна заснований на використанні в його конструкції додаткового поршня на кожному циліндрі і розташованого навпроти основного. Додатковий поршень рухається зі зменшеною в два рази по відношенню до основного поршня частотою, що і забезпечує на кожен цикл шість ходів поршнів. Додатковий поршень за своїм основним призначенням замінює традиційний газорозподільний механізм двигуна. Друга його функція полягає в збільшенні ступеня стиснення.

Основних, незалежно створених друг від друга конструкцій таких двигунів дві:

двигун Бір Хед (з англ. Beare Head). Винайдено Малькольмом Біром (Австралія);

двигун з назвою «заряджає насос» (з англ. German Charge pump). Винайдено Гельмутом Котманном (Німеччина).

Що ж буде в недалекому майбутньому з двигуном внутрішнього згоряння?

Крім зазначених на початку статті недоліків ДВС існує і ще один принциповий недолік не дозволяє використовувати ДВС окремо від трансмісії автомобіля. силовий агрегат автомобіля утворений двигуном в сукупності з трансмісією автомобіля. Він дозволяє рухатися автомобілю на всіх необхідних швидкостях руху. А ось окремо взятий ДВС розвиває максимальну потужність тільки у вузькому діапазоні оборотів. Ось власне чому і необхідна трансмісія. Тільки у виняткових випадках обходяться без трансмісії. Наприклад в деяких конструкціях літаків.

Основні типи двигунів внутрішнього згоряння і парові машини мають один спільний недолік. Він полягає в тому, що зворотно-поступальне переміщення вимагає перетворення в обертальний рух. Це, в свою чергу, зумовлює низьку продуктивність, а також досить високу зношуваність деталей механізму, включених в різні типи двигунів.

Досить багато людей замислювалися про те, щоб створити такий мотор, в якому рухливі елементи тільки оберталися. Однак вирішити це завдання вдалося тільки одній людині. Фелікс Ванкель - механік-самоучка - став винахідником роторно-поршневого двигуна. За своє життя ця людина не отримав ні будь-якої спеціальності, ні вищої освіти. Розглянемо далі докладніше роторно-поршневий двигун Ванкеля.

Коротка біографія винахідника

Фелікс Г. Ванкель народився в 1902 році, 13 серпня, в невеликому містечку Лар (Німеччина). У Першу Світову батько майбутнього винахідника загинув. Через це Ванкелем довелося кинути навчання в гімназії і влаштуватися помічником продавця в крамниці з продажу книг при видавництві. Завдяки цьому він пристрастився до читання. Фелікс вивчав технічні характеристики двигунів, автомобілебудування, механіку самостійно. Знання він черпав з книг, які продавалися в крамниці. Вважається, що реалізована пізніше схема двигуна Ванкеля (точніше, ідея її створення) відвідала уві сні. Невідомо, правда це чи ні, але точно можна сказати, що винахідник мав неабиякими здібностями, тягою до механіки і своєрідним

Плюси і мінуси

Конвертувати рух зворотно-поступального характеру повністю відсутня в роторному двигуні. Освіта тиску відбувається в тих камерах, які створюються за допомогою опуклих поверхонь ротора трикутної форми і різними частинами корпусу. Обертальні рухи ротор здійснює допомогою згоряння. Це здатне привести до зниження вібрації і збільшити швидкість обертання. Завдяки підвищенню ефективності, яке обумовлено таким чином, роторний двигун має розміри набагато менше, ніж звичайний поршневий двигун еквівалентної потужності.

Роторний двигун має один головний з усіх своїх компонентів. Ця важлива складова називається трикутним ротором, який здійснює обертальні рухи всередині статора. Всі три вершини ротора, завдяки цьому обертанню, мають постійний зв'язок з внутрішньою стіною корпусу. За допомогою цього контакту утворюються камери згоряння, або три обсягу замкнутого типу з газом. Коли відбуваються обертальні рухи ротора усередині корпусу, то обсяг всіх трьох утворених камер згоряння весь час змінюється, нагадуючи дії звичайного насоса. Всі три бічних поверхні ротора працюють, як поршень.

Всередині у ротора є шестерня невеликого розміру з зовнішніми зубами, яка прикріплена до корпусу. Шестерня, яка більше за діаметром, з'єднана з даної нерухомою шестернею, що задає саму траєкторію обертальних рухів ротора усередині корпусу. Зуби в більшій шестерні внутрішні.

