Из чего состоит двигатель внутреннего. Принцип работы поршневых двигателей. Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца
Поршень является одним из элементов кривошипно-шатунного механизма, на котором основан принцип работы многих двигателей внутреннего сгорания. В приведенной статье рассмотрена конструкция и особенности данных деталей.
Определение
Поршень — это деталь, выполняющая в цилиндре возвратно-поступательные движения и обеспечивающая преобразование в механическую работу изменения давления газа.
Характеристические кривые двигателя. Хотя радиус кривошипа постоянный, этот момент изменяется с углом α. При работе двигателя при заданном вращении вы получаете положительный средний момент, который в народе будет называться просто крутящим моментом. Указанная мощность: мощность, вырабатываемая в головке поршней; Мощность трения - это мощность, потребляемая внутренними сопротивлениями двигателя; Эффективная мощность Это мощность, измеренная на валу двигателя.
На рисунке ниже показано распределение мощности и выходов двигателя. В основном он состоит из ротора и статора с соединительным элементом между ними, который может представлять собой воду или электрический поток, называемый соответственно гидравлическим динамометром или электрическим динамометром. Когда мы ускоряем двигатель, его вращение имеет тенденцию к увеличению. Затягивая регулируемый ремень, маховик двигателя затормаживается, обеспечивая динамический баланс, тем самым поддерживая постоянное вращение.
Назначение
С участием этих деталей реализуется термодинамический процесс работы мотора. Так как поршень — это один из элементов кривошипно-шатунного механизма, он воспринимает давление, производимое газами, и передает усилие на шатун. К тому же он обеспечивает герметизацию камеры сгорания и отвод от нее тепла.
Конструкция
Поршень — это трехсоставная деталь, то есть его конструкция включает три компонента, выполняющих различные функции, и две части: головку, в которую объединяют днище и уплотняющую часть, и направляющую часть, представленную юбкой.
Из-за действия двигателя на рычаге появляется сила, которая будет считываться на счетчике. Вода, допущенная к обсадной колонне, проходит через отверстия в альвеолах, достигая ротора. Центробежная сила, вызванная вращательным движением ротора, придает движение воде, заставляя ее возвращаться в альвеолы оболочки. Это турбулентное движение будет поддерживаться по мере вращения ротора. Мощность тестируемого двигателя поглощается непрерывным потоком воды через динамометр. Поглощение энергии проявляется в повышении температуры воды, которое должно быть доступно в достаточном количестве для поглощения максимальной мощности.
Днище
Может иметь различную форму в зависимости от многих факторов. Например, конфигурация днища поршней двигателя внутреннего сгорания определяется расположением прочих конструктивных элементов, таких как форсунки, свечи, клапаны, формой камеры сгорания, особенностями протекающих в ней процессов, общей конструкцией двигателя и т. д. В любом случае она определяет особенности функционирования.
Параметрический динамометр Он имеет ротор в виде шестерни, изготовленной из материала с высокой магнитной проницаемостью, и того же материала в двух кольцах, выполненных в единое целое с статором, отделенных от ротора небольшим свободным пространством. В центре ротора имеется катушка, работающая от постоянного тока. При включении катушка генерирует магнитное поле, которое сосредоточено в зубах ротора, которое вращается, генерируя паразитные токи в кольцах, которые, таким образом, нагреваются. Выработанное тепло поглощается статором и удаляется из него с помощью адекватной системы охлаждения, воды.
Выделяют два основных типа конфигурации днища поршней: выпуклая и вогнутая. Первый обеспечивает большую прочность, но ухудшает конфигурацию камеры сгорания. При вогнутой форме днища камера сгорания, наоборот, имеет оптимальную форму, однако более интенсивно откладывается нагар. Реже (в двухтактных двигателях) встречаются поршни с днищем, представленным выступом отражателя. Это нужно при продувке для направленного перемещения продуктов сгорания. Детали бензиновых двигателей обычно имеют днище плоской или почти плоской формы. Иногда в них присутствуют канавки для полного открытия клапанов. У моторов с непосредственным впрыском поршни характеризуются более сложной конфигурацией. У дизельных двигателей они отличаются наличием камеры сгорания в днище, обеспечивающей хорошее завихрение и улучшающей смесеобразование.
Этот динамометр может регулироваться интенсивностью тока, проходящего через катушку. Динамометр постоянного тока Этот динамометр зависит от потребности, генератора или электродвигателя. Его корпус подвешен в коаксиальных подшипниках. Магнитное поле этого динамометра имеет независимое возбуждение, изменяющее поле и подачу ротора, если оно получает широкий диапазон скоростей и поглощаемых мощностей. Вариант тормозного воздействия справедлив реостатом.
