В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ - поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень - первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.
Поршень двигателя цилиндрической формы. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения, из-за чего поршень выполняет две функции.
- При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
- После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.
КОНСТРУКЦИЯ
Устройство детали включает в себя три составляющие:
- Днище.
- Уплотняющая часть.
- Юбка.
Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.
ДНИЩЕ
Днище - основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.
Главный параметр днища - форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.
В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.
В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.
Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых - устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.
УПЛОТНЯЮЩАЯ ЧАСТЬ
Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня - канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения.
Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.
Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 - 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами - двумя компрессионными и одним маслосъемным.
В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.
Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.
ЮБКА
Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.
Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.
Для фиксации поршневого пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.
ТИПЫ ПОРШНЕЙ
В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.
Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.
В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.
Достоинство составных поршней - возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.
МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.
Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).
Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.
Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:
- возможность использования только в дизельных двигателях;
- больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
- необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
- более высокая цена;
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.
ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО
Роторно-поршневой двигатель(РПД), или двигатель Ванкеля. Двигатель внутреннего сгорания, разработанный Феликсом Ванкелем в 1957 году в соавторстве с Вальтером Фройде. В РПД функцию поршня выполняет трехвершинный (трехгранный) ротор, совершающий вращательные движения внутри полости сложной формы. После волны экспериментальных моделей автомобилей и мотоциклов, пришедшейся на 60-е и 70-е годы ХХ века, интерес к РПД снизился, хотя ряд компаний по-прежнему работает над совершенствованием конструкции двигателя Ванкеля. В настоящее время РПД оснащаются легковые автомобили компании Mazda. Роторно-поршневой двигатель находит применение в моделизме.
Принцип работы
Сила давления газов от сгоревшей топливо-воздушной смеси приводит в движение ротор, насаженный через подшипники на эксцентриковый вал. Движение ротора относительно корпуса двигателя (статора) производится через пару шестерен, одна из которых, большего размера, закреплена на внутренней поверхности ротора, вторая, опорная, меньшего размера, жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Взаимодействие шестерен приводит к тому, что ротор совершает круговые эксцентричные движения, соприкасаясь гранями с внутренней поверхностью камеры сгорания. В результате между ротором и корпусом двигателя образуются три изолированные камеры переменного объема, в которых происходят процессы сжатия топливо-воздушной смеси, ее сгорания, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищения камеры сгорания от отработанных газов.
Вращательное движение ротора передается на эксцентриковый вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии. Таким образом в РПД одновременно работают две механические пары: первая - регулирующая движение ротора и состоящая из пары шестерен; и вторая - преобразующая круговое движение ротора во вращение эксцентрикового вала.
Передаточное соотношение шестерен ротора и статора 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов. В свою очередь за один полный оборот ротора в каждой из трех образуемых его гранями камер производится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания.
схема РПД
1 - впускное окно; 2 выпускное окно; 3 - корпус; 4 - камера сгорания; 5 – неподвижная шестерня; 6 - ротор; 7 – зубчатое колесо; 8 - вал; 9 – свеча зажигания
Достоинства РПД
Главным достоинством роторно-поршневого двигателя является простота конструкции. В РПД на 35-40 процентов меньше деталей, чем в поршневом четырехтактном двигателе. В РПД отсутствуют поршни, шатуны, коленчатый вал. В «классическом» варианте РПД нет и газораспределительного механизма. Топливо-воздушная смесь поступает в рабочую полость двигателя через впускное окно, которое открывает грань ротора. Отработанные газы выбрасываются через выпускное окно, которое пересекает, опять же, грань ротора (это напоминает устройство газораспределения двухтактного поршневого двигателя).
Отдельного упоминания заслуживает система смазки, которая в простейшем варианте РПД практически отсутствует. Масло добавляется в топливо - как при эксплуатации двухтактных мотоциклетных моторов. Смазка пар трения (прежде всего ротора и рабочей поверхности камеры сгорания) производится самой топливо-воздушной смесью.
Поскольку масса ротора невелика и легко уравновешивается массой противовесов эксцентрикового вала, РПД отличается небольшим уровнем вибраций и хорошей равномерностью работы. В автомобилях с РПД легче уравновесить двигатель, добившись минимального уровня вибраций, что хорошо сказывается на комфортабельности машины в целом. Особой плавностью хода отличаются двухроторные двигатели, в которых роторы сами являются снижающими уровень вибраций балансирами.
Еще одно привлекательное качество РПД - высокая удельная мощность при высоких оборотах эксцентрикового вала. Это позволяет добиться от автомобиля с РПД отличных скоростных характеристик при относительно небольшом расходе топлива. Малая инерционность ротора и повышенная по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания удельная мощность позволяют улучшить динамику автомобиля.
Наконец, немаловажным достоинством РПД являются небольшие размеры. Роторный двигатель меньше поршневого четырехтактного мотора той же мощности примерно вдвое. И это позволяет рациональней использовать пространство моторного отсека, более точно рассчитывать расположение узлов трансмиссии и нагрузку на переднюю и заднюю ось.
Недостатки РПД
Главный недостаток роторно-поршневого двигателя - невысокая эффективность уплотнений зазора между ротором и камерой сгорания.
Имеющий сложную форму ротор РПД требует надежных уплотнений не только по граням (а их четыре у каждой поверхности - две по вершинным, две по боковым граням), но и по боковой поверхности, соприкасающейся с крышками двигателя. При этом уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов. Заложенные в конструкцию уплотнений допуски на расширение металла от нагрева ухудшают их характеристики - избежать прорыва газов у торцевых участков уплотнительных пластин практически невозможно (в поршневых двигателях используют лабиринтовый эффект, устанавливая уплотнительные кольца зазорами в разные стороны).
В последние годы надежность уплотнений резко возросла. Конструкторы нашли новые материалы для уплотнений. Однако, говорить о каком-то прорыве пока не приходится. Уплотнения до сих пор остаются самым узким местом РПД.
Сложная система уплотнений ротора требует эффективной смазки трущихся поверхностей. РПД потребляет больше масла, чем четырехтактный поршневой двигатель (от 400 граммов до 1 килограмма на 1000 километров). При этом масло сгорает вместе с топливом, что плохо сказывается на экологичности моторов. В выхлопных газах РПД опасных для здоровья людей веществ больше, чем в выхлопных газах поршневых двигателей.
Особые требования предъявляются и к качеству масел, используемых в РПД. Это связано, во-первых, со склонностью к повышенному износу (из-за большой площади соприкасающихся деталей - ротора и внутренней камеры двигателя), во-вторых, к перегреву (опять же из-за повышенного трения и из-за небольших размеров самого двигателя). Для РПД смертельно опасны нерегулярная смена масла - поскольку абразивные частицы в старом масле резко увеличивают износ двигателя, и переохлаждение мотора. Запуск холодного двигателя и недостаточный его прогрев приводят к тому, что в зоне контакта уплотнений ротора с поверхностью камеры сгорания и боковыми крышками оказывается мало смазки. Если поршневой двигатель заклинивает при перегреве, то РПД чаще всего - во время запуска холодного двигателя (или при движении в холодную погоду, когда охлаждение оказывается избыточным).
В целом рабочая температура РПД выше, чем у поршневых двигателей. Самая термонапряженная область - камера сгорания, которая имеет небольшой объем и, соответственно, повышенную температуру, что затрудняет процесс поджига топливо-воздушной смеси (РПД из-за протяженной формы камеры сгорания склонны к детонации, что тоже можно отнести к недостаткам этого типа двигателей). Отсюда требовательность РПД к качеству свечей. Обычно их устанавливают в эти двигатели попарно.
Роторно-поршневые двигатели при великолепных мощностных и скоростных характеристиках оказываются менее гибкими (или менее эластичными), чем поршневые. Они выдают оптимальную мощность только на достаточно высоких оборотах, что вынуждает конструкторов использовать РПД в паре с многоступенчатыми КП и усложняет конструкцию автоматических коробок передач.
В конечном итоге РПД оказываются не такими экономичными, какими должны быть в теории.
Практическое применение в автопромышленности
Наибольшее распространение РПД получили в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия, когда патент на двигатель Ванкеля был куплен 11 ведущими автопроизводителями мира.
В 1967 году немецкая компания NSU выпустила серийный легковой автомобиль бизнес-класса NSU Ro 80 . Эта модель выпускалась в течение 10 лет и разошлась по миру в количестве 37204 экземпляров. Автомобиль пользовался популярностью, но недостатки установленного в нем РПД, в конце концов, испортили репутацию этой замечательной машины. На фоне долговечных конкурентов модель NSU Ro 80 выглядела «бледно» - пробег до капитального ремонта двигателя при заявленных 100 тысячах километров не превышал 50 тысяч.
С РПД экспериментировали концерн Citroen , Mazda , ВАЗ . Наибольших успехов добилась Mazda, которая выпустила свой легковой автомобиль с РПД еще в 1963 году, на четыре года раньше появления NSU Ro 80.
Сегодня концерн Mazda оснащает РПД спорткары серии RX. Современные автомобили Mazda RX-8 избавлены от многих недостатков РПД Феликса Ванкеля. Они вполне экологичны и надежны, хотя среди автовладельцев и специалистов по ремонту считаются «капризными».
Практическое применение в мотопромышленности
В 70-е и 80-е годы с РПД экспериментировали некоторые производители мотоциклов - Hercules, Suzuki и другие. В настоящее время мелкосерийное производство «роторных» мотоциклов налажено только в компании Norton, выпускающей модель NRV588 и готовящей к серийному выпуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащенный двухроторным двигателем общим объемом в 588 кубических сантиметров и развивающим мощность в 170 лошадиных сил. При сухом весе мотоцикла в 130 кг энерговооруженность спортбайка выглядит в буквальном смысле запредельной. Двигатель этой машины оснащен системами впускного тракта переменной величины и электронного впрыска топлива. О модели NRV700 известно лишь то, что мощность РПД у этого спортбайка будет достигать 210 л.с.
Поршневые ДВС нашли самое широкое распространение в качестве источников энергии на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте, в сельскохозяйственном и строительном производствах (тракторы, бульдозеры), в системах аварийного энергообеспечения специальных объектов (больницы, линии связи и т.п.) и во многих других областях человеческой деятельности. В последние годы особое распространение получают мини-ТЭЦ на основе газопоршневых ДВС, с помощью которых эффективно решаются задачи энергоснабжения небольших жилых районов или производств. Независимость таких ТЭЦ от централизованных систем (типа РАО ЕЭС) повышает надежность и устойчивость их функционирования.
Весьма разнообразные по конструктивному выполнению поршневые ДВС способны обеспечивать очень широкий интервал мощностей - от очень малых (двигатель для авиамоделей) до очень больших (двигатель для океанских танкеров).
С основами устройства и принципом действия поршневых ДВС мы неоднократно знакомились, начиная от школьного курса физики и кончая курсом «Техническая термодинамика». И все же, чтобы закрепить и углубить знания, рассмотрим очень кратко еще раз этот вопрос.
На рис. 6.1 приведена схема устройства двигателя. Как известно, сжигание топлива в ДВС осуществляется непосредственно в рабочем теле. В поршневых ДВС такое сжигание проводится в рабочем цилиндре 1 с движущимся в нем поршнем 6. Образующиеся в результате сгорания дымовые газы толкают поршень, заставляя его совершать полезную работу. Поступательное движение поршня с помощью шатуна 7 и коленчатого вала 9 преобразуется во вращательное, более удобное для использования. Коленчатый вал располагается в картере, а цилиндры двигателя - в другой корпусной детали, называемой блоком (или рубашкой) цилиндров 2. В крышке цилиндра 5 находятся впускной 3 и выпускной 4 клапаны с принудительным кулачковым приводом от специального распределитель-ного вала, кинематически связанного с коленчатым валом машины.
Рис. 6.1.
Чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо периодически удалять из цилиндра продукты сгорания и заполнять его новыми порциями топлива и окислителя (воздуха), что и осуществляется благодаря перемещениям поршня и работе клапанов.
Поршневые ДВС принято классифицировать по различным общим признакам.
- 1. По способу смесеобразования, зажигания и подвода тепла двигатели делят на машины с принудительным зажиганием и с самовоспламенением (карбюраторные или инжекторные и дизельные).
- 2. По организации рабочего процесса - на четырехтактные и двухтактные. В последних рабочий процесс совершается не за четыре, а за два хода поршня. В свою очередь, двухтактные ДВС подразделяются на машины с прямоточной клапанно-щелевой продувкой, с кривошипно-камерной продувкой, с прямоточной продувкой и противоположно движущимися поршнями и др.
- 3. По назначению - на стационарные, судовые, тепловозные, автомобильные, автотракторные и др.
- 4. По числу оборотов - на малооборотные (до 200 об/мин) и высокооборотные.
- 5. По средней скорости поршня й> п = ? п / 30 - на тихоходные и быстроходные (й?„ > 9 м/с).
- 6. По давлению воздуха в начале сжатия - на обычные и с наддувом при помощи приводных воздуходувок.
- 7. По использованию тепла выхлопных газов - на обычные (без использования этого тепла), с турбонаддувом и комбинированные. У машин с турбонаддувом выпускные клапаны открываются несколько раньше обычного и дымовые газы с более высоким давлением, чем обычно, направляются в импульсную турбину, которая приводит в действие турбокомпрессор, подающий воздух в цилиндры. Это позволяет сжигать в цилиндре больше топлива, улучшая и КПД, и технические характеристики машины. У комбинированных ДВС поршневая часть служит во многом генератором газа и вырабатывает только ~ 50-60% мощности машины. Остальную часть общей мощности получают от газовой турбины, работающей на дымовых газах. Для этого дымовые газы при высоком давлении р и температуре / направляются в турбину, вал которой с помощью зубчатой передачи или гидромуфты передает получаемую мощность главному валу установки.
- 8. По числу и расположению цилиндров двигатели бывают: одно-, двух- и многоцилиндровые, рядные, К-образные, .Т-образные.
Рассмотрим теперь реальный процесс современного четырехтактного дизеля. Четырехтактным его называют потому, что полный цикл здесь осуществляется за четыре полных хода поршня, хотя, как мы сейчас увидим, за это время осуществляется несколько больше реальных термодинамических процессов. Эти процессы наглядно представлены на рис 6.2.
Рис. 6.2.
I - всасывание; II - сжатие; III - рабочий ход; IV - выталкивание
Во время такта всасывания (1) всасывающий (впускной) клапан открывается за несколько градусов до верхней мертвой точки (ВМТ). Моменту открытия соответствует точка г на р- ^-диаграмме. При этом процесс всасывания происходит при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) и идет при давлении р нс меньше атмосферного /; а (или давления наддува р н). При перемене направления движения поршня (от НМТ к ВМТ) впускной клапан закрывается тоже не сразу, а с определенным запаздыванием (в точке т ). Далее при закрытых клапанах происходит сжатие рабочего тела (до точки с). В дизельных машинах всасывается и сжимается чистый воздух, а в карбюраторных - рабочая смесь воздуха с парами бензина. Этот ход поршня принято называть тактом сжатия (II).
За несколько градусов угла поворота коленчатого вала до ВМТ в цилиндр впрыскивается через форсунку дизельное топливо, происходит его самовоспламенение, сгорание и расширение продуктов сгорания. В карбюраторных машинах рабочая смесь принудительно поджигается с помощью электрического искрового разряда.
При сжатии воздуха и сравнительно малом теплообмене со стенками температура его значительно повышается, превышая температуру самовоспламенения топлива. Поэтому впрыснутое мелко распыленное топливо очень быстро прогревается, испаряется и загорается. В результате сгорания топлива давление в цилиндре сначала резко, а затем, когда поршень начинает свой путь к НМТ, с уменьшающимся темпом увеличивается до максимума, а затем по мере сгорания последних порций топлива, поступившего при впрыскивании, даже начинает уменьшаться (из-за интенсивного роста объема цилиндра). Будем считать условно, что в точке с" процесс горения заканчивается. Далее следует процесс расширения дымовых газов, когда сила их давления перемещает поршень к НМТ. Третий ход поршня, включающий процессы сгорания и расширения, называют рабочим ходом (III), ибо только в это время двигатель совершает полезную работу. Эту работу аккумулируют с помощью маховика и отдают потребителю. Часть аккумулированной работы расходуется при совершении остальных трех тактов.
Когда поршень приближается к НМТ, с некоторым опережением открывается выпускной клапан (точка Ь ) и отработанные дымовые газы устремляются в выхлопную трубу, а давление в цилиндре резко падает почти до атмосферного. При ходе поршня к ВМТ происходит выталкивание дымовых газов из цилиндра (IV - выталкивание). Поскольку выпускной тракт двигателя обладает определенным гидравлическим сопротивлением, давление в цилиндре во время этого процесса остается выше атмосферного. Выпускной клапан закрывается позже прохождения ВМТ (точка п), гак что в каждом цикле возникает ситуация, когда одновременно открыты и впускной, и выпускной клапаны (говорят о перекрытии клапанов). Это позволяет лучше очистить рабочий цилиндр от продуктов сгорания, в результате увеличивается эффективность и полнота сгорания топлива.
По-другому организуется цикл у двухтактных машин (рис. 6.3). Обычно это двигатели с наддувом, и для этого они, как правило, имеют приводную воздуходувку или турбокомпрессор 2 , который во время работы двигателя нагнетает воздух в воздушный ресивер 8.
Рабочий цилиндр двухтактного двигателя всегда имеет продувочные окна 9, через которые воздух из ресивера попадает в цилиндр, когда поршень, проходя к НМТ, начнет открывать их все больше и больше.
За первый ход поршня, который принято называть рабочим ходом, в цилиндре двигателя происходит сгорание впрыснутого топлива и расширение продуктов сгорания. Эти процессы на индикаторной диаграмме (рис. 6.3, а) отражены линией с - I - т. В точке т открываются выпускные клапаны и под действием избыточного давления дымовые газы устремляются в выпускной тракт 6, в резуль-
Рис. 6.3.
1 - всасывающий патрубок; 2 - воздуходувка (или турбокомпрессор); 3 - поршень; 4 - выпускные клапаны; 5 - форсунка; 6 - выпускной тракт; 7 - рабочий
цилиндр; 8 - воздушный ресивер; 9- продувочные окна
тате давление в цилиндре заметно падает (точка п). Когда поршень опускается настолько, что начинают открываться продувочные окна, в цилиндр устремляется сжатый воздух из ресивера 8 , выталкивая из цилиндра остатки дымовых газов. При этом рабочий объем продолжает увеличиваться, а давление в цилиндре уменьшается практически до давления в ресивере.
Когда направление движения поршня меняется на противоположное, процесс продувки цилиндра продолжается до тех пор, пока продувочные окна остаются хотя бы частично открытыми. В точке к (рис. 6.3, б) поршень полностью перекрывает продувочные окна и начинается сжатие очередной порции воздуха, попавшего в цилиндр. За несколько градусов до ВМТ (в точке с") начинается впрыск топлива через форсунку, а далее происходят описанные ранее процессы, приводящие к воспламенению и сгоранию топлива.
На рис. 6.4 приведены схемы, поясняющие конструктивное устройство других типов двухтактных двигателей. В целом рабочий цикл у всех этих машин аналогичен описанному, а конструктивные особенности во многом сказываются только на продолжительности
Рис. 6.4.
а - петлевая щелевая продувка; 6 - прямоточная продувка с противоположно движущимися поршнями; в - кривошипно-камерная продувка
отдельных процессов и, как следствие, на технико-экономических характеристиках двигателя.
В заключение следует отметить, что двухтактные двигатели теоретически позволяют при прочих равных условиях получать вдвое большую мощность, однако в действительности из-за худших условий очистки цилиндра и сравнительно больших внутренних потерь этот выигрыш несколько меньше.
Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:
- воспринимая давление газов, передает возникающее усилие на ;
- герметизирует камеру сгорания;
- отводит от неё излишек тепла.
На фотографии выше продемонстрированы четыре такта работы поршня двигателя.
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:
- высокую механическую прочность;
- хорошую теплопроводность;
- малую плотность;
- незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
- хорошую коррозионную устойчивость.
Поршни могут быть:
- литыми;
- коваными.
Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением
Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:
- головки (днища);
- уплотняющей части;
- юбки (направляющей части).
Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки - плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, - благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.
На фотографии схема поршня двигателя.
Поршневые кольца: виды и состав
Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.
Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:
- высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
- высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
- хорошие антифрикционные свойства;
- способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:
- трапециевидные;
- тбочкообразные;
- тконические.
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной , что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
- минимальной деформации при работе;
- высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
- хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
- малой массы.
- закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
- закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
- свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
- системой охлаждения от стенок цилиндра;
- внутренней полостью поршня, далее - поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
- частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.
- разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
- масляного тумана в полости цилиндра;
- впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
- циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.
Видео про четырёхтактный двигатель - принцип работы:
При сжигании топлива выделяется тепловая энергия. Двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра и энергия получающихся при этом газов воспринимается движущимся в цилиндре поршнем, именуют поршневым.
Итак, как уже указывалось ранее, двигатель этого типа является основным для современных автомобилей.
В таких двигателях камера сгорания размещена в цилиндре, в котором тепловая энергия от сгорания топливовоздушной смеси преобразуется в механическую энергию поршня движущегося поступательно и затем специальным механизмом, который называется кривошипно-шатунным, превращается во вращательную энергию коленчатого вала.
По месту образования смеси, состоящей из воздуха и топлива (горючей) поршневые ДВС разделяются на двигатели с внешним и внутренним преобразованием.
При этом, двигатели с внешним смесеобразованием по роду применяемого топлива разделяются на карбюраторные и инжекторные, работающие на легком жидком топливе (бензине) и газовые, работающие на газе (газогенераторный, светильный, природный газ и т.д.). Двигатели с воспламенением от сжатия это дизельные двигатели (дизели). Они работают на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе). В целом конструкция самих двигателей практически одинакова.
Рабочий цикл четырехтактных двигателей в поршневом исполнении совершается когда коленчатый вал совершает два оборота. По определению он состоит из четырех отдельных процессов (или тактов): впуска (1 такт), сжатия топливовоздушной смеси (2 такт), рабочего хода (3 такт) и выпуска отработавших газов (4 такт).
Смена тактов работы двигателя обеспечивается при помощи газораспределительного механизма, состоящего из распределительного вала, передаточной системы толкателей и клапанов, изолирующих рабочее пространство цилиндра от внешней среды и главным образом обеспечивающими смену фаз газораспределения. Ввиду инерционности газов (особенностей процессов газодинамики) такты впуска и выпуска для реального двигателя перекрываются, что означает их совместное действие. На высоких оборотах перекрытие фаз сказывается положительно на работу двигателя. Напротив, чем оно больше на низких оборотах, тем меньше крутящий момент двигателя. В работе современных двигателей учитывается это явление. Создают устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Существуют различные конструкции таких устройств, наиболее пригодными из которых являются электромагнитные устройства регулировки фаз газораспределительных механизмов (BMW, Mazda).
Карбюраторные ДВС
В карбюраторных двигателях топливовоздушная смесь готовится до ее поступления в цилиндры двигателя, в специальном устройстве - в карбюраторе. В таких двигателях горючая смесь (смесь топлива и воздуха), поступившая в цилиндры и смешавшаяся с остатками отработавших газов (рабочей смеси) воспламеняется от постороннего источника энергии - электрической искры системы зажигания.
Инжекторные ДВС
В таких двигателях благодаря наличию распыляющих форсунок, осуществляющих впрыск бензина во впускной коллектор, происходит смесеобразование с воздухом.
Газовые ДВС
В этих двигателях давление газа после выхода из газового редуктора сильно снижается и доводится до близкого атмосферному, после чего при помощи воздушно-газового смесителя всасывается, посредством электрических форсунок впрыскивается (аналогично инжекторным двигателям) во впускной коллектор двигателя.
Зажигание, как и в предыдущих типах двигателей, осуществляется от искры свечи, проскакивающей между ее электродами.
Дизельные ДВС
В дизельных двигателях смесеобразование происходит непосредственно внутри цилиндров двигателя. Воздух и топливо поступают в цилиндры раздельно.
При этом, вначале в цилиндры поступает только воздух, он сжимается, и в момент его максимального сжатия, струя мелкораспыленного топлива через специальную форсунку впрыскивается в цилиндр (давление внутри цилиндров таких двигателей достигает гораздо больших значений, чем в двигателях предыдущего типа), происходит воспламенение образованной смеси.
При этом поджигание смеси происходит в результате повышения температуры воздуха при сильном его сжатии в цилиндре.
Среди недостатков дизельных двигателей можно выделить более высокий, по сравнению с предыдущими типами поршневых двигателей - механическая напряженность его деталей, в особенности кривошипно-шатунного механизма, требующий улучшенных прочностных качеств и, как следствие, больших габаритов, веса и стоимости. Она повышается за счет усложненной конструкции двигателей и применения более качественных материалов.
Кроме этого, такие двигатели характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах за счет гетерогенного горения рабочей смеси внутри цилиндров.
Газодизельные ДВС
Принцип работы такого двигателя аналогичен работе любого из разновидностей газовых двигателей.
Топливовоздушная смесь готовится по аналогичному принципу, путем подачи газа в воздушно-газовый смеситель или во впускной коллектор.
Однако, поджигается смесь запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр по аналогии с работой дизельных двигателей, а не с использованием электрической свечи.
Роторно-поршневые ДВС
Кроме устоявшегося названия, этот двигатель имеет наименование по имени создавшего его ученого-изобретателя и называется двигателем Ванкеля. Предложен в начале XX века. В настоящее время такими двигателями занимаются производители Mazda RX-8.
Основную часть двигателя образует треугольный ротор (аналог поршня), вращающийся в камере специфической формы, по конструкции внутренней поверхности, напоминающей цифру «8». Этот ротор исполняет функцию поршня коленчатого вала и газораспределительного механизма, таким образом, позволяет отказаться от системы газораспределения, обязательной для поршневых двигателей. Он выполняет три полных рабочих цикла за один свой оборот, что позволяет одним таким двигателем заменить шестицилиндровый поршневой двигатель.Несмотря на много положительных качеств, среди которых также и принципиальная простота его конструкции, имеет, недостатки, препятствующие его широкому использованию. Они связаны с созданием долговечных надежных уплотнений камеры с ротором и построением необходимой системы смазки двигателя. Рабочий цикл роторно-поршневых двигателей состоит из четырех тактов: впуска топливовоздушной смеси (1 такт), сжатия смеси (2 такт), расширения сгорающей смеси (3 такт), выпуска (4 такт).
Роторно-лопасные ДВС
Это тот самый двигатель, который применен в Ё-мобиле.
Газотурбинные ДВС
Уже сегодня эти двигатели с успехом способны заменить поршневые ДВС в автомобилях. И хотя той степени совершенства конструкция этих двигателей достигла только в последние несколько лет, идея применить в автомобилях газотурбинные двигатели возникла давно. Реальную возможность создания надежных газотурбинных двигателей теперь обеспечивают теория лопаточных двигателей, достигшая высокого уровня развития, металлургия и техника их производства.
Что же газотурбинный двигатель собой представляет? Для этого давайте рассмотрим его принципиальную схему.
Компрессор (поз9) и газовая турбина (поз.7) находятся на одном валу (поз.8). Вал газовой турбины вращается в подшипниках (поз.10). Компрессор забирает воздух из атмосферы, сжимает его и направляет в камеру сгорания (поз.3). Топливный насос (поз.1), также приводится в движение от вала турбины. Он подает топливо в форсунку (поз.2), которая установлена в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат (поз.4) газовой турбины на лопатки ее рабочего колеса (поз.5) и заставляют его вращаться в заданном направлении. Отработавшие газы выпускаются в атмосферу через патрубок (поз.6).
И хотя этот двигатель полон недостатков, они по мере развития конструкции постепенно ликвидируются. При этом, по сравнению с поршневыми ДВС, газотурбинный ДВС имеет ряд существенных преимуществ. Прежде всего следует отметить, что как и паровая турбина, газовая может развивать большие обороты. Что позволяет получать большую мощность от меньших по размерам двигателей и более легких по весу (почти в 10 раз). Кроме того, единственным видом движения в газовой турбине является вращательное. У поршневого двигателя помимо вращательного, имеются возвратно-поступательные движения поршней и сложные движения шатунов. Также газотурбинные двигатели не требуют специальных систем охлаждения, смазки. Отсутствие значительных поверхностей трения при минимальном количестве подшипников обеспечивают продолжительную работу и высокую надежность газотурбинного двигателя. Наконец, важно отметить, что питание их осуществляется с применением керосина либо дизельного топлива, т.е. более дешевых видов, чем бензин. Сдерживающей развитие автомобильных газотурбинных двигателей причиной является необходимость искусственного ограничивания температуры поступающих на лопатки турбины газов, поскольку еще очень дороги высокопожарочные металлы. Что в результате снижает полезное использование (КПД) двигателя и увеличивает удельный расход топлива (количество топлива на 1 л.с.). Для пассажирских и грузовых автомобильных двигателей температуру газа приходится ограничивать а пределах 700°С, а в авиационных двигателях до 900°С.Однако уже сегодня существуют некоторые способы повышения КПД этих двигателей за счет отвода теплоты отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха. Решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя во многом зависит от успеха работ в этой области.
Комбинированные ДВС
Большой вклад в теоретические аспекты работы и создания комбинированных двигателей внес инженер СССР, профессор А.Н.Шелест.
Алексей Нестерович Шелест
Эти двигатели представляют собой комбинацию из двух машин: поршневой и лопаточной, в качестве которой может выступать турбина или компрессор. Обе эти машины являются важными элементами рабочего процесса. В качестве примера такого двигателя с газотурбинным наддувом. При этом в обычном поршневом двигателе с помощью турбокомпрессора происходит принудительная подача воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить мощность двигателя. В основе лежит использование энергии потока отработавших газов. Он воздействует на крыльчатку турбины, закрепленной на валу с одной стороны. И раскручивает ее. На том же валу с другой стороны расположены лопасти компрессора. Таким образом, с помощью компрессора нагнетается воздух в цилиндры двигателя за счет разрежения в камере с одной стороны и принудительной подачи воздуха, с другой стороны в двигатель поступает большое количество смеси воздуха и топлива. В результате, объем сгораемого топлива увеличивается и образующийся в результате этого сгорания газ занимает больший объем, что и создает большую силу на поршне.
Двухтактные ДВС
Так именуется ДВС с необычной системой газораспределения. Она реализована в процессе прохождения поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, двух патрубков: впускной и выпускного. Можно встретить его иностранное обозначение «RCV».
Рабочие процессы двигателя совершаются в течение одного оборота коленчатого вала и двух ходов поршня. Принцип работы заключается с следующем. Сначала происходит продувка цилиндра, что означает впуск горючей смеси с одновременным впуском отработавших газов. Затем происходит сжатие рабочей смеси, в момент поворота коленчатого вала на 20--30 градусов от положения соответствующего НМТ при перемещении к ВМТ. И рабочий ход, по протяженности составляющий ход поршня от верхней мёртвой точки (ВМТ) не доходя до нижней мёртвой точки (НМТ) на 20--30 градусов по оборотам коленчатого вала.
Существуют явные недостатки двухтактных двигателей. Во-первых слабым звеном двухтактного цикла является продувка двигателя (опять же с т. з. газодинамики). Это происходит с одной стороны из-за того, что, отделение свежего заряда от выхлопных газов обеспечить невозможно, т.е. неизбежны потери по сути вылетающей в выхлопную трубу свежей смеси, (либо воздух если речь о дизеле). С другой же стороны рабочий ход длится меньше половины оборота, что уже говорит о снижении КПД двигателя. Наконец длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена.
Двухтактные двигатели сложнее и дороже за счёт обязательного применения системы продувки или системы наддува. Несомненно, что повышенная тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы требует применения более дорогих материалов отдельных деталей: поршней, колец, втулок цилиндров. Также выполнение поршнем газораспределительных функций накладывает ограничение на размер его высоты, состоящий из высоты хода поршня и высоты окон для продувки. Это не так критично в мопеде, но значительно утяжеляет поршень при установки его на автомобилях требующих значительных затрат мощности. Таким образом, когда мощность измеряется десятками, а то и сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня бывает очень заметно.
Тем не менее проводились определенные работы в направлении совершенствования таких двигателей. В двигателях Рикардо вводили специальные распределительные гильзы с вертикальным ходом, что было некоторой попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась довольно сложной и очень дорогой в исполнении, поэтому такие двигатели использовались только в авиации. Необходимо дополнительно заметить, что имеют вдвое большую теплонапряжённость выпускные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) в сравнении с клапанами четырёхтактных двигателей. Кроме того сёдла имеют более длительный прямой контакт с отработавшими газами, а следовательно худший теплоотвод.
Шеститактные ДВС
В основе работы положен принцип действия четырёхтактного двигателя. Дополнительно в его конструкции имеются элементы, которые с одной стороны повышают его КПД, в то время как с другой стороны снижают его потери. Существует два разных типа таких двигателей.
В двигателях работающих на основе циклов Отто и Дизеля существуют значительные потери тепла при сгорании топлива. Эти потери используются в двигателе первой конструкции в качестве дополнительной мощности. В конструкциях таких двигателей дополнительно топливовоздушной смеси в качестве рабочей среды для добавочного хода поршня используется пар или воздух, в результате чего повышается мощность. В таких двигателях после каждого впрыска топлива поршни движутся три раза в обоих направлениях. В этом случае имеется два рабочих хода -- один с топливом, а другой с паром или воздухом.
В этой области созданы следующие двигатели:
двигатель Баюласа (с англ. Bajulaz). Был создан компанией Баюлас (Швейцария);
двигатель Кроуэра (с англ. Crower). Изобретен Брюсом Кроуэром (США);
Брюс Кроуэр
Двигатель Велозета (с англ. Velozeta) Был построен в инженерном колледже (Индия).
Принцип действия второго типа двигателя основан на использовании в его конструкции дополнительного поршня на каждом цилиндре и расположенного напротив основного. Дополнительный поршень движется с уменьшенной в два раза по отношению к основному поршню частотой, что и обеспечивает на каждый цикл шесть ходов поршней. Дополнительный поршень по своему основному назначению заменяет традиционный газораспределительный механизм двигателя. Вторая его функция заключается в увеличении степени сжатия.
Основных, независимо созданных друг от друга конструкций таких двигателей две:
двигатель Бир Хэд (с англ. Beare Head). Изобретён Малькольмом Биром (Австралия);
двигатель с названием «Заряжающийся насос» (с англ. German Charge pump). Изобретён Хельмутом Котманном (Германия).
Что же будет в недалеком будущем с двигателем внутреннего сгорания?
Кроме указанных в начале статьи недостатков ДВС существует и еще один принципиальный недостаток не позволяющий использовать ДВС отдельно от трансмиссии автомобиля. Силовой агрегат автомобиля образован двигателем в совокупности с трансмиссией автомобиля. Он позволяет двигаться автомобилю на всех необходимых скоростях движения. А вот отдельно взятый ДВС развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Вот собственно почему и необходима трансмиссия. Только в исключительных случаях обходятся без трансмиссии. Например в некоторых конструкциях самолетов.
