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.
Поршні можуть бути:
- литими;
- кованими.
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.
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.
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.
- 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.
- 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 про чотиритактний двигун - принцип роботи:
Визначення.
поршневий двигун - один з варіантів двигуна внутрішнього згоряння, що працює за рахунок перетворення внутрішньої енергії палива, що згорає в механічну роботу поступального руху поршня. Поршень починає рухатися при розширенні робочого тіла в циліндрі.
Кривошипно-шатунний механізм перетворює поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.
Робочий цикл двигуна складається з послідовності тактів односторонніх поступальних ходів поршня. Підрозділяють двигуни з двома і чотирма тактами роботи.
Принцип роботи двотактного і чотиритактного поршневих двигунів.
Кількість циліндрів в поршневих двигунах може варіюватися в залежності від конструкції (від 1-го до 24-х). Об'єм двигуна прийнято вважати рівним сумі обсягів усіх циліндрів, місткість яких знаходять за твором поперечного перерізу на хід поршня.
В поршневих двигунах різних конструкцій по-різному відбувається процес запалення палива:
електроіскровим розрядом, Який утворюється на свічках запалювання. Такі двигуни можуть працювати як на бензині, так і на інших видах палива (природний газ).
Стисненням робочого тіла:
В дизельних двигунах, Що працюють на дизельному паливі або газі (з 5% додаванням дизпалива), стискається повітря, і при досягненні поршнем точки максимального стиснення, відбувається вприскування палива, яке запалюється від контакту з нагрітим повітрям.
Двигуни компресійної моделі. Подача палива в них точно така ж, як і в бензинових двигунах. Тому, для їх роботи, необхідні особливий склад палива (з домішками повітря і діетилового ефіру), а також точне регулювання ступеня стиснення. Компресорні двигуни знайшли своє поширення в авіабудуванні і автомобілебудуванні.
гартівні двигуни. Принцип їх дії багато в чому схожий з двигунами компресійної моделі, однак не обійшлося без конструкційної особливості. Роль запалювання в них виконує - гартівна свічка, загострення якої підтримується енергією згорає на попередньому такті палива. Склад палива також особливий, за основу беруть метанол, нитрометан і касторове масло. Застосовуються такі двигуни, як на автомобілях, так і на літаках.
Калорізаторние двигуни. У цих двигунах займання відбувається при контакті палива з гарячими частинами двигуна (зазвичай - днище поршня). В якості палива застосовується мартенівський газ. Використовуються вони в якості приводних двигунів на прокатних станах.
Види палива, що застосовуються в поршневих двигунах:
рідке паливо - дизпаливо, бензин, спирти, біодизель;
гази - природні та біологічні гази, зріджені гази, водень, газоподібні продукти крекінгу нафти;
Виробляється в газогенераторе з вугілля, торфу та деревини, монооксид вуглецю також використовується в якості палива.
Робота поршневих двигунів.
Цикли роботи двигунів детально розписані в технічній термодинаміці. Різні циклограми описуються різними термодинамічними циклами: Отто, Дизеля, Аткінсона або Міллера і Трінклера.
Причини поломок поршневих двигунів.
ККД поршневого ДВС.
Максимальний ККД який вдалося отримати на поршневому двигуні становить 60%, тобто трохи менше половини палива, що згорає витрачається на нагрів деталей двигуна, а також виходить з теплом вихлопних газів. У зв'язку з чим, доводиться оснащувати двигуни системами охолодження.
Класифікація систем охолодження:
повітряні СО - віддають тепло повітрю за рахунок ребристою зовнішньої поверхні циліндрів. чи застосовуються
бо на слабких двигунах (Десятки к.с.), або на потужних авіаційних двигунах, які охолоджуються швидким потоком повітря.
рідинні СО - в якості охолоджувача використовується рідина (вода, антифриз або масло), яка прокачується через сорочку охолодження (канали в стінках блоку циліндрів) і надходить в радіатор охолодження, в якому вона охолоджується повітряними потоками, природними або від вентиляторів. Рідко, але в якості теплоносія також використовується металевий натрій, який розплавляється від тепла прогрівалося двигуна.
Застосування.
поршневі двигуни, Завдяки своєму потужностного діапазону, (1 ват - 75 000 кВт) здобули велику популярність не тільки в автомобілебудуванні, а й авіабудуванні і суднобудуванні. Вони також використовуються для приводу бойової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, водяних насосів, бензопил і інших машин, як мобільних так і стаціонарних.
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