З тієї причини, що разом з вихідним валом ротор пов'язаний ексцентрично, обертання валу відбувається на зразок того, як ручка буде обертати коленвал. Вихідний вал стане робити оборот три рази за кожен з оборотів ротора.

Роторний двигун має таку перевагу, як невелика маса. Найголовніший з блоків роторного двигуна володіє невеликими розмірами і масою. При цьому керованість і характеристики такого двигуна будуть краще. Менше маса у нього виходить за рахунок того, що необхідність в коленвале, шатунах і порушених просто відсутня.

Роторний двигун має такі розмірами, які набагато менше звичайного двигуна відповідної потужності. Завдяки меншим розмірам двигуна, керованість буде набагато краще, а також сама машина стане просторіше, як для пасажирів, так і для водія.

Все з частин роторного двигуна здійснюють безперервні обертальні рухи в одному і тому ж напрямку. Зміна їх руху відбувається так само, як в поршнів традиційного двигуна. Роторні двигуни внутрішньо збалансовані. Це веде до зниження самого рівня вібрації. Потужність роторного двигуна здається набагато більш гладким і рівномірним чином.

Двигун Ванкеля має опуклий спеціальний ротор з трьома гранями, який можна назвати його серцем. Цей ротор здійснює обертальні рухи всередині циліндричної поверхні статора. Роторний двигун «Мазда» є першим в світі роторним двигуном, який був розроблений спеціально для виробництва серійного характеру. Даною розробці було започатковано ще в 1963 році.

Що це таке РПД?

У класичному чотиритактним двигуном одне і те ж циліндр використовується для різних операцій - уприскування, стиснення, спалювання і випуску.У роторному ж двигуні кожен процес виконується в окремому відсіку камери. Ефект мало чим відрізняється від поділу циліндра на чотири відсіки для кожної з операцій.
У поршневому двигуні тиск виникає при згорянні суміші змушує поршні рухатися вперед і назад в своїх циліндрах. Шатуни і колінчастий вал перетворять цей толкательной рух в обертальний, необхідне для руху автомобіля.
В роторном двигуна немає прямолінійного руху яке треба було б переводити в обертальний. Тиск утворюється в одному з відсіків камери змушуючи ротор обертатися, це знижує вібрацію і підвищує потенційну величину оборотів двигуна. В результаті всього велика ефективність, і менші розміри при тій же потужності, що і звичайного поршневого двигуна.

Як працює РПД?

Функцію поршня в РПД виконує трьохвершінній ротор, що перетворює силу тиску газів в обертальний рух ексцентрикового вала. Рух ротора щодо статора (зовнішнього корпусу) забезпечується парою шестерень, одна з яких жорстко закріплена на роторі, а друга на бічній кришці статора. Сама шестерня нерухомо закріплена на корпусі двигуна. З нею в зачепленні знаходиться шестерня ротора з зубчастим колесом як би обкатується навколо неї.
Вал обертається в підшипниках, розміщених на корпусі, і має циліндричний ексцентрик, на якому обертається ротор. Взаємодія цих шестерень забезпечує доцільне рух ротора щодо корпусу, в результаті якого утворюються три роз'єднаних камери змінного об'єму. Передавальне відношення шестерень 2: 3, тому за один оборот ексцентрикового вала ротор повертається на 120 градусів, а за повний оборот ротора в кожній з камер відбувається повний чотиритактний цикл.

Газообмін регулюється вершиною ротора при проходженні її через впускний і випускний вікно. Така конструкція дозволяє здійснювати 4-тактний циклу без застосування спеціального механізму газорозподілу.

Герметизація камер забезпечується радіальними і торцевими пластинами ущільнювачів, притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу і стрічковими пружинами. Крутний момент виходить в результаті дії газових сил через ротор на ексцентрик валу Сумішоутворення, запалення, мастило, охолодження, запуск - принципово такі ж, як і у звичайного поршневого двигуна внутрішнього згоряння

сумішоутворення

В теорії в РПД застосовують кілька різновидів сумішоутворення: зовнішнє і внутрішнє, на основі рідких, твердих, газоподібних видів палива.
Відносно твердих видів палива варто зазначити, що їх спочатку газифікують в газогенераторах, так як вони призводять до підвищеного золообразованію в циліндрах. Тому частіше практикується отримали газоподібні і рідкі палива.
Сам механізм утворення суміші в двигунах Ванкеля буде залежати від виду застосовуваного палива.
При використанні газоподібного палива його змішання з повітрям відбувається в спеціальному відсіку на вході в двигун. Горюча суміш в циліндри надходить в готовому вигляді.

З рідкого палива суміш готується в такий спосіб:

Повітря змішується з рідким паливом перед надходженням в циліндри, куди надходить горюча суміш.
У циліндри двигуна рідке паливо і повітря надходять окремо, і вже всередині циліндра відбувається їх змішування. Робоча суміш виходить при зіткненні їх з залишковими газами.

Відповідно, паливно-повітряна суміш може готуватися поза циліндрів або всередині їх. Від цього йде поділ двигунів з внутрішнім або зовнішнім утворенням суміші.

Технічні характеристики роторно-поршневого двигуна

параметри	ВАЗ-4132	ВАЗ-415
число секцій	2	2
Робочий об'єм камери двигуна, куб.см	1,308	1,308
ступінь стиснення	9,4	9,4
Номінальна потужність, кВт (к.с.) / хв-1	103 (140) / 6000	103 (140) / 6000
Максимальний крутний момент, Н * м (кгс * м) / хв-1	186 (19) / 4500	186 (19) / 4500
Мінімальна частота обертання ексцентрикового вала на холостому ході, Хв-1	1000	900
Маса двигуна, кг
Габаритні розміри, мм




Витрата масла в% від витрати палива
Ресурс двигуна до першого капітального ремонту, Тис. Км
призначення	ВАЗ-21059/21079	ВАЗ-2108/2109/21099/2115/2110

випускаються моделі

двигун РПД	Час розгону 0-100, сек	Максимальна швидкість, км \\ год

ККД роторно-поршневий конструкції

Не дивлячись на ряд недоробок, проведені дослідження показали, що загальний ККД двигуна Ванкеля досить-таки високий за сучасними мірками. Його значення становить 40 - 45%. Для порівняння, у поршневих двигунів внутрішнього згоряння ККД становить 25%, у сучасних турбодизелів - близько 40%. Найвищий ККД у поршневих дизельних двигунів становить 50%. До теперішнього часу вчені продовжують роботу з вишукування резервів для підвищення ККД двигунів.

Підсумковий ККД роботи мотора складається з трьох основних частин:

Дослідження в цій області показують, що тільки 75% пального згоряє в повному обсязі. Є думка, що дана проблема вирішується шляхом поділу процесів згоряння і розширення газів. Необхідно передбачити облаштування спеціальних камер при оптимальних умовах. Горіння має відбуватися в замкнутому просторі, за умови наростання температурних показників і тиску, розширювальний процес повинен відбуватися при невисоких показниках температур.

ККД механічний (характеризує роботу, результатом якої стало утворення переданого споживачу крутного моменту головної осі).

Порядку 10% роботи мотора витрачається на приведення в рух допоміжних вузлів і механізмів. Виправити цю недоробку можна шляхом внесення змін до пристрій двигуна: коли головний рухомий робочий елемент не торкається до нерухомого корпусу. Постійне плече крутного моменту повинно бути присутнім на всьому шляху проходження основного робочого елемента.

Термічна ефективність (показник, що відображає кількість теплової енергії, утвореної від спалювання палива, що перетвориться в корисну роботу).

На практиці 65% отриманої теплової енергії випаровується з відпрацьованими газами в навколишнє середовище. Ряд досліджень показав, що можна домогтися підвищення показників термічної ефективності в тому випадку, коли конструкція мотора дозволяла б здійснювати згоряння пального в теплоізольованої камері, щоб з самого початку досягалися максимальні показники температури, а в кінці ця температура знижувалася до мінімальних значень шляхом включення парової фази.

Роторно-поршневий двигун Ванкеля

Поршень двигуна являє собою деталь, що має циліндричну форму і здійснювало зворотно-поступальні рухи всередині циліндра. Він належить до числа найбільш характерних для двигуна деталей, оскільки реалізація термодинамічної процесу, що відбувається в ДВС, відбувається саме при його допомоги. поршень:

сприймаючи тиск газів, передає виникає зусилля на;
герметизирует камеру згоряння;
відводить від неї надлишок тепла.

На фотографії вище продемонстровані чотири такту роботи поршня двигуна.

Екстремальні умови зумовлюють матеріал виготовлення поршнів

Поршень експлуатується в екстремальних умовах, характерними рисами яких є високі: тиск, інерційні навантаження і температури. Саме тому до основних вимог, що пред'являються матеріалами для його виготовлення відносять:

високу механічну міцність;
гарну теплопровідність;
малу щільність;
незначний коефіцієнт лінійного розширення, антифрикційні властивості;
хорошу корозійну стійкість.

Необхідним параметрам відповідають спеціальні алюмінієві сплави, що відрізняються міцністю, термостійкістю і легкістю. Рідше у виготовленні поршнів використовуються сірі чавуни і сплави стали.

Поршні можуть бути:

литими;
кованими.

У першому варіанті їх виготовляють шляхом лиття під тиском. Ковані виготовляються методом штампування з алюмінієвого сплаву з невеликим додаванням кремнію (в середньому, близько 15%), що значно збільшує їх міцність і знижує ступінь розширення поршня в діапазоні робочих температур.

Конструктивні особливості поршня визначаються його призначенням

Основними умовами, що визначають конструкцію поршня, є тип двигуна і форма камери згоряння, особливості процесу згоряння, що проходить в ній. Конструктивно поршень є цілісний елемент, що складається з:

головки (днища);
ущільнюючої частини;
спідниці (направляючої частини).

Чи відрізняється поршень бензинового двигуна від дизельного? Поверхні головок поршнів двигунів бензинового і дизельного конструктивно відрізняються. У бензиновому двигуні поверхню головки - плоска або близька до неї. Іноді в ній виконуються канавки, що сприяють повному відкриттю клапанів. Для поршнів двигунів, обладнаних системою безпосереднього вприскування палива (СНВТ), властива більш складна форма. Головка поршня в дизельному двигуні значно відрізняється від бензинового, - завдяки виконанню в ній камери згоряння заданої форми, забезпечується краще завихрення і сумішоутворення.

На фотографії схема поршня двигуна.

Поршневі кільця: види і склад

Ущільнююча частина поршня включає в себе поршневі кільця, що забезпечують щільність з'єднання поршня з циліндром. Технічний стан двигуна визначається його ущільнюючої здатністю. Залежно від типу і призначення двигуна вибирається число кілець і їх розташування. Найбільш поширеною схемою є схема з двох компресійних і одного маслос'емного кілець.

Виготовляються поршневі кільця, в основному, зі спеціального сірого високоміцного чавуну, що має:

високі стабільні показники міцності і пружності в умовах робочих температур протягом усього періоду служби кільця;
високу зносостійкість в умовах інтенсивного тертя;
хороші антифрикційні властивості;
здатність швидкого і ефективного прірабативанія до поверхні циліндра.

Завдяки легирующим добавкам хрому, молібдену, нікелю і вольфраму, термостійкість кілець значно підвищується. Шляхом нанесення спеціальних покриттів з пористого хрому і молібдену, лудіння або фосфатування робочих поверхонь кілець покращують їх прірабативаемость, збільшують зносостійкість і захист від корозії.

Основним призначенням компресійного кільця є перешкоджання потраплянню в картер двигуна газів з камери згоряння. Особливо великі навантаження припадають на перше компресійне кільце. Тому при виготовленні кілець для поршнів деяких форсованих бензинових і всіх дизельних двигунів встановлюють вставку зі сталі, яка підвищує міцність кілець і дозволяє забезпечити максимальну ступінь стиснення. За формою компресійні кільця можуть бути:

трапецієподібні;
тбочкообразние;
тконіческіе.

При виготовленні деяких кілець виконується поріз (виріз).

На маслос'емноє кільце покладається функція видалення надлишків олії зі стінок циліндра і перешкоджання його проникненню в камеру згоряння. Воно відрізняється наявністю безлічі дренажних отворів. У конструкціях деяких кілець передбачені пружинні розширювачі.

Форма направляючої частини поршня (інакше, спідниці) може бути конусоподібної або бочкообразной, Що дозволяє компенсувати його розширення при досягненні високих робочих температур. Під їх впливом форма поршня стає циліндричної. Бічну поверхню поршня з метою зниження викликаних тертям втрат покривають шаром антифрикційного матеріалу, з цією метою використовується графіт або дисульфід молібдену. Завдяки отворам з приливами, виконаним в спідниці поршня, здійснюється кріплення поршневого пальця.

