Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания

Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?

В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ — поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень — первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.

Поршень двигателя цилиндрической формы. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения, из-за чего поршень выполняет две функции.

  1. 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).
  2. После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.

КОНСТРУКЦИЯ

Устройство детали включает в себя три составляющие:

  1. Днище.
  2. Уплотняющая часть.
  3. Юбка.

Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.

ДНИЩЕ

Днище — основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.

Главный параметр днища — форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.

В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.

В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.

В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.

Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых — устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.

УПЛОТНЯЮЩАЯ ЧАСТЬ

Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня — канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения.

Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.

Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 — 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами — двумя компрессионными и одним маслосъемным.

В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.

Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.

Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.

Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.

Для фиксации поршневого пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.

ТИПЫ ПОРШНЕЙ

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней — возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

  • возможность использования только в дизельных двигателях;
  • больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
  • необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
  • более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

Поршневая группа определение износа, выбор, снятие и установка + Видео

Поршневая группа или ПГ активно участвует в процессах работы автомобильного двигателя — трансформирует давление газов в механическую энергию. Без неё представить себе работу мотора невозможно. Замена поршневой является следствием механического износа или различных повреждений.

Причины износа поршневой группы

Постоянная эксплуатация машины неминуемо приводит к повреждениям ПГ. Как и любые другие элементы силового агрегата, поршни изнашиваются по причине устаревания или из-за перегрева, вызванного нарушением процесса сгорания.

Чем вызывается износ днища поршня?

Задиры на днище поршня образуются по причине засорения или деформации масляной форсунки, установки элементов с другими размерами, неисправности в системе охлаждения.

На поршнях подержанных машин часто заметны следы от ударов. Вызываются они чересчур большим выступом поршня или неправильной подгонкой торцевой стороны ГБЦ. Это же происходит из-за отложений моторного масла на головке элемента, необычно узким зазором в клапанном приводе и неправильной установкой фаз ГРС.

Повреждения также определяются по наплывам металла на элементах. Такое происходит при неисправном инжекторе — количество впрыска определяется в этом случае системой неверно. Это же укажет на недостаточное сжатие, позднее или ранее зажигание.

Читать еще:  Поршневые кольца автомобиля – для чего нужны?

Если на днище поршня и в полости камеры сгорания наблюдаются трещины, это свидетельство неисправной форсунки или недостаточной компрессии. Подобное также возможно при неграмотной чиповке двигателя, когда за счёт модернизации пытаются увеличить мощность агрегата.

проверка поршня на износ

Причины повреждения колец

Как правило, это случается из-за эрозии материала в зоне колец, вызванного неправильной установкой, избытком горючего в камере сгорания, нарушением теплового зазора между поршнем и его цилиндром. Такое же происходит при сильном осевом истирании канавки поршней и вибраций.

Другая причина — радиальный износ, связанный с приготовлением смеси. Любое нарушение процесса сгорания топлива, а также недостаточное давление сжатия приводят к такой неисправности.

Осевой износ возможен и в результате банального загрязнения, когда частички сажи прилипают в канавке из-за недостаточного фильтрования. Это могут быть опилки, остатки после струйной очистки или любые другие продукты истирания.

Отчего повреждается юбка поршня?

Несколько причин способствуют этому — деформация шатуна, криво установленные цилиндры, чрезмерный люфт шатунного подшипника. В этих случаях на юбке образуется асимметричное, чётко различимое пятно.

Возможны также задиры под углом 45 градусов и другие следы трения, вызванные чрезмерно тесной посадкой пальца или ошибкой при установке шатуна горячего прессования. Причиной также называют малый процент сжатия, перебои в зажигании, разбавление масла бензином.

Основные признаки, указывающие на выработку ресурса:

  • синий цвет выхлопа;
  • активный нагар свечей зажигания;
  • падение мощности ДВС;
  • неустойчивая работа агрегата на нейтральных оборотах — быстро определяется по сильным вибрациям ручки КПП.

И, конечно, самый главный признак — повышенный расход моторного масла.

Как выбрать новые поршни при покупке?

На отечественном рынке представлен большой ассортимент данной продукции. Обычно затрудняются выбрать между технологией изготовления поршней — кованые или литые. Первые разновидности значительно дороже. Вторые — более распространены. Перед тем, как делать выбор — нужно понять, требуется ли автомобилю увеличение стандартной мощности. Если да, то однозначно дать предпочтение кованым аналогам.

Поршни регулярно подвергаются высоким нагрузкам, поэтому от их качества непосредственно зависит отдача ДВС. Немаловажным параметром также является масса изделия. Производители стараются делать их лёгкими, но одновременно прочными.

При выборе рекомендуется обратить внимание на немецкие бренды Kolbenschmidt, Mahle, Prima. Неплохо зарекомендовали себя выпуском такой продукции российские Мотордеталь-Кострома и СТК.

Поршень 6D16 ME072549 (комплект 6 шт.) для двигателя 6D16 на Mitsubishi

Какие инструменты нужны для замены поршней

Следующий набор инструментов обязателен для проведения замены поршневой двигателя:

  • гаечные ключи;
  • тяжёлый молоток;
  • съёмник поршневых колец, представляющий собой щипцы — если такого приспособления нет, можно использовать обычную тонкую отвёртку с плоским жалом;
  • тиски;
  • горелка;
  • микрометрический нутромер;
  • динамометрический ключ;
  • направляющая втулка и оправка с ручкой и резьбовым отверстием на конце специального или самодельного исполнения — можно выточить на токарном станке;
  • выколотка под размер пальца поршня — должна заходить внутрь отверстия;
  • напильник;
  • деревянные бруски;
  • трещотка с головками различного размера.

Безусловно, надо подготовить новый комплект поршней. Рекомендуется обратить внимание на качество колец и внешний вид упаковки — наименование изготовителя, материал. На кольцах должна иметься маркировка, указывающая на верхнюю сторону. В целях максимального увеличения ресурса поршней на юбки изделий наносят антифрикционное покрытие. Например, подходит такой вариант — твёрдая смазка Modengy.

Самостоятельная замена поршней

Всё начинается с подготовительных работ. Сначала нужно обесточить аккумулятор, слить антифриз и моторное масло из поддона картера. Потом провести этап квалифицированной диагностики. Это делается двумя способами: без снятия и со снятием моторной установки.

Чтобы обойтись малой кровью, демонтируется только головка блока цилиндров и поддон. С верхней части цилиндров напильником снимается нагар. Последующие действия:

  • замерить диаметр между стенками цилиндра нутромером и сверить с паспортными данными;
  • убедиться прокручиванием коленвала, что на гильзах имеются расточки — если состояние гильз не вызывает сомнений, двигатель можно не снимать;
  • осмотреть дно поддона — насторожить должна металлическая стружка в масляной плёнке, указывающая на износ колец, вкладышей;
  • проверить состояние поршней, аккуратно сняв их вместе с шатунами и кольцами — в норме не должно быть глубоких задиров на юбке, прогара днища, износа верхней канавки больше допустимого значения.

проверка поршней на двигателе

Как проводить на двигателе замену поршневых колец подробно описано ниже.

Как установить новый поршень вместо старого?

Если повреждения значительны, надо заменить поршень. Для этого его следует отделить от шатуна, удалив из отверстий в бобышках стопорные кольца. Палец достаётся с помощью выколотки.

Подробнее о том, как разъединить (выбить) поршень от шатуна:

  • уложить поршень на два деревянных бруска;
  • вдеть выколотку в отверстие под цилиндрический стержень на поршне;
  • ударить сверху по выколотке молотком несколько раз, пока не выскочит палец.

Чтобы установить новый поршень, сначала нужно вдеть в него палец. Данный элемент также рекомендуется заменить. Палец должен войти в отверстие с небольшим усилием. Если он вываливается, то однозначно не подходит по размерам. В этом случае подбирают другой стержень для шарнирного подвижного соединения.

Запрессовка пальца выполняется на «горячую» специальной оправкой или самодельным приспособлением с направляющей втулкой. Она должна быть диаметром на несколько микром толще элемента шарнирного соединения. Собирается «приспособа» перед вдеванием пальца на шатун и поршень так: сначала на оправку надевается палец, затем сверху ставится выколотка. Всё это дело затягивается на конце прута удерживающим винтом.

Крайне желательно перед запрессовкой проводить этап подгонки. Палец вдевается в отверстие поршня, без шатуна. Затем проверяется, как он вошёл. Если неравномерно, то на приспособление добавляется шайба.

  • зажать шатун в тисках;
  • 1,5-2 минуты нагревать ручной горелкой внутреннюю часть шейки шатуна;
  • поставить сверху поршень, стрелкой в сторону замков шатуна — указывается производителем на головке элемента;
  • вдеть оправку с пальцем в поршень и шатун до упора;
  • вывернуть фиксатор, убрать всё лишнее, оставив палец внутри поршня.

запрессовка поршня в шатун

После остывания проверяется хождение поршня. Минимальная его подвижность укажет на правильное проведение работы.

Как заменить поршневые кольца?

Обязательно должен быть демонтирован поддон картера. Дополнительно снимается также маслонасос — рекомендуется проверить его состояние. Далее откручиваются крышки шатунов, последние выталкиваются с поршнями вверх.

Внимание! Крышки шатунов нельзя менять местами. Каждая на завершающем этапе прикручивается к «родному» шатуну.

Замена поршневых колец проводится специальными съёмными щипцами. После снятия изношенных колец из канавок удаляется весь нагар. Можно это сделать куском жёсткой проволоки или обломком старого кольца. Отложения также следует убрать с днища поршней. Для удобства поверхность можно смочить керосином.

Щипцы-съёмник для колец

Установка маслосъемных новых колец проводится по инструкции. Первым ставится маслосъёмное кольцо, затем оба компрессионных кольца. При монтаже проявляется максимальная осторожность, так как элементы крайне хрупкие, легко ломаются. Исключение составляет первое компрессионное кольцо — оно прочное.

Особое внимание обращается на расположение замков поршневых колец. Лучше ставить их под углом 120°. Если схема замков будет неправильной, газы могут прорваться из камеры сгорания в картер.

Читать еще:  Чугунные поршни: особенности и преимущества

Смотрите замену поршневой видео, для полного представления картины https://www.youtube.com/watch?v=iOhU9w1e8Ow

Стоимость замены

Вот примерны цены на замену поршневых колец в сервисах:

  • легковые автомобили отечественного производства — от 7-8 тыс. рублей;
  • Японские иномарки в кузовах седан, хэтчбек, универсал — от 10 тыс. рублей;
  • джипы, кроссоверы, микроавтобусы — от 15 тыс. рублей.

А на замену поршневой цена, как правило, высокая. Это объясняется тем, что процедура входит в перечень капитального ремонта двигателя. Поэтому стоимость соответствующая — от 20 до 40 тыс. рублей.

Обкатка двигателя после замены поршневой

Замена поршневой группы всегда сопровождается обкаткой или проверкой работоспособности двигателя. Делается это просто — мотор запускается на холостых оборотах. Если в течение 5-10 минут работы нет спада оборотов и других признаков нестабильности, проводится обкатка на 2-3 тыс. километров (дизельные агрегаты обкатываются не менее 8-10 тыс. км). Желательно проводить её на третьей скорости. Перед обкаткой рекомендуется проверить состояние АКБ — она должна быть заряженной на 90-100%. И самое главное — первые 300 км рекомендуется преодолеть за один заезд по загородной трассе!

Совет, как избежать проблем во время первого заезда. Двигатель авто после замены поршневой нужно хорошо прогреть, а для этого лучше сделать так. Сначала дать ему поработать на холостых оборотах до 80 градусов. Затем остановить мотор, дать остыть до 40 градусов. Снова запустить на ХХ, дав прогреться до 80°. Процедуру повторить 8-10 раз.

В ходе обкатки запрещено:

  • сильно нагружать автомобиль — например, сажать пассажиров или брать на буксир;
  • резко ускоряться;
  • ехать в гору;
  • повышать обороты выше 3000/мин;
  • тормозить двигателем;
  • передвигаться на пониженных оборотах;
  • ездить на недостаточно прогретом моторе.

Что даёт обкатка. Она позволяет новым деталям мотора после замены поршневой без лишних перегрузок приработаться. На СТО обкатка часто проводится посредством стенда. К двигателю машины после замены поршневой подключается электродвигатель, который и «притирает» его. В домашних условиях это делается прямо на машине, описанным выше способом.

Видео: как выбрать поршня для своего авто

Автор даёт несколько простых и эффективных советов, как выбрать поршень. Одна из рекомендаций касается поверхности юбки. На оригинальных изделиях обязательно должна иметься стальная пружинная вставка, придающая поршню упругость. Если деталь не имеет такой вставки, то через некоторое время перегревается и быстро сплющивается.

Что такое поршень двигателя? Основное назначение

Что такое поршень двигателя? Основное назначение

Что такое поршень двигателя?

Поршень двигателя — это деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот — возвратно-поступательного движения в изменение давления.

Насколько хорошо поршни двигателя справляется с возложенными обязанностями — зависят его эффективность и надежность. В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему много тайн и секретов распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла.

Требования к поршням двигателя

Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра.

Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ.

В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие.

В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Основное назначение поршней в работе двигателя

Топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

Еще раз повторим известный факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается.

Наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что тепло будет передано окружающему воздуху – самому холодному. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, остудит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Остается найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока.

Второй путь менее очевиден. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя.

Третий путь – через массивные бобышки в палец, затем в шатун, а оттуда в масло. Он менее интересен, так как на пути есть существенные тепловые сопротивления в виде зазоров и стальных деталей, имеющих значительную протяженность и низкий коэффициент теплопроводности.

Четвертый путь. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр. Количество свежей смеси и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит импульсный характер, отличается скоротечностью и высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

В силу большей значимости следует уделить более пристальное внимание передаче тепла через поршневые кольца. Совершенно понятно, что если этот путь мы перекроем, то маловероятно, что двигатель выдержит сколько-нибудь длительные форсированные режимы. Температура вырастет, материал поршня «поплывет», и двигатель разрушится.

Читать еще:  Поршневой двигатель внутреннего сгорания: особенности работы

Тут хочу упомянуть такую характеристику, как компрессия. Давайте представим, что кольцо не прилегает по всей своей длине к стенке цилиндра. Тогда сгоревшие газы, прорываясь в щель, создадут барьер, препятствующий передаче тепла от поршня через кольцо в стенку цилиндра. Это то же самое, как если бы мы закрыли часть радиатора и лишили его возможности охлаждаться воздухом.

Более страшна картина, если кольцо не имеет тесного контакта с канавкой. В тех местах, где газы имеют возможность протекать мимо кольца через канавку, участок поршня лишается принципиальной возможности охлаждаться и, даже более того, оказывается в «тепловом мешке». Как результат – прогар и выкрашивание части огневого пояса, прилегающей к месту утечки. Поэтому всегда уделяется много внимания геометрии цилиндра, кольца и износу канавки.

Сколько колец будет у нового поршня? С точки зрения механики, чем меньше колец, тем лучше. Чем они уже, тем меньше потери в поршневой группе. Однако при уменьшении их количества и высоты мы неизбежно ухудшаем условия охлаждения поршня, увеличивая тепловое сопротивление днище – кольцо – стенка цилиндра. Поэтому выбор конструкции – всегда компромисс.

Нужно одновременно, чтобы кольца были и узкие и широкие. И два для быстроходности и три для эффективного охлаждения поршня. Разрешение этой задачи – суть компетентность конструктора.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.
Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт (судовые двигатели).

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:

  • жидкости — бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;
  • газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;
  • монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырёхтактные двигатели.
Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

  • Двигатели с внешним смесеобразованием. Воспламенение воздушно-топливной смеси может выполняться электроискровым разрядом, вырабатываемым системой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, био и другие условно-бесплатные газы);
  • Двигатели с внутренним смесеобразованием (воспламенение от сжатия рабочего тела). Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:
    • Дизельные, работающие на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5 % дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). В этих двигателях сжатию подвергается только воздух, а при достижении поршнем точки максимального сжатия в камеру сгорания впрыскиваеся топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым при сжатии до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.
    • Компрессионные двигатели. В них, в отличие от дизельных, топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях). Такие двигатели требуют особого состава топлива (обычно в его основе — диэтиловый эфир) и точной регулировки степени сжатия, так как от нее зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях;
    • Калильные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт сгорания топлива на предыдущем такте.Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;
  • Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ).

Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД поршневого ДВС не превышает 60%. Остальная тепловая энергия распределяется, в основном, между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:

  • воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха;
  • жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором. Иногда в жидкостных системах в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Основные параметры двигателя

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

  • Верхняя мёртвая точка (в. м. т.) — крайнее верхнее положение поршня.
  • Нижняя мёртвая точка (н. м. т.) — крайнее нижнее положение поршня.
  • Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки
  • Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
  • Такт — часть рабочего цикла, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.
  • Объём камеры сгорания — объём пространства над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке.
  • Рабочий объём цилиндра — объём, освобождаемый поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
  • Полный объем цилиндра — объём пространства над поршнем при нахождении его в нижней мёртвой точке. Полный объём цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сгорания.
  • Литраж двигателя для многоцилиндровых двигателей — это произведение рабочего объёма на число цилиндров.
  • Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.
голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector