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.
Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.
Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель – механик-самоучка — стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
Краткая биография изобретателя
Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным
Плюсы и минусы
Преобразуемое движение возвратно-поступательного характера полностью отсутствует в роторном двигателе. Образование давления происходит в тех камерах, которые создаются с помощью выпуклых поверхностей ротора треугольной формы и различными частями корпуса. Вращательные движения ротор осуществляет помощью сгорания. Это способно привести к снижению вибрации и увеличить скорость вращения. Благодаря повышению эффективности, которое обусловлено таким образом, роторный двигатель имеет размеры намного меньше, чем обычный поршневой двигатель эквивалентной мощности.
Роторный двигатель имеет один главный из всех своих компонентов. Эта важная составляющая называется треугольным ротором, который совершает вращательные движения внутри статора. Все три вершины ротора, благодаря этому вращению, имеют постоянную связь с внутренней стеной корпуса. С помощью этого контакта образуются камеры сгорания, или три объема замкнутого типа с газом. Когда происходят вращательные движения ротора внутри корпуса, то объем всех трех образованных камер сгорания все время меняется, напоминая действия обычного насоса. Все три боковых поверхности ротора работают, как поршень.
Внутри у ротора является шестерня небольшого размера с внешними зубьями, которая прикреплена к корпусу. Шестерня, которая больше по диаметру, соединена с данной неподвижной шестерней, что задает саму траекторию вращательных движений ротора внутри корпуса. Зубы в большей шестерни внутренние.
По той причине, что вместе с выходным валом ротор связан эксцентрично, вращение вала происходит наподобие того, как ручка будет вращать коленвал. Выходной вал станет делать оборот три раза за каждый из оборотов ротора.
Роторный двигатель имеет такое преимущество, как небольшая масса. Самый основной из блоков роторного двигателя обладает небольшими размерами и массой. При этом управляемость и характеристики такого двигателя будут лучше. Меньше масса у него получается за счет того, что необходимость в коленвале, шатунах и поршнях просто отсутствует.
Роторный двигатель обладает такими размерами, которые гораздо меньше обычного двигателя соответствующей мощности. Благодаря меньшим размерам двигателя, управляемость будет гораздо лучше, а также сама машина станет просторнее, как для пассажиров, так и для водителя.
Все из частей роторного двигателя осуществляют непрерывные вращательные движения в одном и том же направлении. Изменение их движения происходит так же, как в поршней традиционного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы. Это ведет к снижению самого уровня вибрации. Мощность роторного двигателя кажется намного более гладким и равномерным образом.
Двигатель Ванкеля имеет выпуклый специальный ротор с тремя гранями, который можно назвать его сердцем. Этот ротор совершает вращательные движения внутри цилиндрической поверхности статора. Роторный двигатель «Мазда» является первым в мире роторным двигателем, который был разработан специально для производства серийного характера. Данной разработке было положено начало еще в 1963 году.
Что это такое РПД?
В классическом четырехтактным двигателем одно и то же цилиндр используется для различных операций — впрыск, сжатие, сжигание и выпуска.
В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций.
В поршневом двигателе давление возникает при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют этот толкательной движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.
В роторном двигателя нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.
Как работает РПД?
Функцию поршня в РПД выполняет трьохвершинний ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора из зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2: 3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор возвращается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер происходит полный четырехтактный цикл.
Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускной и выпускной окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикла без применения специального механизма газораспределения.
Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаются к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, воспаление, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания
Смесеобразование
В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.
Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.
Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:
- Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
- В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.
Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.
Технические характеристики роторно-поршневого двигателя
| параметры | ВАЗ-4132 | ВАЗ-415 |
| число секций | 2 | 2 |
| Рабочий объем камеры двигателя, куб.см | 1,308 | 1,308 |
| степень сжатия | 9,4 | 9,4 |
| Номинальная мощность, кВт (л.с.) / мин-1 | 103 (140) / 6000 | 103 (140) / 6000 |
| Максимальный крутящий момент, Н * м (кгс * м) / мин-1 | 186 (19) / 4500 | 186 (19) / 4500 |
| Минимальная частота вращения эксцентрикового вала на холостом ходу, мин-1 | 1000 | 900 |
|
Масса двигателя, кг |
||
|
Габаритные размеры, мм |
||
|
Расход масла в% от расхода топлива |
||
|
Ресурс двигателя до первого капитального ремонта, тыс. Км |
||
|
назначение |
ВАЗ-21059/21079 |
ВАЗ-2108/2109/21099/2115/2110 |
выпускаются модели
|
двигатель РПД |
Время разгона 0-100, сек |
Максимальная скорость, км \ ч |
|
КПД роторно-поршневой конструкции
Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.
Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:
Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.
- КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).
Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.
- Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).
На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля
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.
Большинство автомобилей заставляет перемещаться поршневой двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) с кривошипно-шатунным механизмом. Такая конструкция получила массовое распространение в силу малой стоимости и технологичности производства, сравнительно небольших габаритов и веса.
По виду применяемого топлива ДВС можно разделить на бензиновые и дизельные. Надо сказать, что бензиновые двигатели великолепно работают на . Такое деление непосредственно сказывается на конструкции двигателя.
Как устроен поршневой двигатель внутреннего сгорания
Основа его конструкции — блок цилиндров. Это корпус, отлитый из чугуна, алюминиевого или иногда магниевого сплава. Большинство механизмов и деталей других систем двигателя крепятся именно к блоку цилиндров, или располагаются внутри его.
Другая крупная деталь двигателя, это его головка. Она находится в верхней части блока цилиндров. В головке также располагаются детали систем двигателя.
Снизу к блоку цилиндра крепится поддон. Если эта деталь воспринимает нагрузки при работе двигателя, её часто называют поддоном картера, или картером.
Все системы двигателя
- кривошипно-шатунный механизм;
- механизм газораспределения;
- система питания;
- система охлаждения;
- система смазки;
- система зажигания;
- система управления двигателем.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршня, гильзы цилиндра, шатуна и коленчатого вала.
Кривошипно-шатунный механизм:
1. Расширитель маслосъёмного кольца. 2. Кольцо поршневое маслосъёмное. 3. Кольцо компрессионное, третье. 4. Кольцо компрессионное, второе. 5. Кольцо компрессионное, верхнее. 6. Поршень. 7. Кольцо стопорное. 8. Палец поршневой. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Крышка шатуна. 12. Вкладыш нижней головки шатуна. 13. Болт крышки шатуна, короткий. 14. Болт крышки шатуна, длинный. 15. Шестерня ведущая. 16. Заглушка масляного канала шатунной шейки. 17. Вкладыш подшипника коленчатого вала, верхний. 18. Венец зубчатый. 19. Болты. 20. Маховик. 21. Штифты. 22. Болты. 23. Маслоотражатель, задний. 24. Крышка заднего подшипника коленчатого вала. 25. Штифты. 26. Полукольцо упорного подшипника. 27. Вкладыш подшипника коленчатого вала, нижний. 28. Противовес коленчатого вала. 29. Винт. 30. Крышка подшипника коленчатого вала. 31. Болт стяжной. 32. Болт крепления крышки подшипника. 33. Вал коленчатый. 34. Противовес, передний. 35. Маслоотрожатель, передний. 36. Гайка замковая. 37. Шкив. 38. Болты.
Поршень расположен внутри гильзы цилиндра. При помощи поршневого пальца он соединен с шатуном, нижняя головка которого крепится к шатунной шейке коленчатого вала. Гильза цилиндра представляет собой отверстие в блоке, или чугунную втулку, вставляемую в блок.
Гильза цилиндров с блоком
Гильза цилиндра сверху закрыта головкой. Коленчатый вал также крепится к блоку в нижней его части. Механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. То самое вращение, которое, в конечном счете, заставляет крутиться колеса автомобиля.
Газораспределительный механизм отвечает за подачу смеси паров топлива и воздуха в пространство над поршнем и удаление продуктов горения через клапаны, открываемые строго в определенный момент времени.
Система питания отвечает в первую очередь за приготовление горючей смеси нужного состава. Устройства системы хранят топливо, очищают его, смешивают с воздухом так, чтобы обеспечить приготовление смеси нужного состава и количества. Также система отвечает за удаление из двигателя продуктов горения топлива.
При работе двигателя образуется тепловая энергия в количестве большем, чем двигатель способен преобразовать в механическую энергию. К сожалению, так называемый термический коэффициент полезного действия, даже лучших образцов современных двигателей не превышает 40%. Поэтому приходится большое количество «лишней» теплоты рассеивать в окружающем пространстве. Именно этим и занимается , отводит тепло и поддерживает стабильную рабочую температуру двигателя.
Система смазки . Это как раз тот случай: «Не подмажешь, не поедешь». В двигателях внутреннего сгорания большое количество узлов трения и так называемых подшипников скольжения: есть отверстие, в нем вращается вал. Не будет смазки, от трения и перегрева узел выйдет из строя.
Система зажигания призвана поджечь, строго в определенный момент времени, смесь топлива и воздуха в пространстве над поршнем. такой системы нет. Там топливо самовоспламеняется при определенных условиях.
Видео:
Система управления двигателем при помощи электронного блока управлении (ЭБУ) управляет системами двигателя и координирует их работу. В первую очередь это приготовление смеси нужного состава и своевременное поджигание её в цилиндрах двигателя.
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 имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и 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.
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
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.
Вас также заинтересует:
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 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 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: Принцип работы поршня двигателя. Устройство