Вузол, що складається з поршня, компресійних, маслоз'ємних кілець, а також поршневого пальця прийнято називати поршневий групою. Функція її з'єднання з шатуном покладено на сталевий поршневий палець, який має трубчасту форму. До нього пред'являються вимоги:

мінімальної деформації при роботі;
високої міцності при змінному навантаженні і зносостійкості;
хорошою опірності ударного навантаження;
малої маси.

За способом установки поршневі пальці можуть бути:

закріплені в бобишках поршня, але обертатися в головцішатуна;
закріплені в головцішатуна і обертатися в бобишках поршня;
вільно обертаються в бобишках поршня і у головцішатуна.

Пальці, встановлені за третім варіантом, називаються плаваючими. Вони є найбільш популярними, оскільки їх знос по довжині та кола є незначним і рівномірним. При їх використанні небезпека заїдання зведена до мінімуму. Крім того, вони зручні при монтажі.

Відведення надлишків тепла від поршня

Поряд зі значними механічними навантаженнями поршень також піддається негативному впливу екстремально високих температур. Тепло від поршневої групи відводиться:

системою охолодження від стінок циліндра;
внутрішньою порожниною поршня, далі - поршневим пальцем і шатуном, а також маслом, що циркулює в системі мастила;
частково холодної паливо-повітряної сумішшю, яка подається в циліндри.

З внутрішньої поверхні поршня його охолодження здійснюється за допомогою:

розбризкування масла через спеціальну форсунку або отвір в шатуне;
масляного туману в порожнині циліндра;
впорскування масла в зону кілець, в спеціальний канал;
циркуляції масла в голівці поршня по трубчастого змійовика.

Відео - робота двигуна внутрішнього згоряння (такти, поршень, суміш, іскра):

Відео про чотиритактний двигун - принцип роботи:

Більшість автомобілів змушує переміщатися поршневий двигун внутрішнього згоряння (скорочено ДВС) з кривошипно-шатунним механізмом. Така конструкція набула масового поширення в силу малої вартості і технологічності виробництва, порівняно невеликих габаритів і ваги.

По виду застосовуваного палива ДВС можна розділити на бензинові і дизельні. Треба сказати, що бензинові двигуни чудово працюють на. Такий поділ безпосередньо позначається на конструкції двигуна.

Як влаштований поршневий двигун внутрішнього згоряння

Основа його конструкції - блок циліндрів. Це корпус, відлитий з чавуну, алюмінієвого або іноді магнієвого сплаву. Більшість механізмів і деталей інших систем двигуна кріпляться саме до блоку циліндрів, або розташовуються усередині його.

Інша велика деталь двигуна, це його головка. Вона знаходиться у верхній частині блоку циліндрів. У голівці також розташовуються деталі систем двигуна.

Знизу до блоку циліндра кріпиться піддон. Якщо ця деталь сприймає навантаження при роботі двигуна, її часто називають піддоном картера, або картером.

Всі системи двигуна

кривошипно-шатунний механізм;
механізм газорозподілу;
система харчування;
система охолодження;
система змазки;
система запалювання;
система управління двигуном.

Кривошипно-шатунний механізм складається з поршня, гільзи циліндра, шатуна і колінчастого вала.

Кривошипно-шатунний механізм:
1. Розширювач маслос'емного кільця. 2. Кільце поршневе маслос'емного. 3. Кільце компресійне, третє. 4. Кільце компресійне, друге. 5. Кільце компресійне, верхнє. 6. Поршень. 7. Кільце стопорне. 8. Палець поршневий. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Кришка шатуна. 12. Вкладиш нижній головки шатуна. 13. Болт кришки шатуна, короткий. 14. Болт кришки шатуна, довгий. 15. Шестерня ведуча. 16. Заглушка масляного каналу шатунной шийки. 17. Вкладиш підшипника колінчастого вала, верхній. 18. Вінець зубчастий. 19. Болти. 20. Маховик. 21. Штифти. 22. Болти. 23. Маслоотражатель, задній. 24. Кришка заднього підшипника колінчастого вала. 25. Штифти. 26. Півкільце наполегливої \u200b\u200bпідшипника. 27. Вкладиш підшипника колінчастого вала, нижній. 28. Противага колінчастого вала. 29. Гвинт. 30. Кришка підшипника колінчастого вала. 31. Болт стягнутий. 32. Болт кріплення кришки підшипника. 33. Вал колінчастий. 34. Противага, передній. 35. Маслоотрожатель, передній. 36. Гайка замкова. 37. Шків. 38. Болти.

Поршень розташований всередині гільзи циліндра. За допомогою поршневого пальця він з'єднаний з шатуном, нижня головка якого кріпиться до шатунной шийці колінчастого вала. Гільза циліндра являє собою отвір в блоці, або чавунну втулку, що вставляється в блок.

Гільза циліндрів з блоком

Гільза циліндра зверху закрита головкою. Колінчастий вал також кріпиться до блоку в нижній його частині. Механізм перетворює прямолінійний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Те саме обертання, яке, в кінцевому рахунку, змушує крутитися колеса автомобіля.

Газорозподільчий механізм відповідає за подачу суміші парів палива і повітря в простір над поршнем і видалення продуктів горіння через клапани, що відкриваються строго в певний момент часу.

Система харчування відповідає в першу чергу за приготування горючої суміші потрібного складу. Пристрої системи зберігають паливо, очищають його, змішують з повітрям так, щоб забезпечити приготування суміші потрібного складу і кількості. Також система відповідає за видалення з двигуна продуктів горіння палива.

При роботі двигуна утворюється теплова енергія в кількості більшій, ніж двигун здатний перетворити в механічну енергію. На жаль, так званий термічний коефіцієнт корисної дії, навіть кращих зразків сучасних двигунів не перевищує 40%. Тому доводиться велика кількість «зайвої» теплоти розсіювати в навколишньому просторі. Саме цим і займається, відводить тепло і підтримує стабільну робочу температуру двигуна.

Система змазки . Це як раз той випадок: «Не підмажеш, не поїдеш». У двигунах внутрішнього згоряння велика кількість вузлів тертя і так званих підшипників ковзання: є отвір, в ньому обертається вал. Чи не буде мастила, від тертя і перегріву вузол вийде з ладу.

Система запалювання покликана підпалити, строго в певний момент часу, суміш палива та повітря в просторі над поршнем. такої системи немає. Там паливо самозаймається при певних умовах.

Відео:

Система управління двигуном за допомогою електронного блоку управлінні (ЕБУ) управляє системами двигуна і координує їх роботу. В першу чергу це приготування суміші потрібного складу і своєчасне підпалювання її в циліндрах двигуна.

У циліндро-поршневої групи (ЦПГ) відбувається один з основних процесів, завдяки чому двигун внутрішнього згоряння функціонує: виділення енергії в результаті спалювання паливо-повітряної суміші, яка згодом перетвориться в механічну дію - обертання коленвала. Основний робочий компонент ЦПГ - поршень. Завдяки йому створюються необхідні для згоряння суміші умови. Поршень - перший компонент, який бере участь в перетворенні одержуваної енергії.

Поршень двигуна циліндричної форми. Розташовується він в гільзі циліндра двигуна, це рухливий елемент - в процесі роботи він здійснює зворотно-поступальні рухи, через що поршень виконує дві функції.

При поступальному русі поршень зменшує обсяг камери згоряння, стискаючи паливну суміш, Що необхідно для процесу згоряння (в дизельних моторах займання суміші і зовсім походить від її сильного стиснення).
Після займання паливо-повітряної суміші в камері згоряння різко зростає тиск. Прагнучи збільшити обсяг, воно виштовхує поршень назад, і він робить ще одне рух, що передається через шатун коленвалу.

КОНСТРУКЦІЯ

Пристрій деталі включає в себе три складові:

Днище.
Ущільнююча частина.
Спідниця.

Зазначені складові є як в суцільнолитих порушених (найпоширеніший варіант), так і в складових деталях.

днища

Днище - основна робоча поверхня, оскільки вона, стінки гільзи і головка блоку формують камеру згоряння, в якій і відбувається спалювання паливної суміші.

Головний параметр днища - форма, яка залежить від типу двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) і його конструктивних особливостей.

У двотактних двигунах застосовуються поршні, у яких днище сферичної форми - виступ днища, це підвищує ефективність наповнення камери згоряння сумішшю і відведення відпрацьованих газів.

У чотиритактних бензинових моторах днище плоске або увігнуте. Додатково на поверхні проробляються технічні поглиблення - виїмки під клапанні тарілки (усувають ймовірність зіткнення поршня з клапаном), поглиблення для поліпшення сумішоутворення.

У дизельних моторах поглиблення в днище найбільш габаритні і мають різну форму. Такі виїмки називаються поршневий камерою згоряння і призначені вони для створення завихрень при подачі повітря і палива в циліндр, щоб забезпечити краще змішування.

Ущільнююча частина призначена для установки спеціальних кілець (компресійних і маслоз'ємних), завдання яких - усувати зазор між поршнем і стінкою гільзи, перешкоджаючи прориву робочих газів в підпоршневу простір і мастила - в камеру згоряння (ці фактори знижують ККД мотора). Це забезпечує відведення тепла від поршня до гільзи.

ущільнюють ЧАСТИНА

Ущільнююча частина включає в себе проточки в циліндричній поверхні поршня - канавки, розташовані за днищем, і перемички між канавками. У двотактних двигунах в проточки додатково поміщені спеціальні вставки, в які впираються замки кілець. Ці вставки необхідні для виключення вірогідності провертання кілець і попадання їх замків у впускні і випускні вікна, що може стати причиною їх руйнування.

Перемичка від кромки днища і до першого кільця іменується жаровим поясом. Цей пояс сприймає на себе найбільшу температурний вплив, тому висота його підбирається, виходячи з робочих умов, створюваних всередині камери згоряння, і матеріалу виготовлення поршня.

Число канавок, виконаних на ущільнюючої частини, відповідає кількості поршневих кілець (а їх може використовуватися 2 - 6). Найбільш же поширена конструкція з трьома кільцями - двома компресійними і одним маслос'емниє.

У канавці під маслос'емноє кільце проробляються отвори для стека масла, яке знімається кільцем зі стінки гільзи.

Разом з днищем ущільнювальна частина формує головку поршня.

Спідниця

Спідниця виконує роль напрямної для поршня, не даючи йому змінити положення щодо циліндра і забезпечуючи тільки зворотно-поступальний рух деталі. Завдяки цієї складової здійснюється рухоме з'єднання поршня з шатуном.

Для з'єднання в спідниці пророблені отвори для установки поршневого пальця. Щоб підвищити міцність в місці контакту пальця, з внутрішньої сторони спідниці виготовлені спеціальні масивні напливи, іменовані бобишками.

Для фіксації поршневого пальця в поршні в настановних отворах під нього передбачені проточки для стопорних кілець.

ТИПИ ПОРШНІВ

У двигунах внутрішнього згоряння застосовується два типи поршнів, що розрізняються по конструктивному пристрою - цілісні і складові.

Цілісні деталі виготовляються шляхом лиття з наступною механічною обробкою. В процесі лиття з металу створюється заготовка, якій надається загальна форма деталі. Далі на металообробних верстатах в отриманої заготівлі обробляються робочі поверхні, нарізаються канавки під кільця, проробляються технологічні отвори і поглиблення.

В складових елементах головка і спідниця розділені, і в єдину конструкцію вони збираються в процесі установки на двигун. Причому збірка в одну деталь здійснюється при з'єднанні поршня з шатуном. Для цього, крім отворів під поршневий палець в спідниці, на голівці є спеціальні вушка.

Гідність складових поршнів - можливість комбінування матеріалів виготовлення, що підвищує експлуатаційні якості деталі.

МАТЕРІАЛИ ВИГОТОВЛЕННЯ

Як матеріал виготовлення для суцільнолитих поршнів використовуються алюмінієві сплави. Деталі з таких сплавів характеризуються малою вагою і хорошою теплопровідністю. Але при цьому алюміній не є високоміцним і жаростійким матеріалом, що обмежує використання поршнів з нього.

Литі поршні виготовляються і з чавуну. Цей матеріал міцний і стійкий до високих температур. Недоліком їх є значна маса і слабка теплопровідність, що призводить до сильного нагрівання поршнів в процесі роботи двигуна. Через це їх не використовують на бензинових моторах, оскільки висока температура стає причиною виникнення гартівного запалення (топливовоздушная суміш запалюється від контакту з розігрітими поверхнями, а не від іскри свічки запалювання).

Конструкція складових поршнів дозволяє комбінувати між собою зазначені матеріали. У таких елементах спідниця виготовляється з алюмінієвих сплавів, що забезпечує гарну теплопровідність, а головка - з жароміцної сталі або чавуну.

Але і у елементів складеного типу є недоліки, серед яких: