Из чего состоит поршень: Поршень двигателя — устройство и неисправности

Поршень – из чего состоит, как работает, почему прогорает

Прогар поршня – довольно распространенное явление, особенно на современных высокофорсированных дизельных моторах. Случаи прогара поршня случаются и на бензиновых двигателях. Однако такую неисправность почти всегда можно предупредить.

Прогоревший поршень – это всегда следствие неправильной работы одной или нескольких систем двигателя. Если двигатель исправен и работает как надо – поршни в нем не прогорают.

Читайте также: Двигатель внутреннего сгорания может быть экологически чистым: инженеры

Строение

Несмотря на довольно простой вид, поршни имеют сложное строение и очень точные размеры. Самое сложное строение в современных поршнях дизельных моторов, ведь они содержат в себе и камеру сгорания, и масляную галерею для охлаждения.

Мы не будем глубоко разбирать строение поршня, отметим лишь, что каждый поршень имеет днище – часть, которая непосредственно контактирует с рабочими газами, и юбку – которая по сути является направляющим элементом, трущуюся о стенки цилиндра.

Поршневые кольца устанавливаются ближе к верхней части поршня, то есть ближе к днищу. Именно в районе поршневых колец чаще всего прогорают поршни, ведь эта часть имеет наибольшие тепловые нагрузки.

Как работает

Условия работы поршня очень непростые из-за высоких температур, значительных нагрузок, а также больших скоростей передвижения. Более того, поршни является одним из основных элементов, которые ограничивают производительность двигателя – ведь их нужно постоянно разгонять и останавливать в цилиндрах. Следовательно, их вес стремятся сделать как наименьшей.

Одной из задач поршня является принятие на днище огромной температуры и отдача ее через юбку на стенки цилиндра. В подавляющем большинстве высоконагруженных двигателей существует дополнительная система охлаждения поршней моторным маслом.

С помощью форсунок оно подается снизу и охлаждает поршень.

Почему прогорает

Прогоревший поршень – всегда следствие неисправности какой-то из систем. Чаще всего причину стоит искать в системе подачи смазки для охлаждения днища поршня. Но бывают и другие. Наиболее распространенная, особенно у дизельных и высокофорсированных бензиновых турбодвигателей – попадание масла во впускной тракт (например, из-за неисправного турбонагнетателя или из-за системы вентиляции картера). В таком случае температура горения горючего значительно возрастает и это может привести к прогару поршня.

Также к прогару может привести тюнинг, который связан с повышением давления турбонагнетателя. Нередко приводят к прогару поршня и проблемы со смесью и зажиганием. Даже горючее неподходящего качества может нанести вред поршням.

Перегрев двигателя почти всегда приводит к проблемам с поршнями. Чаще всего из-за перегрева они сильно расширяются и прикипают к стенкам цилиндра. На поршнях возникают задиры, а поршневые кольца теряют упругость и подвижность.

Что делать, чтобы не прогорел

Во-первых, нужно вовремя и правильно обслуживать двигатель. Не стоит сводить плановые ТО к одной лишь замене масла. При каждом ТО специалист должен осмотреть двигатель, ведь очень часто опытный мастер способен найти и устранить небольшую проблему еще до того, пока она приведет к серьезным последствиям. Если вам показалось, что в работе двигателя произошли какие-то изменения, – не медлите, обращайтесь к специалистам.

Во-вторых, если хотите, чтобы ресурс двигателя не пострадал, не стоит увлекаться тюнингом, целью которого является увеличение мощности. Даже лучшие тюнговые центры не имеют такого опыта, как инженеры на заводе-изготовителе. В огромных конструкторских бюро, которые занимаются разработкой двигателей, работают лучшие инженеры мира. Вряд ли специалисты по тюнингу смогут показать лучшие результаты при условии сохранения ресурса двигателя.

В-третьих, используйте только качественные горюче-смазочные материалы. Не стоит экспериментировать с моторным маслом, заливая малоизвестные бренды и тем более подделку. Также не стоит заправляться на заправках сомнительного качества.

Резюме Авто24:

Прогар поршня – очень серьезная неисправность, устранение которой стоит дорого. Но хорошая новость в том, что поршня не прогорают врасплох, о наступлении такой поломки двигатель обычно предупреждает изменениями в работе. Хороший специалист, в подавляющем большинстве случаев, сможет распознать такую неисправность на ранних стадиях. Поэтому даже для прохождения обычного ТО стоит обращаться только в проверенный автосервис.

Поршень двигателя. Устройство и назначение

Топливная смесь, сгорающая в цилиндре ДВС, выделяет тепловую энергию. Далее она превращается в механическое действие, заставляющее вращаться коленвал. Ключевой элемент этого процесса — поршень.

Эта деталь не настолько примитивна, как может показаться на первый взгляд. Было бы большой ошибкой рассматривать его как простой толкатель.

Функциональное назначение

Поршень размещается в цилиндре, где и происходят его возвратно-поступательные движения.

В ходе продвижения в сторону верхней мертвой точки (ВМТ) поршень сжимает горючую смесь. В бензиновом моторе она воспламеняется с помощью свечи зажигания в момент, близкий к максимальному давлению. В дизеле воспламенение происходит непосредственно из-за сильного сжатия.

Возросшее давление образующихся при сгорании газов толкает поршень в обратную сторону. Вместе с поршнем движется сочлененный с ним шатун, который и заставляет вращаться коленвал. Так энергия сжатых газов преобразуется во вращательный момент, передаваемый посредством трансмиссии на колеса автомобиля.

Требования к конструкции и материалам

Во время сгорания температура газов достигает 2 тысяч градусов. Так как горение носит взрывной характер, то поршень подвергается сильным ударным нагрузкам.

Чрезвычайная нагруженность и близкие к экстремальным условия работы предполагают особые требования к конструкции и используемым для его изготовления материалам.

При разработке поршней приходится учитывать несколько важных моментов:

• необходимость обеспечить длительный срок работы, а значит, максимально снизить износ детали;

• предотвратить прогар поршня в условиях функционирования в высокотемпературном режиме;

• обеспечить максимальное уплотнение для исключения прорыва газов;

• минимизировать потери, возникающие из-за трения;

• обеспечить эффективное охлаждение.

Материал для поршней должен обладать рядом специфических свойств:

• значительная прочность;

• максимально возможная теплопроводность;

• термостойкость и способность выдерживать резкие перепады температуры;

• коэффициент теплового расширения должен иметь небольшую величину и быть максимально близким к соответствующему коэффициенту у цилиндра, чтобы обеспечить хорошее уплотнение;

• антикоррозийная устойчивость;

• антифрикционные свойства;

• невысокая плотность, чтобы деталь не была слишком тяжелой.

Поскольку материал, идеально отвечающий всем этим требованиям, пока не создан, приходиться пользоваться компромиссными вариантами. Поршни для моторов изготавливают из серого чугуна и сплавов алюминия с кремнием (силумин). В составных поршнях для дизелей иногда делают головку из стали.

Чугун достаточно прочен и износоустойчив, хорошо переносит сильный нагрев, обладает антифрикционными свойствами и небольшим температурным расширением. Но из-за невысокой теплопроводности чугунный поршень способен нагреваться до 400°C. В бензиновом двигателе это неприемлемо, так как может вызвать калильное зажигание.

Поэтому в большинстве случаев поршни для автомобильных моторов изготавливают способом штамповки или литья из силумина, содержащего не менее 13% кремния. Чистый алюминий не годится, так как слишком сильно расширяется при нагревании, что приводит к повышенному трению и задирам. Такими могут быть подделки, на которые можно нарваться, приобретая запчасти в сомнительных местах. Чтобы этого не случилось, обращайтесь к надежным продавцам.

Поршень из алюминиевого сплава легкий и хорошо проводит тепло, благодаря чему нагрев его не превышает 250 °C. Это вполне годится для моторов, работающих на бензине. Антифрикционные свойства силумина также достаточно хорошие.

В то же время этот материал не лишен недостатков. С повышением температуры он становится менее прочным. А из-за значительного линейного расширения при нагреве приходится применять дополнительные меры, чтобы сохранить уплотнение по периметру головки и не снизить компрессию.

Устройство

Данная деталь имеет форму стакана и состоит из головки и направляющей части (юбки). В головке, в свою очередь, можно выделить днище и уплотняющую часть.

Днище

Является главной рабочей поверхностью поршня, именно оно воспринимает давление расширяющихся газов. Его поверхность определяется типом агрегата, размещением форсунок, свечей, клапанов и конкретным устройством ЦПГ. Для моторов, использующих бензин, она делается плоской либо вогнутой формы с дополнительными вырезами, позволяющими избежать повреждения клапанов. Выпуклое днище дает повышенную прочность, но увеличивает теплоотдачу, а потому применяется редко. Вогнутое позволяет организовать небольшую камеру сгорания и обеспечить высокую степень сжатия, что особенно актуально в дизельных агрегатах.

Уплотняющая часть

Это боковая сторона головки. В ней по окружности проделаны бороздки для поршневых колец.

Компрессионные кольца играют роль уплотнения, предотвращая утечку сжатых газов, а маслосъемные удаляют со стенки смазку, не давая ей попасть в камеру сгорания. Масло стекает под поршень сквозь отверстия в бороздке и далее возвращается в масляный картер.

Участок боковой стороны между краем днища и верхним кольцом называется огневым или жаровым поясом. Именно он испытывает максимальное термическое воздействие. Для исключения прогорания поршня этот пояс делается достаточно широким.

Направляющая часть

Не позволяет поршню перекоситься в ходе возвратно-поступательного движения.

С целью компенсации термического расширения юбка делается криволинейной или конусообразной. Сбоку обычно наносится антифрикционное покрытие.

Изнутри имеются бобышки — два наплыва с отверстиями под поршневой палец, на который надевается головка шатуна.

С боков в районе расположения бобышек делаются небольшие углубления, препятствующие термическим деформациям и возникновению задиров.

Охлаждение

Так как температурный режим работы поршня весьма напряженный, то вопрос его охлаждения очень важен.

Главный путь удаления тепла — поршневые кольца. Через них отводится не менее половины излишков тепловой энергии, которая передается стенке цилиндра и далее — рубашке охлаждения.

Другой важный канал теплоотвода — смазка. Используется масляный туман в цилиндре, поступление смазки через отверстие в шатуне, принудительное разбрызгивание масляной форсункой и иные способы. Посредством циркуляции масла может удаляться более одной трети тепла.

Кроме того, часть тепловой энергии уходит на нагрев свежей порции поступившей в цилиндр горючей смеси.

Поршневые кольца

Кольца поддерживают в цилиндрах нужную величину компрессии и отводят львиную долю тепла. А еще на них приходится около четверти всех потерь на трение в ДВС. Поэтому значение качества и состояния поршневых колец для стабильной работы двигателя трудно переоценить.

Обычно колец три — два компрессионных сверху и одно маслосъемное снизу. Но бывают варианты и с другим количеством колец — от двух до шести.

Канавка верхнего кольца в силуминовом поршне иногда делается со стальной вставкой, повышающей износоустойчивость.

Производят кольца из специальных марок чугуна. Такие кольца отличаются высокой прочностью, упругостью, износоустойчивостью, низким коэффициентом трения и сохраняют свои свойства на протяжении длительного времени. Дополнительную термостойкость поршневым кольцам придают добавки молибдена, вольфрама и некоторых других металлов.

Новые поршневые кольца нуждаются в притирке. Если вы заменили кольца, обязательно некоторое время обкатайте двигатель, избегая напряженных режимов работы. В противном случае не притертые кольца могут перегреться и потерять упругость, а в некоторых случаях даже сломаться. Итогом может стать нарушение уплотнения, потеря мощности, попадание смазки в камеру сгорания, перегрев и прогорание поршня.

