ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Поршневая группа: комплектация и устройство

Поршневая группа – это поршень и группа уплотняющих колец. Так же в неё входит поршневой палец и детали крепления. Стоит рассмотреть назначение данного механизма.

За счет него воспринимается давление газа и передается через шатун на коленвал. Так же благодаря такому механизму, как поршневая группа, уплотняется надпоршневая полость цилиндра. Таким образом он будет защищен от излишнего попадания в картер смазочного масла и газов. Данная функция имеет огромное значение для хорошей работы двигателя. О том, в каком техническом состоянии он находится, судят по уплотняющей способности. К примеру, в машинных двигателях не допускается, чтобы расход масла составлял больше, чем три процента от расхода горючего.

Поршневая группа свою работу осуществляет еще и в тяжелых климатических условиях. Именно поэтому детали данного механизма обладают высокой тепловой напряженностью, а это учитывается, когда для них выбирается материал и конструкция. Их элементы обычно производители разрабатывают, учитывая тип двигателей и назначение (транспортные, стационарные, дизельные, формированные и т.д.). Однако общее устройство все равно остается прежним. Итак, следует рассмотреть, из чего же комплектуется поршневая группа.

Тронковая часть (направляющая) еще называется поршневой юбкой. Она изнутри имеет приливы, в них просверлены отверстия для поршневого пальца. Нижняя кромка юбки используется часто как технологическая база при обработке поршня. Она для этого снабжена растачиваемым буртиком. Кроме того, стенки юбки еще воспринимают силы бокового давления, а это увеличивает их трение о цилиндровые стенки и повышает нагрев цилиндра и поршня.

Поршневая головка несет поршневые кольца и имеет днище. Нижняя канавка имеет дренажные отверстия, через них отходит смазочное масло, чтобы оно не попало случайно в камеру сгорания. Её днище – это одна из камерных стенок. Она воспринимает значительное давление газов. Само днище может быть плоским, вогнутым, выпуклым или фигурным. Опять-таки, его форма выбирается при учете типа двигателя, а также камеры сгорания.

Нельзя не упомянуть про такой механизм, как цилиндро-поршневая группа. Главные дефекты блоков цилиндра – это трещины, сколы и износ. Эти неисправности устанавливаются после тщательного осмотра, опрессовки и обмера цилиндра. При этом процессе на блок нужно установить головку или же чугунную плиту (обязательна резиновая прокладка). Вообще, данная группа отличается жаростойкой сталью и масляным охлаждением, которое осуществляется за счет циркуляционной общей системы смазки главного дизеля. Если обеспечить хороший уход механизму и качественное масло, то можно легко увеличить срок работы поршней и цилиндров.

И еще один механизм – шатунно-поршневая группа. Поршень – литой и алюминиевый. Наружная поверхность обладает весьма сложной формой. Поршневой палец – полый и стальной, он свободно вращается во втулке шатуна и поршневых бобышках. А кольца поршня выполнены из чугуна. И, конечно же, шатун – кованый и стальной. В его верхней головке имеется втулка из смеси стали и бронзы, что положительно отражается на работе всей группы.

Устройство и работа: Поршень двигателя

Поршень является одной из самых важных деталей автомобильного двигателя, отвечающей за преобразование энергии сгорания топлива в энергию кинетическую. В сегодняшней статье мы постараемся уделить более подробное внимание назначению поршней, требованиям, предъявляемым к ним, а также особенностям их эксплуатации.

Что представляет собой поршень двигателя внутреннего сгорания?

Поршень автомобильного агрегата — это внутренний элемент, имеющий цилиндрическую форму, и совершающий возвратно-поступательное цикличное движение по специальной камере с целью превращения энергии, вырабатываемой в процессе сгорания топливной смеси, в физическую работу. Именно поршень способствует изменению внутреннего объема цилиндра, в результате чего происходит возгорание имеющейся в нем горючей смеси.

Качество выполнения своих функций поршнями прямым образом влияет на бесперебойность и эффективность деятельности мотора. Кажущаяся простота поршня — не более чем заблуждение. Это высокоточная наукоемкая деталь, за изготовление которой не берутся порой даже самые известные автоконцерны, заказывая её в специализированных компаниях, занимающихся их проектированием и непосредственным производством.

Какими должны быть поршни?

  • Любой поршень должен являться термоустойчивым. Во время сгорания топливной смеси внутри камеры достигается чрезвычайно высокая температура, которую материал должен выдерживать. То же самое касается и давления рабочих газов.
  • Вторым требованием является минимизация сил трения, возникающих между цилиндром, набором поршневых колец и подшипником линейного скольжения. Механическое истирание, происходящие в результате взаимодействия этих элементов, должно быть близкими к нулю, чтобы поршневая часть имела достаточный функциональный ресурс.
  • Третьим пунктом требований назовем необходимость серьезного запаса прочности, способного противостоять силовой нагрузке, исходящей из камеры сгорания с одной стороны, и шатунной реакции — с другой.
  • И, наконец, в-четвертых, силы инерции, возникающие во время движения поршня, должны передавать как можно меньшие нагрузки на кривошипно-шатунную механику.

Особенности эксплуатации поршней

Как мы уже говорили, сгоревшее сверху поршня топливо, является источником огромного количества тепла, возникающего при каждом рабочем цикле. Внутренняя температура камеры сгорания достигает 2 тысяч градусов Цельсия. Во время этого осуществляется передача лишь части энергии движения, остальное уходит на нагрев смежных деталей и энергию выхлопных газов. Важно понимать, что если поршень не будет охлаждаться, он через несколько минут подвергнется расплавлению.

За счет чего же происходит его охлаждение? Прежде всего, за счет наружного воздуха, который остужает охлаждающую жидкость, головку блока цилиндров и сам агрегат. Поршень посредством четырех элементов производит теплообмен с охлажденными деталями и антифризом.

  1. Поршневые кольца. Это основной элемент охлаждения, особенно то кольцо, которое располагается ближе к нижней части блока. Помимо этого, именно посредством поршневых колец осуществляется взаимодействие с антифризом, находящимся за стенкой цилиндра. Общее теплоотведение, достигаемое за счет колец поршней, составляет около 50%.
  2. Моторное масло. Помимо смазывающих функций, масло используется и для охлаждения. Оно забирает часть тепла от нагретых деталей, передавая его внутрь картера, в котором масляный состав остывает. Важно, чтобы масло не перегревалось, иначе оно рискует растерять свои рабочие характеристики и как следствие привести к повышению износа взаимодействующих узлов.
  3. Шатунный механизм. Охлаждение через вращающуюся механическую систему является наименее эффективным. Оно присутствует, но из-за достаточно больших контактных зазоров коэффициент его теплоотведения минимален.
  4. Топливная смесь следующего цикла. Не стоит забывать и о том, что часть тепла расходуется на нагрев вновь поступившей топливно-воздушной смеси. Эффективность такого охлаждения не поддается сомнению, потому что оно осуществляется именно с той стороны поршня, которая имеет максимальный нагрев после сгорания предыдущей порции топлива.

Важно понимать, что наибольшая ответственность за качество функционирования поршней лежит именно на поршневых кольцах. Если нарушится их герметичность, то разогретая газовая «прослойка» лишит поршень охлаждения, что приведет к разрушению двигателя. Подобную картину можно наблюдать во время перегрева, возникающего из-за нарушений системы охлаждения. В случае, когда продолжительность работы мотора при критических температурах оказывается достаточно продолжительной, агрегат получает настолько критичные повреждение, что отремонтировать его не представляется возможным. В таком случае потребуется осуществить полную замену блока.

Подведем итоги

В конце статьи скажем, что поршни являются основными узлами двигателя автомобиля. Важно следить за качеством их работы, производя периодические диагностические процедуры. При выявлении высокой степени выработки необходимо выполнять техническое обслуживание поршневой, включающего замену поршневых колец, пальцев или непосредственно самих поршней. Если им пренебречь, можно «нарваться» на замену блока, которая обойдется водителю в несколько раз дороже.

Поршни - MirMarine

  • Главная

Поршень - RacePortal.ru

 Детали шатунно-поршневой группы

 

1-Первое компрессионное кольцо

2-Второе компрессионное кольцо

3-Маслосъёмное кольцо

 3.1-Верхнее плоское кольцо

 3.2-Расширитель

 3.3-Нижнее плоское кольцо

4-Поршень

5-Поршневой палец

6-Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)

7-Шатун

8-Болт крышки шатуна

9-Вкладыши подшипника шатуна

10-Крышка шатуна

11-Гайка крышки шатуна

 Поршень

  Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной загородной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 3000 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 6000 раз в минуту, или 100 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час. Ещё выше эти нагрузки у высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей. Если принять, что скорость вращения двигателя спортивного автомобиля 6000 об/мин (на самом деле может быть значительно выше), в этом случае поршень изменит направление своего движения 200 раз в секунду, линейное расстояние, которое поршень пройдёт за час, будет равно 57,8 км, при этом максимальная скорость движения поршня будет равна 120 км/час. То есть в течение одной секунды, поршню необходимо 200 раз на расстоянии всего 40 мм разогнаться до 120 км/час и на таком же расстоянии снизить скорость с 120 км/час до 0. Двигатели многих спортивных автомобилей имеют максимальную скорость вращения коленчатого вала до 12000 об/мин, а двигатели болидов Формулы 1 раскручиваются до 19000 об/мин.

 Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипно-шатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

  Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения. Как известно из школьного курса физики, при этом выделяется большое количество тепла. Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000º - 2500ºС. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней. Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

 Опять вспоминая школьный курс физики можно сказать, что если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется. В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла. Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

  Тепло от поршня отводится тремя способами: Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя. Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

1. Отвод тепла чрез поршневые кольца и юбку поршня. Ясно, что подвести охлаждающую жидкость, циркулирующую в системе охлаждения к поршню невозможно, поскольку поршень во время работы двигателя перемещается с большой скоростью. Но система охлаждения двигателя интенсивно охлаждает стенки цилиндров двигателя. Поэтому необходимо сконструировать поршень и поршневые кольца так, чтобы он излишнее тепло чрез поршневые кольца и юбку передавал стенкам цилиндра двигателя. Далее исправная система охлаждения двигателя выведет тепло их двигателя и передаст его окружающему автомобиль воздуху. Если это не сделать, то температура поршня превысит максимально допустимую, после чего начнётся разрушение поршня под воздействием механических нагрузок и даже его оплавление под воздействием высокой температуры. Без необходимого отвода тепла поршень, сделанный из алюминиевого сплава расплавится всего через несколько минут работы двигателя.

Отвод тепла от поршня

 Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя

  • Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
  • Отвод тепла поршневыми кольцами (50% - 70%)
  • Отвод тепла юбкой поршня (20% - 30%)
  • Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% - 10%)
  • Отвод тепла через поршневой палец и шатун
  • Охлаждающая жидкость рубашки охлаждения

 Из общего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 50% - 60% отводится поршневыми кольцами, это накладывает очень высокие требования к конструкции и точности изготовления поршневых колец. Некоторая часть тепла отводится во внутренне пространство поршня и рассеивается во внутреннем пространстве картера или через поршневой палец передаётся на шатун и тоже рассеивается во внутреннем пространстве картера двигателя.

  1. Отвод тепла от поршня через поршневые кольца
  2. Отвод тепла поршневыми кольцами
  3. Камера сгорания
  4. Стенка цилиндра
  5. Рубашка охлаждения
  6. Поршень
  7. Первое компрессионное кольцо
  8. Второе компрессионное кольцо
  9. Маслосъёмное кольцо

 Поскольку самой горячей частью поршня является его днище, являющейся одной из стенок камеры сгорания, тепло перемещается от верхней части поршня к нижней. При этом из всего количества тепла, отводимого от поршня, приблизительно 45% отводится первым компрессионным кольцом, по причине того, что это кольцо всего ближе расположено к самой горячей части поршня, 20% отводится вторым компрессионным кольцом и только 5% отводится маслосъёмным кольцом. Тепло, переданное поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра, отводится системой охлаждения двигателя. Поэтому исправность системы охлаждения оказывает больное воздействие на тепловой режим поршня. Увеличение температуры охлаждающей жидкости системы охлаждения на 5º - 6ºС, увеличивает температуру поршня на 10ºС. При неисправности системы охлаждения первое что разрушается в двигателе это поршень. У поршня или прогорает днище или поршень заклинивается в цилиндре.

2. Отвод тепла при помощи масла системы смазки двигателя Поскольку многие внутренние детали картера двигателя смазываются распылением масла, масляный туман постоянно присутствует в картере двигателя. Соприкасаясь с горячими частями поршня или стенок цилиндра, масло забирает от них тепло и, осаждаясь в масляный поддон, переносит туда тепло. Обычно в таких системах при помощи масла от поршня отводилось не более 5% - 10% тепла. Но в последнее время в высоконагруженных двигателях, особенно в дизельных, масло системы смазки стало широко использоваться для охлаждения деталей, имеющих наибольшую тепловую нагрузку. Масло для охлаждения поршня может подаваться к поршню двумя способами. Первый способ – через специальный масляный канал, просверленный в стержне шатуна. В этом случае в шатуне имеется специальное отверстие, через которое масло разбрызгивается на внутреннюю стенку днища поршня. Второй способ – в нижней части картера устанавливаются масляные форсунки, которые под давлением распыляют масло во внутренней полости поршня, или впрыскивают его в специальный кольцевой охлаждающий канал, расположенный в головке поршня. Для отбора от поршня большего количества тепла масляный канал имеет волнообразную форму.

 В этом случае при помощи масла может от поршня отводиться от 30 до 50% тепла. В результате при разбрызгивании масла на внутреннюю стенку днища поршня удаётся снизит температуру днища поршня на 15 – 20ºС, а при организованной циркуляции масла в поршне, температуру днища поршня можно снизить на 25 – 35ºС. Масло, охлаждающие поршни и другие детали сильно нагревается. При нагреве масло разжижается и теряет свои смазывающие свойства. По этой причине возникает угроза заклинивания коренных и шатунных подшипников коленчатого вала.

 В таком случае система смазки двигателя имеет специальный охладитель масла, теплообменник которого передаёт тепло от масла жидкости, циркулирующей в системе охлаждения двигателя. Далее это тепло при помощи радиатора системы охлаждения рассеивается в окружающем автомобиль воздухе.

Охлаждение поршня маслом

 Масляная форсунка, установленная в нижней части гильзы цилиндра, разбрызгивает мало из системы смазки двигателя на внутреннюю сторону днища поршня. Масло отбирает тепло от днища поршня и стекает в масляный поддон двигателя, где происходит его охлаждение.

 Поршень с масляным каналом

 На этих рисунках показан поршень современного дизельного двигателя 2.0 TDI мощностью 103 кВт концерна VOLKSWAGEN. Масляная форсунка впрыскивает масло в охлаждающий канал поршня. По охлаждающему каналу масло проходит через головку поршня, охлаждая его, выходит из охлаждающего канала поршня с другой стороны и стекает в масляный поддон двигателя.

3. Охлаждение поршня холодной топливовоздушной смесью. Вообще поршень любого двигателя частично охлаждается топливовоздушной смесью. Причем чем богаче смесь, там больше она может забрать энергии от поршня. Но по причинам топливной экономичности и экологии современные двигатели часто работают на обеднённой смеси. Современные электронные системы управления двигателя для избежания детонационного сгорания на некоторых режимах работы двигателя немного переобогащают смесь, за счёт чего несколько снижается температура поршня.

 Конструкция поршня

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня
  4. Выемка для противовесов коленчатого вала
  5. Отверстие поршневого пальца
  6. Канавка стопорного кольца
  7. Бобышка поршня
  8. Отверстие для отвода масла из канавки маслосъёмного кольца
  9. Отверстие для отвода масла ниже маслосъёмного кольца
  10. Канавка маслосъёмного кольца
  11. Третья перегородка поршневых колец
  12. Канавка второго компрессионного кольца
  13. Вторая перегородка поршневых колец
  14. Канавка первого компрессионного кольца
  15. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  16. Метки направления установки поршня
  17. Метки группы диаметра поршня

Вид поршня современного форсированного двигателя

  1. Поршеньфорсированного двигателя
  2. Днище поршня
  3. Выемки клапанов
  4. Вытеснитель
  5. Верхняя перегородка (жаровой пояс)
  6. Канавка верхнего компрессионного кольца
  7. Вторая перегородка
  8. Третья перегородка
  9. Канавка маслосъёмного кольца
  10. Отверстие для отвода масла из канавки компрессионного кольца
  11. Юбка поршня с антифрикционным покрытием
  12. Бобышка отверстия поршневого пальца
  13. Отверстие поршневого пальца
  14. Проточка под стопорное кольцо поршневого пальца
  15. Канавка аккумулирования газов

 На первый взгляд в конструкции поршня нет ничего сложного, поршень очень похож просто на перевёрнутый стакан. Но, учитывая, что к поршню предъявляются очень высокие и часто противоречивые требования, поршень является одной из наиболее трудных в конструировании и изготовлении деталей двигателя. В зависимости от конструкции двигателя, формы его камеры сгорания, расположения клапанов днище, и другие части поршня, могут иметь различную форму.

 Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

 

 Поршень двигателя с непосредственным впрыском топлива автомобиля VOLKSWAGEN с системой управления двигателя FSI FSI

Направление потока смеси

 Очень своеобразную форму имеют поршни двигателей автомобиля VOLKSWAGEN с расположением цилиндров VR и W. У этих двигателей днище поршня в одной плоскости не перпендикулярно оси поршня. Но все остальные детали поршня ось поршневого пальца и канавки поршневых колец строго перпендикулярны оси поршня.

 Порщень RV-образного двигателя

 Ранее отмечалось, во время работы двигателя поршень совершает возвратно поступательные движения с большой средней скоростью и с очень высокими знакопеременными ускорениями, следовательно, для уменьшения сил инерции конструктор должен стремиться сделать поршень, как и все остальные детали, совершающие возвратно-поступательное движение, как можно легче. Способов это сделать всего два, это применение материалов и низким удельным весом, и уменьшения общего количества материала, то есть удаление излишнего материала. Но удаление излишнего материала снижает прочность конструкции, чем деталь массивней, тем легче обеспечить её жесткость и теплоёмкость. Крайне не желательно деформация формы поршня под воздействием механических и температурных нагрузок. Во время работы двигателя поршень контактирует с другими деталями, стенками цилиндра, поршневыми кольцами и поршневым пальцем. Для обеспечения эффективной работы двигателя необходимо обеспечит точные зазоры между всеми этими деталями. Но все эти детали изготавливаются из различных материалов и, соответственно, имеют различные коэффициенты температурного расширения.

 Поршень конструируется так, что после прогрева двигателя до нормальной рабочей температуры все зазоры между движущимися деталями были минимальными и соответствовали расчётным. Вообще наружная форма и размеры поршня должны соответствовать форме цилиндра. При изготовлении стремятся придать отверстию цилиндра строгие геометрические формы. Но, например, неправильная затяжка болтов крепления головки блока цилиндров, может сильно исказить первоначальную форму отверстия цилиндра. Поэтому, при ремонте двигателя всегда строго соблюдайте рекомендованные моменты затяжки всех резьбовых соединений.

 Наружная форма поршня конструируется так, чтобы после прогрева двигателя поршень приобрёл форму строго цилиндра, поэтому при изготовлении поршня в его форму умышленно вносятся некоторые искажения, которые устраняются по мере прогрева двигателя. На холодном двигателе зазор между поршнем и стенками цилиндра увеличен. При прогреве двигателя до нормальной рабочей температуры тепловые зазоры между стенками цилиндра и поршнем уменьшаются и начинают соответствовать норме. Вот почему так важно поддерживать необходимую рабочую температуру двигателя.

 Поршень состоит из трёх основных частей:

  1. Днище поршня
  2. Головка поршня
  3. Юбка поршня

 Днище поршня предназначено для восприятия усилия давления газов. Головка поршня обеспечивает герметизацию подвижного соединения поршня и стенок цилиндров за счёт установленных на головку поршня поршневых колец. Для установки поршневых колец в головке поршня делаются специальные канавки. В верхние канавки современных поршней вставляются компрессионные кольца, а нижняя канавка предназначена для установки маслосъёмного кольца. В канавке маслосъёмного кольца делаются сквозные отверстия, через которые излишнее масло отводится во внутреннюю полость поршня.

 Часть поршня, расположенная ниже нижнего кольца называется юбкой поршня. Юбка поршня, иногда её называют тронковая или направляющая часть поршня, предназначена для удержания поршня в правильном направлении и восприятия боковых нагрузок. То есть юбка является направляющим элементом поршня.

 Очень важным параметром поршня является высота головки поршня относительно оси поршневого пальца (4). Иногда различные модификации двигателя имеют различную степень сжатия. В производстве легче всего изменить степень сжатия изменением высоты головки поршня.

 При конструировании двигателя, для уменьшения сил инерции, конструкторы стремятся сделать поршень как можно легче. Но сделать все стенки поршня одинаковой толщины не удастся. Днище поршня, для восприятия больших нагрузок, всегда делается толще, чем стенки юбки. Но и юбка в различных местах имеет различную толщину. В местах бобышек под поршневой палец юбка имеет значительное утолщение, а, учитывая то, что различные части поршня имеют различную температуру, можно предположить, что при нагреве в разных местах поршень расширяется не одинаково. Поскольку во время рабаты двигателя головка поршня имеет более высокую температуру, следовательно, расширяется больше юбки поршня, головка поршня имеет несколько меньший диаметр по сравнению с юбкой поршня.

Поршень - диаметр головки

 Под воздействием тепловых деформаций поршня, сложенных с боковыми усилиями, действующими на поршень в перпендикулярно оси поршневого пальца, цилиндрический поршень может приобрети овальную форму. Для устранения этого явления поршень изначально делается овальным, но в противоположном направлении, по мере прогрева двигателя поршень, под воздействием боковых сил, приобретает круглую форму. Малая ось овала совпадает с направлением оси поршневого вала, а большая ось овала совпадает с направлением действующих на поршень боковых сил.

                                                                                          

 Но кроме овальности наружная поверхность поршня имеет некоторую конусность. Поршни современного двигателя, кроме овальности, по высоте имеют бочкообразную форму. Поэтому, поршень, кажущийся на первый взгляд простым цилиндром, имеет довольно сложную форму.

 Сложная форма поршня

 На этом рисунке даны отклонения диаметра поршня от номинального размера. Зелёная линия показывает отклонения от номинального диаметра на различной высоте поршня со стороны торцов поршневого пальца, а розовая линия показывает отклонение номинального размера со стороны упорных поверхностей поршня. Ширина жёлтой зоны показывает овальность поршня на различной высоте.

 Подбор точной наружной формы поршня очень трудная инженерная задача. В самом начале развития двигателестроения форма поршня подбиралась только опытным способом. Установив опытный поршнь в двигатель, двигатель нагружали различными нагрузками. После проведения необходимых испытаний поршень снимался и в местах, подвергшихся наибольшему износу, удалялась некоторая часть металла, и после этого проводился следующий цикл испытаний. Ели в результате излишне снятого металла поршень разрушался, толщину стенок или форму поршня изменяли и заново производили полный цикл испытаний. В результате продолжительных испытаний добивались наилучшей формы поршня для данного двигателя. По мере накопления опыта точная форма поршня стала определяться расчётным способом. Но даже сейчас, когда специальная компьютерная программа, может прочитать оптимальную форму поршня быстро, с высокой степью точности и с учётом всех, воздействующих на поршень температурных и механических факторов, проводится обязательное испытание поршней под различной нагрузкой. Другим способом терморегулирования поршня, то есть направленное изменение формы поршня под воздействием температуры является вплавление в алюминиевое тело стальных термостабилизирующих пластин. Термостбилизирующие пластины, при полном прогреве поршня, позволяют снизить радиальное расширение поршня приблизительно в два раза по сравнению с поршнем, полностью изготовленным из алюминиевого сплава.

 Термостабилизирующие пластины

 Термостбилизирующие пластины или кольца являются очень эффективным средством управления расширения поршня в необходимом направлении. Правда эти элементы имеют большое ограничение они могут быть вставлены только в литые поршни, но нет возможности установки этих элементов в современные кованные поршни. Как преднамеренные изменения формы поршня, так и вставка в поршень термостабилизирующих стальных пластин предназначены для обеспечения стабильного минимального теплового зазора между поршнем (юбкой поршня) и стеками цилиндра. Обычно тепловой зазор между юбкой поршня и стенками цилиндра автомобильного двигателя лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм.

 Боковые силы, приложенные к поршню

 Во время работы двигателя шатун постоянно, кроме положения поршня в ВМТ и НМТ находится под некоторым углом к оси цилиндра, причем этот угол постоянно изменяется. Поэтому сила, приложенная к поршневому пальцу, раскладывается на две. Одна сила действует в направлении шатуна, а вторая сила действует в направлении перпендикулярном оси цилиндра. Эта сила прижимает поршень к стенке цилиндра. При движении поршня вверх на такте сжатия сжимаемый воздух оказывает сопротивление перемещению поршня. Часть это силы прижимает поршень к правой стенке цилиндра, если смотреть со стороны передней части двигателя. Во время рабочего хода расширяющиеся газы с большой силой давят на поршень. Часть этой силы расходуется на прижатие поршня к левой стенке цилиндра. Не стоит думать, что эти силы незначительны. Боковая сила, прижимающая поршень к стенке цилиндра приблизительно равна 10% - 12% процентов, от силы, действующей в направлении оси цилиндра. Ранее упоминалось, что во время работы двигателя на днище поршня среднего легкового автомобиля действует сила в несколько тонн, следовательно, сила, прижимающая поршень к боковой стенке может быть равна нескольким сотням килограмм. Поскольку сила, действующая на поршень во время рабочего хода в направлении оси цилиндра значительно выше, силы, действующей на поршень во время такта сжатия, поверхность, к которой прижимается поршень, во время такта рабочего хода, называется основной упорной поверхностью.

 Из всего сказанного вытекает, что при прохождении поршнем ВМТ между тактами сжатия и рабочего хода происходит перемещение поршня от вспомогательной упорной поверхности к основной. Поскольку на поршень действуют большие силы, а все процессы в двигателе происходят очень быстро, перемещение поршня происходи в форме удара. Для уменьшения силы удара при перекладке поршня ось поршневого пальца (вернее ось отверстия в бобышках поршня под поршневой палец) смещена в сторону основной упорной поверхности.

 Перекладывание поршня

 При движении поршня вверх на такте сжатия, давление сжимаемого воздуха оказываемого на днище поршня преобразуется в силу, направленную перпендикулярно днищу поршня. Поскольку шатун находится под некоторым углом к оси поршня, возникает нормальная сила, прижимающая поршень к вспомогательной упорной поверхности (2). Сила, возникающая в результате воздействия давления, равна произведению давления, умноженного на площадь, на которую действует давление. Поскольку ось поршневого пальца смещена в сторону основной упорной поверхности (1), площадь правой половины поршня стала несколько больше площади левой половины. В результате чего сила, действующая на правую половину поршня, будет больше силы, действующей на левую половину поршня. Поэтому, когда поршень остановится в ВМТ, в результате разности этих сил, нижняя часть поршня переместится к основной упорной поверхности. А как только давление в камере сгорания начнёт увеличиваться, произойдёт полная перекладка поршня к основной упорной поверхности. Это позволяет произвести перекладку поршня без ударных нагрузок. При движении поршня в низ, при изменении угла шатуна к оси цилиндра и возрастания давления в цилиндре поршень оказывает давление на основную упорную поверхность (1).

 Обычно смещение оси поршневого пальцы относительно оси поршня в автомобильных двигателях лежит в диапазоне 1,0 – 2,5 мм. Учитывая имеющиеся смещения оси поршневого пальца, поршень допускается устанавливать только в одном направлении. Неправильна установка поршня приведёт к появлению ударных звуков во время работы двигателя. Обычно на днище поршня имеется метка, указывающая правильное направление установки поршня. Перед ремонтом двигателя тщательно изучите руководство по ремонту.

 Нормальный тепловой зазор между цилиндром и юбкой поршня лежит в диапазоне 0,0254 – 0,0508 мм. Но для каждого двигателя имеется точное значение этого параметра, которое можно найти в технических нормативах. Уменьшенный зазор приведёт к задирам поршня или поршневых колец и даже заклиниванию поршня в цилиндре.

 Измерение диаметра поршня

 При увеличенном зазоре повышается шумность работы двигателя и износ поршня и поршневых колец.

Измерение диаметра юбки поршня при помощи микрометра.

 

Измерение диаметра поршня Диаметр юбки поршня необходимо проверять в направлении перпендикулярном оси пальца строго на установленной высоте относительно нижнего края юбки. Замерьте диаметр юбки поршня на установленной высоте и запишите результаты измерений.

 Измерение диаметра цилиндра нутромером

 

При помощи нутромера замерьте диаметр цилиндра и запишите результаты измерений. Для определения зазора необходимо из второго полученного результата вычесть результат первого измерения. Измерение зазора при помощи плоского щупа Некоторые производители двигателей предлагают проводить измерение зазора между поршнем и цилиндром при помощи плоского щупа.

Измерение зазора между поршнем и стенками цилиндра

 На этих двух рисунках показаны различные способы измерения зазора при помощи плоского щупа.

Измерение зазора при помощи щупа 

Материалы, из которых изготовлен поршень

 Поскольку к поршням, как к изделию, предъявляются очень высокие требования, такие же высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются поршни. Можно кратко перечислить требования к этим материалам:

  • Для снижения инерционных нагрузок материал должен иметь как можно меньший удельный вес, но при этом быть достаточно прочным.
  • Иметь низкий коэффициент температурного расширения.
  • Не изменять своих физических свойств (прочности) под воздействием высоких температур.
  • Иметь высокую теплопроводность и теплоёмкость.
  • Иметь низкий коэффициент трения в паре с материалом, из которого изготовлены стенки цилиндров.
  • Иметь высокую сопротивляемость износу.
  • Не изменять своих физических свойств под воздействие нагрузок, вызывающих усталостное разрушение материала.
  • Быть не дорогим, общедоступным и легко поддаваться механической и другим видам

 Алюминий значительно легче чугуна, но поскольку он мягче чугуна, приходится увеличивать толщину стенок поршня, по этой причине вес поршневой группы алюминиевого поршня легче подобной группы с чугунным поршнем всего на 30 – 40%. Алюминий обладает высоким температурным коэффициентом расширения, для устранения влияния которог

Поршневые двигатели Силовые установки

Мощность поршня

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был усовершенствован и разработан в течение последних 100 лет для широкого спектра применений - от крошечных двигателей объемом 1 куб. См, приводящих в действие модели самолетов, до гигантских морских двигателей с выходной мощностью в десятки мегаватт.Поршневой двигатель с его компактными размерами и широким диапазоном выходной мощности и вариантов топлива является идеальным первичным двигателем для питания электроагрегатов (генераторных установок), используемых для обеспечения первичной энергии в удаленных местах или, в более общем смысле, для обеспечения мобильных и аварийных или резервных электроэнергия.

Приложения

Генераторные установки

предназначены для работы на фиксированных скоростях из-за необходимости обеспечивать выходное напряжение переменного тока фиксированной частоты.Монитор частоты вращения ротора обеспечивает индикацию выходной частоты генератора, которая передается обратно для управления клапаном подачи топлива, чтобы поддерживать постоянную частоту.

Напряжение также пропорционально скорости до тех пор, пока магнитная цепь не достигнет насыщения, когда скорость увеличения напряжения, когда скорость увеличивается, резко замедляется.

Выходной мощностью можно управлять с помощью регулятора с тиристорным управлением, который изменяет угол зажигания тиристора, который, в свою очередь, изменяет средний ток нагрузки.

  • Первичная мощность
  • Большие дизельные генераторы используются для основных источников энергии

  • Аварийное питание
  • Небольшие портативные генераторы, часто используемые для аварийного питания, могут работать на бензине (бензине) или дизельном топливе. Удаленные, неуправляемые приложения обычно имеют функцию автоматического запуска и остановки.

  • Электротяга
  • Первый дизельный электрический гибридный автомобиль был запатентован в 1914 году Германом Лемпом. Он использовал электрическую тягу для системы трансмиссии, чтобы избежать использования сложных зубчатых передач, необходимых для передачи мощности дизельного ДВС на колеса во всем диапазоне скоростей поезда, поскольку электродвигатели могут работать в более широком диапазоне скоростей и с большей легкостью контролируется. Для этой цели использовались двигатели постоянного тока, а мощность постоянного тока обеспечивалась генератором постоянного тока, приводимым в действие дизельным двигателем.Современные дизельные электрики используют машины переменного тока, чтобы избежать использования ненадежных коммутаторов и щеток в двигателях и генераторах. Использование дизельной электроэнергии обеспечивает гибкую маршрутизацию и позволяет избежать затрат на дорогостоящую инфраструктуру воздушных проводов, необходимую для чистых электропоездов. Выходная электрическая мощность может составлять от 200 кВт для небольшого пассажирского автомобиля и до 2 МВт для большого грузового поезда.

  • Когенерация
  • (См. Диаграмму для гибридных морских приложений.)

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания состоят из одного или нескольких цилиндров, каждый из которых уплотнен с одного конца и открыт с другого, в которых плотно прилегающие поршни могут перемещаться вверх и вниз. (См. Схему ниже) Двигатель получает свою мощность от сжигания сжатой топливовоздушной смеси в каждом из цилиндров по очереди. Топливо воспламеняется, когда поршень находится в верхней части своего хода, и расширение горящего газа перемещает поршень вниз.Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатым валом, который передает движущую силу требуемому приложению, в данном случае генератору. Воздух или топливовоздушная смесь вводится в цилиндр, когда поршень находится в самой нижней точке, а маховик на коленчатом валу обеспечивает импульс, заставляющий поршень двигаться вверх для его сжатия.

