Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из. Поршень двигателя: конструктивные особенности

• Главная
• Полезные советы

Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из. Поршень двигателя: конструктивные особенности

Определение.

Поршневой двигатель – один из вариантов двигателя внутреннего сгорания, работающий за счет превращения внутренней энергии сгорающего топлива в механическую работу поступательного движения поршня. Поршень приходит в движение при расширении рабочего тела в цилиндре.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочий цикл двигателя состоит из последовательности тактов односторонних поступательных ходов поршня. Подразделяют двигатели с двумя и четырьмя тактами работы.

Принцип работы двухтактного и четырехтактного поршневых двигателей.

Количество цилиндров в поршневых двигателях может варьироваться в зависимости от конструкции (от 1-го до 24-х). Объем двигателя принято считать равным сумме объемов всех цилиндров, вместимость которых находят по произведению поперечного сечения на ход поршня.

В поршневых двигателях различных конструкций по-разному происходит процесс воспламенения топлива:

Электроискровым разрядом, который образуется на свечах зажигания. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на других видах топлива (природный газ).

Сжатием рабочего тела:

В дизельных двигателях, работающих на дизельном топливе или газе (с 5% добавлением дизтоплива), сжимается воздух, и при достижении поршнем точки максимального сжатия, происходит впрыск топлива, которое воспламеняется от контакта с нагретым воздухом.

Двигатели компрессионной модели. Подача топлива в них точно такая же, как и в бензиновых двигателях. Поэтому, для их работы, необходимы особенный состав топлива (с примесями воздуха и диэтилового эфира), а также точная регулировка степени сжатия. Компрессорные двигатели нашли свое распространение в авиастроении и автомобилестроении.

Калильные двигатели. Принцип их действия во многом схож с двигателями компрессионной модели, однако не обошлось без конструкционной особенности. Роль зажигания в них выполняет – калильная свеча, накал которой поддерживается энергией сгорающего на предыдущем такте топлива. Состав топлива также особенный, за основу берут метанол, нитрометан и касторовое масло. Применяются такие двигатели, как на автомобилях, так и на самолетах.

Калоризаторные двигатели. В этих двигателях воспламенение происходит при контакте топлива с горячими частями двигателя (обычно – днище поршня). В качестве топлива применяется мартеновский газ. Используются они в качестве приводных двигателей на прокатных станах.

Виды топлива, применяющиеся в поршневых двигателях:

Жидкое топливо – дизтопливо, бензин, спирты, биодизель;

Газы – природные и биологические газы, сжиженные газы, водород, газообразные продукты крекинга нефти;

Вырабатываемый в газогенераторе из угля, торфа и древесины, монооксид углерода также используется в качестве топлива.

Работа поршневых двигателей.

Циклы работы двигателей подробно расписаны в технической термодинамике. Различные циклограммы описываются различными термодинамическими циклами: Отто, Дизеля, Аткинсона или Миллера и Тринклера.

Причины поломок поршневых двигателей.

КПД поршневого ДВС.

Максимальный КПД который удалось получить на поршневом двигателе составляет 60%, т.е. чуть меньше половины сгорающего топлива расходуется на нагрев деталей двигателя, а также выходит с теплом выхлопных газов. В связи с чем, приходится оснащать двигатели системами охлаждения.

Классификация систем охлаждения:

Воздушные СО – отдают тепло воздуху за счет ребристой внешней поверхности цилиндров. Применяются ли
бо на слабых двигателях (десятки л.с.), либо на мощных авиационных двигателях, которые охлаждаются быстрым потоком воздуха.

Жидкостные СО – в качестве охладителя используется жидкость (вода, антифриз или масло), которая прокачивается через рубашку охлаждения (каналы в стенках блока цилиндров) и поступает в радиатор охлаждения, в котором она охлаждается воздушными потоками, естественными или от вентиляторов. Редко, но в качестве теплоносителя также используется металлический натрий, который расплавляется от тепла прогревающегося двигателя.

Применение.

Поршневые двигатели, благодаря своему мощностному диапазону, (1 ватт – 75 000 кВт) обрели большую популярность не только в автомобилестроении, но и авиастроении и судостроении. Они также используются для привода боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, водяных насосов, бензопил и прочих машин, как мобильных так и стационарных.

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 тоткрываются 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.