Используя шкалу баланса в качестве ссылки, когда указатель передает известное значение, запускается секундомер, и когда указатель изменяется на известное значение, секундомер выключается. Затем мы будем потреблять массу за определенное время, что является массовым потоком потребляемого топлива. Метод тома. В линии подачи топлива для двигателя используется ротор, который будет напрямую подавать объем потребляемого топлива за единицу времени. Недостатком этого метода является то, что необходимо знать удельную массу топлива, определяемую при массовом расходе.
Большинство поршней односторонние, хотя встречаются и двусторонние варианты, которые имеют два днища.
Расстояние между канавкой первого компрессионного кольца и днищем носит название огневого пояса поршня. Очень важно значение его высоты, которое различно для деталей из разных материалов. В любом случае выход высоты огненного кольца за рамки минимально допустимого значения может повлечь прогар поршня и деформацию посадочного места верхнего компрессионного кольца.
Измерение расхода воздуха На рисунке показано оборудование, которое использует диафрагму для измерения расхода воздуха. Основной принцип работы: Как известно, вход воздуха в двигатель пульсирует, а не постоянный поток, чтобы решить эту проблему, всасывание воздуха в двигатель производится в баке, что из-за его размера, устраняет пульсацию, в результате чего через отверстие происходит постоянный поток воздуха.
Его значение будет служить ссылкой. Полученные значения приведены только для справки и могут различаться. Это также приводит к охлаждению камеры сгорания и, как следствие, к исчезновению пламени, препятствующему движению двигателя. - Максимальная мощность. Это немного обогащенная смесь, которая в режиме полной нагрузки двигателя производит максимальную мощность. - Экономичная смесь Это немного слабая смесь, которая из-за избытка воздуха позволяет полностью сжигать топливо. В этом состоянии двигатель может обеспечить минимальное удельное потребление. - Очень плохое перемешивание Из-за избыточного воздуха пламя становится слишком медленным, поддерживая сгорание для большей части расширения, вызывая перегрев камеры сгорания.
Уплотняющая часть
Здесь находятся маслосъемные и компрессионные кольца. У деталей первого типа каналы имеют сквозные отверстия для поступления внутрь поршня удаленного с поверхности цилиндра масла, откуда оно попадает в поддон картера. Некоторые из них имеют ободок из коррозионностойкого чугуна с канавкой для верхнего компрессионного кольца.
Это условие может привести к таянию головки поршня. При испытании на динамометре он показал показание силы 11 кгс и расход топлива 90 мл за 40 секунд. Затем двигатель приводился в действие динамометром, обеспечивающим мощность трения 3, 8 кВт. Сфера, называемая ядром пламени, образуется вблизи свечных электродов. Поверхность пламенного сердечника называется фронтом пламени и распространяется по всей камере сгорания, обращенной к несгоревшей смеси, и оставляя после себя обожженные газы. Если фронт пламени не будет испытывать никаких помех, у нас будет нормальное сгорание.
Компрессионные кольца выполняют задачу предотвращения поступления газов в картер из камеры сгорания. Наибольшие нагрузки приходятся на первое из них, поэтому в некоторых двигателях его канавку укрепляют стальной вставкой. Компрессионные кольца могут быть трапециевидной, конической, бочкообразной формы. Некоторые из них имеют вырез.
Факторы, которые влияют на скорость фронта пламени. Турбуленты увеличивают контакт между частицами, ускоряя реакцию. Соотношение топливо-воздух. Легко обогащенные смеси вызывают более высокую скорость распространения. Остаточные газы их присутствие замедляет горение.
Предварительное зажигание не вызывает повышения давления, а скорее увеличивает температуру, заставляя головку поршня плавиться без каких-либо помех. Факторы, влияющие на детонацию: 1 - Качество топлива - определяется октановым числом, которое указывает на противодействующую мощность топлива, тем более сложным является детонация; 2. Давление и температура всасывания - чем больше вероятность детонации; 3 - температура охлаждающей жидкости - большая вероятность детонации; 4. Траектория пламени - чем больше траектория, тем больше вероятность детонации, которая ограничивает диаметр цилиндров до низких значений, редко превышает 10 см; 5.
Маслосъемное кольцо служит для удаления лишнего масла с цилиндра и препятствует его попаданию в камеру сгорания. Для этого в нем есть отверстия. Некоторые варианты имеют пружинный расширитель.
Направляющая часть (юбка)
Имеет бочкообразную (криволинейную) либо конусообразную форму для компенсации температурного расширения. На ней находятся два прилива для поршневого пальца. На этих участках юбка имеет наибольшую массу. К тому же там наблюдаются наибольшие температурные деформации при нагреве. Для их снижения используют различные меры. В нижней части юбки может находиться маслосъемное кольцо.
Топливно-воздушная смесь - бедные или богатые смеси, вдали от стехиометрической смеси, препятствуют возникновению детонации; 6 - Скорость сжатия - тем больше вероятность детонации; 7 - Турбулентность - чем выше, тем меньше вероятность детонации, облегчается теплообмен; 8 - Прогресс искры - чем больше, тем чаще происходит детонация; 9 - Температура свечного электрода - горячая свеча, более вероятная детонация, холодная свеча, менее вероятная детонация; 10 - Геометрия камеры сгорания - конформация камеры оказывает большое влияние на детонацию.
Желательно, чтобы масса смеси, подлежащей сжиганию в конце сгорания. Как видно, в двигателе с самовозгоранием имеется два запаздывания, физическое и химическое, что представляет собой полное замедление, в течение которого топливо впрыскивается без значительного увеличения давления и температуры в камере. Если задержка длится дольше, чем обычно, она накапливает топливо в камере, а когда горит, это вызывает внезапное повышение давления, вызывающее детонацию. При самовозгорании двигателей детонация происходит в начале сгорания, в то время как в двигателях с искровым зажиганием это происходит в конце.
Для передачи усилия от поршня или к нему применяют чаще всего кривошип либо шток. Поршневой палец служит для соединения данной детали с ними. Он состоит из стали, имеет трубчатую форму и может быть установлен несколькими способами. Чаще всего используют плавающий палец, который может проворачиваться в процессе работы. Для предотвращения смещения его фиксируют стопорными кольцами. Жесткое закрепление применяют значительно реже. Шток в некоторых случаях выполняет функцию направляющего устройства, заменяя юбку поршня.
Более плавная работа двигателя; Высшие вращения; Холодный холодный старт. Не создает высокой турбулентности; Движение становится сильно турбулентным на головке поршня, где сгорание завершено; Более плавная работа двигателя; Высшие вращения; Холодный холодный старт.
Характеристическая кривая потребностей двигателя. Когда дроссельная заслонка будет открыта, произойдет увеличение воздушного потока через основную систему карбюратора, что приведет к чрезмерному обнищанию. Чтобы этого не произошло, есть так называемые отверстия для прогрессирования, которые позволяют богатой смеси поступать с воздухом, что приводит к постепенному обнищанию в проходе от низких до средних нагрузок. С увеличением открытия бабочки тенденция состоит в том, что смесь становится богаче и богаче.
Материалы
Поршень двигателя может состоять из различных материалов. В любом случае они должны обладать такими качествами, как высокая прочность, хорошая теплопроводность, антифрикционные свойства, сопротивляемость коррозии и низкие коэффициент линейного расширения и плотность. Для производства поршней используют сплавы алюминия и чугун.
Эта система предназначена для предотвращения этого обогащения. Когда топливо всасывается с помощью трубки Вентури, смесительная трубка с серией отверстий позволяет воздуху проникать, измеряемый жиклером, вместе с топливом, делая конечную смесь бедной. Максимальная вспомогательная система питания Для достижения максимальной мощности двигателя смесь должна быть богатой. В системе с закрытым дроссельным клапаном камера подвергается воздействию высокого вакуума, что приводит к закрытию диафрагменного клапана.
С бабочкой, близкой к полной диафрагме, вакуум в камере уменьшается, заставляя пружину открывать клапан, позволяя посылать дополнительное количество топлива в основную систему, обогащая смесь. Быстрая ускоренная вспомогательная система Чтобы предотвратить внезапное истощение смеси с помощью очень быстрого открытия дроссельной заслонки, система цифр показывает, что когда дроссель перемещается в направлении отверстия, диафрагма сжимается механизмом, вызывая давление в камере увеличивается, закрывая клапан и открывая клапан, позволяя подавать большое количество топлива в основную систему через инжектор.
Чугун
Отличается большой прочностью, износостойкостью и невысоким Последнее свойство обеспечивает возможность работы таких поршней с малыми зазорами, благодаря чему достигается хорошее уплотнение цилиндра. Однако вследствие значительного удельного веса чугунные детали используют лишь в тех двигателях, где возвратно движущиеся массы имеют силы инерции, составляющие не более шестой части сил давления на днище поршня газов. Кроме того, из-за низкой теплопроводности разогрев днища чугунных деталей в процессе работы двигателя достигает 350-450 °
С, что особо нежелательно для карбюраторных вариантов, так как приводит к калильному зажиганию.
Когда он перемещается в дроссель в направлении закрытия, пружина возвращается к диафрагме, заставляя давление в камере уменьшаться, закрывая клапан и открывая клапан, позволяя топливу поступать в камеру. На приведенной ниже диаграмме показан полный карбюратор, то есть со всеми вспомогательными системами.
Болт смесителя карбюратора должен быть герметичным или иметь ограничители для вскрытия для диапазона регулировки. Выброс жировых газов должен быть нулевым в любом рабочем режиме. Этот цикл может произойти в 2 или 4 раза. Цели Опишите принцип работы двигателей Отто Цикл Определите основные компоненты двигателя.
Алюминий
Данный материал используют для поршней наиболее часто. Это объясняется небольшим удельным весом (алюминиевые детали легче чугунных на 30%), высокой теплопроводностью (в 3-4 раза больше, чем у чугуна), обеспечивающей разогрев днища не более чем до 250 °С, что
предоставляет возможность
увелич
ения
степен
и
сжатия и
обеспечивает
лучше
е
наполнени
е
цилиндро
в, и
высокими
антифрикционны
ми
свойствами. При этом алюминий имеет больший в 2 раза, чем у чугуна,
коэффициент линейного расширения
, что вынуждает делать большие
промежутки
со стенками цилиндров,
то есть
размеры поршней
из алюминия меньше, чем из чугун
а,
для одинаковых цилиндров
.
К тому же такие детали
и
меют
меньшую прочность, особенно в нагретом состоянии (при 300 °С она снижается на 50-55%, тогда как у чугун
ных
— на 10%).
Альтернативные двигатели внутреннего сгорания Часть 1 Введение Системы электропитания с использованием газа: газовые турбины Альтернативные двигатели Газовые циклы моделируют эти системы. Хотя они действительно не работают. Двигатели внутреннего сгорания 1.
Можно также вычислить эту энергию с помощью. Циклы работы Альтернативные двигатели: поршень перемещается вперед и назад внутри передающей силы цилиндра, чтобы вращать ось с помощью шатуна и кривошипной системы. Скорость потока практически постоянна независимо от заданного давления. Основные типы: одиночный винт. Двойной винт. Преимущества по сравнению с альтернативами: меньший размер. Уменьшение числа движущихся частей. Недостатки по сравнению с альтернативными. Меньшие.
Для снижения степени трения стенки поршней покрывают в качестве которого используют графит и дисульфид молибдена.
Нагрев
Как было упомянуто, в процессе работы двигателя поршни могут разогреваться до 250-450 °С. Поэтому необходимо принимать меры, направленные как на снижение нагрева, так и на компенсацию вызываемого им температурного расширения деталей.
Для охлаждения поршней используют масло, которое различными способами подают внутрь них: создают масляный туман в цилиндре, разбрызгивают его через отверстие в шатуне либо форсункой, впрыскивают в кольцевой канал, обеспечивают циркуляцию по трубчатому змеевику в днище поршня.
Для компенсации температурных деформаций на участках приливов юбки с двух сторон обтачивают металл на 0,5-1,5 мм в глубину в виде П- или Т-образных прорезей . Такая мера улучшает ее смазывание и предотвращает появлени е от температурных деформаций задиров, поэтому данны е углубления называют холодильниками. Их используют в сочетании с конусо- или бочкообразной формой юбки. Это компенсирует ее линейное расширение за счет того, что при нагреве юбка принимает цилиндрическую форму. Кроме того, используют компенсационные вставки , чтобы диаметр поршня испытывал ограниченное теплово е расширени е в плоскости качания шатуна. Также можно изолировать направляющую часть от головки, испытывающей наибольший нагрев. Наконец, стенкам юбки придают пружинящие свойства путем нанесения косого разреза по всей ее длине.
Технология производства
По способу изготовления поршни подразделяют на литые и кованые (штампованные).
Детали первого типа
применяют
на большинств
е
автомобилей, а замена поршней на кованые используется при тюнинге. Кованые варианты отличаются повышенной прочностью и долговечностью, а также меньшей массой. Поэтому установка поршней такого типа повышает надежность и производительность двигателя.
Это особо важно для моторов, работающих в условиях повышенных нагрузок, в то время как для повседневной эксплуатации достаточно литых деталей.
Применение
Поршень — это многофункциональная деталь. Поэтому его используют не только в двигателях. Например, существует поршень суппорта тормозной системы, так как она функционирует аналогичным образом . Также кривошипно-шатунный механизм применяют на некоторых моделях компрессоров, насосов и прочем оборудовании.
Двигатель внутреннего сгорания на сегодняшний день является основным видом автомобильного двигателя. Устанавливается на все виды транспортных средств, от скутеров и мотоциклов до крупнотоннажных грузовиков выполняющих контейнерные перевозки , самосвалов и др. Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется устройство для преобразования химической энергии топлива в механическую работу.
ДВС подразделяются на основные типы:
Поршневой двигатель;
- роторно-поршневой двигатель;
- газотурбинный двигатель.
Из перечисленных типов самым распространенным является поршневой ДВС, поэтому устройство и принцип работы будут рассмотрены на его примере.
Плюсы поршневого двигателя внутреннего сгорания, обеспечившими его широкое применение, это:
Автономность;
- универсальность (сочетание с различными потребителями);
- невысокая стоимость;
- малая масса;
- компактность;
- возможность быстрого запуска;
- мультитопливность.
Но двигатели внутреннего сгорания имеют и ряд существенных минусов, к которым относятся:
Токсичность отработавших газов;
- высокий уровень шума;
- низкий коэффициент полезного действия;
- большая частота вращения коленчатого вала;
- невысокий ресурс.
В зависимости от вида применяемого горючего различают следующие поршеневые ДВС:
Бензиновые двигатели;
- дизельные двигатели.
В качестве альтернативных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания, используют природный газ, спиртовые топлива – этанол и метанол, водород.
Поршневой двигатель имеет следующее общее устройство:
Корпус;
- кривошипно-шатунный механизм;
- газораспределительный механизм;
- топливная система;
- впускная система;
- система зажигания (бензиновые двигатели);
- система смазки;
- система охлаждения;
- выпускная система;
- система контроля и управления.
Корпус двигателя объединяет в себе блок цилиндров и головку блока цилиндров. Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Газораспределительный механизм обеспечивает подачу в цилиндры топливно-воздушной смеси и выпуск отработавших газов.
Система впуска предназначена для подачи в двигатель воздуха. Топливная система подает в двигатель топливо. Совместная работа этих систем обеспечивает образование топливно-воздушной смеси. Основу топливной системы составляет система впрыска.
Система зажигания осуществляет принудительное воспламенение топливно-воздушной смеси в бензиновых двигателях. В дизельных двигателях благодаря более высокой степени сжатия происходит самовоспламенение смеси.
Роль системы смазки - это снижение трения между сопряженными деталями двигателя. Охлаждение деталей двигателя, нагреваемых в процессе работы, выполняет система охлаждения. Важные функции отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, снижения их шума и токсичности обеспечивает выпускная система.
Система управления двигателем обеспечивает электронное управление работой систем двигателя внутреннего сгорания.
В основе принципа работы двигателя внутреннего сгорания лежит эффект теплового расширения газов, возникающего при сгорании топливно-воздушной смеси, что обеспечивает перемещение поршня в цилиндре.
Работа поршневого двигателя осуществляется циклически. Каждый рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала и включает четыре такта (четырехтактный двигатель):
Впуск;
- сжатие;
- рабочий ход;
- выпуск.
Во время тактов впуска и рабочего хода происходит движение поршня вниз, а тактов сжатие и выпуск – вверх. Рабочие циклы в каждом из цилиндров двигателя не совпадают по фазе, чем достигается равномерность работы двигателя. В некоторых конструкциях ДВС рабочий цикл реализуется за два такта – сжатие и рабочий ход (двухтактный двигатель).
На такте впуск впускная и топливная системы обеспечивают формирование топливно-воздушной смеси. В зависимости от конструкции топливная смесь образуется во впускном коллекторе (центральный и распределенный впрыск бензиновых двигателей) или непосредственно в камере сгорания (непосредственный впрыск бензиновых и дизельных двигателей). При открытии впускных клапанов газораспределительного механизма воздух или топливно-воздушная смесь за счет разряжения, возникающего при движении поршня вниз, подается в камеру сгорания.
На такте сжатия впускные клапаны закрываются, и топливно-воздушная смесь сжимается в цилиндрах двигателя.
Такт рабочий ход сопровождается воспламенением топливно-воздушной смеси. В результате возгорания образуется большое количество тепловых газов, которые давят на поршень и заставляют его двигаться вниз. Движение поршня посредством кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое в свою очередь используется для движения автомобиля.
При такте выпуск открываются выпускные клапаны и отработавшие газы отводятся из цилиндров в выпускную систему, где производится их очистка, охлаждение и снижение шума.
Рассмотренный принцип работы двигателя внутреннего сгорания позволяет понять, почему ДВС имеет небольшой коэффициент полезного действия - около 40%. В конкретный момент времени, как правило только в одном цилиндре совершается полезная работа, в остальных – обеспечивающие такты: впуск, сжатие, выпуск.