Поршень и шатун в поршневом двигателе образуют большую массу, которая ускоряется от нуля до очень высокой скорости и снова замедляется до нуля с каждым оборотом двигателя.(100 раз в секунду в двигателе, работающем при 6000 об / мин.) Это создает огромные силы на движущихся частях двигателя.

Многие методы подачи воздуха и топлива в цилиндры, управления зажиганием и удаления выхлопных газов были разработаны на протяжении многих лет. Двумя основными классами двигателей являются двигатели с искровым зажиганием или двигатели с циклом Отто и двигатели с воспламенением от сжатия или дизельные двигатели. Оба этих типа могут быть рассчитаны на четырехтактный или двухтактный режим.

Доступная мощность

Упрощенные уравнения, представляющие характеристики двигателя, предполагают, что рабочие вещества - идеальные газы, все процессы обратимы и трение отсутствует.

Следующее идеализированное уравнение применимо как к двигателям Отто (искровое зажигание), так и к дизельным двигателям (воспламенение от сжатия), описанным ниже.

P = η f м a N Q HV (F / A) / n R

P = Выходная мощность двигателя

η f = Эффективность преобразования топлива

м a = Масса воздуха, вводимого в цилиндр (цилиндры) за цикл

N = Частота вращения коленчатого вала

Q HV = Теплотворная способность топлива

(F / A) = Массовый расход топлива / Массовый расход воздуха

n R = Число оборотов кривошипа на рабочий ход (2 для 4-тактных двигателей, 1 для 2-тактных двигателей)

Из уравнения видно, что выходная мощность пропорциональна массе воздуха, проходящего через двигатель (объем или рабочий объем цилиндров), скорости вращения, энергосодержанию топлива и скорости, с которой он потребляется, и все это можно напрямую измерить.

Выходной крутящий момент T также пропорционален мощности двигателя и уровню расхода топлива и определяется по формуле:

T = P / N

Эффективность преобразования топлива, которая влияет как на мощность двигателя, так и на крутящий момент, является более сложной и зависит от термического и механического КПД двигателя.

Эффективность преобразования энергии

Основной задачей двигателя внутреннего сгорания является преобразование химической энергии в механическую энергию путем сжигания топлива в цилиндре, а термодинамический КПД является мерой того, насколько хорошо он выполняет эту работу в идеальных условиях. Однако практические системы подвержены различным потерям, которые приводят к снижению общей эффективности двигателя при передаче механической энергии на коленчатый вал до удивительно низких значений.КПД может достигать 50% или более для больших дизельных двигателей, в которых используются системы рекуперации отработанного тепла, и всего 20% или 30% для более простых конструкций, таких как автомобильные электростанции и небольшие бытовые электростанции.

  • Степень сжатия и термический КПД

    Эффективность сгорания можно повысить за счет сжатия имеющихся молекул кислорода и топлива в очень маленькое пространство, что вместе с теплотой сжатия вызывает лучшее перемешивание и испарение топлива.γ-1

    , где r v - степень сжатия двигателя, которая определяется как отношение между объемом, заключенным в цилиндре, и поршнем, когда поршень находится в нижней мертвой точке (НМТ), охватываемый объем цилиндром и поршнем, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ).

    Гамма ( γ ) - отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении ( C p ) и постоянной объем ( C v ) рабочей жидкости (для большинства целей рабочей жидкостью является воздух, и трактуется как идеальный газ).Гамма-отношение для воздуха составляет 1,4. Чем сложнее молекулы газа, тем ниже гамма. Для топливной смеси, используемой в двигателе внутреннего сгорания, гамма обычно составляет 1,15 и 1,25

    Удельная теплоемкость C - это количество тепла на единицу массы, необходимое для повышения температуры на один градус Цельсия. Таким образом:

    C = Q / M * дельта T

    Где Q - приложенное тепло, M - масса образца, а Delta T - изменение температуры, которое возникает в результате.Это предполагает, что фазового перехода не происходит, поскольку тепло, добавляемое или отводимое во время фазового перехода, не изменяет температуру.

    Уравнение теплового КПД для идеального цикла Отто показано графически ниже. Он показывает, что термический КПД и, следовательно, мощность двигателя увеличиваются с увеличением степени сжатия, однако для степеней сжатия, превышающих 17

    , улучшения практически отсутствуют.

    Сжатие газа поршнем в цилиндре вызывает повышение температуры газа, и это повышение температуры увеличивается с увеличением степени сжатия.Поскольку сжатый газ представляет собой смесь воздуха с летучим топливом, он может самовоспламеняться без искры, когда летучее топливо достигает точки воспламенения до того, как поршень достиг вершины такта сжатия. Этот эффект называется преждевременным зажиганием и ограничивает максимальную степень сжатия двигателя с искровым зажиганием примерно до 12: 1

    .

    Степень сжатия двигателей с искровым зажиганием обычно находится в диапазоне от 8: 1 до 12: 1

    Однако дизельные двигатели, которые зависят от повышения температуры, вызванного сжатием для воспламенения топлива, а не искры, могут и должны работать при гораздо более высоких степенях сжатия.Они могут это сделать, потому что сжатый газ - это чистый воздух, и топливо не вводится, пока воздух не будет сжат.

    Для данной степени сжатия дизельный двигатель на самом деле немного менее эффективен, чем двигатель с циклом Отто, но дизель более чем компенсирует это, поскольку он работает с гораздо более высокими степенями сжатия.

    Степень сжатия дизельных двигателей обычно находится в диапазоне от 14: 1 до 25: 1

    Одним из недостатков двигателей с высокой степенью сжатия является то, что чем выше пиковые температуры газа в баллоне вызывают более высокие количество производимых оксидов азота.

  • Соотношение воздух / топливо

    Процесс горения - это химическая реакция, при которой топливо окисляется (сжигается) кислородом воздуха. Для полного сгорания требуется определенный вес воздуха, чтобы окислить все топливо, не оставляя лишнего кислорода. Соотношение веса воздуха и топлива, необходимого для полного сгорания, называется стехиометрическим соотношением.

    Для бензина (бензина) стехиометрическое соотношение воздух / топливо составляет 14,7: 1, а в двигателе с циклом Отто задача карбюратора или системы впрыска топлива поддерживать это соотношение. Если соотношение воздух / топливо намного выше, чем значение стехиометрии, как в случае бедной смеси, трудно зажечь смесь с помощью свечи зажигания. Если это соотношение ниже, как в случае с богатой топливной смесью, часть топлива остается несгоревшей и эффективность двигателя страдает.

    В отличие от этого, дизельные двигатели работают с переменным соотношением воздух / топливо. Это потому, что воспламенение топлива вызвано высокой температурой, вызванной сжатием, а не искрой.

    Когда двигатель работает на холостом ходу, требуется лишь небольшое количество топлива, но камера сгорания всегда заполнена чистым воздухом перед впрыском топлива, так что соотношение воздух / топливо может достигать 60 или 100: 1.По мере увеличения нагрузки на двигатель для обеспечения мощности необходимо сжигать больше топлива, поэтому количество впрыскиваемого за цикл топлива должно соответственно увеличиваться, но количество воздуха, впрыскиваемого в цилиндр за цикл, остается постоянным, так что воздух / топливо соотношение снижено.

    Поскольку неэффективное смешивание топлива с воздухом, связанное с дизельными двигателями, приводит к неполному сгоранию и последующему образованию частиц сажи при подаче с богатой топливной смесью, большинство дизельных двигателей должны работать на обедненной смеси используемого топлива стехиометрического значения.Таким образом, при одинаковом рабочем объеме дизельные двигатели без наддува не могут сжигать столько топлива, как эквивалентные двигатели с циклом Отто, что несколько снижает преимущество в эффективности, получаемое за счет их более высоких степеней сжатия.

  • Потери энергии
  • Все тепло, которое выходит в виде выхлопа или попадает в радиатор, является потраченной впустую энергией.

    Обычно 35% подводимой тепловой энергии теряется в системе охлаждения и немного больше - через выхлоп. Неполное сгорание топлива приводит к дополнительным потерям. На трение приходится еще 5–6% потраченной энергии, и еще больше энергии используется для вращения различных вспомогательных насосов, вентиляторов и генераторов, необходимых для поддержания работы.

См. Также Тепловые двигатели

Практическая выходная мощность

Практическая выходная мощность ограничена ограничениями по потоку воздуха из-за ограничений по размеру и форме впускных и выпускных каналов, эффективности смешивания топлива, скорости распространения пламени, трения, способности механических компонентов выдерживать высокое давление сжатия в цилиндры и чрезвычайно высокие силы инерции на совершающих возвратно-поступательное движение частях, включая шатуны и клапанные механизмы.

Рабочие характеристики типичного двигателя малого объема, которые являются результатом всех этих ограничений, показаны ниже.

Мощность и крутящий момент увеличиваются с увеличением числа оборотов двигателя, но достигают пика и начинают спадать по мере того, как эти ограничения начинают действовать. Это серьезный недостаток для автомобильной техники, которая требует мощности и крутящего момента в широком диапазоне скоростей двигателя, но не обязательно для генератора, который обычно работает с постоянной скоростью.

Типы двигателей

  • Двигатели с искровым зажиганием
  • Двигатель с искровым зажиганием был запатентован в 1876 году Николаусом Августом Отто.

    До 1980-х годов в двигателях с искровым зажиганием использовался карбюратор для испарения топлива и его смешивания с воздухом.Топливно-воздушная смесь всасывается в цилиндр за счет движения поршня вниз, а затем сжимается, когда поршень движется вверх. В верхней части цикла смесь воспламеняется от искры, и расширяющийся горящий газ снова опускает поршень. Впуск и выпуск газов в цилиндр и из него регулируется клапанными механизмами в верхней части цилиндра (головка цилиндра) или движением поршня мимо отверстий на боковой стороне цилиндра.

    Скорость двигателя регулируется дроссельной заслонкой (дроссельной заслонкой), которая ограничивает поток топливовоздушной смеси в двигатель.Повышенное сопротивление воздушному потоку, вызванное этим механизмом, затрудняет дыхание двигателя и, таким образом, снижает его общую эффективность, особенно на низких скоростях.

    После 100 лет использования карбюраторов в двигателях с циклом Отто в 1980-х годах были представлены системы впрыска топлива. Обладая гораздо большим контролем над процессом сгорания, они быстро заменили грубый, но надежный карбюратор. Они используют электронные датчики для измерения таких условий двигателя, как температура и давление воздуха, а также обороты двигателя.а также требования к двигателю, определяемые положением дроссельной заслонки, и использовать эту информацию для подачи точно рассчитанного заряда топлива в двигатель через инжектор. Топливо под высоким давлением впрыскивается непосредственно во впускной коллектор или цилиндр или в полость в головке цилиндров, когда поршень находится в верхней части своего хода и сжатие воздуха почти завершено. Топливо распыляется и смешивается с воздухом перед воспламенением от искры. Эта система позволяет более точно рассчитывать время и измерять расход топлива, улучшая процесс сгорания, повышая эффективность и в то же время сокращая вредные выбросы выхлопных газов.

  • Дизельные двигатели
  • Двигатель с воспламенением от сжатия был запатентован в 1894 году Рудольфом Дизелем

    . Дизельные двигатели

    аналогичны двигателям с циклом Отто, но предназначены для работы с гораздо более высокими степенями сжатия, чтобы достичь более высокого теплового КПД. Для этого они всасывают только воздух во время цикла сжатия, а топливо вводится только в конце цикла сжатия. Таким образом предотвращается преждевременное воспламенение топлива, так как во время сжатия топливо отсутствует.

    Из-за сильного сжатия воздуха его температура поднимается выше 700–900 градусов Цельсия. Мазут впрыскивается под высоким давлением в этот горячий воздух, когда поршень находится на вершине своего цикла, в результате чего топливный заряд распыляется и немедленно происходит воспламенение.

    Скорость двигателя регулируется путем изменения расхода топлива, а в дизельном двигателе нет дроссельной заслонки, ограничивающей поток воздуха. Это делает его более эффективным на низких оборотах, чем двигатель с циклом Отто.

    Из-за высоких температур воспламенения, достигаемых в двигателях с высокой степенью сжатия, в дизельных двигателях можно использовать гораздо менее летучие или менее горючие топлива, что, в свою очередь, позволяет двигателю использовать гораздо более широкий диапазон видов топлива. Принудительное испарение топлива форсункой также помогает использовать менее летучие виды топлива.

    Оригинальный двигатель Рудольфа Дизеля был разработан для работы на угольной пыли, а позже французское правительство, которое в то время изучали возможность использования арахисового масла в качестве топлива местного производства в своих африканских колониях, впервые разработало биотопливо, указав арахисовое масло в качестве топлива для двигатель он продемонстрировал в 1900 году на «Всемирной выставке» в Париже.

    Большие судовые дизельные двигатели работают на мазуте, который является отходом нефтеперерабатывающей промышленности (иногда называемым «бункерным маслом»). Он густой и вязкий, его трудно воспламенить, но он безопасен для хранения и дешев. Перед использованием топливо необходимо нагреть, чтобы оно стало жидким и способствовало испарению.

    • Реальные и иллюзорные преимущества эффективности
    • Благодаря высокой степени сжатия, дизельные двигатели обеспечивают реальное повышение эффективности по сравнению с двигателями с искровым зажиганием с более низким уровнем сжатия, однако это улучшение составляет всего около 20% и не учитывает повышение эффективности до 40%, заявленное для двигателя.

      Остальные 20% улучшения связаны с природой топлива. Оба топлива имеют схожую плотность энергии с бензином (бензином) примерно на 1% лучше при 45,8 мегаджоулей / килограмм (МДж / кг) по сравнению с дизельным топливом с плотностью 45,3 МДж / кг. Но дизельное топливо намного плотнее, чем бензин, с плотностью 850 грамм / литр, что примерно на 18% плотнее, чем более летучий бензин, который имеет плотность всего 720 грамм / литр. Таким образом, один литр или галлон дизельного топлива содержит на 17% больше энергии, чем эквивалентный объем бензина.

      При сравнении расхода топлива автомобильных двигателей важно помнить об этом.

      Если мы на данный момент проигнорируем повышение эффективности на 20% из-за более высокой степени сжатия дизельного двигателя, то может показаться, что автомобили с дизельным двигателем еще более эффективны, обеспечивая на 17% больше миль на галлон. Однако это только потому, что мазут продается по объему, а не по весу. При измерении в милях на килограмм расход топлива будет почти таким же.

  • Otto / Diesel Сравнение
  • КПД преобразования для бензиновых двигателей (химическая энергия в механическую энергию, передаваемую на коленчатый вал) составляет около 24% и около 32% для дизельных двигателей

    • Цикл Отто
      • Преимущества
        • Относительно длительный период одного полного такта впуска, доступный для смешивания топлива с воздухом, означает, что в двигателях с циклом Отто возможно лучшее смешивание.Это приводит к лучшему контролю сгорания и снижению вредных выбросов.
        • Превосходное смешивание топлива в сочетании с относительно низкой степенью сжатия позволяет двигателю с искровым зажиганием работать на высоких оборотах.
        • Более высокие скорости позволяют уменьшить объем двигателя при той же выходной мощности.
        • (мощность = крутящий момент X об / мин)

        • Из-за более низкой степени сжатия двигателя с циклом Отто он подвержен меньшим механическим силам и поэтому может быть сконструирован из более мелких и легких компонентов.
      • Недостатки
        • Поскольку в двигателе с циклом Отто используется летучее топливо, смешанное с воздухом, топливовоздушная смесь имеет относительно низкую температуру вспышки. Это ограничивает возможную степень сжатия, которую можно использовать. Высокие степени сжатия поднимут температуру топливовоздушной смеси выше ее точки воспламенения, что приведет к преждевременному воспламенению топлива до того, как поршень достигнет верхней точки своего такта сжатия.Это приведет к движению поршня в обратном направлении и называется предварительным зажиганием. Однако в двигателях с впрыском топлива преждевременное зажигание можно минимизировать или избежать.
        • Двигатель с циклом Отто менее эффективен, чем дизельный двигатель, из-за более низкой степени сжатия.
        • Используемое топливо ограничено более летучими углеводородами.
    • Дизельный цикл
      • Преимущества
        • Дизельные двигатели более эффективны, чем двигатели с циклом Отто, благодаря более высокой степени сжатия и, следовательно, более экономичны в эксплуатации.
        • Сгорание не зависит от естественного испарения топлива, поэтому можно использовать широкий спектр менее летучих и менее горючих видов топлива.
        • Дизельные двигатели обычно имеют более низкую температуру, чем двигатели с искровым зажиганием. Благодаря более высокой топливной эффективности, они превращают большую часть тепловой энергии топлива в механическую и отбрасывают меньше отходящего тепла, чем двигатели с искровым зажиганием. По этой причине дизельные двигатели имеют меньший риск перегрева, если они остаются на холостом ходу в течение длительного времени.Это делает их особенно подходящими для морских и удаленных систем производства электроэнергии, где им может потребоваться работать без присмотра в течение нескольких дней.
      • Недостатки
        • Для воспламенения от сжатия необходимы высокие степени сжатия. Детонация топливовоздушной смеси приводит к более высоким силам и ударным нагрузкам на механические части двигателя, которые должны быть больше и тяжелее, чтобы выдерживать эти силы.
        • Короткая продолжительность смешивания топлива и воздуха в верхней части такта впуска может привести к плохому смешиванию топлива и плохим характеристикам сгорания. Это, в свою очередь, ограничивает возможные обороты двигателя и, следовательно, возможную выходную мощность.
        • Поскольку дизельные двигатели работают с меньшей скоростью, они должны иметь больший рабочий объем (мощность), чтобы обеспечивать такую ​​же мощность, как бензиновый двигатель. Это также означает, что они должны быть больше и тяжелее.
        • Работа на более низкой скорости также означает, что дизельный двигатель должен обеспечивать больший крутящий момент, чтобы производить такую ​​же выходную мощность, что и двигатели с циклом Отто.
        • Из-за детонации топливно-воздушной смеси дизельные двигатели имеют тенденцию быть более шумными, чем их аналоги Отто.
        • Дизельные двигатели часто имеют наддув, чтобы получить больше мощности от доступной мощности. Это может уменьшить общий вес двигателя, но увеличивает стоимость и сложность.

  • Четырехтактные двигатели
  • Четырехтактный двигатель использует два оборота двигателя для каждого рабочего такта, один для сжигания топливно-воздушной смеси и очистки выхлопных газов, а другой для повторного наполнения цилиндра рабочей жидкостью и сжатия ее для воспламенения. Поток воздуха через двигатель регулируется клапанными механизмами в головке блока цилиндров.

    Смазочное масло удерживается в картере, изолированном от камеры сгорания, и перекачивается к опорным поверхностям через отдельный насос.

    Источник: Получено из SIU Carbondale

    .

    • Ход впуска / индукции
    • Четырехтактный цикл начинается с такта впуска, когда поршень находится на вершине своего хода. Впускной клапан открывается, и при движении поршня вниз он всасывает рабочую жидкость (воздух или топливовоздушную смесь) в цилиндр под атмосферным давлением.Выпускной клапан остается закрытым.

    • Ход сжатия
    • Когда поршень достигает нижней точки своего хода, впускной клапан закрывается, и рабочая жидкость сжимается, когда поршень движется вверх.

    • Рабочий ход
    • Когда поршень достигает вершины своего хода, в случае двигателя с циклом Отто, искра воспламеняет топливно-воздушную смесь, инициируя рабочий такт, в котором горящий газ расширяется и толкает поршень вниз.В дизельных двигателях топливо впрыскивается в сжатый воздух, который самопроизвольно воспламеняется, инициируя рабочий такт, как в двигателе Отто. Впускные и выпускные клапаны остаются закрытыми.

    • Ход выхлопа
    • Когда поршень проходит конец своего движения вниз, выпускной клапан открывается, и движение поршня вверх выталкивает выхлопные газы.

      После такта выпуска цикл запускается снова.

    Точная синхронизация открытия и закрытия клапанов, а также момент зажигания топлива могут быть изменены для улучшения потока газа и процессов сгорания.

    Двигатель развивает мощность только во время рабочего хода. Во время трех других ходов движение поршней происходит за счет инерции маховика на коленчатом валу.

  • Двухтактные двигатели
  • Двухтактный двигатель использует только один оборот для каждого рабочего хода, топливно-воздушная смесь сгорает, а выхлопные газы удаляются при ходе вниз, цилиндр перезаряжается, а рабочая жидкость сжимается во время хода вверх.В своей простейшей форме, используемой в версии с искровым зажиганием, двухтактный двигатель обычно не имеет отдельных клапанных механизмов, как в четырехтактном двигателе. Вместо этого воздух и топливо поступают в цилиндр и выходят из него через отверстия (отверстия) на стороне стенки цилиндра, которые открываются или блокируются проходом поршня, который действует как клапан, когда он движется вверх и вниз мимо отверстий в стенка цилиндра. Впускной канал расположен рядом с нижней частью цилиндра и соединен с картером картера, который герметизирован и составляет важную часть системы управления воздухом-топливом в этом двигателе.Обе стороны поршня используются в двухтактном двигателе: верхняя сторона цилиндра обеспечивает движущую силу, а нижняя сторона в сочетании с картером картера нагнетает топливовоздушный заряд в цилиндр.

    Выпускное отверстие расположено выше по цилиндру, на противоположной стороне от впускного отверстия, и открыто в атмосферу.

    Источник: Получено из PilotFriend Flight Training

    Дизельные версии

    , описанные ниже, немного сложнее и обычно имеют внешние клапанные механизмы для управления воздушным потоком, а не полагаются на простую систему каналов.

    Использование картера двигателя в качестве камеры наддува для нагнетания топливовоздушной смеси в цилиндр имеет последствия для смазки двигателя. Картер не может одновременно удерживать летучую топливную смесь и тяжелое смазочное масло. Вместо этого масло необходимо смешать с топливом для смазывания коленчатого вала, шатунов и стенок цилиндров.

    • Ход сжатия
    • Запуск, когда поршень находится в нижней части своего хода, и выпускное, и впускное отверстия открыты.В это время воздушно-топливная смесь под давлением из картера двигателя поступает в цилиндр через впускной канал. Когда поршень движется вверх, он сначала закрывает впускное отверстие, затем закрывает выпускное отверстие, расположенное выше по цилиндру, и начинается сжатие воздушно-топливной смеси, которое продолжается до тех пор, пока поршень не достигнет верхней точки своего хода.

      Во время этого движения поршня вверх, в картере двигателя под поршнем создается частичный вакуум, втягивающий воздушно-топливную смесь через карбюратор в картер мимо пластинчатого обратного клапана, готового обеспечить следующую заправку топлива.

      Версия с дизельным двигателем не зависит от герметичного картера двигателя для обеспечения заправки топливом. Поскольку дизельный двигатель дышит только воздухом, всасывание обеспечивается нагнетателем с механическим или турбинным приводом (см. Ниже), который нагнетает воздух в цилиндр в соответствующей точке цикла. Это обеспечивает лучшую продувку и лучший контроль над сгоранием, а поскольку топливо не попадает в картер двигателя, его можно герметизировать, позволяя двухтактному дизельному двигателю использовать обычную смазку из масляного резервуара в картере.

    • Рабочий ход
    • В конце цикла сжатия воздушно-топливная смесь воспламеняется от искры, и расширение горящих газов толкает поршень вниз, поворачивая коленчатый вал.

      В то же время движение поршня вниз сжимает газы в картере двигателя на нижней стороне поршня.

      Когда поршень приближается к нижней части своего хода, он сначала открывает выхлопное отверстие, позволяя выпускать выхлопные газы высокого давления.Дальнейшее движение поршня вниз по направлению к нижней части его хода открывает впускное отверстие, позволяя заряду воздушно-топливной смеси под давлением из картера картера устремиться в цилиндр, помогая вывести любые оставшиеся выхлопные газы в процессе, известном как продувка. Верхняя часть поршня обычно имеет такую ​​форму, которая предотвращает выход поступающей топливной смеси из выпускного отверстия. Когда поршень достигает нижней точки своего хода, цикл начинается снова.

      Обратите внимание, что выпуск и впуск происходят во время рабочего такта.

      Маховик на коленчатом валу обеспечивает момент для завершения такта сжатия.

