ООО «Центр Грузовой Техники»

8(812)244-68-92

Содержание

Поршни двигателя внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Поршень предназначен для восприятия давления газов и его передачи на кривошип коленчатого вала (через поршневой палец и шатун). Поршень подвержен максимальному воздействию тепловых и механических нагрузок, которые возникают в процессе работы двигателя внутреннего сгорания. Ввиду того, что поршень движется возвратно-поступательно, создаются значительные дополнительные циклические инерционные нагрузки, а также существенные силы трения о цилиндр боковой поверхности поршня. Поршень одновременно выполняет функции уплотняющего элемента КШМ (кривошипно-шатунный механизм) и отводит тепло от горячих газов, расположенных в надпоршневом пространстве. Всё это предъявляет к конструкции поршня высокие требования. Поршень должен обладать достаточной жёсткостью и прочностью при минимальной массе, его перемещение в цилиндре должно происходить с минимальным трением, также он должен иметь высокий ресурс и обеспечивать герметичность рабочей полости.

Поршень [рис. 1, а)] включает в себя днище (1), уплотняющую часть (3) и направляющую часть/юбку (4). На внутренней стороне юбки располагается пара массивных приливов – бобышек (8). Бобышки соединяются с днищем посредством рёбер, за счёт чего прочность поршня увеличивается. В бобышках имеются отверстия для монтажа поршневого пальца (10), а в этих отверстиях, в свою очередь, выполнены кольцевые канавки, предназначенные для стопорных колец (11). Головка поршня образована днищем и уплотняющим поясом. На внешних поверхностях юбки и головки проточены канавки (9) и (12) для установки маслосъёмных и компрессионных колец соответственно. Верхняя часть поршня называется уплотнительный пояс, так как расположенные здесь поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов через зазоры между цилиндром и поршнем. По окружности канавок (9) и (13) просверлены сквозные отверстия (14), которые служат для отвода масла в картер двигателя.

Рис. 1. Поршень двигателя внутреннего сгорания.

а) – Поршень дизельного двигателя А-41:

1) – Днище поршня;

2) – Камера сгорания;

3) – Уплотняющая часть поршня;

4) – Юбка (направляющая часть) поршня;

5) – Канал в стержне шатуна;

6) – Шатун;

7) – Втулка верхней головки шатуна;

8) – Бобышка поршня;

9) – Канавка для маслосъёмного кольца;

10) – Поршневой палец;

11) – Стопорное кольцо;

12) – Канавки для компрессионных колец;

13) – Кольцевая канавка;

14) – Отверстие для стока масла;

б) – Головки поршней:

1) – Д-21А1, Д-144;

2) – А-41, СМД-60, А-01, двигателей семейства КамАЗ и ЯМЗ;

3) – Д-160, Д-240;

в) – Поршень бензинового двигателя ЗМЗ-53.

Как правило, поршни современных дизельных двигателей изготавливаются с фигурным днищем [рис. 1, б)]. Это даёт возможность придать расположенной в поршне камере сгорания форму, требуемую для качественного смесеобразования, а также сгорания топлива.

Поршни с плоским днищем нашли широкое применение не только в карбюраторных двигателях [рис. 1, в)], но и в вихрекамерных и предкамерных дизельных двигателях, что обуславливается их меньшим нагревом в процессе работы и простотой изготовления.

Число устанавливаемых на поршне колец имеет прямую зависимость от частоты вращения коленчатого вала и от типа двигателя. В карбюраторных и дизельных двигателях широкое распространение получили укороченные поршни, имеющие пару компрессионных и одно маслосъёмное кольцо, которые расположены выше поршневого пальца. В случае уменьшения числа компрессионных колец (с трёх до двух) иногда между ними вводится промежуточная канавка на поршне. В процессе выбора оптимальной формы и объёма кольцевой канавки требуется достигнуть аналогичного температурного состояния и уплотняющей способности поршневой группы при двух компрессионных кольцах, как и при трёх.

Юбка является направляющей частью поршня, передающей при его движении боковую силу стенкам цилиндра от шатуна. В процессе нагрева от горячих газов поршень расширяется больше чем цилиндр, который охлаждается воздухом либо жидкостью, вследствие чего велика вероятность его заклинивания. Во избежание этого, и для обеспечения нормальной работы двигателя, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра. Также в процессе работы двигателя большему нагреву подвержена именно головка поршня, поэтому её диаметр делается меньше, чем диаметр юбки, то есть поршень имеет форму усечённого конуса. Разность между осями верхнего и нижнего основания конуса поршней двигателя ЗМЗ-53 составляет 0,013-0,038 мм, а двигателя ЗИЛ-130 – 0,35-0,05 мм.

Тепловая деформация поршня (в радиальном направлении) складывается с деформациями, которые вызваны овализацией поршня при его нагрузке нормальными силами. Поэтому поперечное сечение юбки поршня выполняется овальным таким образом, чтобы большая часть овала совпала с направлением действия нормальной силы, а малая часть – с продольной осью пальца. У основной массы поршней разность между большой и малой осями овальной юбки составляет 0,14-0,52 мм.

Чтобы получить минимальный зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня в холодном состоянии, а также устранить заедание поршня при его нагревании, в некоторых случаях снимают часть металла на наружной поверхности поршня (в зоне расположения бобышек), формируя неглубокие «холодильники» (вырезы прямоугольной формы). Аналогичная цель преследуется при выполнении разрезов на юбке поршней некоторых двигателей [рис. 1, в]. Разрезы придают пружинящие свойства направляющей части поршня и способствуют плотному их прилеганию к стенкам цилиндров в условиях различных температур. Поршни с разрезанной юбкой обладают повышенным трением и применяются только для карбюраторных двигателей с небольшим давлением газов и малым диаметром цилиндра. Данные поршни устанавливаются в цилиндры таким образом, чтобы ослабленная разрезом сторона испытывала воздействие меньшей нормальной силы.

На некоторых двигателях (ЗИЛ, ЯМЗ, ВАЗ) поршни изготавливаются овально-бочкообразного профиля. Данный профиль сложнее в производстве, но он позволяет уменьшить зазор между цилиндром и юбкой, а также исключить кромочный контакт цилиндра и поршня и соответствует лучшему смазыванию поверхностей в процессе центровки поршня подъёмными гидродинамическими силами.

В двигателях СМД-60 и ЗМЗ-53 [рис. 1, в)] удаляется часть юбки под бобышками для облегчения поршня, а также для прохода противовесов коленчатого вала (при нижнем положении поршня).

В качестве материала для изготовления поршней широкое распространение получили сплавы алюминия с кремнием (легируемые присадки медь и никель). Применение для отливки поршня алюминиевого сплава позволяет уменьшить потери на трение, снизить массогабаритные характеристики двигателя, даёт возможность форсировать его по скоростному режиму. Основным недостатком алюминиевого сплава в качестве материала для изготовления поршня является относительно большой коэффициент линейного расширения, величина которого больше чем у чугуна. Вследствие этого поршни из данных сплавов устанавливаются в цилиндры со значительно большим сравнительным зазором. Из-за увеличенных зазоров не только затрудняется пуск двигателя, но и вызываются стуки в процессе работы непрогретого двигателя (и при работе с малыми нагрузками).

Зазор между юбкой поршня и цилиндром находится в пределах 0,05-0,10 мм при овальном профиле юбки либо наличии у неё разреза, и 0,18-0,26 мм, если юбка поршня имеет цилиндрическую форму (без разреза).

В современных автомобильных и тракторных двигателях внутреннего сгорания используются не только литые, но и штампованные поршни, выполненные из алюминиевого сплава. Использование литых поршней с нирезистовой вставкой под первое компрессионное кольцо позволяет повысить (более чем в 2 раза) износостойкость сопряжения поршня с верхним компрессионным кольцом. Данные поршни применяются в двигателях СМЗ, КамАЗ, ЯМЗ, ЗИЛ и прочих. С целью улучшения приработки с цилиндром трущиеся поверхности поршней в некоторых двигателях (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 и прочих) покрываются тонким слоем (0,004-0,006 мм) олова.

С целью предупреждения возникновения стуков в некоторых двигателях выполняется незначительное смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня. Данное смещение оси пальца, как правило, в сторону более нагруженной поверхности поршня приводит к тому, что момент перекладки поршня (от одной стенки цилиндра к другой) не совпадает с моментом резкого возрастания момента сгорания. К примеру, в дизельном двигателе Д-60 смещение оси поршневого пальца относительно оси поршня выполнено на 3 мм в сторону вращения коленчатого вала.

Эффективным способом решения проблемы сохранения подвижности поршня при минимальном зазоре является использование терморегулируемых поршней с принудительным охлаждением.

Терморегулируемые поршни карбюраторных двигателей ВАЗ и прочих имеют ограниченное расширение юбки, которое достигается путём заливки в её тело вставок из материала, имеющего меньший, чем у основного металла поршня, коэффициент расширения.

В процессе остывания отливки данного поршня вставками создаётся напряжённое состояние, которое препятствует значительному сокращению диаметра юбки. В процессе нагрева поршня до рабочей температуры вставками наоборот, создаётся ограничение его теплового расширения. В итоге общий диапазон температурного изменения диаметральных размеров поршня, снабжённого вставками, значительно снижается.

В высокофорсированных дизельных двигателях используется принудительное охлаждение поршней посредством опрыскивания маслом внутренней поверхности днища поршня либо организованной циркуляцией масла. Кольцевая полость для циркуляции охлаждающего масла выполняется при отливке поршня посредством введения специальных солевых стержней (растворяются после застывания металла и формируют требуемую полость) либо с помощью соответствующей механической обработки и изготовлением поршня из двух частей (с последующей сваркой половинок).

Чтобы снизить теплонапряжённость алюминиевых поршней применяется нанесение теплоизоляционных керамических покрытий, а также твёрдое анодирование поверхности камеры сгорания в поршне и поверхности днища поршня. Для эффективной защиты камеры сгорания в поршне от формирования термических трещин выполняется армирование её кромки жаропрочным материалом.

17*

Похожие материалы:

Поршни, штоки, кривошипный механизм, маховик

Поршень служит для восприятия давления пара и герметиче­ского разобщения двух полостей цилиндра.

Он состоит из двух основных частей: тела поршня и поршневых колец. На фиг. 43 пока­заны наиболее часто применяемые типы поршней паровых машин.

Материалом для полых поршней служит обычно чугун СЧ 21-40, а в ответственных случаях СЧ 28-48 или СЧ 32-52. Дисковые поршни отковываются из стали 50.

Чтобы при нагревании не получилось заклинивания поршня, диаметр его берется меньше на 1/600 диаметра цилиндра. Длина поршня определяется по величине удельного давления на стенки цилиндра, которое не должно превышать 1 — кГ/см2, нагрузкой при этом считают вес поршня и половины штока, а за опорную поверхность — произведение длины дуги, равной 0,75 диаметра цилиндра, на длину поршня без суммарной высоты канавок для поршневых колец.

Плотность прилегания поршня к стен­кам цилиндра обеспечивается поршневыми кольцами, расположенными в канавках на внешней поверхности поршня. Они изготовляются из чугуна СЧ 21-40 или СЧ 24-44. Количе­ство колец равно 2—4. Литейных пороков в заготовках для колец не допускается.

Упругость кольца достигается за счет выреза части кольца, кото­рый образует замок. Замок коль­ца с косым или прямым срезом (фиг. 44) является наиболее простым и достаточно надеж­ным. Замки надетых на поршень колец должны быть взаимно смещены, а самопроизвольное смещение колец должно быть предупреждено с помощью сто­порных штифтов или винтов.

Шток изготов­ляется из стали 50. Один из типичных способов крепления штока с поршнем по­казан па фиг. 43 и ясен из рисунка.

В средних и круп­ных машинах, в це­лях уменьшения дав­ления от веса поршня на нижнюю стенку ци­линдра и предупреж­дения изгиба штока, последний пропуска­ется сквозь обе крышки. В этом случае задняя часть штока называется контрштоком.

На фиг. 45 показаны две типичные конструкции шатунов. Основ­ными элементами шатуна являются кривошипная головка 1, стержень шатуна 2 и крейцкопфная головка 3. Материалом для шатунов является обычно сталь 40 или 50.

Устройство, шарнирно соединяющее поршневой шток с шатуном, называется ползуном или крейцкопфом. При отсут­ствии крейцкопфа (как это имеет место у большинства двигателей внутреннего сгорания) возникла бы необходимость самому поршню выполнять роль ползуна, направляющего движение; тогда ему следо­вало придать форму удлиненного стакана, направляющим которого служили бы стенки цилиндра; при этих условиях возникла бы непо­средственная шарнирная связь поршня с шатуном; но это возможно только при отсутствии у цилиндра крышки со стороны вала.

Коренной вал может быть кривошипным или коленчатым.

Кривошипный вал показан на фиг. 46. Он состоит из тела 4, кривошипа 2 и пальца 1. Вал лежит на подшипниках 3 и 6; подшипник 6 является выносным и не связан с рамой машины. На шейку 5 насаживается маховик. Кривошип закрепляется па валу на шпонке.

На фиг. 47 показан коленчатый вал паровой машины компаунд локомобиля СК. Здесь вал также лежит на двух подшип­никах 4. На валу насажены эксцентрики золотника ц. в. д. 3 и ц. и. д. 12, плоский регулятор 2 и маховики 1, сидящие по обе сто­роны подшипников. Материалом для изготовления валов обычно служит сталь 40 или 50.

Маховик, помимо своего основного назначения — поддерживать более или менее постоянную угловую скорость, часто выполняет также роль шкива. В большинстве случаев маховик выполняется разъемным, при этом обе половины можно стянуть болтами на втулке и на ободе. Болты обычно изготовляются из стали 40 или 50.

Расчет болтов, скрепляющих обе половины обода, производят по силе

Q = 0,104u2f кГ,

где u — окружная скорость обода в м/сек\

f — площадь сечения обода маховика в см2. Иногда, когда махо­вик имеет диаметр не больше 2 м и насаживается на свободный конец вала, его выполняют цельным. Маховик чаще всего отли­вается из чугуна марки СЧ 15-32.


Что такое юбка поршня?

Юбка поршня – это самая нижняя часть поршня, не допускающая его раскачивания внутри цилиндра.

Обычно, на юбку поршня наносятся небольшие насечки или специальное покрытие, предназначенные для подачи масла на стенки цилиндра для их смазки. В мощных двигателях, с высокими эксплуатационными характеристиками, юбка поршня может покрываться специальным химическим составом, обеспечивающим дополнительную защиту стенок цилиндра, предотвращая скорое появление царапин на их поверхности.

В двигателе внутреннего сгорания поршни герметично запираются внутри цилиндра при помощи поршневых колец. Во время движения поршня вниз и вверх, кольца контактируют со стенками цилиндра и сохраняют его расположение чётко по центру цилиндра. В самой верхней и нижней точке своего движения поршень меняет направление движения, и в этот момент появляются раскачивающие его силы. В этот момент и вступает в работу юбка поршня, сохраняя его положение для повторения рабочего цикла.

В зависимости от окружности вращения коленчатого вала и длины шатуна, для юбки поршня может представлять опасность её контакт с коленчатым валом в самой нижней точке движения поршня. Это особенно актуально для мощных, форсированных двигателей. В таких двигателях данная проблема решается изменением хода поршня большей окружностью вращения коленчатого вала и длиной шатуна. Изменяется и расположение поршневого пальца, соединяющего поршень с шатуном.

В форсированном двигателе блоку цилиндров необходимо наличие контроллеров в нижней части каждого цилиндра, не позволяющих коленчатому валу и шатуну контактировать с блоком. Нижняя часть юбки поршня должна иметь соответствующий зазор, препятствующий её контакту с шатуном при его вращении вокруг коленчатого вала. Выставляя зазор между юбкой и шатуном, очень важно соблюсти его постоянство по всем сторонам юбки. Это обеспечит сохранение балансировки шатунно-поршневой группы. Несоблюдение данного условия приводит к разбалансировке компонентов, что может стать причиной катастрофических последствий для двигателя.

Одним из признаков эксплуатации двигателя при низком уровне масла является наличие царапин и задиров на юбке поршня. При недостатке масла в двигателе, поршень, двигаясь вверх и вниз внутри цилиндра, царапает свою юбку о стенки цилиндра, оставляя на ней задиры. В таких случаях, для удаления со стенок поршня царапин, оставленных юбкой поршня, приходится менять поршни и растачивать цилиндры.

Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость поршня ДВС

Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость поршня ДВС

авторы: Бутусов И. А., Дударева Н. Ю.

УДК 621.436.12

ФГБОУ ВПО Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет,
 Уфа, Российская Федерация

[email protected]

[email protected]

 

Введение

Обеспечение надежной и долговечной работы двигателей внутреннего сгорания — основная задача двигателестроителей. Главным узлом ДВС является цилиндропоршневая группа (ЦПГ), надежная и долговечная работа которой является важным условием для достижения высоких эффективных показателей двигателя в целом.

Основная особенность, отличающая детали ЦПГ от других деталей двигателя — это сложные и тяжелые условия работы, характеризующиеся целым комплексом различных факторов. В процессе функционирования эти детали испытывают воздействие высоких температур, значительных динамических нагрузок, сил трения, различных видов изнашивания и коррозии. Одной из наиболее нагруженных и напряженных деталей ЦПГ является поршень, при этом от его конструкции и качества зависит ресурс и надежность работы всего двигателя. Но из-за тяжелых условий функционирования, поршни часто выходят из строя, а это обычно приводит к поломке всего двигателя. Поэтому один из основных способов обеспечить безотказную и долговечную работу ДВС — повысить надежность поршня.

Основной износ поршней происходит по канавкам, юбке и отверстиям под палец в бобышках. Юбка поршня обычно изнашивается неравномерно и главным образом в зонах наибольших давлений. Эта часть поршня имеет сложную форму, в которой присутствует и бочкообразность, и овальность, и конусность. Основная задача юбки – предохранять поршень от стука и перекосов. При движении вверх усилие от шатуна действует на поршень под углом, а при рабочем ходе усилие от поршня действует на шатун также под углом, но с другой стороны. Вследствие чего возникает сила, прижимающая юбку поршня то одной, то другой стороной к стенке цилиндра [1]. Именно эти боковые стороны юбки испытывают наибольший износ в процессе работы двигателя (рис. 1 – рис. 2).

 

Рис. 1 — Износ юбки поршня с антифрикционным покрытием MolykoteD10

Рис. 2 — Сильный износ юбки поршня без покрытия

 

Для повышения износостойкости поршней традиционно используются покрытия, которые можно разделить на два основных класса: молекулярные твердые покрытия и керамика. Твердые покрытия формируются на молекулярном уровне с помощью процесса, подобного металлизации и создают очень жесткую поверхность. Второй тип покрытий – керамика, получил известность благодаря высокой износостойкости и своими теплоизолирующими свойствами. В результате применения керамических покрытий повышается надежность деталей. Для поршней ДВС керамические покрытия обычно используют для защиты днища поршня от прогара и головки поршня от детонации [2]. Однако для защиты юбки поршня от износа керамические покрытия широкого распространения не приобрели. Это связано с тем, что при использовании таких покрытий довольно часто возникают сколы, отслоения из-за недостаточной адгезии к подложке, трещины при температурных напряжениях, кроме этого процесс нанесения таких покрытий технологически сложен [3].

В настоящее время развивается и получает широкое распространение для упрочнения деталей из алюминиевых сплавов метод микродугового оксидирования. Технология МДО позволяет получать на поверхности композиционное наноструктурное покрытие, прочно сцепленное с основой и характеризующееся высокими механическими, теплостойкими и износостойкими свойствами. Суть метода заключается в формировании на поверхности детали под воздействием микродуговых разрядов высокопрочного покрытия (МДО-слоя), состоящего преимущественно из a-Al2O3 (корунда) и других окислов алюминия [4-6]. В результате на поверхности образуется керамический высокотвердый износостойкий слой толщиной до 300 мкм и микротвердостью 5…22 ГПа.

При сравнении свойств МДО-слоя с другими технологическими способами, применяемыми для упрочнения юбки поршня (анодирование, графитизация, лазерное легирование, покрытие Molykote), можно говорить о том, что МДО-слои должны эффективно работать в условиях двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая высокую износостойкость и ресурс, при этом исключается образование сколов и отслоений благодаря высокой адгезии к подложке [6]. Такие выводы основываются на том, что микротвердость МДО-слоев в 4,5 раза превышает микротвердость, получаемую при анодировании (3-6 ГПа), в 18 раз больше, чем при графитизации (1,2 ГПа), в 13,5 раз превышает микротвердость наблюдаемую при лазерном легировании (1,6 ГПа) и в 3,5 раза больше микротвердости покрытия Molykote (6 ГПа). При этом толщина МДО-слоя в 6 раз больше, чем у покрытий класса Molykote (50 мкм), в 2,5-3 раза превышает толщину слоя, получаемую при анодировании (120 мкм) и лазерном легировании (100 мкм), на порядок больше по сравнению с графитизацией (30 мкм) [7]. Большая толщина МДО-слоя обеспечивает необходимый ресурс покрытия, а высокая микротвердость гарантирует значительное повышение износостойкости по сравнению с другими типами покрытий, используемых для упрочнения юбки поршней.

Основываясь на вышеперечисленных свойствах МДО-слоев, авторами была выдвинута гипотеза, что методом МДО можно повысить надежность поршней, формируя на юбке поршня поверхностные слои с высокой микротвердостью.

Цель данной работы заключается в исследовании возможности повышения износостойкости поршней ДВС путём формирования на юбке упрочненного слоя методом МДО.

 

1 Методы исследования

Исследования поводились на поршне двигателя в режиме его работы. Для проведения эксперимента был выбран двигатель ASP80. Двигатель ASP80 является малогабаритным авиамодельным двигателем с верхним расположением клапанов и калильным зажиганием, предназначен для установки на модели самолетов, его отличительной особенностью является возможность достигать высоких оборотов (до 11000 об/мин), что позволяет проводить ускоренные испытания по износу. Основные параметры и характеристики двигателя приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Характеристики двигателя

Рабочий объем:

12,8 см3

Диаметр цилиндра:

26,5 мм

Ход поршня:

23,2 мм

Мощность:

1,5 л. с. при 11000 об/мин

Рабочий диапазон:

2000-11000 об/мин

Вес с глушителем:

630 г

Тактность:

4

Количество цилиндров:

1

Тип охлаждения:

Воздушное

 

На основе этого двигателя был спроектирован и изготовлен испытательный стенд, который представляет собой комплекс оборудования, предназначенного для обеспечения бесперебойной работы двигателя ASP80 (рис. 3). Стенд представляет собой коробчатую раму, на которой закреплен двигатель ASP80 (2). На стенде также имеется измеритель температуры на выпуске (1) и топливный бак (3), который располагается на весах (4), служащих для измерения расхода топлива. Стенд позволяет производить измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, температуры на выпуске и расхода топлива.

Рис. 3 — Схема испытательного стенда: 1 – измеритель температуры ТРМ-200; 2 – двигатель ASP80; 3 – топливный бак; 4 – весы

 

Внешний вид и более подробное описание стенда приведены на рис 4.

 

 

Рис. 4 — Испытательный стенд: 1 — рама, 2 — двигатель, 3 — управление дросселем, 4 — управление топливным жиклером, 5 — система зажигания, 6 — система отвода выхлопных газов, 7 — решетка винта

 

Для экспериментального двигателя производителем рекомендуется применять специальные авиамодельные топлива, в состав которых входят метиловый спирт, нитроментан (СН3NO2), касторовое или синтетическое масло. Однако метиловый спирт и нитрометан являются токсичными веществами, что, учитывая специфику системы смазки и питания двигателя, усложняет проведение испытаний в условиях лаборатории. После анализа альтернативных вариантов, было решено использовать топливо, состоящее из этилового спирта, касторового масла и ацетона. Переход на новое топливо привел к появлению ряда проблем. В частности, пуск двигателя потребовал предварительного прогрева топлива и блока цилиндров до 45 — 50 С, сузился диапазон рабочих частот вращения до величин 4500 – 8000 мин-1 при установленном рекомендованном винте, возникла нестабильность работы на переходных режимах. В связи с этим стенд был оснащен источником электрического тока 5, который обеспечивает постоянный накал свечи.

При испытании использовалось топливо следующего состава: 92% этилового спирта, 8% касторового масла, 30 грамм ацетона на 1 литр топлива. Для контроля параметров применяются следующие измерительные инструменты:

•      фототахометр — стробоскоп АКТАКОМ АТТ – 6002;

•      измеритель двухканальный ТРМ-200 вместе с термопарой типа ХА;

•      весы электронные с точностью 1 г.

Для проведения испытаний ДВС со штатным поршнем и поршнем с МДО была разработана методика, в которой описываются режимы и время работы двигателя, подготовка двигателя к пуску, порядок приготовления топлива и т. д., а так же регламентируются проводимые измерения. В ходе испытаний контролировались следующие параметры: частота вращения коленчатого вала ДВС, температура головки цилиндра, расход топлива. Продолжительность испытаний составила 20 часов для каждого поршня и состояла из двух циклов по 10 часов каждый. После завершения каждого цикла испытаний производилась разборка двигателя для измерения износа гильзы и поршня.

Износ гильзы контролировался замером ее диаметрального размера в 12-ти точках в соответствии со схемой на рисунке 5 б. Необходимо отметить, что в плоскости каждого пояска измерение диаметра проводилось 4 раза, через каждые 45°, по такой же схеме осуществлялось измерение поршня, но из-за конструктивных особенностей в плоскости 3-го пояска поршня замер проводился один раз. Для оценки износа юбки поршня выбрали зону на поршне, расположенную на 5 — 7 мм ниже края поршневого кольца, где, согласно [8], диаметральный износ максимален. Износ гильзы определялся с помощью нутромера индикаторного повышенной точности, тип НИ, диапазон от 18 мм до 50 мм, цена деления 0,01 мм (ГОСТ 868-72). Износ поршня определялся с помощью микрометра гладкого, типа МК с ценой деления 0,01 мм ГОСТ 6507-90, в соответствии со схемой на рисунке 5 а. В дополнении к измерению размеров деталей проводился контроль их массы на аналитических весах ВСЛ-400/1.

 

а

б

Рис. 5 — Схематическое изображение точек замера геометрии поршня и гильзы: а — схема измерения размеров поршня; б – схема измерения размеров гильзы; высота поясков гильзы: А – 24 мм; В – 27 мм; С – 36,6 мм; высота поясков поршня 1 –3 мм от верхней кромки; пояс 2 – 8 мм от нижней кромки; пояс 3 – 3 мм от нижней кромки

 

Штатный поршень двигателя ASP80 изготовлен из алюминиевого сплава типа АК12. Для проведения исследований специально были изготовлены поршни также из сплава АК12 (рис.  6 а). Рабочая поверхность юбки одного из поршней была обработана методом МДО. Процесс нанесения покрытия проводился в электролите, который был приготовлен на основе дистиллированной воды с добавлением следующего компонентного состава: на 30 л дистиллированной воды использовалось 36 г жидкого стекла (1,2 г/л воды) и 21 г KOH (0,7 г/л воды). Процесс обработки длился 3,5 часа. Суммарная площадь при обработке поршня составила 1039 мм2.

В результате микродугового оксидирования было получено износостойкое покрытие на юбке поршня, представленное на рисунке 6 б. После нанесения МДО-слоя с поверхности поршня удалялся муллит (верхний рыхлый слой) (рис. 6 в). В качестве основных свойств сформированного покрытия измерялась его толщина и микротвердость при помощи микротвердомера HVS-1000 и толщиномера ТТ-210. Все значения параметров МДО-слоя замерялись на образце-свидетеле, обработанном на тех же режимах, что и поршень. Были получены следующие характеристики МДО-слоя: микротвердость Нμ=6,3 ГПа, толщина h=82 мкм.

 

а

б

в

Рис. 6 — Поршень двигателя ASP80: а — без покрытия; б — с МДО-покрытием до снятия муллита; в — с МДО-покрытием после снятия муллита

 

Продолжительность испытаний каждого поршня (с МДО и без МДО) была выбрана 20 часов, это связано с тем, что минимальная рекомендованная продолжительность испытаний для авиационных ДВС — 20 % от ресурса. Разборка двигателя осуществлялась через каждые 10 часов работы. Этот период (10 часов) был разбит на этапы продолжительностью 10,5 минут каждый. Режимы испытания в течение 10,5 минут для поршня без МДО приведены в табл. 2, а для поршня с МДО – в табл. 3. Отличие режимов испытания для поршня с МДО-слоем и без МДО-слоя было вызвано тем, что после установки поршня с МДО-покрытием наблюдалось снижение частоты вращения коленчатого вала. После 10,5 минут работы двигатель остывал в течение 10 минут. По окончании каждого десятичасового цикла испытаний проводилось измерение максимальной частоты вращения коленчатого вала (КВ) при 100 % открытии дроссельной заслонки (ДЗ), а так же измерение контролируемых параметров при значениях открытия ДЗ 25, 50, 75 и 100 %. При испытаниях использовался винт размером 13х7.

 

Таблица 2 — Режимы испытаний двигателя в комплектации с поршнем без МДО-покрытия

Положение дроссельной заслонки, %

Время фактическое, мин.

Время перехода, мин

25

0,5

0:30

50

1

1:30

100

1

2:30

25

0,5

3:00

75

2

5:00

50

1

6:00

25

0,5

6:30

100

2

8:30

50

1

9:30

25

1

10:30

 

Таблица 3 — Режимы испытаний двигателя в комплектации с поршнем с МДО-покрытием

Положение дроссельной заслонки, %

Время фактическое, мин.

25

10,5

50

10,5

75

10,5

100

10,5

 

2 Результаты эксперимента

Параметры двигателя, измеренные в ходе испытаний, представлены в таблице 4.

 

Таблица 4 — Параметры двигателя при испытании

Положение дроссельной заслонки, %

Средний расход топлива при работе с поршнем без МДО-покрытия, г/ч

Средний расход топлива при работе с поршнем с МДО-покрытием, г/ч

Средние обороты двигателя при работе с поршнем без МДО-покрытия, об/мин

Средние обороты двигателя при работе с поршнем с МДО-покрытием, об/мин

25

245,14

282,86

5273

3025

50

7324

4978

75

7864

6537

100

8464

6909

 

Внешний вид поршня без покрытия после проведения испытаний представлен на рисунке 7 а, а поршня с МДО-слоем – на рисунке 7 б.

 

а

б

Рис. 7 — Поршень двигателя ASP80 после испытаний: а — без покрытия; б — с МДО-покрытием

 

Усредненные результаты измерения размеров поршня без МДО-слоя в процессе испытаний приведены в таблице 5. Размеры поршня с МДО-слоем измеренные также в процессе испытаний приведены в таблице 6.

 

Таблица 5 — Размеры поршня без МДО-слоя в процессе испытаний

№ цилиндра

Пояс

Средний диаметральный размер юбки, мм

 

I

 

I

До проведения испытаний

26,403

 

После испытаний 10 часов

26,420

 

После испытаний 20 часов

26,426

 

II

До проведения испытаний

26,405

 

После испытаний 10 часов

26,410

 

После испытаний 20 часов

26,415

 

III

До проведения испытаний

26,407

 

После испытаний 10 часов

26,390

 

После испытаний 20 часов

26,370

 

 

Таблица 6 — Размеры поршня с МДО-покрытием

№ цилиндра

Пояс

Средний диаметральный размер юбки, мм

 

I

 

I

До проведения МДО

26,416

 

После проведения МДО

26,427

 

После испытаний 10 часов

26,425

 

После испытаний 20 часов

26,423

 

II

До проведения МДО

26,425

 

После проведения МДО

26,386

 

После испытаний 10 часов

26,386

 

После испытаний 20 часов

26,387

 

III

До проведения МДО

26,419

 

После проведения МДО

26,398

 

После испытаний 10 часов

26,385

 

После испытаний 20 часов

26,380

 

 

На основе полученных данных был построен ряд диаграмм и графиков. На рисунке 8 приведен график, показывающий изменение диаметра поршней после 20-ти часов испытаний.

 

Рис. 8 — Изменение диаметра поршней после 20-ти часов испытаний

 

Изменение размера гильз цилиндров по пояскам после 20-ти часов испытаний представлено на рисунке 9.

 

Рис. 9 — Изменение диаметра гильзы после 20-ти часов испытаний с каждым поршнем

 

На рисунке 10 показана диаграмма, отражающая изменение массы гильзы цилиндра при работе с разными поршнями от времени испытаний.

 

Рис. 10 — Зависимость массового износа гильзы цилиндра от времени наработки

 

В связи с тем, что режимы испытаний поршней с МДО-слоем и без МДО-слоя отличались, в качестве независимого параметра была выбрана интенсивность изнашивания, которая  вычислялась по следующей формуле:

где  — изменение диаметрального размера, мм,  – общий путь трения, мм.

Путь трения на определенных оборотах определяется по формуле:

где  – ход поршня, мм,  – обороты двигателя, об/мин,  – время работы на определенных оборотах, мин.

Интенсивность изнашивания для поршня без МДО-покрытия за 10 часов испытаний составила 176,858*10-12, а поршня с МДО-покрытием — 31,428*10-12. Интенсивность изнашивания поршня без МДО-покрытия за 20 часов испытаний составила 57,545*10-12, а поршня с МДО-покрытием — 22,669*10-12.

Интенсивность изнашивания гильзы цилиндра, работавшей в паре с поршнем без МДО-покрытия 17,469*10-12, а гильзы, работавшей в паре с поршнем с МДО-покрытием — 31,046*10-12.

Зависимость интенсивности изнашивания поршней от времени испытаний представлена на рисунке 11.

 

Рис. 11 — Зависимость интенсивности изнашивания поршней от времени наработки

Интенсивность изнашивания поршней по пояскам за 20 часов испытаний представлена на рисунке 12.

 

Рис. 12 — Изменение интенсивности изнашивания за 20 часов испытаний

Анализируя полученные результаты, можно увидеть различие в распределении износа по контролируемым точкам при использовании упрочненного поршня и поршня без МДО-слоя. В таблице 5 и таблице 6 приведены начальные (перед началом испытаний) и конечные (после 20 часов работы) размеры поршней по контролируемым точкам. Отрицательные значения износа поршня без МДО-слоя связаны с деформацией поршня в процессе работы под воздействием тепловых и механических нагрузок. При этом у поршня с МДО-слоем такого рода деформаций не наблюдалось (рис. 8).

Кроме этого, интенсивность изнашивания поршня с МДО-слоем ниже, чем интенсивность изнашивания поршня без МДО-слоя, как в целом по результатам испытаний (рис. 11), так и по пояскам в отдельности (рис. 12).

Также отметим, что интенсивность изнашивания гильзы цилиндра при работе с поршнем упрочненным методом МДО почти в 1,8 раза выше, чем у гильзы, которая работала в паре с поршнем без покрытия.

 

Заключение

В данной работе были получены следующие результаты и выводы:

1.       На основании анализа литературы и методов, используемых для упрочнения юбки поршня, был сделан вывод, что микродуговое оксидирование может повысить износостойкость поршня ДВС и удовлетворяет всем дополнительным требованиям, предъявляемым к поверхности юбки поршня.

2.       Испытания поршня на работающем двигателе показали, что интенсивность изнашивания юбки, обработанной методом микродугового оксидирования, уменьшилась в 2,5 раза по сравнению с необработанной юбкой поршня.

3.       Максимальная величина износа поршня после испытаний в течение 20 часов составила: для поршня без МДО-слоя – 37 мкм, для поршня с МДО-слоем – 18 мкм.

4.       Результаты испытаний показали, что гильза, работавшая в паре с упрочненным поршнем, изнашивается в 1,8 раз интенсивнее, чем гильза, работавшая в паре с поршнем без покрытия.

5.       Применение метода микродугового оксидирования для формирования на поверхности юбки упрочненного слоя, является перспективным направлением повышения надежности поршня, и как следствие обеспечения долговечной и безотказной работы ДВС. Однако для гильзы цилиндра в этом случае необходимо использовать либо специальные износостойкие сплавы, либо методы поверхностного упрочнения.

 

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1659 «Конструкционные наноструктурные покрытия для повышения надежности деталей в объектах машиностроения».

 

Список литературы

1.               Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей: учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.

2.               Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2 кн. Кн. 2. /  Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1979. 358 с.

3.               Поляк М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2 т. Т. 2. М.: «Л.В.М. – СКРИПТ»; Машиностроение, 1995. 688 с.

4.               Алехин В.П., Федоров В.А., Булычев С.И., Тюрпенко О.А. Особенности микроструктуры упрочненных поверхностных слоев, получаемых микродуговым оксидированием // Физика и химия обработки материалов. 1991. № 5.С. 121-126.

5.               Малышев В.Н., Марков Г.А., Федоров В.А., Петросянц А.А. Терлеева О.П. Особенности строения и свойства покрытий, наносимых методом микродугового оксидирования // Химическое и нефтяное машиностроение. 1984. № 1.С. 26-27.

6.               Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование: теория, технология, оборудование. М.: Экомет, 2005. 368 с.

7.               Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2 т. Т.1 / Под ред. М.А. Шлугера. М.: Машиностроение, 1985. 60 с.

8.               Юбка поршня. Режим доступа: http://zil130.info/yubka-porshnya. html (дата обращения 16.07.2013).

двигатель внутреннего сгорания — Поршень

Поршень

 

Детали шатунно-поршневой группы

Детали цилиндро-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

  1. Поршень
  2. Поршневой палец
  3. Стопорное кольцо поршневого пальца (2 шт)
  4. Шатун
  5. Болт крышки шатуна
  6. Вкладыши подшипника шатуна
  7. Крышка шатуна
  8. Гайка крышки шатуна

 

На этом рисунке показаны детали типичной шатунно-поршневой группы. Далее более подробно насмотрим все детали, их предназначение и некоторые, наиболее распространённые конструкции.

Поршень

Общая информация

Несомненно, поршень является наиболее нагруженной деталью двигателя. Во время работы двигателя на поршень оказываются комбинированные механические и тепловые нагрузки. Разделить их невозможно, поскольку любой материал с повышением температуры меняет свои свойства. Поршень, легко выдерживающий существующие нагрузки при рабочей температуре двигателя, будет разрушен под воздействием не изменившихся механических нагрузок в случае перегрева двигателя.

Механические нагрузки на 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.

 

Температурные нагрузки на поршень

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.

 

Распределение температуры поршня

Тепло от поршня отводится тремя способами:

  1. Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя.
  2. Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя.
  3. 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

Отвод тепла от поршня

 

  1. Поступление тепла к поршню от рабочих газов, находящихся в цилиндре двигателя
  2. Охлаждение поршня поступающей топливовоздушной смесью
  3. Отвод тепла поршневыми кольцами (50% — 70%)
  4. Отвод тепла юбкой поршня
    (20% — 30%)
  5. Отвод тепла через внутреннюю полость поршня (5% — 10%)
  6. Отвод тепла через поршневой палец и шатун
  7. 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.

 

Отвод тепла от поршня через поршневые кольца

Отвод тепла поршневыми кольцами

  1. Камера сгорания
  2. Стенка цилиндра
  3. Рубашка охлаждения
  4. Поршень
  5. Первое компрессионное кольцо
  6. Второе компрессионное кольцо
  7. 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

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.

Масляные форсунки — двигатель V8

Масляные форсунки, предназначенные для охлаждения днища поршня разбрызгиванием, двигателя V8.

Поршень — охлаждение масломПоршень 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

Вид наиболее распространённого поршня

Типичный поршень

  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

Поршеньфорсированного двигателя

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

 

Форма днища поршня

Некоторые примеры различных типов поршней

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

Поршень с вытеснителем и выемками клапанов

Поршень с плоским днищем

Поршень с плоским днищем

Поршень с плоским днищем и выемками для клапанов

Поршень с плоским днищем и с выемками клапанов. Этот двигатель имеет четыре клапана на цилиндр.

Поршень с углублённым днищем

Поршень с углублённым днищем и с выемками под четыре клапана. Для уменьшения сил трения на поверхность юбки поршня нанесено антифрикционное покрытие.

Поршень бензинового двигателя

Поршень современного бензинового двигателя с графитовым антифрикционным покрытием на юбке.

Поршень дизельного двигателя

Поршень современного дизельного двигателя

  1. Масляный охлаждающий канал
  2. Камера сгорания в днище поршня
  3. Днище поршня
  4. Стальное кольцо для канавки первого компрессионного кольца
  5. Первое компрессионное кольцо
  6. Второе компрессионное кольцо
  7. Маслосъёмное кольцо
  8. Масляная форсунка
  9. Отверстие в головке шатуна для подвода масла к поршневому пальцу
  10. Шатун
  11. Поршневой палец
  12. Стопорное кольцо поршневого пальца
  13. Третья перегородка поршневых колец
  14. Вторая перегородка поршневых колец
  15. Верхняя перегородка поршневых колец (жаровой пояс)

 

Камера сгорания находится непосредственно в днище поршня.

 

Поршень — канавки аккумуляции газов и лабиринтные канавки

1 – Канавка аккумуляции газов на второй перегородке

2 – Лабиринтные канавки на верхней перегородке

Юбка современного поршня

Направляющая часть поршня (юбка) современного двигателя сохранила только упорные поверхности.

Некоторые современные двигатели имеют поршни с очень необычной формой днища. Например, поршни бензиновых двигателей с непосредственным впрыском. Во время работы двигателя при послойном смесеобразовании, за счёт специально подобранной формы днища поршень двигаясь вверх на такте сжатия поршень, направляет богатую часть топливовоздушной смеси на свечу зажигания. При этом в остальной части камеры сгорания может находиться очень бедная смесь.

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

Поршень системы FSIFSI — 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.

Структура поршня

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.

Овальность поршняОвальность поршня

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

Боковые силы, действующие на поршень

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 ре

Характеристики и функции поршневых двигателей — Petrotech, Inc.

Мощные и эффективные двигатели многих типов поставляют энергию, необходимую для выработки электроэнергии или движения в секторе энергоснабжения. Нефтегазовая промышленность использует двигатели внутреннего сгорания на трех основных рынках: электростанции, компрессорные и насосные. На электростанциях двигатели сжигают топливо, которое нельзя использовать в турбинах; при перекачке обеспечивают механический привод; а при сжатии они используются в газораспределительных линиях.Наиболее популярным типом двигателей внутреннего сгорания, используемых сегодня в этих областях, является поршневой двигатель.

Что такое поршневые двигатели?

Поршневой двигатель, также известный как поршневой двигатель, является одним из двух типов двигателей внутреннего сгорания, которые работают за счет сжигания топлива для получения энергии. Другой тип — это более ранняя форма, называемая роторным двигателем, и хотя поршневые двигатели все еще используются сегодня, они более распространены во многих отраслях промышленности. Роторный двигатель имеет четыре отдельных отсека, и в каждом из них выполняется определенная работа: впуск, сжатие, сгорание (или зажигание) или выпуск.С другой стороны, поршень (ы) в поршневом двигателе выполняет каждую из этих четырех задач в одном цилиндре.

Как они работают?

Мощность, создаваемая поршневыми двигателями, происходит от нагнетания топлива с помощью поршня или поршней для создания сгорания и, в свою очередь, создания кругового вращательного движения. Этот процесс называется четырехтактным циклом, поскольку, как и роторный двигатель, поршневые двигатели работают по повторяющейся схеме впуска, сжатия, сгорания и выпуска. Первый этап — это впуск, при котором топливо впрыскивается в цилиндр, толкая поршень вниз. Затем во время сжатия поршень подталкивается к верхней части цилиндра. Это оказывает давление на топливо, и свеча зажигания воспламеняет его, создавая следующий шаг: сгорание. Это зажигание толкает поршень обратно вниз, создавая энергию. Отходы выбрасываются на последнем этапе, выхлопе, и цикл начинается снова.

Каковы преимущества поршневых двигателей?

Поршневые двигатели являются более современными из двух типов двигателей внутреннего сгорания, и во многих случаях они оказались более эффективными.Хотя на рынке все еще есть место для роторных двигателей, их применение гораздо более ограничено. Например, они встроены во многие гоночные автомобили, потому что позволяют увеличить крутящий момент, что, в свою очередь, обеспечивает максимальное ускорение. Однако роторные двигатели гораздо труднее герметизировать и часто имеют проблемы с утечкой давления и проблемами со смазкой. Поршневые двигатели бывают разных конфигураций, чтобы соответствовать конкретным машинам или задачам, и являются наиболее распространенным типом двигателей, используемых в современных транспортных средствах.

Какой вид обслуживания и ремонта им требуется?

Как и двигатель транспортного средства, поршневой двигатель в энергоснабжающем предприятии необходимо надлежащим образом обслуживать и ремонтировать для обеспечения максимальной производительности и долговечности. В Petrotech мы предлагаем решения для любого типа OEM-оборудования, чтобы помочь нашим клиентам контролировать, автоматизировать и обслуживать поршневые двигатели, помогая максимизировать эффективность и минимизировать потребность в ремонте. Поскольку мы можем проектировать и устанавливать индивидуальные системы управления вокруг существующего оборудования предприятия, мы можем помочь нашим клиентам оптимизировать функциональность без дополнительных затрат времени или затрат на переоборудование оборудования.Наши системы управления могут включать в себя контроль и мониторинг следующих требований к техническому обслуживанию:

  • Обороты двигателя
  • Обороты турбокомпрессора
  • Крутящий момент
  • Соотношение воздух-топливо
  • Температура выхлопных газов
  • Давление в воздушном коллекторе
  • Температура воздуха в коллекторе вибрации
  • Опережение зажигания

Системы удобны в использовании и адаптированы к требованиям каждого клиента.

Petrotech имеет более чем 50-летний опыт работы в сфере энергоснабжения и предлагает услуги «под ключ» для единого поставщика, включая бесплатную круглосуточную техническую поддержку и устранение неисправностей.Узнайте больше о специализированных интегрированных системах управления, которые мы можем предоставить для поршневых двигателей.

Изображение Mj-bird

Двигатель

Поршни — обзор

3.2 Силовые агрегаты на природном газе с поршневым двигателем

Поршневой двигатель или поршневой двигатель имеет долгую историю в производстве электроэнергии. Некоторые из самых первых угольных электростанций, построенных в 19 веке, использовали паровые поршневые двигатели для привода генераторов. Современные поршневые двигатели используются в основном на транспорте.Малогабаритные двигатели используются в отечественных транспортных средствах, а более крупные — в грузовых автомобилях, локомотивах и кораблях. Эквивалентные двигатели могут быть адаптированы для рынка производства электроэнергии. Что касается выходной мощности, размеры могут варьироваться от 0,5 кВт до 65 МВт.

Есть две основные категории поршневых двигателей, подходящих для выработки электроэнергии, двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, но только первая из них может работать на природном газе. Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе.Также существуют разные циклы, в которых может работать поршневой двигатель. Два наиболее распространенных — это двухтактный и четырехтактный двигатель. Двигатели, использующие оба типа цикла, могут работать на природном газе.

Еще одна переменная — это соотношение воздуха и топлива в камере сгорания (цилиндре) двигателя. Некоторые работают с примерно стехиометрическим соотношением кислорода из воздуха и топлива, так что кислорода достаточно для сгорания всего топлива. Такие двигатели относят к двигателям с богатым горением.Эти двигатели, как правило, работают при высоких температурах сгорания, что может приводить к образованию относительно высоких уровней оксидов азота, а также других загрязняющих веществ. Альтернативой является двигатель, работающий на обедненной смеси, в котором гораздо больше воздуха (и кислорода), чем требуется для сгорания. Избыточный воздух приводит к более низким температурам сгорания в цилиндрах двигателя и снижению уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. В нормальных условиях двигатель с обогащенным газом обычно обеспечивает более высокий КПД, чем двигатель с обедненным газом.Однако современная конструкция двигателей, работающих на обедненной смеси, позволяет им достигать столь же высокого уровня эффективности при сохранении более низких уровней выбросов.

Как и в случае паротурбинных установок, работающих на природном газе, основным экологическим фактором является NO x . Двигатели с интенсивным сгоранием, работающие на природном газе, обычно требуют какой-либо системы каталитического восстановления для удаления NO x и приведения уровня выбросов в соответствие с местными нормативами. Некоторые двигатели, работающие на обедненной смеси, могут соответствовать экологическим нормам без необходимости в дополнительных системах контроля выбросов. Двигатели также выделяют углекислый газ, но маловероятно, что применение технологии улавливания углерода в поршневых двигателях будет рентабельным, за исключением самых крупных установок.

Поршневые двигатели, работающие на природном газе, доступны мощностью от 0,5 кВт до примерно 6 МВт. Для электростанций большего размера обычно требуется несколько двигателей. Хотя могут быть построены более крупные поршневые двигатели, они обычно работают на тяжелой нефти в качестве топлива, а не на природном газе. Скорость поршневого двигателя зависит от его размера.Двигатели, работающие на природном газе, могут быть либо высокоскоростными двигателями (1000–3000 об / мин), которые доступны мощностью от 0,5 кВт до 6 МВт, либо среднеоборотными двигателями (275–1000 об / мин), которые обычно начинаются с мощности 1 МВт. Более крупные двигатели с меньшей скоростью обычно более надежны и обычно выбираются для непрерывной работы. Там, где требуется прерывистая работа, часто будут выбираться более компактные высокоскоростные двигатели, потому что они, как правило, дешевле, хотя и менее надежны.

Использование двигателей, работающих на природном газе, для выработки электроэнергии разнообразно.Многие из них используются для приложений распределенной генерации, где они поставляют электроэнергию непосредственно местным потребителям. Некоторые из этих двигателей используются в режиме когенерации, в котором отработанное тепло двигателя используется для нагрева воды. Это может привести к очень высокой общей эффективности. Еще одно распространенное применение — резервная сеть, когда системы спроектированы таким образом, что они запускаются, как только происходит перерыв в электроснабжении. Двигатели, работающие на природном газе, также могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, в приложениях типа микросетей, где они также используются в качестве резервного источника питания.

Новый двигатель внутреннего сгорания — экологичный, чистый, эффективный бензиновый поршневой двигатель

Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания должен умереть. Страны рассматривали возможность запрета транспортных средств, работающих на топливе, после определенного срока в будущем, но ни одно из этих предложений не осталось неизменным. Но с возрастающим давлением на автопроизводителей с целью создания более эффективных автомобилей с меньшим количеством выбросов, будущее поршневых двигателей выглядит мрачным.

Этот пост был первоначально опубликован 1 декабря 2016 г.Он был обновлен и теперь включает новое видео от Engineering Explained.

Но сейчас группа инженеров исследует способ сделать более чистый и экологичный двигатель внутреннего сгорания. И их решение заключается в установке стандартного четырехтактного двигателя поверх самого себя.

Как объясняет Wired , оппозитно-поршневой двигатель давно был в умах автомобильных инженеров. Он заменяет клапанный механизм четырехтактного двигателя с открытыми впускными и выпускными портами, устраняя трение и сложность распределительного вала и клапанов. Но в течение десятилетий у нас не было средств для достаточно точного управления топливовоздушной смесью, чтобы воспользоваться присущей конструкции эффективностью.

Теперь инженеры думают, что они наконец усовершенствовали конструкцию оппозитного поршня. Они надеются, что двигатель сможет использовать усовершенствованные поршневые двигатели за столетие с лишним, наряду с преимуществами противоположной компоновки, чтобы создать новый автомобиль с экологически чистым ходом, использующий уже имеющуюся заправочную инфраструктуру.

Узнайте, как работает этот инновационный двигатель.Кто знает, когда-нибудь такой двигатель может оказаться под капотом вашей машины.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Если вы не можете просмотреть видео YouTube выше, щелкните здесь.

Чтобы еще раз взглянуть на эту многообещающую технологию, вот подробное описание Джейсона Фенске из Engineering Explained:

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Если вы не можете просмотреть видео YouTube выше, щелкните здесь.

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.

Этот безумный прозрачный двигатель показывает, как на самом деле выглядит внутреннее сгорание


Из всего, что мы принимаем как должное в повседневной жизни, двигатели, поддерживающие работу наших автомобилей, должны быть одними из самых распространенных.

На самом деле мы не виноваты в том, что мы не знаем, насколько хороши эти недооцененные чудеса техники на самом деле — они спрятаны под капотом, а вся происходящая невероятная химия скрыта за этим большим металлическим корпусом. Но что, если бы у вас был поршневой двигатель с чистой головкой блока цилиндров, которая позволяет вам видеть все?

YouTuber Мэтт Микка сделал именно это на своем канале Warped Perception, чтобы показать вам процесс сгорания 3-сильного двигателя внутреннего сгорания Briggs and Stratton с плоской головкой в ​​сверхзамедленной съемке.

Он переводит его из «богатого» состояния (слишком много топлива и недостаточно воздуха) в «обедненное» состояние (слишком много воздуха и недостаточно топлива) и сжигает бензин, медицинский спирт (изопропиловый спирт) и углеводороды. соединение ацетилена для сравнения.

Если вы не знакомы с внутренними частями поршневого двигателя, на видео выше вы увидите, как поршень движется вверх и вниз слева, а впускной и выпускной клапаны — справа.

Над этими двумя клапанами висит свеча зажигания, которая воспламеняет все это, и когда вы видите, что пламя газа замедляется в 150 раз… ну, скажем так, это красота.

Хорошо, бензин красивый, медицинский спирт вызывает стресс из-за всей этой жидкости, хлюпающей вокруг, а затем ацетилена? Это просто страшно.

Причина, по которой эти два последних вида топлива затопляют и приводят к выходу из строя двигателя, заключается в том, что они не обеспечивают такого же баланса топлива и воздуха, как бензин.

Как объясняет Эйвери Томпсон для Popular Mechanics , процесс должен выглядеть следующим образом:

«Это четырехтактный двигатель, то есть полный цикл состоит из четырех ступеней.Шаг первый — открытие впускного клапана и пропускание воздуха и топлива в камеру, пока поршень движется вниз. На втором этапе поршень движется вверх, сжимая топливо.

На третьем этапе топливо воспламеняется, и сила этого воспламенения снова толкает поршень вниз. И, наконец, на четвертом этапе поршень снова движется вверх, выталкивая выхлоп из недавно открытого выпускного клапана ».

Теперь, когда мы увидели это в действии, мы хотим, чтобы каждая машина в нашей жизни была прозрачной.

А теперь, для чего-то совершенно другого, посмотрите это старое видео Warped Perception, где он выскакивает зерна кукурузы со скоростью 30 000 кадров в секунду в сверхзамедленной съемке.

Приветствую хрустящих балерин:

H / T: Digg

Что такое поршень? — Определение, детали и типы

Что такое поршень?

Поршень — это компонент поршневых двигателей, поршневых насосов, газовых компрессоров, гидроцилиндров и пневматических цилиндров, а также других подобных механизмов.Это движущийся элемент, который заключен в цилиндр и герметизирован поршневыми кольцами.

В двигателе его цель — передавать усилие от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шток поршня и / или шатун. В насосе функция обратная, и сила передается от коленчатого вала к поршню с целью сжатия или выброса жидкости в цилиндр. В некоторых двигателях поршень также действует как клапан, закрывая и открывая отверстия в цилиндре.

Поршень — это движущийся диск, заключенный в цилиндр, который герметизирован поршневыми кольцами. Диск движется внутри цилиндра, когда жидкость или газ внутри цилиндра расширяются и сжимаются. Поршень помогает преобразовывать тепловую энергию в механическую работу и наоборот.

По этой причине поршни являются ключевым компонентом тепловых двигателей. Поршни работают, передавая выходное усилие расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал, который передает вращательный момент маховику.Такая система известна как поршневой двигатель.

Поршень должен следовать циклическому процессу, чтобы он непрерывно преобразовывал тепловую энергию в работу, и есть много способов завершить этот цикл. Например:

  • Подводя тепло к газу внутри цилиндра, газ расширяется, увеличивая объем в цилиндре и обеспечивая полезную работу.
  • За счет отвода тепла от баллона давление газа будет уменьшаться, что облегчит его сжатие.
  • Передавая работу поршню, поршень сжимается обратно в исходное состояние, готовый к повторному выполнению цикла.

Схема частей поршня

Части поршня

Части поршня

Поршень, как подвижная часть камеры сгорания, выполняет задачу преобразования этой высвобождаемой энергии в механическую работу. Основная конструкция поршня представляет собой закрытый с одной стороны полый цилиндр с сегментной головкой поршня с кольцевым ремнем, выступом пальца и юбкой.

Основные части поршня и их функции:

  • Поршневые кольца
  • Юбка поршня
  • Поршневой палец
  • Головка поршня / Корона
  • Шатун
  • Подшипники поршня

1. Поршневое кольцо

Поддержание поршневых колец 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.

Обычно в обычном автомобильном двигателе используются поршневые кольца трех типов:

  • Компрессионное кольцо : это верхнее кольцо, ближайшее к камере сгорания. Его еще называют газовым или напорным кольцом. Кольцо предотвращает утечку продуктов сгорания. Компрессионные кольца также помогают передавать тепло от поршня к стенкам цилиндра.
  • Грязесъемное кольцо — поршневое кольцо с конической поверхностью, расположенное в кольцевой канавке между компрессионным кольцом и масляным кольцом.Грязесъемное кольцо используется для дополнительной герметизации камеры сгорания и очистки стенки цилиндра от излишков масла. Горючие газы, проходящие через компрессионное кольцо, задерживаются грязесъемным кольцом.
  • Масляное кольцо — поршневое кольцо, расположенное в кольцевой канавке, ближайшей к картеру. Масляное кольцо используется для вытирания излишков масла со стенок цилиндра во время движения поршня. Излишки масла возвращаются через кольцевые отверстия в масляный резервуар в блоке цилиндров.

Подробнее о: Что такое поршневое кольцо?

2.Юбка поршня

Юбка поршня относится к цилиндрическому материалу, закрепленному на круглой части поршня. Деталь обычно изготавливается из чугуна из-за его превосходной износостойкости и самосмазывающихся свойств. Юбка содержит пазы для крепления поршневого маслосъемного кольца и компрессионных колец. Юбки поршней доступны в различных дизайнах для конкретных применений.

Существует два основных типа юбок поршней:

  • Полная юбка : также известна как сплошная юбка.Пышная юбка имеет трубчатую форму. Он обычно используется в двигателях больших автомобилей.
  • Юбка тапочка: Тип юбки поршня используется для поршней мотоциклов и некоторых автомобилей. Часть юбки срезается так, чтобы на стенке цилиндра остались только задняя и передняя поверхности. Это помогает снизить вес и минимизировать площадь контакта между стенкой цилиндра и поршнем.

3. Поршневой палец / поршневой палец

Поршневой палец также известен как поршневой палец или поршневой палец, который используется для соединения поршня с шатуном и обеспечивает подшипник для поворота шатуна в качестве поршня. движется.

В самых ранних конструкциях двигателей, включая те, которые приводятся в действие паром, и во многих очень больших стационарных или судовых двигателях поршневой палец расположен в скользящей траверсе, которая соединяется с поршнем через шток.

Поршневой палец обычно представляет собой кованый короткий полый шток, изготовленный из стального сплава высокой прочности и твердости, который может быть физически отделен как от шатуна, так и от поршня или крейцкопфа.

Конструкция поршневого пальца, особенно в небольших высокооборотных автомобильных двигателях, является сложной задачей.Поршневой палец должен работать при некоторых из самых высоких температур, встречающихся в двигателе, и его расположение затрудняет смазку, оставаясь маленьким и легким, чтобы соответствовать диаметру поршня и не увеличивать чрезмерно массу поршня.

Требования к легкости и компактности требуют стержня небольшого диаметра, который подвергается высоким сдвигающим и изгибающим нагрузкам и имеет одни из самых высоких сжимающих нагрузок среди всех подшипников во всем двигателе.

Для решения этих проблем материалы, из которых изготовлен поршневой палец, и способ его изготовления являются одними из самых сложных из всех механических компонентов, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Из них получаются следующие типы штифтов.

  • Стационарный / фиксированный штифт : штифт крепится к выступам поршня с помощью винта. Шток поршня затем поворачивается на штифте.
  • Полуплавающий : штифт прикрепляется к шатуну посередине, и концы штифта свободно перемещаются внутри подшипника поршня и на бобышках.
  • Полностью плавающий : в этом типе пальца палец не прикреплен к пальцу или шатуну поршня.Вместо этого он фиксируется заглушками, зажимами или стопорными кольцами, прикрепленными к бобышкам поршня. В этом случае штифт может колебаться как на выступах, так и на стержне.

4. Головка поршня / Корона

Также известна как головка поршня или купол, головка поршня является его вершиной. Это часть, которая контактирует с дымовыми газами. Это нагревает его до чрезвычайно высоких температур. Для предотвращения плавления детали головки поршня изготавливают из специальных сплавов, в том числе из стальных.

Головка поршня обычно имеет каналы и полости.Это помогает создать завихрение, улучшающее сгорание. В разных двигателях используются разные типы поршневых головок. Причины различий бывают разные. Предпочтительная конструкция головки поршня зависит от многих факторов, таких как ожидаемая производительность и тип двигателя.

5. Шатун

Шатун, также называемый шатуном, является частью поршневого двигателя, которая соединяет поршень с коленчатым валом. Шатун вместе с кривошипом преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленчатого вала.

6. Подшипники поршня

Подшипники представляют собой детали поршня, которые расположены в точках, где происходит поворотное вращение. Обычно это полукруглые куски металла, которые вставляются в отверстия в этих точках. Поршневые подшипники включают чашки на большом конце, где шток соединяется с коленчатым валом. Также есть подшипники на малом конце, где шток соединяется с поршнем.

Поршневые подшипники обычно изготавливаются из композитных металлов, таких как свинец, медь, кремний-алюминий и другие.Подшипники часто имеют покрытие для повышения твердости и выдерживания нагрузки от движений поршня и шатуна.

Типы поршней с основанием по форме

Существует три типа поршней, каждый из которых назван по форме: плоский верх, купол и тарелка.

1. Поршни с плоским верхом

Как бы просто это ни звучало, поршень с плоским верхом имеет плоский верх. Поршни с плоским верхом имеют наименьшую площадь поверхности; это позволяет им создавать максимальную силу. Этот тип поршня идеально подходит для создания эффективного сгорания.

Поршни с плоским верхом обеспечивают наиболее равномерное распределение пламени. Сложность, связанная с этим, заключается в том, что это может создать слишком большую компрессию для меньших камер сгорания.

2. Поршни тарелки

Поршни тарелки представляют собой наименьшие проблемы для инженеров. Это больше из-за того, где они используются, чем из-за того, что они сами владеют.

По форме они напоминают тарелку со слегка загнутыми наружу краями. Обычно тарельчатые поршни используются в приложениях с наддувом, для которых не требуется распредвал с большим подъемом или высокая степень сжатия.

3. Купольные поршни

В отличие от тарелочных поршней, они пузыриться посередине, как верхняя часть стадиона. Это сделано для увеличения доступной площади на верхней части поршня. Большая площадь поверхности означает меньшее сжатие.

Хотя большее сжатие означает создание большей силы, существует верхний предел того, с чем может справиться каждая камера сгорания. Уменьшение степени сжатия таким образом существенно предотвращает разрушение двигателя.

Это всего лишь один инструмент, ограничивающий количество создаваемой силы до того, с чем двигатель способен безопасно работать.

Если вы только начинаете, это только начало. Вы не сможете понять всю головоломку, не сопоставив ее части друг с другом.

Таким образом, хотя это объясняет, что делают поршни и как имеют значение различия в форме, это необходимо понимать в контексте всего двигателя, чтобы получить полную картину. Продолжайте учиться, и вы будете в пути. 1. Поршень ствола онс

Поршни ствола имеют большую длину относительно своего диаметра. Они действуют как поршневые и цилиндрические крейцкопфы. Поскольку шатун на большей части своего вращения наклонен под углом, существует также боковая сила, которая воздействует вдоль стороны поршня на стенку цилиндра. Более длинный поршень помогает поддерживать это.

Поршни ствола были обычной конструкцией поршней с первых дней создания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Они использовались как для бензиновых, так и для дизельных двигателей, хотя в высокоскоростных двигателях теперь используется более легкий поршень с проскальзыванием.

Характерной чертой большинства поршневых поршней, особенно для дизельных двигателей, является то, что они имеют канавку для масляного кольца под поршневым пальцем в дополнение к кольцам между поршневым пальцем и головкой поршня.

Название «ствол поршня» происходит от «ствольного двигателя» — ранней конструкции морского парового двигателя.

Чтобы сделать их более компактными, они отказались от обычного поршневого штока парового двигателя с отдельной траверсой и вместо этого были первой конструкцией двигателя, в которой поршневой палец размещался непосредственно внутри поршня.

В остальном эти поршни ствольного двигателя мало походили на поршень ствола; они были чрезвычайно большого диаметра и имели двойное действие. Их «ствол» представлял собой узкий цилиндр, установленный в центре поршня.

2.

Поршень крейцкопфа ons

Для больших тихоходных дизельных двигателей может потребоваться дополнительная поддержка боковых сил, действующих на поршень. В этих двигателях обычно используются поршни крейцкопфа.

Главный поршень имеет большой шток, идущий вниз от поршня к тому, что фактически является вторым поршнем меньшего диаметра.Главный поршень отвечает за газовое уплотнение и несет на себе поршневые кольца.

Меньший поршень является чисто механической направляющей. Он проходит внутри небольшого цилиндра в качестве направляющей для ствола, а также несет поршневой палец.

Смазка крейцкопфа имеет преимущества по сравнению с цилиндрическим поршнем, поскольку его смазочное масло не подвержено тепловому воздействию сгорания: масло не загрязняется частицами сажи сгорания, оно не разрушается из-за тепла, а более тонкое, менее может использоваться вязкое масло.

Трение поршня и крейцкопфа может быть вдвое меньше, чем у ствольного поршня. Из-за дополнительного веса этих поршней они не используются в высокоскоростных двигателях.

3.

Стопорный поршень ons

Стопорный поршень — это поршень для бензинового двигателя, размер и вес которого были максимально уменьшены.

В крайнем случае они сводятся к днищу поршня, опоре для поршневых колец и достаточному количеству оставшейся юбки поршня, чтобы оставить две площадки для предотвращения качания поршня в отверстии.

Стороны юбки поршня вокруг поршневого пальца уменьшены от стенки цилиндра.

Основная цель состоит в том, чтобы уменьшить возвратно-поступательную массу, тем самым облегчая балансировку двигателя и, таким образом, обеспечивая высокие скорости. В гоночных условиях юбки скользящего поршня могут быть сконфигурированы так, чтобы они были очень легкими, сохраняя при этом жесткость и прочность полной юбки.

Пониженная инерция также улучшает механический КПД двигателя: силы, необходимые для ускорения и замедления возвратно-поступательных частей, вызывают большее трение поршня о стенку цилиндра, чем давление жидкости на головку поршня.

Дополнительным преимуществом может быть некоторое уменьшение трения о стенку цилиндра, поскольку площадь юбки, которая скользит вверх и вниз в цилиндре, уменьшается вдвое. Однако наибольшее трение происходит из-за поршневого кольца, которое на самом деле является наиболее плотно прилегающим к отверстию и опорным поверхностям пальца кисти, и, таким образом, выгода уменьшается.

4.

Поршень дефлектора ons

Поршни дефлектора используются в двухтактных двигателях с компрессией картера, где поток газа внутри цилиндра должен быть тщательно направлен для обеспечения эффективной продувки.

При перекрестной продувке передаточное (впускное отверстие в цилиндр) и выпускное отверстия находятся на непосредственно обращенных сторонах стенки цилиндра.

Чтобы входящая смесь не проходила прямо от одного порта к другому, поршень имеет выступающее ребро на его головке. Это предназначено для отклонения поступающей смеси вверх вокруг камеры сгорания.

Много усилий и много различных конструкций днища поршня было потрачено на разработку улучшенной продувки. Коронки превратились из простого ребра в большую асимметричную выпуклость, обычно с крутой гранью на впускной стороне и пологим изгибом на выпускной.

Несмотря на это, перекрестная очистка никогда не была столь эффективной, как хотелось бы. В большинстве современных движков вместо этого используется портирование Schnoodle. Это помещает пару отверстий для переноса по бокам цилиндра и стимулирует вращение потока газа вокруг вертикальной оси, а не горизонтальной оси.

5.

Racing Pistons

В гоночных двигателях прочность и жесткость поршня обычно намного выше, чем у двигателя легкового автомобиля, в то время как вес намного меньше, что позволяет достичь высоких оборотов двигателя, необходимых в гонках.

Поршень Функция:

Наиболее важные задачи, которые должны выполнять поршни:

  • Передача усилия от рабочего газа и к рабочему газу
  • Переменное ограничение рабочей камеры (цилиндра)
  • Уплотнение рабочей камеры
  • Линейное направление шатуна (ствольные поршневые двигатели)
  • Теплоотвод
  • Поддержка перезарядки вытяжкой и разрядкой (четырехтактные двигатели)
  • Поддержка смесеобразования (за счет подходящей формы поверхности поршня на
  • сторона камеры сгорания)
  • Управление перезарядкой (в двухтактных двигателях)
  • Направление уплотнительных элементов (поршневые кольца)
  • Направление шатуна (для шатунов с верхним направлением)

По мере увеличения удельной мощности двигателя , то же самое и с требованиями к поршню.

Характеристика поршня:
  • Поршни должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать:
  • Ударный эффект давления газов сгорания,
  • Колеблющуюся нагрузку и
  • высокую температуру газов.
  • Поршень должен быть:
  • Легкий
  • Бесшумный в работе и
  • Механически прочный.
  • Из-за легкости:
  • Потери инерции и
  • Инерционные нагрузки на подшипник уменьшаются из-за изменения движения

Поршень Применение или использование:

Основное применение поршней:

  • Уменьшение инерции также улучшает механический КПД двигателя.
  • Он сжимает жидкость внутри цилиндра, следовательно, увеличивает давление и температуру жидкости внутри цилиндра.
  • Он также обеспечивает направление.

Преимущества поршня:

Основные преимущества поршней:

  • Простота механики
  • Гибкость и надежность
  • Отношение мощности к массе
  • Совместимость с различными видами топлива
  • Низкая рабочая температура турбины
  • Меньше вибрации и шум
  • Меньше обслуживания
  • Легко запускать поршень
  • Отлично подходит для рекуперации отходящего тепла
  • Обладает высокой маневренностью
  • Меньше производственных затрат
  • Низкие выбросы NOx
  • Предлагает процесс сгорания HCCI
  • Внутреннее устройство сбалансированный
  • Модульность

Поршень Недостатки:

Основными недостатками поршней являются:

  • Низкая топливная экономичность
  • Стабильность подачи топлива
  • Низкая эффективность при частичной нагрузке
  • Высокая скорость сгорания
  • Требуется понижающая передача
9000 2

FAQ

Что такое поршень?

Поршень — это компонент поршневых двигателей, поршневых насосов, газовых компрессоров, гидроцилиндров и пневматических цилиндров, а также других подобных механизмов.Это движущийся элемент, который заключен в цилиндр и герметизирован поршневыми кольцами.

Какие части поршня?

Основные детали поршня:
1. Поршневые кольца
2. Юбка поршня
3. Поршневой палец
4. Головка поршня / корона
5. Шатун
6. Подшипники поршня

Какие типы поршней?

Ниже приведены типы поршней:
1. Поршни ствола
2. Поршни крейцкопфа
3. Шлифовальные поршни
4. Поршни дефлектора
5.Racing Pistons

Что такое поршень двигателя?

В двигателе его цель — передавать усилие от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шток поршня и / или шатун. В насосе функция обратная, и сила передается от коленчатого вала к поршню с целью сжатия или выброса жидкости в цилиндр.

СВЯЗАННЫЕ ЗАПИСИ

Инновационный двигатель OPOC: оппозитный поршневой двигатель с оппозитным цилиндром

Двигатели внутреннего сгорания широко используются в транспортных средствах.Он использует топливо в замкнутом пространстве. Двигатель отличается портативностью и удобнее по сравнению с электричеством, гибридными автомобилями и т. Д. Но главный недостаток этих двигателей — загрязнение окружающей среды. Двигатели внутреннего сгорания создают большое количество загрязнения воздуха. Чтобы заменить этот двигатель, многие инженеры работают над новыми технологиями, такими как электродвигатели, гибридные силовые передачи, водородные топливные элементы и даже автомобили, работающие на сжатом воздухе. Но ни одна из этих технологий не эффективна. Итак, нам нужен более совершенный двигатель внутреннего сгорания.

Хорошая новость: лучшие двигатели внутреннего сгорания уже в пути.

Компания под названием «Экомотор» разрабатывает новый двигатель под названием «Двигатель с оппозитными поршнями и цилиндрами с оппозитными цилиндрами». Двигатель с оппозитным поршнем и оппозитным цилиндром (OPOC) — это наиболее интересный новый тип двигателей внутреннего сгорания.

Архитектура OPOC Engine:

Двигатель OPOC представляет собой двухтактный двигатель с оппозитными поршнями и оппозитными цилиндрами. Он состоит из двух цилиндров с поршнями на обоих концах.У него нет ГБЦ, поэтому нет и клапанов.

Каждый поршень проходит примерно половину расстояния цилиндра в обычном двигателе. По сравнению с другими традиционными двигателями OPOC имеет кардинально малые размеры.

Модульность Loop

Противоположный цилиндр с поршнем имеет очень низкие нагрузки на подшипник. Это означает, что трение будет меньше по сравнению с обычным двигателем.

Каждый поршень в двигателе имеет один коленчатый вал с шатунами (внутренние поршни имеют короткие шатуны, а противоположные внешние поршни — длинные шатуны).

Когда поршни движутся вместе, он сжимает всасываемый заряд для воспламенения. Это просто означает, что двигатель имеет высокую удельную мощность.

Работа двигателя OPOC:

Двигатель совершает полный цикл за два движения поршня. Он всасывает и выпускает одновременно во время начала такта сжатия и после такта сгорания. Этот процесс позволяет двигателям развивать очень высокую мощность для своего веса.

Технические характеристики OPOC:

  • Сухой вес: 296 фунтов
  • Размеры: 22.8 x 41,3 x 18,5 (дюймов), длина x ширина x высота
  • Диаметр цилиндра: 100 миллиметров
  • 325 лошадиных сил при 3500 об / мин.
  • Крутящий момент: 664 фунт-фут при 2100 об / мин
  • Удельная мощность: 1,1 л.с. / фунт

Характеристики OPOC:

  • Меньший размер
  • Легче
  • Меньше деталей
  • Более высокая эффективность
  • Непревзойденная плотность мощности
  • Настоящая модульная конструкция

Заказы на пуск 4-тактных двигателей внутреннего сгорания — AutoShack Ghana

1.Обзор

Вы, наверное, уже знаете, что в двигателе есть поршни, которые преобразуют возвратно-поступательное движение (движение вверх и вниз) во вращательное (вращательное движение) коленчатого вала. Вращение коленчатого вала передается поршню за счет возгорания внутри камер сгорания (цилиндров), в которых находятся поршни. Событие сгорания и, следовательно, движение поршней должны быть скоординированы, чтобы обеспечить непрерывную выработку мощности, пока зажигание включено, двигатель работает и все другие разрешающие условия выполняются.Последовательность, в которой цилиндры вырабатывают мощность, называется порядком срабатывания , порядком , в котором цилиндры срабатывают . Большинство двигателей сегодня классифицируются как четырехтактные, где под ходом понимается перемещение поршня вверх или вниз. Четыре стадии / такта — это такты впуска, сжатия, мощности и выпуска. Следовательно, пока один цилиндр находится на такте впуска, другой — на такте сжатия, третий — на рабочем такте, а третий — на выпускном.

Если вы не знакомы с процессом передачи энергии, вот краткий обзор. Когда горение происходит внутри цилиндра, оно создает взрывную силу, которая толкает поршень вниз. Это событие называется тактом мощности или сгорания. Когда поршень прижимается вниз, он поворачивает коленчатый вал, коленчатый вал вращает маховик (если автомобиль имеет механическую коробку передач) или гибкий диск (если автомобиль имеет автоматическую коробку передач). Затем маховик / гибкая пластина передает генерируемую мощность на трансмиссию.В конечном итоге трансмиссия передает мощность на колеса, заставляя их вращаться. В этой статье мы обсудим на примерах, что происходит во время выполнения приказа об увольнении и почему он необходим.

2. Пожар и заказ

Выбор порядка зажигания является важной частью конструкции двигателя. Производители тщательно выбирают заказы на обжиг, чтобы уменьшить вибрацию и улучшить отвод тепла. Порядок зажигания также влияет на качество езды (плавность хода), баланс двигателя и звук двигателя.Все эти факторы, за исключением, возможно, шума двигателя, несомненно, играют роль в продлении усталостного ресурса двигателя. Однако многие поршневые головки считают, что звук двигателя является неотъемлемой частью конструкции двигателя, и это понятно!

Большинство 4-цилиндровых двигателей имеют порядок включения 1-3-4-2, хотя возможны другие порядки включения, такие как 1-3-2-4, 1-4-3-2, 1-2-4-3. Рассмотрим рядный 4-цилиндровый двигатель на рис. 1 .

Цилиндры обычно пронумерованы 1234 от передней части двигателя, где установлены вспомогательные приводы (шкивы).Следовательно, цилиндр 1 будет цилиндром, ближайшим к шкивам, а цилиндр номер 4 будет ближайшим к маховику или гибкой пластине, как показано на , рис. 1, . Предположим, что двигатель на Рисунке 1 имеет порядок включения 1-3-4-2, как в случае 1,8-литрового VW Jetta 2005 года. Поскольку мы предполагаем, что порядок зажигания составляет 1-3-4-2, цилиндр №1 будет первым срабатывать или генерировать энергию. Следующим будет цилиндр №3, затем цилиндр №4 и, наконец, цилиндр №2.

На каждые 720 градусов поворота коленчатого вала распределительный вал поворачивается на 360 градусов, в результате чего все цилиндры срабатывают один раз.В 4-цилиндровом двигателе, таком как тот, что показан на рис. 1 , к тому времени, когда коленчатый вал повернется дважды, распределительный вал повернулся бы один раз, запустив все 4 цилиндра один раз. Следовательно, на каждые 180 градусов поворота коленчатого вала срабатывает один из цилиндров. Это получается с помощью формулы Уравнение 1.

f = 720 / n …………………… Уравнение 1

Где f — интервал зажигания, а — количество цилиндров.

На основе формулы в уравнении 1, например, в двигателе V6 цилиндр будет срабатывать каждые 120 градусов.Однако обратите внимание, что в некоторых двигателях V, особенно двигателях V8 и выше, производители или производители двигателей не обязательно запускают цилиндры через определенные промежутки времени; это концепция конструкции двигателя, называемая неравномерным срабатыванием. Это сделано для получения агрессивного бульканья и хриплого звука двигателя. Неравномерный порядок стрельбы в этой статье обсуждаться не будет.

Прежде чем углубляться в гайки и болты того, что происходит, когда цилиндры работают, давайте объясним концепцию вспомогательных цилиндров. Сопутствующие цилиндры — это цилиндры, которые парами перемещаются вверх и вниз.Пока один цилиндр находится на такте впуска, другой — на рабочем ходе и наоборот. Кроме того, пока один цилиндр находится на такте сжатия, другой — на такте выпуска, и наоборот. Например, в 6-цилиндровом двигателе с порядком включения 1-5-3-6-2-4 вспомогательными цилиндрами будут цилиндры 1 и 6, 5 и 2, а затем 3 и 4.

На фиг. 2 последовательно показан цикл 4-тактного двигателя; впуск, компрессия, мощность, выпуск. Это будет использоваться вместе с рисунками 3a — 3e для объяснения процесса обжига.

В , рисунки с 3a по 3e , 720 градусов поворота коленчатого вала были разбиты на 180-градусные интервалы для облегчения иллюстрации. На рисунках с 3a по 3d первый столбец содержит номера цилиндров (не в порядке зажигания).

На Рисунке 3a цилиндр № 1 начинается с рабочего хода. Поскольку порядок стрельбы — 1-3-4-2, это означает, что следующим выстрелом будет цилиндр №3. Из рисунка 2 следует, что если цилиндр № 1 находится в рабочем такте (p), а цилиндр № 3 воспламеняется следующим, он должен находиться в такте перед рабочим тактом, поскольку он готовится к срабатыванию после цилиндра № 1.Это ход сжатия (c) — считайте цифру 2 в направлении, противоположном направлению стрелок, против часовой стрелки.

Цилиндр № 4, который срабатывает после цилиндра № 3, должен быть на два хода после рабочего хода цилиндра № 1. Повторное рассмотрение рисунка 2 должно помочь сделать вывод, что цилиндр № 4 должен находиться на такте впуска (i).

Теперь цилиндр № 2 должен отставать на 3 хода от рабочего хода цилиндра № 1. Это поставит цилиндр №2 на такт выпуска (е). Все это происходит при первых 180 градусах поворота коленчатого вала (рис. 3а).

При следующем повороте коленчатого вала на 180 градусов (360 градусов) цилиндр № 3 переходит в рабочий такт.

Цилиндр № 4 теперь находится на такте сжатия, цилиндр № 2 находится на такте впуска (i), а цилиндр № 1, как и ожидалось, на такте выпуска (e), чтобы удалить выхлопные газы, образовавшиеся в ходе рабочего такта, который он только что завершил. . См. Рисунок 3b.

При следующем повороте коленчатого вала на 180 градусов (540 градусов) цилиндр № 4 переходит в рабочий такт.Цилиндр № 2 теперь находится на такте сжатия, цилиндр № 1 находится на такте впуска (i), а цилиндр № 3, как и ожидалось, на такте выпуска (е), чтобы удалить выхлопные газы, образовавшиеся в ходе только что завершенного рабочего такта. См. Рисунок 3c.

На последних 180 градусах поворота коленчатого вала (720 градусов) цилиндр № 2 входит в рабочий ход. Цилиндр № 1 теперь находится на такте сжатия, цилиндр № 3 находится на такте впуска (i), а цилиндр № 4, как и ожидалось, на такте выпуска (е), чтобы удалить выхлопные газы, образовавшиеся в ходе только что завершенного рабочего такта.См. Рисунок 3d.

В последних 180 градусах (720 градусов) обратите внимание, что цилиндр 1 снова находится в такте сжатия (c), готовый снова начать весь процесс, когда он перемещается от такта сжатия к такту сжатия (p). На рис. 3e показан полный порядок зажигания, на этот раз цилиндры расположены в правильном порядке. Такое расположение позволяет легко увидеть, как цилиндры стреляют через каждые 180 градусов в соответствии с установленным порядком зажигания.

На рис. 4 показаны порядки включения 6-цилиндрового двигателя с порядком включения 1-4-3-6-2-5.Это порядок зажигания двигателя Mercedes Benz M272-E35, который используется в автомобилях ML350 с 2006 года. Он также используется в автомобиле R350 и других автомобилях Mercedes Benz.

Из , рисунок 4, цилиндр №1 загорается при первых 120 градусах.

В следующих 120 градусах (240 градусах), когда цилиндр № 1 перемещается от рабочего хода к такту выпуска, цилиндр № 4 срабатывает.

В следующие 120 градусов (360 градусов), когда цилиндр № 4 перемещается от рабочего хода к такту выпуска, цилиндр № 3 срабатывает.

В следующие 120 градусов (480 градусов), когда цилиндр 3 перемещается от рабочего хода к такту выпуска, цилиндр № 6 срабатывает.

В следующие 120 градусов (600 градусов), когда цилиндр 6 перемещается от рабочего хода к такту выпуска, цилиндр № 2 срабатывает.

В следующие 120 градусов (720 градусов), когда цилиндр 2 перемещается от рабочего хода к такту выпуска, цилиндр № 5 срабатывает.

Процесс повторяется, поскольку цилиндр №1 снова загорается.

Рисунок 5 представляет собой табличную иллюстрацию 8-цилиндрового двигателя с порядком включения 1-5-4-8-7-2-6-3.Примером двигателя, который использует этот порядок зажигания, является BMW S65, который, помимо других автомобилей, установлен на M3 E90 2012 года. Рисунок 5 не будет поясняться далее, так как он следует формату, аналогичному порядку, описанному ранее на рисунке 4.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.