Поршни

Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца и деталей крепления пальца. Поршни бензиновых двигателей отливаются из алюминиевого сплава в коккиль (металлическую форму) под давлением. Форма днища поршня определяется типом камеры сгорания. Для уменьшения теплопепередачи в поршень , уменьшения массы и простоты обработки днище должно быть плоским. Однако существует много причин , требующих изменения днища поршня. С точки зрения протекания процесса сгорания оптимальной является компактная камера сгорания с выемкой в днище поршня под свечой зажигания. Иногда в днище поршня приходится делать выемки в зоне расположения тарелок клапанов, чтобы предотвратить их контакт с поршнем в зоне верхней мертвой точки, когда клапаны находятся в приоткрытом положении. При этом приходится учитывать изменения размеров поршня и клапанов в следствии их нагрева. На форму днища поршня могут влиять и требования унификации. Например поршни выполняются с выемки под клапана, чтобы удовлетворить потребности установок различных головок блока устанавливаемых на этот мотор, хотя к некоторым головкам выемки не нужны. Изменяя только форму днища поршня можно выпускать различные модификации двигателей с различными степенями сжатия под разные бензины. Поршни имеют высокий градиент перепада температур между днищем и юбкой. Поэтому цилиндрическая поверхность поршня в холодном состоянии имеет сложную форму и должна приобретать идеальную цилиндрическую форму при прогреве двигателя до рабочих температур. Обычно верхний пояс в зоне до первого компрессионного кольца имеет наибольшую температуру и соответственно наименьший диаметр, обеспечивающий зазор в холодном состоянии до 0.1 — 0.3 мм. Наличие этого зазора и объема находящегося в нем приводит к вялому сгоранию и повышенному выбросу углеводородов. В зоне верхнего пояса иногда делается проточка для снижения температуры в зоне верхнего компрессионного кольца. Следующие пояса выполняются с постепенно уменьшающимся зазором. На юбках поршней старых двигателей иногда делался разрез , что нередко повышало вероятность поломки поршней. Поршни современных двигателей выполняются с конической или бочкообразной поверхностью юбки с учетом распределения температур по высоте поршня. Основная нагрузка приходится на поверхность юбки поршня перпендикулярно оси пальца. Поэтому в поперечном сечении юбка поршня делается овальной формы,а в зоне бобышек поршневого пальца (называемой холодильниками) зазор увеличивается, что предотвращает задир при перегреве поршня. Для облегчения поршня, улучшения смазки и предотвращения задира в юбке выполняются отверстия (круглые, ромбовидные и другой формы). Однако это усложняет производство, уменьшает ресурс, поэтому такие поршни применяются для двигателей спортивных автомобилей. В зоне верхней мертвой точки происходит так называемая перекладка поршня, то есть до верхней мертвой точки под действием давления газов он прижимается к одной части цилиндра, а после верхней мертвой точки к другой противоположной части. При большом зазоре и холодном двигателе появляется стук поршня, головка поршня перемещается относительно поршневых колец, при перекладке, что приводит к увеличению износа поршневых колец и торцов их канавок в поршне. Для уменьшения этого эффекта ось пальца смещается относительно оси цилиндра или ось цилиндра смещается относительно оси коленчатого вала (дезаксаж или дезаксиал) Для уменьшения зазора в верхней части поршня и, следовательно для уменьшения выбросов СН, а также уменьшения шума от перекладки и износа канавок и самих колец, при отливке поршня в коккиль закладываются жаропрочные вставки в зоне верхнего поршневого кольца. В некоторых конструкциях в зоне бобышек поршневого пальца в коккиль устанавливаются кольца или стальные пластины, предотвращающие его задиры. К числу оригинальных решений относится конструкция поршня у которого на поршневом пальце на отдельных бобышках сидят раздельные головка и юбка. Это позволяет уменьшить зазор в зоне юбки, снизить влияние перекладки поршня.   Увеличение мощности двигателя    на главную        0-100 км/ч    0-100

Поршень двигателя: строение, принцип работы, неисправности

Поршень двигателя – это деталь цилиндрической формы, которая служит для преобразования энергии сжатой воздушно-топливной смести в энергию поступательного движения. Далее эта энергия при помощи шатунов и коленчатого вала преобразуется в крутящий момент.

Конструкция поршня

Стандартный поршень двигателя состоит из 3 основных частей:

• Днища: служит для восприятия тепловой нагрузки и газовых сил

• Уплотняющей части: передает большую часть тепла от поршня к цилиндру и препятствует прорыву газов

• Направляющей части: поддерживает положение поршня и передает боковую силу на стенку цилиндра

Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.

Днище

Форма днища зависит от многих факторов: типа двигателя и смесеобразования, расположения форсунок, свечей и клапанов, метода организации газообмена в цилиндре.

Поршни с выпуклым днищем обладают повышенной прочностью, но камера сгорания при этом имеет линзовидную форму, а теплоотдача выше. В двигателях искрового типа увеличение теплоотдачи позволяет повысить допустимую степень сжатия, что способствует некоторой компенсации механических потерь.

Поршни с вогнутым днищем, напротив, образуют компактную форму камеры сгорания. Они используются в дизельных двигателях, а также в бензиновых агрегатах с высокой степенью сжатия и низким потреблением топлива. Такие детали более склонны к образованию нагара.

Поршни с плоским днищем проще в производстве. Они используются как в бензиновых, так и дизельных двигателях вихрекамерного и предкамерного типа.

Днище поршня принимает на себя основную термонагрузку, в связи с чем имеет большую толщину. Чем оно толще, тем больше масса самого поршня, но меньше нагрев. Стандартная толщина днища составляет 7-9 мм, в турбомоторах – 11 мм, а в дизельных двигателях – 10-16 мм. Существуют также поршни, толщина днища которых меньше стандартной – 5,5-6 мм. Такие применяются, к примеру, в некоторых моделях автомобилей Honda.

Для увеличения прочности, а также снижения вероятности перегрева и прогорания на некоторых видах поршней днище и первая канавка, предназначенная для компрессионного кольца, подвергаются твердому анодированию. То есть верхний тонкий слой алюминия преобразуется в керамическое покрытие толщиной 8-12 мкм.

Уплотняющая часть

В уплотняющую часть входят маслосъемные и компрессионные кольца. Маслосъемные имеют сквозные отверстия по периметру, сквозь которые внутрь поршня поступает масло, удаленное с поверхности цилиндра. Некоторые из них снабжены специальным ободком, выполненным из стойкого к коррозии чугуна, со специальной канавкой для верхнего компрессионного кольца.

В современных двигателях используется всего три кольца – одно маслосъемное и два компрессионных.

Компрессионные кольца предотвращают попадание отработавших газов в картер двигателя из камеры сгорания. По форме они могут быть трапециевидными, коническими и бочкообразными. Некоторые виды таких колец имеют вырез. Наибольшие нагрузки воспринимает первое компрессионное кольцо, поэтому для увеличения ресурса детали ее канавку укрепляют при помощи стальной вставки.

Маслосъемные кольца предназначены для удаления излишков масла из цилиндра. Они также препятствуют попаданию смазки в камеру сгорания, для чего служат сквозные отверстия. Некоторые виды таких колец оснащаются пружинным расширителем.

Диаметр уплотняющая часть меньше, чем диаметр юбки. Это связано с тем, что нагрев в данной части поршня выше. Жаровый пояс имеет еще меньший диаметр, что позволяет избежать задиров на кольцах и их заклинивания в канавках. В отличие от юбки, уплотняющая часть в сечении круглая, а не овальная. Таким образом высоту пояса можно уменьшить.

Наибольшее значение для уплотнения поршня играет качество колец. В этом отношении чугунные маслосъемные кольца намного надежнее составных, так как при их установке возникает меньше всего ошибок. К тому же до 80 % тепла от поршня отводится именно через кольца. Именно поэтому при неплотном прилегании данных элементов потери приходятся на юбку, что влечет за собой появление задиров. Чтобы минимизировать этот процесс, в процессе обкатки двигателя ограничивают его мощность.

При перегреве еще неприработанных колец снижается их упругость, вследствие чего возникает ряд проблем: выброс масла, пропуск газов в картер и т.д. Также при перегреве возможно смыкание стыков, которое ведет к поломке колец, а в некоторых случаях и к обрыву самого поршня.

Направляющая часть

Направляющая (тронковая) часть называется юбкой поршня. С внутренней стороны она имеет бобышки, в которых находится отверстие под поршневой палец. Для фиксации последнего предусмотрены канавки, где размещаются детали, служащие для запирания пальца.

Нижняя кромка юбки предназначена для последующей механической обработки поршня. Для подобных целей она снабжается специальным буртиком. Если вес обработанного поршня больше, чем допускает двигатель, его подгоняют, снимая часть металла с внутренней стороны буртика. В тех местах, где находятся отверстия под поршневой палец, с наружной части юбки вырезают специальные углубления. В результате стенки этих зон не взаимодействуют со стенками цилиндра, образуя так называемые «холодильники».

Стенки юбки поршня также предназначены для восприятия силы бокового давления, что увеличивает трение о стенки цилиндра и усиливает нагрев обеих деталей.

Чтобы обеспечить свободное перемещение поршня в цилиндре, когда двигатель уже прогрет и работает под нагрузкой, между юбкой и стенками цилиндра предусмотрен зазор. Его величина устанавливается в зависимости от линейного расширения металла поршня и цилиндра при нормальной работе двигателя. Если зазор меньше, чем необходимо, при перегреве на поверхностях поршня образуются задиры, детали могут заклинивать в цилиндре. При большом зазоре ухудшаются уплотняющие свойства поршня, детали начинают стучать. Эксплуатировать такой двигатель не допускается.

Принцип работы поршня

Главная задача поршня – восприятие давления газов в цилиндре и передача энергии давления через поршневой палец на шатун. Далее она преобразуется коленчатым валом в крутящий момент двигателя. Подобную задачу невозможно реализовать без надежного уплотнения поршня, который движется в цилиндре. В противном случае произойдет прорыв газов в картер и попадание моторного масла в камеру сгорания из него. Для решения этой проблемы в поршне предусмотрены канавки, в которых установлены компрессионные и маслосъемные кольца. Для отвода масла в поршне находятся специальные отверстия.

В процессе работы днище поршня напрямую контактирует с горячими газами и нагревается. Избыток тепла от днища к стенкам цилиндра отводят поршневые кольца и охлаждающая жидкость. В тяжелонагруженных агрегатах предусмотрено дополнительное масляное охлаждение: масло через форсунки подается на днище и во внутреннюю кольцевую полость поршня.

Чтобы уплотнение полостей поршня было надежным, его вертикальная ось должна совпадать с осью цилиндра. Перекосы недопустимы, так как они вызывают «болтание» поршня в цилиндре, снижают уплотняющие и теплопередающие свойства колец, а также увеличивают шумность работы двигателя. Для исключения подобных проблем служит юбка поршня. Она должна обеспечивать минимальный зазор как на холодном, так и прогретом агрегате.

Коэффициент расширения стенок цилиндра и самого поршня разные. Это обусловлено как разными конструкционными материалами, так и разницей в температуре нагрева. Чтобы нагретый поршень не заклинивало вследствие температурного расширения, существует два решения.

Первое – эллиптическая форма юбки поршня в поперечном сечении, где большая ось перпендикулярная оси пальца, а в продольном – конуса, который сужается к днищу поршня. Благодаря такой форме обеспечивается соответствие юбки нагретого поршня стенке цилиндра, что предотвращает заклинивание. Второе решение – заливка стальных пластин в юбку поршня некоторых моделей. При нагреве расширение металла происходит медленнее, что ограничивает расширение всей юбки.

В качестве конструкционного материала для производства поршней используется алюминий. Это обусловлено тем, что при высоких скоростях работы, которые характерны современным двигателям, нужно обеспечить малую массу движущихся деталей. Поэтому, если использовать более тяжелые металлы, то потребуются и более мощные компоненты: шатун, коленвал и блок с толстыми стенками. Все это сделает увеличит размер и вес силового агрегата.

В конструкции поршня могут быть реализованы и другие инженерные решения. Например, обратный конус, расположенный в нижней части юбки. Он служит для уменьшения шума из-за перекладки элемента в мертвой точке. Для улучшения смазывания юбки используется микропрофиль на рабочей поверхности, который представляет собой маленькие канавки с шагом 0,2-0,5 мм, а для снижения трения применяется антифрикционное покрытие.

В России покрытие для поршней выпускает компания «Моденжи». MODENGY Для деталей ДВС наносится на юбки поршней и другие детали двигателя: коренные подшипники коленчатого вала, втулки пальцев, распредвалов, дроссельную заслонку.

Покрытие способствует снижению трения и износа, предотвращает появление задиров на поверхностях и заклинивание поршня в цилиндре. Материал стоек к длительному воздействию моторного масла и в течение некоторого времени сохраняет работоспособность двигателя в режиме масляного голодания.

Полимеризация покрытия возможна как при комнатной температуре, так и при нагреве. Удобная аэрозольная упаковка упрощает процесс нанесения благодаря тщательно настроенным параметрам сопла распылительной головки.

Причины износа поршня

Поршень, как и любой другой рабочий элемент двигателя подвержен износу и поломке. В случае с двигателем увеличение износа происходит при ежедневной эксплуатации, но до некоторого момента это незаметно и ДВС работает стабильно. 

При выработке ресурса деталей происходит резкое увеличение износа и начинаются всевозможные проблемы:

• Повышается расход масла

• Синий дым из выхлопной трубы

• Нагар на свечах

• Нестабильная работа ДВС на холостых оборотах, о чем свидетельствует вибрация рычага КПП

• Увеличение расхода топлива в 2 и более раз

• Снижение мощности двигателя и т. д.

Все это свидетельствует о некорректной работе двигателя, в том числе и поршневой группы. Например, задиры на головке поршня возникают вследствие перегрева из-за нарушения процесса сгорания, деформации и/или засорения масляной форсунки, установки поршней неправильного размера и параметров, неисправностей в системе охлаждения, уменьшения зазора в верхней части рабочей поверхности.

Следы от ударов на днище поршня свидетельствуют о слишком большом выступе детали, неверной посадке клапана, слишком малом зазоре в клапанном приводе, отложениях масляного нагара на головке поршня, неподходящем уплотнении ГБЦ, некорректно выставленным фазам газораспределения, чрезмерной подгонке торцевой поверхности ГБЦ.

Наплавления металла на поверхностях указывают на неравномерный впрыск топлива, позднее зажигание, недостаточное сжатие смеси, неверный момент начала впрыска, неисправность впрыскивающих форсунок.

Трещины в полости камеры сгорания и днище говорят о недостаточной компрессии в цилиндрах, плохом охлаждении поршня, некорректном моменте начала впрыска, неисправности или непригодности впрыскивающей форсунки. Подобные следы можно обнаружить, если установлены поршни с неподходящей формой полости камеры сгорания или на автомобилях, мощность двигателей которых была повышена искусственно (например, методом чип-тюнинга).

Поршневые кольца повреждаются вследствие неправильной установки поршней, избытка топлива в камере сгорания, при вибрации самих поршневых колец, сильном осевом износе кольцевой канавки и деталей.

Радиальный износ поршня возникает при избыточном количестве топлива в камере сгорания. Это происходит из-за сбоев в процессе приготовления смеси, при нарушении процесса сгорания, недостаточном давлении сжатия, неправильном размере выступа поршня. Осевой износ возникает в результате загрязнения из-за недостаточной фильтрации. Его также вызывают продукты износа, образующиеся во время приработки двигателя и загрязнения, которые не были полностью удалены при ремонте силового агрегата.

Повреждения юбки поршней может возникать по нескольким причинам. Например, вследствие ассиметричного пятна контакта, которое вызвано скручиванием и/или деформацией шатуна, неправильно просверленными отверстиями цилиндра или неправильно установленными отдельными цилиндрами, большим люфтом шатунного подшипника.

Задиры под углом 45° образуются из-за слишком тесной посадки поршней, ошибок при монтаже шатуна горячим прессованием, недостаточной смазки при первом пуске двигателя.

Кроме этого поверхности юбок поршней истираются из-за разбавления масла топливом, неисправного пускового устройства двигателя, недостаточного сжатия смеси, перебоев в зажигании и работе двигателя на переобогащенной воздушно-топливной смеси.

Основной причиной выхода из строя гильз является кавитация. Она вызывается недостатком охлаждения, слишком низкой или высокой температурой, малым начальным давлением в системе охлаждения, применением неподходящей охлаждающей жидкости, неправильной и/или неточной посадки гильз цилиндров, а также использованием неподходящих уплотнительных колец с круглым сечением.

Обнаруженные блестящие места в верхней части цилиндра говорят об отложении масляного нагара на днище цилиндров. Они возникают вследствие избыточного содержания масла в камере сгорания, прорыва газов с проникновением масла во всасывающий тракт, частой езды на короткие дистанции или на холостом ходу, недостаточного отделения масляного тумана от картерных газов.

Иногда вышеописанные проблемы возникают комплексно.

Заключение

Так как поршень является одной из важнейших частей двигателя, в случае возникновения каких-либо неполадок нужно незамедлительно провести диагностику. Промедление грозит либо дорогостоящим ремонтом, либо полной заменой двигателя. Срок службы силового агрегата значительно продлевают качественные смазочные материалы и топливо.

Поршневая группа

Поршневая группа состоит из поршня в сборе, уплотнительных и маслосъемных колец, поршневого пальца. По конструктивным признакам различают поршни тронковые, для двигателей крейцкопфного типа и двустороннего действия. Тронковые поршни соединяются с шатуном поршневым паль­цем. Для обеспечения газонепроницаемости полостей цилиндра поршень снабжают уплотнительными кольцами, а для предотвра­щения попадания масла в камеру сгорания — маслосъемными кольцами. Материалом для поршней служит чугун марок СЧ24-44 и СЧ28-48 и сталь. Поршни небольшого диаметра быстроходных двигателей можно изготовлять из алюминиевых сплавов (АЛ1, АЛ2, АК2, АК4). Такие поршни имеют малый вес и небольшие температурные напряжения в днище; недостатки поршней — не­значительная износостойкость и большой коэффициент теплового линейного расширения. Поршень (рис. 139) состоит из нижней направляющей части — тройка или юбки 1 и верхней части — головки поршня 3 с поршне­выми кольцами 2. Конфигурация камеры сгорания двигателя, тип продувки, расположение в крышке клапанов и форсунки опреде­ляют форму днища поршня 4. Днище поршня может иметь вогну­тую, двояковогнутую, выпуклую и другую формы. Некоторые формы днищ поршней показаны на рис. 140. При диаметре поршня более 400 мм головку поршня выполняют съемной. Разъемная конструкция позволяет уменьшить стоимость поршня, так как только головку изготовляют из дорогостоящего жаропрочного ма­териала, и облегчает ремонт поршня. Головку крепят к тройку болтами или шпильками. В некоторых конструкциях поршня внутреннюю поверхность днища для предохранения от нагарообразования и защиты голов­ного подшипника от теплового излучения закрывают мембраной; для увеличения жесткости днище снизу подкрепляют ребрами, ко­торые одновременно улучшают его охлаждение. Поршневой палец 1 (рис. 141) размещен в приливах (бобыш­ках) 2 и фиксируется от осевого смещения пружинными кольцами 3. Пальцы закрепляются стопорным болтом 6 либо свободно вращаются — пальцы плавающего типа. Пальцы плавающего типа более распространены у быстроходных двигателей. Бронзовые втулки 4, запрессованные в бобышки чугунного поршня, являются подшипниками для поршневого пальца плавающего типа. Пальцы изготовляют из малоуглеродистой стали 15 или 20 с последующей цементацией и шлифованием или из легированной стали 15ХМА, 12МХ2А, 18ХНМА, 20Х и др. с последующей закалкой. В некото­рых конструкциях поршней с целью предотвращения соприкосно­вения пальца с зеркалом цилиндра ставят алюминиевые за­глушки 5 грибовидной формы. Поршневые кольца располагают в канавках, проточенных в теле поршня. Поршневые кольца делятся на уплотнительные и маслосъемные. Уплотнительные кольца 2 (см. рис. 139) обеспечи­вают плотность поршня в цилиндре, предотвращают прорыв газов в картер двигателя и способствуют отводу тепла от головки поршня через втулку цилиндра охлаждающей воде. Маслосъемные кольца 6 и 7 (см. рис. 139) служат для удаления излишнего масла с зеркала цилиндра, что уменьшает нагарообразование в цилиндре, и не допускают проникновения масла в камеру сго­рания. Материалом для изготовления колец служит чугун СЧ24-44, реже сталь. Кольца изготовляют самопружинящими с разрезом-замком, обеспечивающим заводку кольца в канавку поршня и воз­можность теплового расширения кольца. Число уплотнительных колец шесть—три, маслосъемных три—одно. Уплотнительные кольца, как правило, прямоугольного сечения, рабочая поверхность кольца и поверхность зеркала цилиндра параллельны. В от­личие от уплотнительных (компрессионных) маслосъемные кольца имеют скос (рис. 142, а), с помощью которого масло удаляется из зеркала цилиндра и через специальные каналы 5 (см. рис. 139) в поршне стекает в картер. Необходимо особо быть вниматель­ным при монтаже маслосъемных колец, не допуская установки кольца скосом вниз, так как тогда масло будет попадать в камеру сгорания. Зазоры между поршневыми кольцами и стенками ка­навки в радиальном направлении равны 0,5—1,0 мм, по высоте 0,15—0,066 мм. Типы замков поршневых колец показаны на рис. 142, б. При установке колец на поршень необходимо стыки (замки) распола­гать в разных положениях по окружности во избежание утечки газов. Поршневые кольца поршней двухтактных двигателей для предохранения от проворачивания и попадания замка в район рас­положения окоп стопорят фиксаторами. Поршень крейцкопфного двигателя соединяется с шатуном, штоком и крейцкопфом. В этом случае поршень крепят к штоку жестко специальным фланцевым соединением (рис. 143). Поршень крейцкопфного двигателя разгружен от боковых усилий и не имеет тронка. На рис. 144 показан составной охлаждаемый поршень крейц­копфного двигателя, имеющего штампованную вставку из алюми­ниевого сплава АК6. Поршень состоит из трех основных частей: головки 1, отлитой из высокопрочного жаростойкого чугуна, кор­пуса 3 из перлитного чугуна и вставки 2. В поршнях новейшей конструкции пазы (канавки) под уплотнительные кольца хроми­руют или завальцовывают чугунными противоизносными коль­цами. Общий вид поршня, крейцкопфа и шатуна с подшипником приведен на рис. 145. Для достижения нормальных условий работы поршня необхо­димо обеспечить его охлаждение и прежде всего головки. Наибо­лее надежным средством снижения температуры головки яв­ляется искусственное охлаждение. При диаметрах цилиндра в двухтактных двигателях свыше 250 мм, а в четырехтактных свыше 400 мм применяют масляное охлаждение поршня. Охлаждение во­дой используют редко, так как требуется тщательное герметизи­рующее устройство, предотвращающее попадание воды в масло картера. Наиболее распространена телескопическая и шарнирная системы подачи охлаждающей жидкости под давлением в закры­тую полость поршня. Штоки крейцкопфных двигателей выполняют стальными ко­ваными, круглого сечения, часто пустотелыми. В верхней части они имеют фланцы для крепления с поршнем, а нижней пяткой или хвостовиком 4 (рис. 146) соединяются с поперечиной 7 и фик­сируются гайкой 2. В состав крейцкопфа входят: стальной или чугунный ползун, опорные рабочие поверхности а и б которого покрыты тонким слоем антифрикционного сплава. Ползун, скользя по параллели картера, передает последней боковые усилия и та­ким образом разгружает поршень. Поверхность а передает боко­вые усилия при работе двигателя на передний ход, поверхность б, значительно меньшая по площади,— на задний ход. Ползун кре­пят болтами к стальной поперечине 3. Поперечина имеет цапфы 1, которые охватываются головным подшипником шатуна. В двига­телях, длительное время работающих на задний ход (буксиры, ле­доколы), ползуны выполняют двусторонними. По каналу 5 масло поступает на охлаждение поршня, а по каналу 6 — на смазку ра­бочих поверхностей ползуна. На рис. 147 показана параллель крейцкопфного двигателя.

Поршень от autodoc.ua (оригинал, аналог)

Поршень

Поршень – это стаканообразная деталь, которая движется внутри цилиндра вперёд-назад, притом, что само движение необходимо для того, чтобы давление сгоревших газов преобразовать в энергию поступательного движения, что затем преобразовывается в электрическую и энергию движения.

Из чего состоит
Деталь обычно изготавливается из стального сплава силумин, сплава марки Х18Н10Т, или серого чугуна – все эти материалы очень устойчивы к температурному воздействию (жаропрочные) и связанной с ним деформации, а в процессе работы они нагреваются до уровня температуры сжигаемых газов. 
В составе поршня:
•    одно или несколько уплотнительных колец, которые препятствуют прорыву создаваемого рабочего давления вовне, в нерабочую зону; кольца состоят из серого или ковкого чугуна, либо стали. Иногда они покрываются металлами, такими как молибден, олово, пористый хром;
•    само тело поршня; 
•    шатун, который двигает поршень, формируя сжатие газов, который в свою очередь присоединяется к кривошипно-шатунному механизму, двигающему коленвал.

Особенности
Благодаря поршню реализуется сгорание бензина, дизтоплива, газа, биогаза и иных горючих смесей, являющихся топливом для двигателя внутреннего сгорания (теплового двигателя). Количество поршневых цилиндров в различных двигателях разное – от 1 до 24, часто в легковых автомобилях устанавливают от 4 до 16 цилиндров. Различают множество разновидностей двигателей, зависимо от конструкции, топлива, количества рабочих тактов и т.п., что определяет диаметр, рабочую нагрузку, температуру и остальные характеристики поршня. Главными характеристиками являются ход поршня, объём камеры сгорания, рабочий и полный объёмы цилиндра, а также степень сжатия газов.

Заказать поршень оригинального производства, либо его сертифицированные аналоги соответственно модели вашего автомобиля вы можете через форму подбора деталей на нашем сайте Autodoc.ua. Вам необходимо заполнить заявку и отправить нам, и консультант компании подберет оптимальный вариант детали.

Каталог автозапчастей интернет-магазина Autodoc уже содержит в себе более 100 000 наименований товара. Вы можете выбрать необходимую деталь и оформить заказ с доставкой.

Поршни

Шатунно-поршневая группа представляет группу деталей кинематической пары -поршень-шатун, играю щей важную роль в рабочем процессе дизеля. Деталями этой группы являются: поршень, уплотнительные и мас-лосъемные кольца поршия, палец, соединяющий поршень с шатуном, шатуни подшипники верхней и нижней головок шатуна.

Головки поршней, находясь в непосредственном соприкосновении с горячими газами с температурой до 2000 °С, могут нагреваться до 600 °С, при этом они испытывают высокое давление газов (до 12 МПа). В связи с этим поршни изготавливают из высокопрочных металлов, а их головки охлаждают маслом. Применение масла в качестве охлаждающей жидкости, несмотря на его меньшую по отношению к воде эффективность, экономически и технически оправдано. Обеспечить надежное уплотнение охлаждающего тракта поршня так, чтобы вода не попала в масло, технически трудно. Попадание же воды в масло грозит серьезным ухудшением его свойств и может привести к тяжелым последствиям: задиру стенок цилиндров, шеек валов и т. д.

Поршни изготавливают литьем или штамповкой. Материалом для них может служить сталь, чугун или алюминиевые сплавы. Они имеют форму стакана, нижняя часть которого (юб-служит для направления во втулке, а Рис. 69. Поршень дизеля 10Д100:

1 — стакан; 2,6 — плиты; 3, 5 — прокладки регулировочные; 4 — вставка; 7 — кольцо стопорное; 8 — втулка; 9 — палец; 10 — ползушка; 11 — пружина; а, б — канавки для уплотнительных и масло-съемных колецверхняя (головка) совместно с цилиндром и крышкой образуют рабочий объем цилиндра. Из-за разности температур, испытываемых различными частями поршня, он выполнен с некоторым увеличением диаметра от головки к юбке. Головка имеет меньший диаметр, чтобы исключить заклинивание ее в цилиндре при высокой температуре. По конструкции поршни делятся на составные и цельные. Составные поршни имеют отдельно головку и юбку (тронк), а в некоторых случаях вставку, соединяемые при помощи шпилек.

Поршни дизелей типа Д100 (нижний и верхний) несколько отличаются друг от друга формой днища как с наружной, так и внутренней стороны и поэтому невзаимозаменяемы. На дизелях Д100 установлены поршни трех вариантов (3, ЗА и 5), в конструкции которых много одинаковых или аналогичных деталей. С 1972 г. устанавливаются поршни бесшпилечной конструкции (вариант 5). Они отличаются креплением вставки 4 (рис. 69) стопорным кольцом 7, а не шпильками, ввернутыми в приливы головки поршня, и применением циркуляционной системы охлаждения головки поршня.

Поршень состоит (см. рис. 69) из стакана 1, изготовленного из высоколегированного серого чугуна, вставки 4 с установленными сверху и снизу плитами 2, 6 и регулировочными прокладками 3, 5, с помощью которых регулируется линейный размер камеры сжатия. Вставка удерживается в корпусе стопорным кольцом 7. Применение такого способа соединения вместо шпилечного позволило устранить концентрации напряжений в головке поршня от резьбовых отверстий. В отверстиях вставки в бронзовых втулках 8 свободно (скользящая посадка) вставлен поршневой палец 9 для соединения с головкой шатуна.

На корпусе снаружи проточены канавки а, б для уплотнительных колец (четыре верхних) и маслосъемных (три нижних). Рабочая цилиндрическая часть поршня покрыта оловом для устранения задиров, а головка поршня над верхней канавкой покрыта хромом для предупреждения обра зования окалины от действия горячих газов.

Головки поршня охлаждаются маслом, циркулирующим по ее каналам. В отличие от поршней вариантов 3 и ЗА в бесшпилечных поршнях каналы масляного охлаждения расположены симметрично относительно камеры сгорания, что обеспечивает довольно равномерное распределение термических напряжений в головке поршня. Масло для охлаждения поршня поступает по осевому каналу в шатуне к его головке и далее через отверстия по кольцевой канавке во втулке-подшипнике подается к головке поршня. Из головки поршня масло сливается в картер.

Поршень дизелей типа Д49 составной. Штампованная головка поршня 2 (рис. 70) из жаростойкой стали соединена с алюминиевым тронком 6 при помощи шпилек. Для улучшения прирабатываемое™ поверхность тронка покрыта дисульфидом молибдена. На головке имеются четыре канавки под три трапециевидных уплотнительных кольца й одно маслосъемное, а иа тронке — одна под маслосъемное кольцо 5 с пружинным расширителем (экспандером). Поршневой палец 8 плавающего типа изготовлен из легированной стали, азотирован и цементирован. От осевого смещения палец удерживается стопорными кольцами 9.

Масло для охлаждения поршня поступает из головки шатуна через отверстие в прижатый к ней пружиной 3 стакан 4 и далее от центра днища по отверстиям а в тронке перетекает в периферийную полость охлаждения б, откуда по каналу в тронке стекает в картер. Для поддержания уровня масла в полости охлаждения в этот канал запрессована трубка, конец которой возвышается над тронком на 15 мм.

Поршни дизеля ПД1М представляют цельную отливку из алюминиевого сплава (силумина). Коэффициент теплопроводности силумина в 4,25 раза больше, а плотность в 2,75 раза меньше, чем у чугуна. Использование материала с высокой теплопроводностью позволило не применять спе

Рис. 70. Шатунно-поршневая группа дизелей типа Д49:

1 — главный шатун; 2 — поршень; 3 — пружина; 4 — стакан; 5 — маслосъемное кольцо с экспандером; 6 — тронк; 7 — втулка верхней головки шатуна; 8 — палец; 9 — стопорное кольцо; 10 — болт прицепного шатуна; 11 — прицепной шатун; 12 — палец прицепного шатуна; 13 — втулка-подшипиик; 14 — шатунные болты; 15 — крышка; 16 — вкладыши; а, в, г, д. е — каналы; о — полость охлаждения; ж — отверстие под штифт; э — зубчатый стыкциальное охлаждение поршня. Благодаря большому заряду свежего воздуха, подаваемого в цилиндры дизеля, головки поршней сверху хорошо охлаждаются воздухом, а снизу они охлаждаются брызгами масла при работе дизеля.

Головка поршня выполнена толстостенной с плавным переходом к цилиндрической поверхности. Торец имеет вогнутую поверхность с четырьмя вырезами для размещения головок клапанов при нахождении поршня в верхнем положении. Вогнутая форма поверхности днища способствует лучшему смешиванию распыленного топлива с воздухом и лучшему его сгоранию.

На головке и юбке поршня проточены канавки для размещения четырех уплотнительных и трех масло-съемных (одно маслосъемное кольцорасположено в верхней части поршня, а два-в нижней) колец. В канавках под маслосъемные кольца просверлены отверстия для стекания масла, снятого со стенок цилиндра кольцами.

В бобышках поршня расположен палец, удерживаемый от осевых перемещений заглушками, установленными в отверстиях с натягом. Палец смазывается от головки шатуна, а затем масло стекает в картер через прорези в заглушках и по каналам в юбке поршня.

Поршневые пальцы. Пальцы служат для соединения верхних головок шатунов с поршнями. Они изготовлены из высоколегированных хромоиике-левых сталей. Наружная поверхность пальцев цементируется (науглероживается) на глубину 1,2-1,5 мм. шлифуется и полируется. По способу закрепления в поршне пальцы выполняют неподвижными и плавающими. Неподвижное соединение пальца со вставкой поршня сделано в дизелях 2Ц100. У поршней дизелей 1 ОД 100 и 5Д49, ПД1М палец свободно с зазором вставляется в отверстия бобышек вставки, тронка или корпуса поршня, а также во втулку головки шатуна.

Пальцы плавающего типа имеют также и осевой зазор в соединении с поршнем. Пальцы смазываются через головки шатунов. У дизеля ПД1М внутри пальца вставлена втулка, развальцованная по концам. Таким образом, между телом пальца и втулкой образуется камера, куда по четырем отверстиям в середине пальца масло поступает из кольцевой канавки втулки головки шатуна. Из камеры масло вытекает на поверхность пальца по восьми отверстиям, расположенным по его концам.

⇐ | Общие понятия о крутильных колебаниях коленчатого вала дизеля. Антивибраторы | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Поршневые кольца | ⇒

Поршни — обзор | Темы ScienceDirect

Вставка пробки

Существуют различные устройства для вставки пробок в винные бутылки. Все они работают, сжимая пробку до меньшего диаметра, чем внутренний диаметр бутылки. После сжатия поршень вдавливает пробку в горлышко бутылки.

Лучшие укупорочные машины обеспечивают равномерное давление по всей длине пробки. Это сводит к минимуму образование складок, складок или складок, которые могут привести к утечке.Стандартные пробки шириной 24 мм перед вставкой сжимаются примерно до 14–15 мм. Плунжер регулируется так, чтобы, независимо от длины пробки, верхняя часть пробки опиралась на край бутылки или чуть ниже.

Большинство бутылок для вина емкостью 750 мл производятся в соответствии со стандартом CETIE (Centre Technique International de l’Embouteillage) с внутренним диаметром горлышка у горловины 18,5 ± 0,5 мм, увеличивающимся до не более 21 мм, на 4,5 см ниже. рот. Более старый стандарт, применяемый для большинства игристых вин, имеет диаметр отверстия 17.5 ± 0,5 мм у кромки. Поскольку большинство винных пробок имеют диаметр 24 мм, после вставки они остаются сжатыми примерно на 6 мм. Этого уровня сжатия достаточно для создания постоянного давления приблизительно от 1 до 1,5 кг / см ² на стекло (Lefebvre, 1981). Для пробок высшего качества может применяться давление около 3 кг / см ² . Сладкие вина или вина, содержащие более 1 г / л CO ₂ , обычно используют пробки, которые остаются прижатыми к стеклу примерно на 7-8 мм.В игристых винах обычно используются специальные пробки диаметром от 30 до 31 мм, чтобы обеспечить сжатие горлышка на 12 мм.

Пробки большого размера могут вызвать утечки так же легко, как и слишком узкие. Если пробка слишком большая, во время вставки могут образоваться складки; если пробка слишком узкая, уплотнение может быть слишком слабым.

Поскольку диаметр отверстия обычно увеличивается по длине шейки, желаемая длина пробки частично зависит от степени увеличения. В стандарте CETIE максимальный диаметр отверстия на глубине 4.5 см — 21 мм. Это означает, что как средние (44/45 мм), так и длинные (49/50 мм) пробки диаметром 25 мм могут удерживаться сжатием не более 4 мм на глубине менее 4,5 см. Это контрастирует со сжатием около 6,5 мм у горловины бутылки. Глубже 4,5 см, большой внутренний диаметр горлышка может привести к тому, что длинные пробки будут плохо прижиматься к вину. Таким образом, диаметр пробки обычно более важен для хорошего уплотнения, чем длина. Преимущество длинных пробок для вин с длительной выдержкой обусловлено другими факторами, а не контактом пробки со стеклом.

Пробка отличается химической инертностью при контакте с вином. Тем не менее, длительное воздействие медленно снижает структурную целостность пробки. Из-за низкой проницаемости пробки для жидкостей коррозия медленно продвигается вверх по пробке, откуда она соприкасается с вином. Кроме того, поглощение воды делает пробку более эластичной, ослабляя ее сцепление со стеклом. Поскольку скорость ослабления наиболее высока в винах с высоким содержанием сахара и алкоголя, длинные пробки особенно ценны для укупорки таких вин.Поскольку коррозия влияет на вещество пробки, более плотная пробка предпочтительнее, если ожидается длительное старение. Подсчитано, что ослабление когезионного прикрепления пробки к стеклу происходит со скоростью около 1,5 мм / год (Guimberteau et al., 1977). Сообщается, что этот эффект снижает давление, оказываемое пробкой на горлышко, с его начального значения примерно 100–300 кПа до 80–100 кПа через 2 года и примерно 50 кПа через 10 лет (Lefebvre, 1981). Это объясняет, почему изысканные вина часто переваривают каждые 25 лет.

Небольшая конусообразная форма отверстия (от 18,5 до 21 мм вниз по горловине), выпуклость или вмятина на горловине примерно на 1,5 см ниже кромки, а также сжатие пробки — все это важно для ограничения движения пробки в отверстии. шея. Это особенно важно, если вино подвергается воздействию экстремальных температур, вызывающих изменения объема, которые могут ослабить уплотнение и вытолкнуть пробку из бутылки.

УТЕЧКА, ВЫЗВАННАЯ ПРОБЛЕМАМИ ВСТАВКИ

Поршневое действие вставки пробки может сжимать газы, застрявшие в горлышке бутылки, удваивая, что в четыре раза увеличивает давление газа в свободном пространстве.Как только пробка входит в горлышко, пробка начинает отскакивать, оказывая давление на боковые стороны горлышка. Полное проявление этого упругого давления занимает несколько часов (рис. 8.40). Таким образом, если бутылку положить на бок или перевернуть вверх дном вскоре после укупорки, давление, оказываемое захваченными газами из свободного пространства, может вытолкнуть небольшое количество вина между пробкой и горлышком бутылки. Хотя известно, что просачивание не вызывает окисления вина (Caloghiris et al., 1997), оно может образовывать липкий осадок, который обеспечивает питательные вещества для роста плесени на верхней части пробки.

Во избежание просачивания бутылки часто оставляют в вертикальном положении на несколько часов после укупорки. В течение этого периода захваченный газ может выходить или растворяться в вине, а внутреннее давление снижается почти до атмосферного в течение нескольких часов или дней. Скорость снижения давления в свободном пространстве зависит от типа пробки и состава газов в свободном пространстве (рис. 8.46). Временное хранение в вертикальном положении особенно важно, если пробка агломератная (более жесткая, чем натуральная пробка), или если захваченный газ представляет собой воздух.Воздух на 78% состоит из азота, который плохо растворяется в вине. Если давление не сбрасывается, азот будет продолжать оказывать давление на вино и пробку после того, как бутылка будет помещена на бок. Кислород, другой основной атмосферный газ, быстро растворяется в вине и перестает оказывать давление.

Рисунок 8.46. Изменение внутреннего давления в баллоне в зависимости от положения хранения баллона (лежа или вертикально) и с (CO 2) или без (без) промывки баллона углекислым газом перед наполнением.

(Из Jung, 1993, воспроизведено с разрешения) Copyright © 1993

Чтобы уменьшить утечку, бутылки можно промывать углекислым газом (для удаления кислорода и азота) перед наполнением или помещать под частичный вакуум при укупорке. Частичный вакуум (20–80 пКа) сводит к минимуму развитие положительного давления в свободном пространстве во время введения пробки (Casey, 1993).

Использование укупорки под вакуумом или двуокисью углерода имеет преимущества, помимо снижения вероятности утечки. Это ограничивает развитие «бутылочной болезни», предположительно, за счет удаления 4–5 мг кислорода, который в противном случае был бы поглощен из захваченного воздуха.Обе процедуры также значительно замедляют потерю диоксида серы за счет удаления кислорода. Например, Де Роса и Морет (1983) показали, что вакуум и промывка, а также применение вакуума снизили средние потери SO ₂ через 12 месяцев с 28 до 16 мг / литр и 5 мг / литр, соответственно.

Дополнительным источником проблем с просачиванием может быть изменение емкости баллона. Если емкость бутылки меньше указанной, после наполнения может остаться очень мало свободного пространства. Даже с пробками средней длины бутылки могут обладать свободным свободным пространством, равным 1. 5 мл после укупорки. Поскольку вино в бутылке емкостью 750 мл может расширяться до 0,23 мл / ° C, быстрое повышение температуры может быстро привести к значительному увеличению давления на пробку. Обычно объемы свободного пространства находятся в диапазоне 6–9 мл. В таких случаях потребуется быстрое повышение температуры примерно на 20 ° C для увеличения вдвое давления, оказываемого газами из свободного пространства над пробкой. Утечка становится вероятной при внутреннем давлении выше 200 кПа (удвоенное атмосферное давление). В этот момент чистое внешнее давление начинает равняться или превышать то, что пробка оказывает на стекло.Этот эффект был бы усилен, если бы газ в свободном пространстве содержал только азот, или если бы вино было сладким или перенасыщенным диоксидом углерода (Levreau et al., 1977). В таких ситуациях давление, вероятно, останется, потому что газообразный азот не растворяется в вине эффективно, а вино, перенасыщенное диоксидом углерода, медленно поглощает дополнительный CO ₂ . Сахар может увеличить просачивание, увеличивая капиллярность между пробкой и стеклом. Сахар также увеличивается примерно на 10% — скорость, с которой объем вина изменяется в зависимости от температуры (Levreau et al., 1977).

Наконец, влажность пробки влияет на вероятность протечки. При содержании влаги от 6 до 9% пробка обладает достаточной эластичностью, чтобы не крошиться при сжатии. Нижний предел шкалы предпочтителен для линий быстрого розлива, тогда как верхний предел рекомендуется для линий розлива со средней и медленной скоростью. Пробка в этом диапазоне содержания влаги также достаточно медленно отскакивает, чтобы позволить газам из свободного пространства под давлением выйти до образования плотного уплотнения. При более низком уровне влажности при сжатии и вставке пробка может разорваться или сморщиться.При высоких уровнях влажности больше газа, вероятно, будет удерживаться в свободном пространстве (Levreau et al., 1977).

Музей поршневых колец | Функция поршневого кольца | Масляное кольцо

Масляное кольцо B-6

Смазочное масло для двигателя выполняет важную защитную функцию в двигателе, позволяя деталям скользить и предотвращая их прямой контакт металл-металл (снижение трения * 1), что приводит к износу и, в худшем случае, к полному отказу двигателя. . Моторное масло снижает рабочее трение, делая двигатель более эффективным; а также служит для охлаждения критически важных компонентов двигателя и улавливания вредных частиц грязи.

Внешний вид масляного кольца

Вы видите, как он собран? Это масляное кольцо, состоящее из трех частей, устанавливается в канавку поршня и функционирует как узел для обеспечения необходимой производительности. Узел масляного кольца выше имеет диаметр 86 мм, осевую ширину 2,0 мм и радиальную толщину 2,5 мм.

Форма поперечного сечения боковых направляющих масляного кольца

Тонкие верхнее и нижнее пластинчатые кольца называются боковыми направляющими.Ширина каждой боковой направляющей составляет около 0,4 мм. Для каждого узла масляного кольца требуются две боковые направляющие: верхняя боковая направляющая и нижняя направляющая. Периферия каждой боковой направляющей контактирует со стенками цилиндра и скользит. Твердая пленка CrN (азотированного хрома) была нанесена на рабочую поверхность с помощью процесса PVD. Другие виды обработки поверхности движущейся поверхности боковых рельсов включают азотирование и твердое хромирование.

Внешний вид расширителя проставки масляного кольца

Волнистая конструкция, показанная на рисунке ниже, позволяет расширителю проставки действовать как пружина.Пружинное действие расширителя проставки прижимает боковые направляющие к стенке цилиндра до тех пор, пока не будут достигнуты правильное натяжение и давление на стенку агрегата.

Как упоминалось выше, две боковые направляющие и расширитель проставки образуют набор или узел маслосъемных колец. Вот почему оно называется трехкомпонентным кольцом.

Масляное кольцо из 2 частей

Масляное кольцо, показанное выше, представляет собой сборку из двух частей, которая чаще всего используется в дизельных двигателях и некоторых бензиновых двигателях.Мы называем это кольцо узлом маслосъемного кольца. Этот масляный кольцевой узел состоит из стального рельса М-образной формы и цилиндрической винтовой пружины. DVM отличается легким весом, высокой гибкостью и способностью точно контролировать масло и снижать расход масла.

• * 1 Трение, возникающее, когда внешняя периферия поршневого кольца касается внутренней периферии цилиндра

Поршневое кольцо: функция, типы и принцип работы?

Что такое поршневое кольцо?

Поршневое кольцо — это металлическое разрезное кольцо, которое прикрепляется к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.

Поддерживает сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Улучшение теплопередачи от поршня к стенке цилиндра. И поддержание надлежащего количества масла между поршнем и стенкой цилиндра. Кроме того, регулирование расхода моторного масла путем соскабливания масла со стенок цилиндра обратно в поддон.

Поршни оснащены металлическими кольцами, которые выполняют множество функций. Эти кольца обозначаются как поршневые кольца.

Материал, используемый для поршневого кольца

Поршневые кольца обычно изготавливаются из чугуна. Чугун сохраняет целостность своей первоначальной формы под действием тепла, нагрузки и других динамических сил.

Также чугун содержит пластинчатый графит, который сам действует как смазка, помогая скольжению между кольцами и гильзой.На поршневые кольца нанесены сплавы и покрытия, и они будут варьироваться в зависимости от типа кольца, поскольку функции этих колец отличаются друг от друга.

Наиболее распространенными формами легированного чугуна являются хром, молибден, ванадий, титан, никель и медь. Материал поршневого кольца остается более твердым, чем гильза цилиндра, что обеспечивает максимальный срок службы.

Функция поршневого кольца

Функция газового уплотнения

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра.Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Это означает, что камера сгорания должна быть максимально газонепроницаемой. Таким образом, давление, создаваемое горящими газами сгорания, быстро передает поршень в цилиндр. Заставляет коленчатый вал вращаться, тем самым обеспечивая мощность.

Не только важно для такта сгорания / расширения, но газонепроницаемость также очень важна для тактов впуска, сжатия и выпуска.Эту общую функцию можно назвать только «газовым уплотнением».

Функция теплопередачи

Поршневые кольца передают тепло от днища поршня к цилиндру. Когда происходит газовое зажигание, температура внутри поршня достигает примерно 300 C. Если тепло собирается внутри поршня, двигатель может быть поврежден. По этой причине необходимо высвободить накопление тепла. Поршневые кольца помогают отвести это тепло.

Эта функция теплопередачи очень важна для поддержания приемлемой температуры и стабильности поршней и поршневых колец, чтобы не снижалась герметичность.

Функция контроля масла

Поршневые кольца обычно образуют необходимую минимальную масляную пленку для предотвращения задиров. Поскольку зажигание газа повторяется много раз, поршень поднимается и опускается внутри двигателя со скоростью несколько тысяч раз в минуту. Небольшое количество масла заливается на поршни, поэтому они двигаются плавно, с небольшим трением между металлом и металлом. Поршневые кольца регулируют количество масла.

Таким образом, расход масла находится на приемлемом уровне, а вредные выбросы уменьшаются.старше гильзы цилиндра, чтобы обеспечить максимальный срок службы.

Типы поршневых колец

Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают три типа поршневых колец, как указано в сильфоне:

• Компрессионное поршневое кольцо,
• Грязесъемное поршневое кольцо
• Масляное поршневое кольцо

Компрессионное Кольцо

Компрессионное кольцо — это верхнее или ближайшее кольцо для сжигания газов. Он подвержен наибольшему количеству химической коррозии и максимальной рабочей температуре.Однако это может варьироваться в зависимости от конструкции двигателя.

Компрессионное кольцо передает 70% тепла камеры сгорания от поршня к стенке цилиндра. В большинстве двигателей используются компрессионные кольца с конической или цилиндрической поверхностью.

Компрессионное кольцо с конической гранью

Компрессионное кольцо с конической гранью, которое представляет собой поршневое кольцо с углом конуса около 1 ° на движущейся поверхности. Этот конус обеспечивает легкие салфетки для предотвращения попадания излишков масла в камеру сгорания.

Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью

Компрессионное кольцо с торцевой поверхностью представляет собой поршневое кольцо с изогнутой поверхностью, вращающейся для обеспечения непрерывной смазки поршневого кольца и стенки цилиндра. Он также обеспечивает эффект пика для оптимизации распределения масла во время всего хода поршня.

Кроме того, изогнутая подвижная поверхность уменьшила вероятность разрыва масляной пленки из-за избыточного давления или чрезмерного наклона поршня на кромке кольца во время работы.

Грязесъемное кольцо

Грязесъемное кольцо, иногда называемое скребковым кольцом, кольцом Напье или резервным компрессионным кольцом, является следующим кольцом на поршне после головки цилиндра. Грязесъемное кольцо обеспечивает равномерную толщину масляной пленки для смазки рабочей поверхности компрессионного кольца.

Большинство грязесъемных колец имеют поверхность с углом сужения, которая направлена ​​вниз для обеспечения чистящего действия при движении поршня к коленчатому валу.

Угол конуса обеспечивает контакт, по которому излишки масла направляются к масляному кольцу на стенке цилиндра и возвращаются в масляный резервуар.Грязесъемное кольцо находится ближе всего к неправильно нарезанному уголку компрессионного кольца, что приводит к чрезмерному расходу масла. Это происходит из-за того, что грязесъемное кольцо вытирает излишки масла в сторону камеры сгорания.

Масляное кольцо

Масляное кольцо состоит из двух тонких направляющих или рабочей поверхности. Вырезанные отверстия или прорези в радиальном центре кольца позволяют избыточному маслу стекать обратно в резервуар. Обладая всеми этими характеристиками, маслосъемные кольца обычно представляют собой одно целое.

В некоторых масляных кольцах используется пружинный расширитель для приложения дополнительного радиального давления к поршневому кольцу.Это увеличивает давление, прикладываемое к устройству (количество силы и размер подвижной поверхности) на стенку цилиндра.

Масляное кольцо имеет самое высокое собственное давление из трех колец на поршне. Маслёнка из дерева, состоящая из двух направляющих и удлинителя. Масляные кольца расположены на каждой стороне расширителя. Расширитель обычно имеет несколько прорезей или окон для возврата масла в канавку поршневого кольца.

Масляное кольцо использует встроенное давление поршневого кольца, внешнее давление и высокое единичное давление.И это обеспечивается небольшой беговой поверхностью тонкой шины.

Как работают поршневые кольца?

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Самая верхняя канавка поршня состоит из компрессионного кольца, основная функция которого заключается в герметизации любых утечек внутри камеры сгорания во время процесса сгорания.При воспламенении топливовоздушной смеси. К головке поршня прикладывается давление от продуктов сгорания, которое толкает поршень к коленчатому валу.

Сжатые газы проходят через зазор между стенкой цилиндра и поршнем в канавку поршневого кольца. В процессе сгорания сила газов под высоким давлением прижимает поршневое кольцо к стенке гильзы цилиндра, что помогает ему образовывать эффективное уплотнение. Это давление, толкающее поршневое кольцо, пропорционально давлению газов сгорания.

Следующий набор колец в поршне, который расположен под компрессионным кольцом и над масляными кольцами, называется грязесъемными кольцами.

Они имеют конструкцию с конической поверхностью и служат для дополнительного уплотнения камеры сгорания. Как следует из названия, они помогают очистить стенку футеровки от излишков масла и загрязнений. Если какой-либо из дымовых газов мог пройти через компрессионное кольцо. Эти газы будут заблокированы стеклоочистителем в хорошем состоянии.

Последний набор колец представляет собой масляные кольца, которые расположены в нижних канавках поршня, ближайших к картеру.Основная функция масляного кольца — соскребать излишки масла со стенок гильзы цилиндра во время движения поршня.

Большая часть протертого масла направляется в картер обратно в масляный поддон. Эти масляные кольца поставляются с пружиной, установленной сзади в 4-тактном двигателе, чтобы обеспечить дополнительный толчок для очистки гильзы.

Часто задаваемые вопросы.

Что такое поршневое кольцо?

Поршневое кольцо представляет собой металлическое разрезное кольцо, которое прикрепляется к внешнему диаметру поршня в двигателе внутреннего сгорания или паровом двигателе.

Какова функция поршневых колец?

Поршневые кольца поддерживают сжатие газа между поршнем и стенкой цилиндра. Поршневые кольца герметизируют цилиндр, чтобы газообразные продукты сгорания, образующиеся во время воспламенения, не попадали в отверстие между поршнем и цилиндром.

Какие типы поршневых колец?

Поршневые кольца, обычно используемые в небольших двигателях, включают компрессионные кольца, грязесъемные и масляные кольца. Компрессионное кольцо — это поршневое кольцо, расположенное в кольцевой канавке, ближайшей к головке поршня.Компрессионное кольцо изолирует камеру сгорания от утечек во время процесса сгорания.

Читайте также

СВЯЗАННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания возвращается к чертежной доске

Поднимите свой современный седан рядом с Ford Model T, и они вряд ли будут казаться связанными друг с другом. Да, есть еще четыре колеса и руль, но на этом сходство, похоже, заканчивается.

Современные автомобили, большие, обтекаемые и аэродинамичные; изготовлены из современных легких материалов и оснащены множеством функций безопасности.Модель T для сравнения не имела ремней безопасности, подушек безопасности или антиблокировочной системы тормозов, сидела высоко над землей и была сделана из стали, дерева и даже из конского волоса.

Но откройте капот — или капот, если хотите — и это странный анахронизм. Двигатели обоих автомобилей, вероятно, по-прежнему будут состоять из очень схожей технологии с четырьмя поршнями, перемещающимися вверх и вниз в четырех цилиндрах.

Более того, топливная экономичность этих двигателей практически не изменилась. Этот первый серийный автомобиль имел рядный четырехцилиндровый двигатель мощностью 20 л.с. (15 кВт) с заявленной экономией топлива 13-21 миль на галлон (миль на галлон).Ваш седан, вероятно, будет иметь современный четырехцилиндровый двигатель, который, вероятно, выдает больше примерно 200 л.с., но только с немного улучшенной экономией топлива где-то в диапазоне 20-30 миль на галлон.

Но вскоре все это может измениться. Соединенные Штаты только что объявили о новых правилах, которые потребуют от автопроизводителей производить более продвинутые автомобили с меньшим расходом топлива. «Мы поставили агрессивную цель, и компании делают шаг вперед», — сказал президент Обама в заявлении. «К 2025 году средняя экономия топлива их автомобилей почти удвоится и составит почти 55 миль на галлон.

Конечно, в европейских странах, где автомобили меньшего размера и дизельные двигатели являются обычным явлением, такие цели не кажутся такими агрессивными. Но для США, где законы о выбросах запрещают использование некоторых технологий, уже используемых в других местах, они амбициозны. Более того, они, вероятно, положат начало новой эре конструкции двигателей, которая не только заменит старомодный четырехтактный двигатель, но также может изменить принцип работы двигателей в США и других странах.

Бесполезная работа

Сегодня почти все двигатели работают по принципу: если вы поместите небольшое количество топлива, например, бензина, в небольшое замкнутое пространство и воспламените его, он взорвется с огромным количеством энергии.Затем через шатун и коленчатый вал он может приводить в движение колеса.

Большинство двигателей делают это несколько раз в секунду, используя так называемый четырехтактный цикл. При этом поршни двигателя поднимаются и опускаются в цилиндре четыре раза — так называемые такты впуска, сжатия, мощности и выпуска. В современном двигателе с прямым впрыском топлива воздух всасывается, когда поршень падает в цилиндр, а затем сжимается, когда поршень толкает его обратно вверх. Почти сразу же впрыскивается и воспламеняется топливо, заставляя поршень снова опускаться вниз в так называемом рабочем такте.Последний ход поршня выбрасывает продукты сгорания.

Чтобы обеспечить постоянную мощность, большинство автомобилей имеют ряд цилиндров, обычно четыре, что позволяет поршням находиться в разных точках цикла. По такому же принципу работают шестицилиндровые или восьмицилиндровые двигатели. Эти двигатели используются практически во всех автомобилях, лодках, грузовиках, винтовых самолетах, генераторах и т. Д.

Существуют варианты этих конструкций, которые могут помочь США достичь поставленных целей. Например, гибридные автомобили, в которых используется комбинация электродвигателей и бензиновых двигателей, уже достигают топливной эффективности около 50 миль на галлон.Кроме того, такие производители, как Ford и Fiat, представили двигатели с меньшим количеством цилиндров по сравнению с обычным минимумом из четырех; три в случае Ford и два для Fiat. Оба используют турбокомпрессоры и интеллектуальную систему управления синхронизацией, чтобы сжигать меньше топлива, сохраняя при этом ту же мощность, что и другие двигатели. Двигатели Ford будут представлены на автомобилях США в следующем году.

Но для того, чтобы поднять показатели топливной эффективности выше, некоторые конструкторы спрашивают, нужно ли нам вообще радикально переконструировать двигатели.

«Более 100 лет обычный двигатель внутреннего сгорания был эффективен только на 33%», — говорит Билл Ринн из инженерной фирмы Scuderi, которая разработала двигатель нового типа.«Оно должно быть выше — если вы залите галлон бензина в бак, две трети его будет потрачено впустую».

Scuderi разрабатывает двигатель, в котором поршни в цилиндрах по-прежнему поднимаются и опускаются, но с одним существенным отличием. «Что мы делаем, так это разделяем четыре штриха», — говорит Ринн. В одном цилиндре у нас есть 2 такта, которые связаны со сжатием, а в другом цилиндре у нас есть 2 такта, которые связаны с выхлопом ».

На практике это означает, что воздух втягивается в цилиндр сжатия, когда поршень движется вниз , , а затем сжимается, когда он движется обратно вверх . Вместо того, чтобы впрыскивать топливо в эту камеру, сжатый воздух проходит через трубку в отдельный цилиндр, где топливо впрыскивается и воспламеняется для обеспечения мощности. Четырехцилиндровый двигатель, работающий по этой конструкции, будет иметь два цилиндра сжатия и два цилиндра сгорания.

«Поскольку мы можем разделить эти две функции, мы можем максимизировать процесс сжатия, а также максимизировать процесс сгорания, чтобы сделать его более эффективным и чистым», — говорит Винн.В некоторых приложениях Скудери считает, что эта, казалось бы, простая настройка может улучшить топливную экономичность на 40% и более.

На первый взгляд кажется, что двигатель Scuderi должен иметь в два раза больше цилиндров, чтобы обеспечить такую ​​же мощность, но это не так. У него есть «силовой» ход на каждый оборот двигателя, а не на каждые два.

«Unexotic»

Инновационный дизайн позволяет реализовать некоторые другие умные идеи. Сжатие и сгорание не обязательно должны происходить последовательно, и Scuderi работает над тем, что он называет «воздушно-гибридной» системой.Вместо электрических генераторов, накапливающих энергию в батареях, как это происходит в современных гибридах, двигатель может отключать цилиндр сгорания, когда транспортное средство движется по инерции, и перенаправлять воздух из цилиндра сжатия в резервуар для хранения. Сильно сжатый воздух может быть выпущен позже для работы двигателя без топлива.

В течение последнего столетия предлагались и другие радикальные модификации двигателей, но автомобильная промышленность двигалась медленно, отчасти потому, что этого никогда не было. Двигатель внутреннего сгорания, каким мы его знаем, был доработан и улучшен, и он оказался очень надежным, очень безопасным и, в конечном итоге, дешевым в производстве.

«Есть много отличных идей и концепций двигателей, но реальность такова, что с такой отраслью, которая есть у нас, и с имеющейся у нас экономикой, намного легче двигаться небольшими пошаговыми шагами. Это больше подходит для нынешних сборочных и производственных линий », — говорит Ринн.

Но Скудери считает, что именно его двигатель может наконец сбить обычный четырехтактный двигатель с пьедестала. Помимо повышенной эффективности, его базовая конструкция цилиндров и поршней также очень похожа на традиционный двигатель.

«Мы рассматриваем примерно 95% или 96% одинаковых деталей. У нас не так много экзотических материалов, — говорит Ринн.

Сейчас компания ведет переговоры с производителями по всему миру, но, скорее всего, двигатель впервые появится в Азии. Компания считает, что автопроизводители в таких странах, как Китай, более склонны к экспериментам. После получения лицензии пройдет около трех-пяти лет, прежде чем мы увидим на дорогах автомобиль с двигателем Scuderi, и это будет как раз вовремя, чтобы соответствовать новым американским стандартам эффективности.

Если вы хотите прокомментировать эту статью или что-нибудь еще, что вы видели в Future, перейдите на нашу страницу в Facebook или напишите нам в Twitter.

Разработка 4-тактного оппозитно-поршневого двигателя с искровым зажиганием

Целью этого проекта была разработка недорогого 4-тактного бензинового двигателя OP путем соединения двух одноцилиндровых поршневых двигателей внутреннего сгорания с боковыми клапанами на блок, сняв головы. Выбранный двигатель — модель EY15 фирмы Robin America.Соединение этих двух блоков цилиндров позволило создать двигатель с оппозитными поршнями (OPE) с двумя коленчатыми валами. В этом новом двигателе камера сгорания ограничена пространством внутри цилиндра между головками поршней и камерой между клапанами. Поршни движутся по оси цилиндра в противоположных направлениях, что характерно для двигателей с оппозитными поршнями. После сборки двигателя параметры, характерные для OPE, такие как частота вращения, крутящий момент, расход топлива и выбросы, были измерены на динамометре для измерения вихревых токов.На основании собранных данных были рассчитаны мощность, удельный расход и общий КПД, что позволило сделать вывод о том, что двигатель с оппозитно-поршневой конфигурацией дешевле и более мощный. Разработка двигателя с оппозитными поршнями в этом проекте показала, что возможно построить один двигатель из другого, уже используемого, что снизит затраты на производство и разработку. Кроме того, можно получить более высокую мощность при более высоком удельном расходе топлива и меньшей вибрации.

1 Введение

В начале разработки этой конструкции двигателя с противоположным поршнем было обнаружено, что есть основания для дальнейших исследований в этой области. Поршневые двигатели противоположного типа успешно использовались почти во всех гражданских и военных областях, где они установили рекорды низкого потребления и высокой удельной мощности, которые сохраняются и спустя много лет, несмотря на неоспоримый прогресс в этой области [1]. Однако возникли два основных препятствия: первое связано с ограничениями, налагаемыми на выбросы двигателей внутреннего сгорания (двухтактные двигатели с противоположным расположением поршней значительно превышают действующие правовые ограничения, что в течение некоторого времени привело к незначительной заинтересованности в его разработке. [2]), а второй обусловлен текущим экономическим кризисом и временами жесткой экономии, навязанной международной ситуацией (создающей трудности в инвестировании в исследования двигателей этого типа).После анализа потенциала двигателей этого типа было решено преодолеть два основных препятствия. Было принято решение разработать двигатель внутреннего сгорания, четырехтактный, с искровым зажиганием, с противоположными поршнями. Поскольку были доступны ограниченные материальные ресурсы, было решено разработать одноцилиндровый двигатель с несколько устаревшей технологией, поскольку цели были: показать жизнеспособность двигателя, сделать возможным открытие возможных путей развития этого типа двигателей и попытаться найти ответ на вопрос «почему поршневые двигатели внутреннего сгорания с четырехтактным искровым зажиганием были вытеснены по характеристикам традиционными двигателями?».При разработке желательно сосредоточить внимание на легком и компактном двигателе, который будет использоваться в некоторых авиационных приложениях для замены доминирующих на рынке оппозитных двигателей мощностью до 8 кВт (что подразумевает двухтактный двигатель). Однако выбросы привели к тому, что выбор пал на двигатель с 4-тактным циклом вместо 2-тактного, хотя это сделало бы его тяжелее и менее компактным, чем было бы желательно для авиационного применения. Тем не менее, во время Второй мировой войны большинство поршневых двигателей были 4-тактными [3], и с точки зрения удельной мощности они достигли значений, которые до сих пор трудно сопоставить.Этот выбор также обеспечивает совместимость с широко известными системами очистки газовых стоков.

2 Предшественники

Противоположные поршневые двигатели, которые лежали в основе этого альтернативного четырехтактного альтернативного поршневого двигателя с искровым зажиганием и которые оказали наибольшее влияние на его развитие, были: Четырехтактный двигатель Gobron Brillié с искровым зажиганием (успешно используется в автомобилей в начале двадцатого века) и двухтактный двигатель Junkers Jumo 205 с воспламенением от сжатия (который, возможно, был самым успешным поршневым двигателем противоположного направления, использовавшимся в авиации до конца Второй мировой войны в гражданских и военных целях).Этот последний двигатель вдохновил в 30-х, 40-х и даже 50-х годах 20 века на разработку двигателей этого типа по обе стороны Атлантики от бывшего Советского Союза до Соединенных Штатов Америки почти для всех видов применения. В ходе исследования поршневых двигателей с противоположным расположением поршней было обнаружено, что с тех пор, как двухтактные дизельные двигатели с противоположным расположением поршней начали пользоваться успехом, четырехтактные поршневые двигатели с оппозитным зажиганием, которые в начале 20 века успешно применялись в производство автомобилей (в частности, французского автомобиля Gobron-Brillié) прекращено.Автомобиль этой марки стал первым автомобилем, преодолевшим мифическую отметку 100 миль в час [4]. Двигатель Gobron-Brillié представлял собой двухцилиндровый четырехпоршневой двигатель с одним коленчатым валом. Два поршня классическим образом соединялись с коленчатым валом шатуном, а два других находились наверху цилиндров. Два последних были соединены перемычкой, соединенной с коленчатым валом двумя очень длинными боковыми шатунами, передающими движение двух верхних поршневых штоков на коленчатый вал.Похоже, что этот двигатель был вдохновлен противоположным поршневым двигателем, приписываемым Wittig 1878 [2], одним из первых успешных противоположных поршневых двигателей и двигателем Robson 1890, работающим аналогичным образом. Между прочим, эти два первых двигателя с противоположными поршнями работали по 4-тактному циклу с впускным и выпускным отверстиями, расположенными в камере сгорания. Двигатель Junkers Jumo 205, разработанный в Германии в 1930-х годах, имел легкую, компактную конфигурацию с двумя кривошипами и работал с двухтактным воспламенением от сжатия.Этот двигатель оказал значительное влияние на гражданское и военное авиационное применение, так что он производился по лицензии несколькими производителями для гражданского применения. Это был единственный двухтактный дизельный двигатель, который регулярно использовался в авиации и производился в больших количествах [5]. Даже сегодня он продолжает считаться наиболее эффективным поршневым двигателем, используемым в авиации [1]. Следует отметить, что с 1910 года двигатели с конфигурацией с двумя коленчатыми валами стали более широко использоваться, поскольку они позволяли значительно более компактные рядные конструкции, чем конфигурации с одним коленчатым валом.Этот тип конфигурации затем использовался большинством производителей, что продемонстрировало семейство двигателей Junkers Jumo, Fairbanks Morse 38D, Rolls Royce K60, Leyland L60, Climax Coventry h40 и Харьков Морозов 6TD в широком диапазоне. областей применения.

3 Краткое описание генезиса двигателя

После этого начального этапа исследований была рассмотрена гипотеза создания двигателя с противоположными поршнями и двумя коленчатыми валами. Тем не менее, было сочтено более подходящим выбрать 4-тактный двигатель с циклом Отто вместо 2-тактного дизельного двигателя, который мог бы работать от более чем одного топлива при минимально возможных затратах.Для этого была рассмотрена возможность сконструировать двигатель с противоположными поршнями из другого, уже существующего, что снизит таким образом стоимость производства [6]. Был выбран бензиновый или керосиновый двигатель с боковым расположением клапанов марки Robin America, модель EY15, или водяной насос, см. Рис. 1, даже если он имел несколько устаревшую конфигурацию.

Рисунок 1

Внешний вид и схематическое изображение двигателя [7].

4 Характеристики исходного двигателя

В исходной конфигурации Robin America, Inc.двигатель модели EY15, работает как обычный 4-тактный бензиновый двигатель Otto. Рабочее положение — вертикальное, с рабочим объемом 143 куб. См и максимальной мощностью 3,5 л.с. при 4000 об / мин, питание от карбюратора, с боковыми клапанами в блоке, смазкой разбрызгиванием и зажиганием от транзисторного магнето.

5 Разработка встречно-поршневого двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, разработанный в ходе этой работы, на стыке двух блоков двигателя Robin EY15, работает в соответствии с 4-тактным циклом с искровым зажиганием.Он имеет рабочий объем 286 куб. См и развивает максимальную мощность 7,3 л.с. при 4000 об / мин. Была принята конфигурация с двойным коленчатым валом, аналогичная двигателю Junkers Jumo 205, но работающая в горизонтальном положении. Синхронизация распределения и передачи мощности обеспечивалась зубчатой ​​передачей, состоящей из четырех зубчатых колес с правыми зубьями (модуль 1,5 мм, две центральные шестерни по 65 зубьев и два приводных вала с 56 зубьями). Двигатель работает на бензине и оснащен двумя оригинальными карбюраторами модели EY15, расположенными с обеих сторон двигателя.Система смазки разбрызгиванием и зажигание от магнето с промежуточным хранением также остались от оригинального двигателя. В центральной части цилиндра находится камера сгорания объемом 60 куб. случилось с двигателем Gobron Brillié). Первый шаг в конструкции двигателя с противоположным поршнем заключался в снятии головок двух Robin EY15, чтобы два блока можно было соединить вместе в области прокладки головки.Это соединение позволяет обоим поршням располагаться лицом к лицу и двигаться в противоположных направлениях. В этой конфигурации ось одного цилиндра совмещена с осью другого цилиндра, так что два цилиндра в сборе функционируют как один цилиндр, с одним блоком выпускного клапана перед впускным клапаном другого, в пространстве между два блока двигателя. Это позволило уменьшить пространство камеры сгорания, поскольку открытие впускного клапана и закрытие выпускного клапана происходит почти одновременно.Чтобы двигатель работал в этой конфигурации, необходимо решить некоторые проблемы. Во-первых, размещение свечи зажигания (одна из самых больших технических трудностей), во-вторых, пространство между двумя блоками вызывало некоторые вопросы (значение степени сжатия), в-третьих, как соединить два двигателя, чтобы оси цилиндров точно удерживались. выровнены с камерой сгорания, и, в-четвертых (возможно, самый сложный), как организовать их синхронизацию (чтобы поршни двигались в противоположных направлениях, в то время как система распределения позволяла одновременно открывать оба впускных клапана и, следовательно, одновременное движение оба выпускных клапана).Система синхронизации также должна гарантировать, что коленчатые валы сохраняют свое первоначальное направление вращения и поддерживают передачу мощности от двух коленчатых валов. Наконец, необходимо было вернуть карбюраторы в вертикальное положение, с впускным каналом в горизонтальном положении и расположить так, чтобы управлять двумя карбюраторами одновременно с помощью одной и той же команды, отказавшись от исходного регулятора скорости. Свеча зажигания, первоначально установленная на головке двигателя, была установлена ​​в одном из блоков двигателя в пространстве между седлом клапана и цилиндром, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2

Свеча зажигания в сборе, вид сбоку и сверху.

Поскольку пространство для размещения свечи зажигания было очень маленьким, была использована свеча зажигания меньшего диаметра, чтобы она могла помещаться между цилиндром и клапанами, не создавая помех другим компонентам двигателя. Чтобы гарантировать необходимое пространство для открытия клапанов (без ущерба для степени сжатия и обеспечения газообмена в центральной зоне цилиндра), алюминиевая прокладка, должным образом выпрямленная на параллельных поверхностях, с 5.Между двумя блоками двигателя разместили толщину 3 мм. Сохранились прокладки оригинальной головки, толщина которых составляла 1,5 мм. Эти прокладки сохраняли исходное положение, помещая между ними алюминиевую прокладку. Высота камеры сгорания составляла 8,3 мм. Чтобы обеспечить выравнивание цилиндров по общей оси двух блоков цилиндров, три направляющих были вставлены в исходное отверстие болтов M8, которыми была затянута исходная головка (см. Рисунок 3). На основании блоков изготовлены две опоры из конструкционной стали и сварены МИГ.Когда блоки были выровнены, были использованы 6 стержней из нержавеющей стали (AISI 304L) диаметром 10 мм с резьбой M10 для обеспечения соединения двух мотоблоков, как показано на фотографии рисунка 3.

Рисунок 3

Деталь алюминиевой проставки, прокладки головки двигателя и направляющих штуцеров.

Зубчатая передача, состоящая из 4 прямозубых шестерен с модулем 1,5 мм, использовалась для синхронизации двух коленчатых валов. Звездочки, используемые в обоих приводных валах, имеют 56 зубьев, а две промежуточные шестерни — 65 зубьев.Четырехзвездочная зубчатая передача позволяет поршню одного коленчатого вала двигаться в направлении, противоположном поршню другого, гарантируя, что распределение перемещается в нужное время как впускной, так и выпускной клапаны, и что оба коленчатых вала сохраняют направление вращения оригинальный двигатель. Для этой зубчатой ​​передачи были выбраны зубчатые колеса с правыми зубьями, как в случае двигателя Junkers Jumo 205, чтобы обеспечить передачу мощности на карданный вал, не вызывая осевых нагрузок на коленчатые валы, размер которых не рассчитан для этого.Для крепления промежуточных валов использовалась стальная пластина, прикрепленная к блоку с помощью восьми болтов М8, что также помогает удерживать блоки вместе. Затем эта стальная пластина была усилена L-образной заслонкой, куда была привинчена прозрачная крышка из полиэтилентерефталата, чтобы уменьшить шум шестерен и предотвратить разбрызгивание смазки, используемой в шестернях. Следует отметить, что затем часть этой крышки была разрезана, чтобы позволить передавать мощность на приводной вал в верхнем правом углу, как показано на рисунке 4.Чтобы расположить карбюраторы вертикально, был построен канал из нержавеющей стали с внутренним диаметром 20 мм (немного меньший диаметр, чем у впускного коллектора). Воздуховод имеет изгиб под углом 90 ° и горизонтальную трубку достаточной длины, чтобы установить карбюратор в вертикальное положение, не вызывая каких-либо неудобств и не подвергаясь воздействию потока горячего воздуха из системы охлаждения двигателя или выпускного коллектора. Карбюраторы располагались по обе стороны от двигателя. Чтобы управлять обоими карбюраторами одновременно и одной командой, было решено использовать систему, состоящую из стального троса, тяги, соединенной со стальным тросом, троса, шкива и ручки переключения передач велосипеда.

Рисунок 4

Окончательная установка ВОМ поршневого двигателя с возвратно-поступательным движением для данной конструкции.

6 Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из испытательного стенда двигателя марки STEM-ISI Impianti, модель TD340, оснащенного тормозом вихревых токов модели Borghi и Saveri, FE 150 и аналоговым контроллером Borghi и Saveri. модель A03, STEM-ISI (1992), инфракрасный газоанализатор от Tecnotest, модель MULTIGAS 488, для бензиновых двигателей, выхлопная система, дополнительный вентилятор охлаждения и система учета расхода топлива (состоящая из калиброванного топливного бака, топливного бака , цифровые электронные весы с разрешением 0.01 г и цифровой таймер с разрешением 0,01 с). На рисунке 5 показан двигатель OP на динамометрическом испытательном стенде, установка и все оборудование.

Рисунок 5

Обзор динамометрического испытательного стенда и встречного поршневого двигателя.

7 Характерные параметры двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Обзор характеристических параметров поршневых двигателей внутреннего сгорания будет использован для поддержки презентации и обсуждения экспериментальных результатов.Крутящий момент, мощность и общие характеристики — три наиболее важных характеристических параметра любого двигателя внутреннего сгорания. Эффективная тормозная мощность (в кВт) определяется уравнением (1).

(1) W˙b = B2πn6010−3

Где B — крутящий момент, а n — частота вращения двигателя в оборотах в минуту. Расход топлива или массовый расход топлива определяется уравнением (2)

(2) m˙f = mfΔt

Где: ṁ _f — масса топлива, а Δt — время интервал.Общий КПД определяется соотношением между эффективной тормозной мощностью и тепловой мощностью, подаваемой на двигатель, выраженной в уравнении (3). В свою очередь, тепловая мощность определяется произведением массового расхода топлива на меньшую теплотворную способность того же топлива.

(3) ηg = W˙bm˙fHV

Где: Ẇ _b — эффективная мощность тормоза, ṁ _f — массовый расход топлива, а HV — нижний теплота сгорания топлива.В данном случае в качестве топлива используется бензин. Для расчетов было принято значение 44000 кДж / кг для бензина с низкой теплотворной способностью [8].

В свою очередь, удельный расход топлива C _SF определяется уравнением (4). Этот параметр связывает расход топлива с эффективной тормозной мощностью и позволяет получить хороший срок сравнения между двигателями.

(4) Csf = m˙fW˙b

В технической литературе удельный расход топлива обычно выражается в г / кВтч.Соответственно, уравнение 4 было переформулировано, как представлено в уравнении (5).

(5) Csf = m˙fhW˙b

Где: ṁ _fh — массовый расход (г / ч).

Расход топлива (в час) или массовый расход топлива в г / ч определяется уравнением (6).

(6) m˙fh = mfΔt3600

Объемный КПД η _V , уравнение (7) [9], связывает количество воздуха, фактически вводимого в цилиндр за цикл, с теоретической заполняющей способностью цилиндра. в том же цикле.Это один из наиболее важных параметров при характеристике и моделировании четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

(7) ηV = mamat = maρaiVd

Где: m _a — масса, которая фактически входит в цилиндр в каждом цикле, m _at , это масса, которая теоретически заполняет цилиндр, ρai , плотность воздуха (или смеси) в атмосферных условиях, и V _d , смещенный объем.Теоретически масса свежего заряда в каждом цикле должна быть равна произведению плотности воздуха (или смеси), оцененной в атмосферных условиях вне двигателя, на смещение, , то есть ., на объем, вытесняемый поршнем. . Однако из-за сокращенного времени, доступного для впуска и потерь нагрузки из-за существующих ограничений потока, только меньшее количество от теоретического количества свежего заряда, поступающего в цилиндр при атмосферных условиях [10], в конечном итоге попадает в цилиндр.Значение объемного КПД зависит от нескольких переменных двигателя, таких как частота вращения двигателя, давление во впускном и выпускном коллекторах и геометрия системы [11]. В этом случае уравнение (8) представлено как отношение между фактически допустимым расходом в цилиндре и массовым расходом, который теоретически допустим для этой скорости вращения.

(8) ηV = ηRm˙aρaiVdη

Где: η _R представляет количество оборотов за цикл, а ṁ _a — массовый расход, который фактически поступает в цилиндр.На практике значение объемного КПД получается из типа цикла, крутящего момента, отношения количества топлива к воздуху, плотности воздуха, вытесненного объема, общего КПД и более низкой теплотворной способности топлива, как показано в уравнении (9), которое получается из комбинация уравнений (1) и (4), среди прочего.

(9) ηV = ηR60m˙fAFρaiVdη

Где: AF представляет соотношение топлива и воздуха с учетом значения 14,7. Соотношение топливо-воздух ( AF ), уравнение (10), связывает массу воздуха с массой топлива m _f .Эти отношения также могут быть представлены как отношения между массовыми расходами.

(10) AF = mamf = m˙am˙f

8 Представление результатов

Данные, относящиеся к частоте вращения двигателя (об / мин), крутящему моменту (Нм), массе израсходованного топлива (г) и времени расхода топлива ( s), собранные во время динамометрических испытаний при полной нагрузке двигателя, в сочетании с предыдущими уравнениями, позволяют представить результаты (Рисунок 6). Этот график является результатом наложения двух графиков, первый, где представлена ​​мощность, а второй, где представлены мощность и удельное потребление.На обоих графиках по горизонтальной оси отложена скорость вращения двигателя (об / мин). Вертикальная ось слева соответствует тормозной мощности (кВт), правая ось — значениям тормозного момента (Н-м). В нижней части правой оси можно прочитать значения удельного расхода тормоза (г / кВтч). Оранжевые точки представляют собой результаты эффективной тормозной мощности, синие точки — данные крутящего момента, а удельное потребление отображается красным внизу. Соответствующие строки являются результатом полиномиальной интерполяции второго порядка, выполненной в программе Excel.Кривые следуют ожидаемой тенденции, однако следует отметить, что снижение крутящего момента с 2400 об / мин до 2800 больше не проверяется на 3200 и 3600. Фактически, только при 4000 об / мин снова наблюдается снижение крутящего момента. Значения, полученные при 2800 об / мин, кажутся необычными даже для удельного расхода, который представляет собой значения выше, чем значения тестов на более близкой скорости.

Рисунок 6

Характеристики двигателя.

На графике на Рисунке 7 можно увидеть результаты глобальной эффективности и ее полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенную в Excel.На этом графике показана потеря эффективности при 2800 об / мин, при этом наилучший общий выход будет выявлен в следующем тесте при 3200 об / мин.

Рисунок 7

Кривая общей производительности двигателя.

График на Рисунке 8 показывает результаты объемного КПД и его полиномиальную кривую тренда второго порядка, построенную в Excel. Можно заметить, что кривая тенденции показывает небольшое снижение от 1600 об / мин до значения 2800 об / мин, от которого кажется почти незаметное снижение. Если выбрать линейную линию тренда, разница будет практически незначительной.

Рисунок 8

Кривая объемного КПД как функция скорости вращения.

9 Выводы

Разработка встречно-поршневого двигателя в результате соединения двух идентичных двигателей показала, что возможно построить один двигатель из существующего, тем самым снизив затраты на его производство и разработку. Кроме того, OPE обеспечивает более высокую мощность, лучшее удельное потребление и более высокую пропускную способность. Результаты разработки этого двигателя с противоположными поршнями также позволили идентифицировать области, в которых этот двигатель превзошел и где может быть широкий диапазон возможностей развития при исследовании этого типа двигателей, а именно в улучшении сгорания. условия.Среди различных возможностей — модернизация системы управления и питания двигателя с использованием электронного управления зажиганием, непосредственного впрыска топлива, наддува и строительства более компактной камеры сгорания, способствующей усилению турбулентного движения после воспламенения смеси. .

Настоящее исследование частично финансировалось Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) в рамках проекта UID / EMS / 00151/2013 C-MAST, ссылка POCI-01-0145-FEDER-007718.

Ссылки

[1] Бройо Ф., Сантос А., Грегорио Дж. (30 июня — 2 июля 2010 г.). Вычислительный анализ продувки двухтактного дизельного двигателя с оппозитными поршнями. Процедуры всемирных инженерных конгрессов 2010 Том II, WCE 2010, (Лондон, Соединенное Королевство): 1448-1453. Ищите в Google Scholar

[2] Pirault J-P., Flint M. (2009). Противоположные поршневые двигатели: эволюция, использование и будущее применение, Warrendale: SAE International. Искать в Google Scholar

[3] Fernandes A.(2008). Compêndio de Motores Alternativos, Centro de Formação Militar e Técnica, Португалия: Força Aérea Portuguesa, Ministério da Defesa Nacional. Искать в Google Scholar

[4] The Autocar. Справочник Autocar, Справочник по автомобилю (9-е издание), Лондон: Илифф и сыновья. Искать в Google Scholar

[5] Gonçalves R. (2014). 3D CFD-моделирование четырехтактного оппозитно-поршневого двигателя с холодным потоком (кандидатская диссертация). Ковильян: Universidade da Beira Interior. Искать в Google Scholar

[6] Alves, F.(2011), Rendimento volumétrico de ummotor de pistões opostos a quatro tempos (MSc. Диссертация). Ковильян: Университет внутренних дел Бейры. Искать в Google Scholar

[7] Service Manual EY15-3, EY20-3 Engines (2001), Robin America, Inc. Искать в Google Scholar

[8] Martins J., Motores de Combustão Interna (2005), Porto : Publindustria. Ищите в Google Scholar

[9] Хейвуд Дж., Основы внутреннего сгорания (1988), Нью-Йорк: McGraw-Hill International Editions. Искать в Google Scholar

[10] Pesic R., Давинич А., Петкович С., Таранович Д., Милорадович Д. (2013). Аспекты измерения объемного КПД поршневых двигателей. Тепловые науки 17-1, 35-48. Искать в Google Scholar

[11] Николау Г., Скаттолини Р., Сивьеро К. (1996). Моделирование объемного КПД двигателей с интегральной схемой: параметрические, непараметрические и нейронные методы. Инженерная практика управления 4-10, 1405-1415. Искать в Google Scholar

Получено: 13.03.2018

Принято: 09.07.2018

Опубликовано онлайн: 03.11.2018

© 2018 J.П. Грегорио и Ф. М. Бройо, опубликовано De Gruyter

. Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 License.

Двигатель с оппозитными поршнями обещает более высокую эффективность

Пять десятилетий Mazda, в значительной степени бесполезные усилия по созданию роторного двигателя, демонстрируют, насколько сложно вытеснить обычный поршневой двигатель. Тем не менее, новые концепции продолжают появляться, особенно с учетом неустанного стремления отрасли к эффективности.Большинство из них никогда не выходит за рамки стадии дизайна или даже цветного карандаша. Но вот один дизайн, который находится в стадии разработки и показывает многообещающие перспективы.

Это оппозитно-поршневой двигатель Achates, прототип которого был показан на пикапе Ford F-150 на автосалоне в Детройте в 2018 году. Этот двигатель имел три длинных цилиндра в ряд, один коленчатый вал находился ниже, а другой — выше ряда цилиндров. Пара противоположных поршней совершала возвратно-поступательное движение в каждом цилиндре, каждый из которых соединен с собственным коленчатым валом.

Как это работает

Двигатель поршневой двухтактный, что означает отсутствие клапанов. Вместо этого отверстия в стенках цилиндров открываются, когда поршни находятся в нижней части своего хода. Нижние порты — это воздухозаборники, а верхние — выхлопы, а выхлопные трубы опережают воздухозаборник примерно на 10 градусов, чтобы выхлопные трубы открывались первыми. Когда оба открыты, нагнетатель нагнетает свежий воздух в цилиндр с одного конца, чтобы вытеснить выхлопные газы с другого конца.Затем поршни начинают двигаться навстречу друг другу, закрывая оба порта и сжимая воздух. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, когда поршни приближаются к концу своего хода. Таким образом, отсутствуют такты впуска и выпуска, как в обычном четырехтактном двигателе — только такты сжатия и увеличения мощности. Наверное, это легче понять, посмотрев эту анимацию, предоставленную производителем.

Базовая компоновка двигателя Ахатеса существует уже некоторое время.Немецкие люфтваффе начали использовать аналогичные дизельные двигатели Junkers Jumo с оппозитными поршнями в больших самолетах в 1932 году. Более крупные дизельные двигатели с оппозитными поршнями Фэрбенкса-Морса приводили в действие большинство подводных лодок ВМС США во время Второй мировой войны и до сих пор обеспечивают резервное питание для современных атомных подводных лодок.

Создание новой старой идеи

Achates взял эту базовую конструкцию и улучшил характеристики сгорания, а также предоставил возможность адаптировать работу двигателя к различным условиям и видам топлива.Большая часть разработок была сосредоточена на дизельных версиях, но компания также работает над бензиновыми версиями без свечей зажигания — концепцией HCCI (гомогенное воспламенение от сжатия), которую многие разрабатывают, но никто не довел до совершенства.

Теория предполагает, что двигатель с оппозитными поршнями имеет преимущество в эффективности, потому что из-за отсутствия головок цилиндров в систему охлаждения теряется меньше тепла. Представьте себе обычную камеру сгорания, в которой поверхности состоят из днища поршня, короткой цилиндрической окружности и головки блока цилиндров.В конструкции OP каждая пара цилиндров собирается вместе, поэтому головки отсутствуют.

Кроме того, поскольку камера сгорания каждого поршня соединяется с камерой сгорания другого, полученная камера становится толще и меньше похожа на тонкий диск. Ахатес увеличивает это преимущество за счет использования хода, в 1,3 раза превышающего длину ствола. Ахатес тщательно формирует головки поршней, чтобы обеспечить завихрение и качание всасываемого заряда, чтобы способствовать быстрому и стабильному сгоранию.

Два противоположных инжектора прямого действия, каждый из которых подает несколько тщательно рассчитанных впрысков, обеспечивают тщательное распределение топлива для сжигания большей части воздуха и ограничения образования твердых частиц.Степень сжатия около 18,0: 1 для бензиновой версии с воспламенением от сжатия (GCI) и немного меньше для дизельной версии обеспечивает хорошую степень расширения для извлечения максимальной механической энергии от каждого события сгорания.

Ключ к превосходной очистке

Секретный соус для выполнения этой работы — способность контролировать очистку в двигателе. Нагнетатель, который обеспечивает воздух под низким давлением для продувки цилиндров, имеет двухскоростной привод, и его также можно обойти. Эта гибкость позволяет цилиндру не полностью продуваться при определенных условиях.Например, при холодном пуске в результате частичной продувки в цилиндре остается много продуктов сгорания из предыдущего цикла (внутренняя рециркуляция выхлопных газов). Это повышает температуру сгорания и обеспечивает более горячий поток выхлопных газов, чтобы довести катализаторы до рабочей температуры.

Такая более горячая среда сгорания также способствует сгоранию на низких оборотах и ​​при малых нагрузках, что является проблемной областью для обычных двигателей HCCI.Например, на холостом ходу количество остаточных выхлопных газов составляет около 50 процентов. При более высокой выходной мощности цилиндр более тщательно очищается, чтобы снизить пиковые температуры сгорания, тем самым ограничивая выбросы оксидов азота (NOx). Также полезно то, что, хотя двигатель также имеет турбонагнетатель, заменяющий нагнетатель при более высоких нагрузках и для повышения эффективности, двигатель не работает с большим давлением наддува. Вместо этого двухтактная конструкция с вдвое большим количеством ходов на оборот позволяет двигателю соответствовать мощности обычного двигателя без особого наддува, даже когда его рабочий объем уменьшен на 20–30 процентов.

Хотя в этом двигателе нет обычного клапанного механизма, общее трение аналогично обычному двигателю из-за второго коленчатого вала, надежной зубчатой ​​передачи, соединяющей два кривошипа, и необходимости приводить в действие нагнетатель. Вес тоже примерно сопоставим. Двигатель выше обычного двигателя, но, наклоняя его, он обычно помещается под имеющийся капот.

Эффективнее, чем Prius?

Ахатес утверждает, что версия GCI этого двигателя достигнет максимальной эффективности 44%.Это всего на 10 процентов лучше, чем 40-процентный КПД, заявленный двигателем с циклом Аткинсона в нынешней Toyota Prius, но Ларри Фромм, исполнительный вице-президент Achates по развитию бизнеса, говорит, что двигатель Achates обеспечивает такую ​​эффективность в гораздо более широком диапазоне оборотов и нагрузки, чем двигатель Приуса. Например, двигатель Achates GCI в Ford F-150, как говорят, обеспечивает на 30 процентов большую экономию топлива в цикле EPA, чем самый эффективный бензиновый двигатель Ford, 2,7-литровый EcoBoost V-6.Это будет означать, что общий показатель составит около 29 миль на галлон — или на 4 мили на галлон выше, чем у 3,0-литрового дизельного двигателя V-6 Ford в версии этого грузовика с задним приводом.

Ford

К сожалению, мы вряд ли увидим двигатель Achates под капотом легкового или грузового автомобиля в течение нескольких лет. Achates не планирует строить двигатели самостоятельно, но намеревается лицензировать свою технологию у признанных производителей. У нее уже есть отношения с Fairbanks-Morse, которая использует технологию Achates для 12-цилиндрового, 24-поршневого, 5000-сильного и 95 000-фунтового стационарного дизельного топлива, используемого для выработки электроэнергии.Фэрбенкс-Морс заявляет, что тепловой КПД составляет 50 процентов.

Achates также работает с Cummins над разработкой двигателя с оппозитным поршнем мощностью 1000 л.с. для боевых машин для армии США. Фромм говорит, что компания ведет переговоры с несколькими крупными автопроизводителями, которые заинтересованы в версии GCI. Но пока нет ничего конкретного и с учетом длительных сроков разработки и испытаний новых двигателей, мы не увидим двигатель Achates на дороге как минимум пять лет.

Автомобильные приложения могут включать подключаемые гибриды

Если вы думаете, что к тому времени электромобили избавятся от необходимости в двигателях внутреннего сгорания любого типа, подумайте еще раз.Если эффективность двигателя будет реализована в процессе производства, достижение федеральных стандартов экономии топлива к 2025 году может быть проще и дешевле с помощью конструкции Achates, чем с помощью электрификации. И, как отмечает Фромм, двигатели с оппозитными поршнями по своей сути гладкие, поэтому одноцилиндровая двухпоршневая версия могла бы стать идеальным расширителем диапазона для PHEV, тем более, что ее можно превратить в плоский корпус, спрятанный под багажником или сиденьем. . Только время покажет, взломал ли Ахат код для двигателей с оппозитными поршнями в легковых и грузовых автомобилях.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.