  • Сравнение четырехтактных и двухтактных двигателей
    • Четырехтактные двигатели
      • Преимущества
        • Лучшее управление процессом сгорания возможно благодаря большему количеству возможностей регулирования с помощью клапана и момента зажигания.Это позволяет повысить эффективность использования топлива при той же степени сжатия и лучше контролировать выбросы выхлопных газов.
        • Лучшее смешивание топлива с воздухом за счет раздельного цикла впуска и сжатия.
      • Недостатки
        • Меньшая удельная мощность, чем у двухтактного двигателя, поскольку на каждые два оборота двигателя приходится только один рабочий ход.
        • Более сложный и дорогой в производстве.
    • Двухтактные двигатели
      • Преимущества
        • Поскольку двухтактные двигатели имеют один рабочий ход на каждый оборот двигателя, они имеют гораздо меньший вес и значительно лучшую удельную мощность, чем четырехтактные двигатели при той же выходной мощности.
        • В двухтактных двигателях обычно не используются сложные внешние клапанные механизмы, поэтому они имеют меньше движущихся частей и гораздо более простую и менее дорогую конструкцию. Это, в свою очередь, еще больше снижает их вес и позволяет им двигаться с очень высокой скоростью.
        • В целом двухтактная машина представляет собой мощную, недорогую, очень простую и очень легкую машину, способную работать на высоких скоростях.
        • Смазка путем смешивания масла с топливом позволяет избежать использования масляного поддона и позволяет двигателю работать в любом положении, что делает его пригодным для портативных электроинструментов.
      • Недостатки
        • Хотя двухтактный двигатель может иметь большую выходную мощность, его фактическая эффективность ниже, чем у эквивалентного четырехтактного двигателя. Неэффективное смешивание топлива и воздуха и неэффективная продувка, приводящая к неполному сгоранию, неэффективному использованию топлива и нежелательным выбросам выхлопных газов.
        • Для нагнетания картера двигателя требуется смазка двигателя маслом, смешанным с топливом.Может привести к менее эффективной смазке, а также к нежелательному сгоранию смазочного масла в процессе сгорания, создавая дальнейшее загрязнение.
        • ( Примечание : Дизельный двухтактный двигатель, который дышит воздухом и использует обычную смазку, не страдает ни одним из двух вышеуказанных недостатков.)
        • Двухтактные дизельные двигатели обычно нуждаются в нагнетателях для достижения разумных уровней эффективности, что значительно увеличивает стоимость и сложность и исключает их применение с низкой стоимостью.

Нагнетатель

Безнаддувные четырехтактные двигатели втягивают воздух в цилиндры за счет движения поршня вниз, что создает частичный вакуум внутри цилиндров. Скорость потока воздуха в цилиндр ограничена максимальной разницей давления между давлением внутри цилиндра и внешней атмосферой, а именно 1 бар или 14.5 фунтов на квадратный дюйм. Это, в свою очередь, ограничивает максимальную мощность, которая может быть получена от двигателя. Однако выходную мощность можно увеличить, закачивая воздух под давлением в цилиндры с помощью нагнетателя.

Аналогичные ограничения применяются к двухтактным двигателям. В этом случае воздух закачивается в цилиндр из находящегося под давлением картера, также при низком давлении, но выходная мощность также может быть улучшена за счет наддува.

Нагнетатель - это, по сути, воздушный насос, который может приводиться в действие шестеренкой от коленчатого вала двигателя или турбиной, приводимой в движение потоком выхлопных газов.В обоих случаях повышение эффективности более чем компенсирует энергию, используемую для привода нагнетателя.

Двигатель DiesOtto

В настоящее время автомобильные инженеры работают над двигателями, в которых используется сочетание технологий дизельного двигателя и двигателя Отто.

Гибридный двигатель работает на бензине. При запуске он работает в стандартном режиме Otto, при этом свечи зажигания зажигают бензин, впрыскиваемый непосредственно в цилиндр.Когда двигатель прогреется и движется по маршруту, регулируемые фазы газораспределения позволяют увеличить степень сжатия (см. Цикл Миллера). Затем двигатель переключается на более эффективный дизельный режим, и свечи зажигания отключаются. Таким образом можно получить преимущества как двигателей Отто, так и дизельных двигателей.

См. Также Водородное топливо

Проблемы окружающей среды

Проблемы вредных выбросов выхлопных газов транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, хорошо известны.К счастью, выработка электроэнергии с помощью поршневой энергии составляет очень небольшой процент от выработки электроэнергии. См. Источники топлива

См. Также генераторы и двигатели внешнего сгорания

Обзор электроснабжения

404 Страница не найдена | EASA

Будьте в курсе новостей о COVID-19 от EASA Подробнее Подписаться EASA

Агентство авиационной безопасности Европейского Союза

Выберите раздел:

EASA LightEASA Pro

Главное меню Верхняя панель

Меню

Перейти к содержанию
  • Главная
  • Агенство
    • Агенство
      • Годовые программы и отчеты
      • COVID-19
        • Хартия авиационной промышленности по COVID-19
        • Ресурсы EASA COVID-19
        • COVID-19 Информация о путешествии
        • Рекомендации
    • Организационная структура агентства
      • Организационная структура агентства
      • Исполнительный директор
      • Исполнительная дирекция
        • Главный инженер
      • Управление сертификации
        • Техническая органограмма
      • Управление стандартов полетов
      • Управление ресурсов и поддержки
      • Дирекция по стратегии и безопасности
    • Страны-участницы EASA
    • Правление
      • Правление
      • Члены Правления
      • Наблюдатели Правления
      • Заседания Правления

Поршневой двигатель

ПОРШЕНЬ ДВИГАТЕЛЯ

Типы двигателей (оппозитные, рядные и V)

Двигатель оппозитного типа имеет два ряда цилиндров, расположенных прямо напротив друг друга, с коленчатым валом в центре.Поршни обоих рядов цилиндров соединены с одним коленчатым валом. (Фото слева)
Рядный двигатель обычно имеет четное количество цилиндров, хотя были созданы некоторые трехцилиндровые двигатели. У этого двигателя только один коленчатый вал, который расположен либо над, либо под цилиндрами. Если двигатель предназначен для работы с цилиндрами ниже коленчатого вала, он называется перевернутым двигателем. (Центральное фото)
В двигателях V-типа цилиндры расположены в двух рядных рядах, как правило, на расстоянии 60 ° друг от друга.Большинство двигателей имеют 12 цилиндров с жидкостным или воздушным охлаждением. (фото справа)


Картер 6 цилиндров

Основа двигателя - картер. Он содержит подшипники и опоры подшипников, в которых вращается коленчатый вал. Картер не только сам поддерживает себя, но и должен обеспечивать герметичное закрытие для смазочного масла и поддерживать различные внешние и внутренние механизмы двигателя. Он также обеспечивает поддержку крепления узлов цилиндров и силовой установки к самолету.Он должен быть достаточно жестким и прочным, чтобы предотвратить перекос коленчатого вала и его подшипников.



Коленчатый вал

Коленчатый вал - механическая часть, способная выполнять преобразование между возвратно-поступательным движением и вращательным движением. В поршневом двигателе он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение.


Плоский стержень

Шатун - это звено, передающее силы между поршнем и коленчатым валом.Шатуны должны быть достаточно прочными, чтобы оставаться жесткими под нагрузкой, и в то же время быть достаточно легкими, чтобы уменьшить силы инерции, возникающие, когда шток и поршень останавливаются, меняют направление и снова запускаются в конце каждого хода.


Цилиндры

Часть двигателя, в которой развивается мощность, называется цилиндром. Цилиндр представляет собой камеру сгорания, в которой происходит горение и расширение газов, а также в нем находятся поршень и шатун.


Распредвал

Механизм клапана оппозитного двигателя приводится в действие распределительным валом. Распределительный вал приводится в движение шестерней, которая соединяется с другой шестерней, прикрепленной к коленчатому валу. Распределительный вал всегда вращается со скоростью, равной половине скорости вращения коленчатого вала. При вращении распределительного вала выступы заставляют толкатель в сборе подниматься в направляющей толкателя, передавая усилие через толкатель и коромысло, открывая клапан.


Клапан-приводной механизм

Противоположный двигатель


Радиальные двигатели

Радиальный двигатель состоит из ряда или рядов цилиндров, расположенных радиально вокруг центрального картера.Этот тип двигателя оказался очень прочным и надежным. Количество цилиндров, составляющих ряд, может быть три, пять, семь или девять. Некоторые радиальные двигатели имеют два ряда из семи или девяти цилиндров, расположенных радиально вокруг картера, один перед другим. Они называются двухрядными радиальными кольцами.


Коленчатый вал двигателя однопроходный радиальный

Коленчатые валы радиальных двигателей могут быть одноходовыми, двухходовыми или четырехходовыми, в зависимости от того, является ли двигатель однорядным, двухрядным или четырехрядным.Одноходовой радиальный коленчатый вал двигателя показан на рисунке ниже. Независимо от того, сколько ходов он может иметь, каждый коленчатый вал состоит из трех основных частей: шейки, шатунной шейки и щеки кривошипа.


Главный узел шарнирно-сочлененной тяги

Узел ведущего и шарнирно-сочлененного стержня обычно используется в радиальных двигателях. В радиальном двигателе поршень одного цилиндра в каждом ряду соединен с коленчатым валом с помощью ведущего штока. Все остальные поршни в ряду соединены с ведущим штоком шарнирно-сочлененными шатунами.В 18-цилиндровом двигателе, который имеет два ряда цилиндров, есть две ведущие тяги и 16 шарнирно-сочлененных тяг.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *