Posted in: Разное

Двигатель внутреннего сгорания поршневой: Поршневой двигатель внутреннего сгорания: история создания

Содержание

Поршневой двигатель внутреннего сгорания: история создания

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), использует один или несколько поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, для преобразования давления во вращательное движение. На данный момент это самый распространенный тип двигателя, используемый в автомобилях. Да и не только в них. Поршневые моторы используются в авиации, судоходстве и промышленности.

Первый поршневой двигатель

Макет самоходной тележки и схема ДВС Исаака Де Риваза

К концу 18-го века в мире уже существовали паромобили. Экипажи с паровым двигателем конструировали в Англии и Франции. Однако эти машины были громоздкими и медлительными. Кроме того, создатель самых совершенных на тот момент паровых двигателей Джейм Уатт считал, что для создания быстрых паромобилей потребуется паровой двигатель с высоким давлением в котле, что попросту не безопасно.

Понимал это и французский инженер и по совместительству действующий артиллерийский офицер — Франсуа Исаак де Риваз. Хорошо знакомый с принципом работы пороховой пушки, он задумался, а почему бы для приведения в движение поршня, использовать энергию пороховых газов, а не пара. В 1804 году он построил первый экспериментальный стационарный двигатель. Он работал по следующему принципу: в цилиндр подавалась смесь водорода с воздухом и воспламенялась при помощи электрического разряда. Фактически Риваз создал первый поршневой двигатель внутреннего сгорания.

В 1807 году изобретатель собрал первый экипаж с мотором собственной конструкции. На четырехколесной базе находился однопоршневой ДВС, без механизма газораспределения, а подача топливной смеси контролировалась вручную. Такой вот примитивный автомобиль смог преодолеть лишь 100 метров. Через шесть лет Риваз собрал новый экипаж куда больших размеров. Он имел длину 6 м, диаметр колес 2 м и весил около тонны. На этот раз мотор работал на смеси из светильного газа и воздуха. Груженая камнями машина смогла преодолеть 26 метров со скоростью 3 км/ч. За один рабочий ход поршня, автомобиль передвигался на 4-6 метров. Конечно с такими характеристиками коммерческая эксплуатация такого ДВС была невозможна, но это было только начало.

Дальнейшее развитие

1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год

Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.

Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.

В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.

Deutz AG

В 1864 году Николаус Отто и Ойген Ланге основали собственную фирму — N. A. Otto & Cie. Все началось маленького производственного цеха, где компаньоны собственноручно собирали первые двигатели. Позднее в компанию пришли такие небезызвестные для автомобильной индустрии люди как Вильгельм Майбах, Этторе Бугатти и Готлиб Даймлер. Последний с 1872 года занимал должность технического директора. В том же году компания меняет название на Gasmotoren-Fabrik Deutz AG.

В 1875 году случилось знаковое событие, которое навсегда перевернуло индустрию. Николаус Отто создал первый успешно работающий четырехтактный ДВС. В отличие от мотора Ленуара, новый двигатель работал намного эффективнее. Уже на первых порах его термический КПД превысил 15%. Кроме того он получился мощнее и экономичнее. Фактически новый мотор Отто послужил началом конца паровых машин.

Интересно посмотреть на характеристики этого двигателя. Одноцилиндровый мотор объемом в 6,1-литра развивал 3 л.с. при 180 об/мин. К примеру 18-литровый агрегат Ленуара развивал всего 2 л.с. Кроме того двигатель Отто был почти в 5 раз экономичнее. В результате новый, более эффективный мотор быстро вытеснил двигатель Ленуара с рынка.

Первый поршневой бензиновый двигатель

Мотоцикл Daimler Reitwagen, эскиз из патента 1885 года

Между тем, Николаус Отто видел свой мотор только в качестве стационарного. Но его соратник Готлиб Даймлер, активно агитировал шефа применить ДВС на транспорте. Отто был против, поэтому в 1880 году прихватив с собой Майбаха, Даймлер покинул Deutz AG.

Два инженера сосредоточились на единственной задаче — создать легкий, достаточно мощный поршневой двигатель, пригодный для установки на колесное шасси. Проблема состояла в том, что двигатель конструкции Отто работал на газе и требовал газогенератор. Даймлер и Майбах решили разработать мотор на жидкостном топливе, дабы избавиться от массивного преобразователя. Дело это было не простое, так как на тот момент еще не существовало способа создать оптимальную топливно-воздушную смесь на которой бы двигатель работал устойчиво. Решением проблемы стал испарительный карбюратор разработанный Майбахом в 1885 году. Карбюратор позволил построить бензиновый ДВС(Standuhr) объемом 100 см3 и мощностью 1 л.с., который работал достаточно устойчиво и стабильно. В том же году, немного уменьшенный Standuhr мощностью в 0,5 л.с. разместили на деревянном велосипеде получив тем самым первый в мире мотоцикл. А спустя год и автомобиль.

С тех пор поршневой двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь. Однако его четырехтактный принцип работы остался неизменен. Сегодня в мире насчитывается более 1,2 млрд. автомобилей и большинство из них оснащены ДВС.

Поршневой двигатель — Reciprocating engine

В двигателе используется один или несколько поршневых поршней.

Поршневой двигатель внутреннего сгоранияКомпоненты типичного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Поршневой двигатель , также часто известный как поршневой двигатель , обычно представляет собой тепловой двигатель (хотя есть также пневматические и гидравлические поршневые двигатели) , которые использует один или несколько возвратно — поступательное движение поршней для преобразования давления в вращательное движение . В этой статье описаны общие черты всех типов. Основными типами являются: двигатель внутреннего сгорания , широко используемый в автомобилях; паровой двигатель , опора промышленной революции ; и нишевое применение двигателя Стирлинга . Двигатели внутреннего сгорания далее классифицируются по двум направлениям: либо двигатель с искровым зажиганием (SI) , где свеча зажигания инициирует сгорание; или двигатель с воспламенением от сжатия (CI) , где воздух внутри цилиндра сжимается, таким образом нагревая его , так что нагретый воздух воспламеняет топливо, которое впрыскивается тогда или раньше .

Общие черты всех типов

Изображение поршневого двигателя с трассировкой лучей

Может быть один или несколько поршней. Каждый поршень находится внутри цилиндра , в который газ вводится либо уже под давлением (например, паровой двигатель ), либо нагревается внутри цилиндра либо за счет воспламенения топливно-воздушной смеси ( двигатель внутреннего сгорания ), либо за счет контакта с горячим теплообменником. в цилиндре ( двигатель Стирлинга ). Горячие газы расширяются, толкая поршень ко дну цилиндра. Это положение также известно как нижняя мертвая точка (НМТ), или когда поршень образует наибольший объем в цилиндре.

Поршень возвращается в цилиндре сверху ( верхняя мертвая точка ) (ВМТ) с помощью маховика , мощность от других поршней , подключенных к одной и той же оси или (в двойном действии цилиндра ) с помощью того же процесса , действующим на другой стороне поршня . Именно здесь поршень образует наименьший объем цилиндра. В большинстве типов расширенные или « отработанные » газы удаляются из цилиндра этим ходом . Исключение составляет двигатель Стирлинга , который многократно нагревает и охлаждает одно и то же количество газа в закрытом состоянии. Ход — это просто расстояние между ВМТ и НМТ, или наибольшее расстояние, которое поршень может пройти в одном направлении.

В некоторых конструкциях поршень может приводиться в действие в обоих направлениях в цилиндре, и в этом случае говорят, что он имеет двойное действие .

Паровой поршневой двигатель
Помеченная схематическая диаграмма типичного одноцилиндрового парового двигателя двойного действия простого расширения высокого давления. Отбор мощности от двигателя осуществляется ремнем.
  1. Поршень
  2. Шток поршня
  3. Подшипник крейцкопфа
  4. Шатун
  5. Кривошип
  6. Эксцентриковое движение клапана
  7. Маховик
  8. Скользящий клапан
  9. Центробежный регулятор

В большинстве типов линейное движение поршня преобразуется во вращательное движение через шатун и коленчатый вал , наклонную шайбу или другой подходящий механизм. Маховик часто используются , чтобы обеспечить плавное вращение или для хранения энергии , чтобы нести двигатель через незапитанную часть цикла. Как правило, чем больше цилиндров имеет поршневой двигатель, тем без вибрации (плавность) он может работать. Мощность поршневого двигателя пропорциональна объему комбинированного рабочего объема поршней.

Между скользящим поршнем и стенками цилиндра должно быть сделано уплотнение, чтобы газ под высоким давлением над поршнем не просачивался мимо него и не снижал эффективность двигателя. Это уплотнение обычно обеспечивается одним или несколькими поршневыми кольцами . Это кольца из твердого металла, которые подпружинены в кольцевой канавке в головке поршня. Кольца плотно прилегают к канавке и слегка прижимаются к стенке цилиндра, образуя уплотнение, и более сильно, когда более высокое давление сгорания перемещается к их внутренним поверхностям.

Обычно такие двигатели классифицируют по количеству и расположению цилиндров, а также по общему объему вытеснения газа поршнями, движущимися в цилиндрах, обычно измеряется в кубических сантиметрах (см3 или куб.см), литрах (л) или (л) (США: литр). Например, для двигателей внутреннего сгорания одно- и двухцилиндровые конструкции распространены в небольших транспортных средствах, таких как мотоциклы , в то время как автомобили обычно имеют от четырех до восьми, а локомотивы , а корабли могут иметь дюжину цилиндров или больше. Объем цилиндров может варьироваться от 10 см³ и менее в модельных двигателях до тысяч литров в двигателях судов.

Степень сжатия влияет на производительность в большинстве типов поршневых двигателей.

Это соотношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижней части своего хода, и объемом, когда поршень находится в верхней части своего хода.

Отношение диаметра цилиндра к ходу поршня — это отношение диаметра поршня, или «отверстия», к длине хода внутри цилиндра, или «ходу». Если это около 1, двигатель называется «квадратным», если он больше 1, т. Е. Диаметр диаметра больше, чем ход поршня, это «квадратный». Если он меньше 1, т. Е. Ход больше диаметра отверстия, это «под квадрат».

Цилиндры могут быть выровнены в линию , V-образную конфигурацию , горизонтально друг напротив друга или радиально вокруг коленчатого вала. В двигателях с оппозитными поршнями два поршня работают на противоположных концах одного и того же цилиндра, и это было расширено до треугольных механизмов, таких как Napier Deltic . В некоторых конструкциях цилиндры приводятся в движение вокруг вала, например, роторный двигатель .

Поршневой двигатель Стирлинга Ромбический привод — Бета-конструкция двигателя Стирлинга, показывающая второй поршень буйка (зеленый) внутри цилиндра, который направляет рабочий газ между горячим и холодным концом, но сам не производит энергии.
  1.   Стенка горячего цилиндра
  2.   Стенка холодного цилиндра
  1.   Поршень буйка
  2.   Силовой поршень
  3.   Маховики

В паровых двигателях и двигателях внутреннего сгорания клапаны необходимы для обеспечения входа и выхода газов в правильные моменты цикла поршня. Они приводятся в действие кулачками, эксцентриками или кривошипами, приводимыми в движение валом двигателя. В ранних конструкциях использовался золотниковый клапан D, но его в значительной степени вытеснили поршневые или тарельчатые клапаны . В паровых двигателях точка поршневого цикла, в которой закрывается впускной паровой клапан, называется отсечкой, и ею часто можно управлять, чтобы регулировать крутящий момент, создаваемый двигателем, и повышать эффективность. В некоторых паровых машинах действие клапанов можно заменить колеблющимся цилиндром .

Двигатели внутреннего сгорания работают через последовательность тактов, которые впускают и удаляют газы в цилиндр и из него. Эти операции повторяются циклически, и двигатель называется 2-тактным , 4-тактным или 6-тактным в зависимости от количества тактов, необходимых для завершения цикла.

В некоторых паровых двигателях цилиндры могут иметь различный размер, при этом цилиндр с наименьшим внутренним диаметром работает с паром самого высокого давления. Затем он последовательно подается через один или несколько цилиндров с увеличивающимся диаметром цилиндра для извлечения энергии из пара при все более низком давлении. Эти двигатели называются составными двигателями .

Помимо мощности, которую может производить двигатель, среднее эффективное давление (MEP) также можно использовать для сравнения выходной мощности и производительности поршневых двигателей того же размера. Среднее эффективное давление — это фиктивное давление, которое будет производить такое же количество чистой работы, которое было произведено во время цикла рабочего хода. Об этом свидетельствуют:

W net = MEP × Площадь поршня × Ход = MEP × Рабочий объем

и поэтому:

MEP = Вт нетто / Рабочий объем

Какой бы двигатель с большим значением MEP не производил больше чистой работы за цикл и работал более эффективно.

История

Ранним известным примером преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение является кривошипно-шатунный механизм. Первые кривошипы с ручным приводом появились в Китае во времена династии Хань (202 г. до н.э. — 220 г. н.э.). Китайцы использовали кривошипно-шатунную тягу для работы квернов еще во времена династии Западная Хань (202 г. до н.э. — 9 г. н.э.). В конце концов, кривошипно-шатуны были использованы для взаимного преобразования вращательного и возвратно-поступательного движения для других приложений, таких как просеивание муки, намоточные машины, прялки с педалями и сильфоны печи, приводимые в движение лошадьми или водяными колесами. Несколько лесопильные в римской Азии и Византийской Сирии в течение 3-го века нашей эры 6 — был чудак и шатун механизм , который преобразуется вращательным движением водяного колеса в прямолинейное движение пильного полотна. В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел коленчатый вал .

Поршневой двигатель был разработан в Европе в 18 веке, сначала как атмосферный двигатель, а затем как паровой . Они были затем двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания , в 19 — м веке. Сегодня наиболее распространенной формой поршневого двигателя является двигатель внутреннего сгорания, работающий на сгорании бензина , дизельного топлива , сжиженного нефтяного газа (LPG) или сжатого природного газа (CNG) и используемый для питания автомобилей и силовых установок .

Одним из примечательных поршневых двигателей времен Второй мировой войны был 28-цилиндровый радиальный двигатель Pratt & Whitney R-4360 Wasp Major мощностью 3500  л.с. (2600 кВт) . На нем устанавливалось последнее поколение больших самолетов с поршневыми двигателями, до того как с 1944 года на смену им пришли реактивные двигатели и турбовинтовые самолеты. Он имел общий объем двигателя 71,5 л (4360 куб. Дюймов) и высокое соотношение мощности к массе.

Самый крупный поршневой двигатель, производимый в настоящее время, но не самый большой из когда-либо построенных, — это двухтактный дизельный двигатель с турбонаддувом RTA96-C с турбонаддувом 2006 года выпуска, построенный Wärtsilä . Он используется для питания крупнейших современных контейнеровозов, таких как Emma Mærsk . Его высота составляет пять этажей (13,5 м или 44 фута), длина 27 м (89 футов), а его масса составляет более 2300 метрических тонн (2500 коротких тонн) в самой большой версии с 14 цилиндрами и мощностью более 84,42 МВт (114800 л.с.). Каждый цилиндр имеет объем 1820 л (64 куб. Футов), что составляет 25 480 л (900 куб. Футов) для самых больших версий.

Мощность двигателя

Для поршневых двигателей мощность двигателя — это рабочий объем двигателя , другими словами, объем, охватываемый всеми поршнями двигателя за одно движение. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах (cid, cu in или in³) для более крупных двигателей и в кубических сантиметрах (сокращенно cc) для двигателей меньшего размера. При прочих равных, двигатели с большей мощностью являются более мощными, и соответственно увеличивается расход топлива (хотя это верно не для каждого поршневого двигателя), хотя на мощность и расход топлива влияют многие факторы, помимо рабочего объема двигателя.

Сила

Поршневые двигатели могут быть охарактеризованы их удельной мощностью , которая обычно выражается в киловаттах на литр рабочего объема двигателя (в США также лошадиные силы на кубический дюйм). Результат дает приблизительное значение максимальной выходной мощности двигателя. Это не следует путать с топливной экономичностью , поскольку для высокой эффективности часто требуется обедненное соотношение топлива и воздуха и, следовательно, более низкая удельная мощность. Двигатель современного высокопроизводительного автомобиля вырабатывает более 75 кВт / л (1,65 л.с. / дюйм 3 ).

Другие современные типы без внутреннего сгорания

Поршневые двигатели, приводимые в действие сжатым воздухом, паром или другими горячими газами, все еще используются в некоторых приложениях, например, для привода многих современных торпед или в качестве экологически чистой движущей силы. В большинстве систем с паровым приводом используются паровые турбины , которые более эффективны, чем поршневые двигатели.

В автомобилях FlowAIR французской разработки используется сжатый воздух, хранящийся в цилиндре, для приведения в действие поршневого двигателя городского транспортного средства, не загрязняющего окружающую среду.

Торпеды могут использовать рабочий газ, произведенный перекисью с высоким содержанием перекиси водорода или топливом Отто II , который создает давление без сгорания. Например, торпеда Mark 46 весом 230 кг (510 фунтов) может проехать 11 км (6,8 мили) под водой со скоростью 74 км / ч (46 миль в час), заправленная топливом Отто без окислителя .

Возвратно-поступательный квантовый тепловой двигатель

Квантовые тепловые двигатели — это устройства, которые вырабатывают энергию из тепла, которое течет из горячего резервуара в холодный. Механизм работы двигателя можно описать законами квантовой механики . Квантовые холодильники — это устройства, которые потребляют электроэнергию с целью перекачки тепла из холодного резервуара в горячий.

В возвратно-поступательном квантовом тепловом двигателе рабочим телом является квантовая система, такая как спиновые системы или гармонический осциллятор. Цикл Карно и циклом Отто являются те , наиболее изученными. Квантовые версии подчиняются законам термодинамики . Кроме того, эти модели могут подтвердить предположения необратимой термодинамики . Теоретическое исследование показало, что возможно и практично построить поршневой двигатель, состоящий из одного колеблющегося атома. Это область будущих исследований, которая может найти применение в нанотехнологиях .

Разные двигатели

Существует большое количество необычных разновидностей поршневых двигателей, которые обладают различными заявленными преимуществами, многие из которых практически не используются, если вообще используются:

Смотрите также

Примечания

внешние ссылки

Виды ДВС

В нижнеклапанном двигателе (в США известном как L-head или Flathead) клапаны расположены в блоке, по бокам цилиндров в один ряд, тарелками вверх. Распредвал тоже находится в блоке под клапанами, на одном уровне с коленчатым валом. Такая конструкция наиболее простая в изготовлении и обслуживании; двигатель достаточно надёжный, работает тихо и имеет легко съёмную головку блока. В то же время нижнеклапанный мотор из-за длинных подходов для топливной смеси и сложной формы камеры сгорания является низкооборотным и не может иметь высокой степени сжатия (следовательно, бывает только бензиновым). Это существенно снижает его мощность и экономичность в сравнении с верхнеклапанными силовыми агрегатами. Нижнеклапанные ДВС устанавливались на большинство довоенных автомобилей (кроме спортивных), а в 50-е гг. полностью исчезли в связи с появлением топлива с высоким октановым числом.

Разновидностью нижнеклапанного типа ГРМ является схема T-head, когда впускные клапаны расположены с одной стороны блока цилиндров, а выпускные — с другой, при этом распределительных вала два. Также существовали двигатели со смешанным расположением клапанов (F-head), с верхними впускными, боковыми выпускными клапанами и одним распредвалом в блоке.

В верхнеклапанном двигателе типа OHV клапаны находятся в головке блока цилиндров, а распредвал — в самом блоке; привод клапанов осуществляется штангами-толкателями и коромыслами. Как правило, эта схема применяется только с двумя клапанами на цилиндр. В рядных двигателях распредвал установлен сбоку, в V-образных — в зазоре между блоками цилиндров. Преимущества такого ГРМ — в простоте конструкции, долговечности и компактных размерах, недостатки — в низких оборотах, крутящем моменте и мощности двигателя. Традиционно моторы OHV были распространены в США, где недостаток удельной мощности обычно компенсировался большим рабочим объёмом двигателя. В наше время механизм OHV уже практически не используется на легковых автомобилях. В двигателях типа OHC (Overhead Camshaft) клапаны и распределительный вал расположены в головке блока цилиндров. В качестве привода клапанов используются цилиндрические толкатели, рычаги (рокеры) или коромысла. Из-за удалённости распредвала от коленчатого вала его привод (ременной или цепной) имеет ограниченный ресурс. Схема SOHC предполагает один верхний распределительный вал, который управляет как впускными, так и выпускными клапанами. Применяется на моторах с двумя клапанами на цилиндр. Если двигатель имеет V-образную или оппозитную конфигурацию, он комплектуется двумя распредвалами (по одному на каждый блок). Разновидность верхнеклапанной системы OHC с двумя распределительными валами в головке блока цилиндров. Самая сложная и высокотехнологичная схема, обеспечивающая максимальную производительность. Существует несколько вариантов двигателей DOHC: с двумя клапанами на цилиндр, когда один распредвал действует на впускные клапаны, второй — на выпускные; или с тремя, четырьмя, пятью или шестью клапанами на цилиндр, когда каждый распредвал приводит в движение свой ряд клапанов. В V-образных и оппозитных двигателях система DOHC означает наличие четырёх распредвалов (по два на каждый блок), в W-образных — шести или восьми распредвалов. Сегодня большинство легковых автомобилей оснащаются двигателями DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр.

Общее уcтройство и характерные параметры поршневых двигателей

Поршневые двигатели внутреннего сгорания представляют собой комплекс механизмов и систем, обеспечивающий преобразование в механическую работу части тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива непосредственно в цилиндрах.

Рис. Схема устройства типичного поршневого двигателя внутреннего сгорания:
а) продольный вид; б) поперечный вид

Схема типичного поршневого двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке. В зависимости от назначения и класса таких двигателей их конструкции имеют различную сложность, но все они состоят из следующих основных деталей: цилиндра 5, крышки цилиндра 1, поршня 4 , шатуна 14, вала 8, маховика 7 и картера 6.

Цилиндр, его крышка, картер и различные вспомогательные корпусные и прочие неподвижные элементы конструкции двигателя прочно скрепляются между собой с помощью резьбовых соединений, а некоторые из них, как картер и цилиндры, в автомобильных двигателях часто отливаются совместно.

Цилиндр 5 с помощью фланца крепится к верхней половине картера 6 и закрывается крышкой 1, называемой головкой цилиндра.

Картер служит основанием для цилиндров, в нем также размещается вал 8 двигателя. Картер автомобильных двигателей изготовляется литым, чаще всего разъемным, состоящим из двух половин, стенки его усиливаются ребрами жесткости. Нижней, не несущей его частью является литой или штампованный поддон 9.

В цилиндр 5 вставлен поршень 4, имеющий форму стакана, с повернутым в сторону головки цилиндра днищем. При движении поршня стенки цилиндра служат для него направляющими. Уплотняется цилиндр поршневыми кольцами 2. В полости цилиндра, заключенной между днищем поршня и крышкой 7, происходят все основные и вспомогательные процессы, связанные с окислением (сжиганием) топлива и преобразованием части выделяющегося при этом тепла в механическую работу.

Перемещение поршня в цилиндре передается на вал 8 с помощью связующего их звена — шатуна 14, имеющего форму профильного стержня с двумя головками. Одна головка, соединяющая его стержень с шейкой 11 колена или кривошипа вала 8, называется большой, или нижней, головкой. Другая головка, через отверстие которой проходит поршневой палец 3, обеспечивающий необходимое шарнирное соединение шатуна с поршнем, называется малой или верхней головкой.

Длина шатуна определяется величиной l, равной расстоянию между осями его верхней и нижней головок. Для каждого цилиндра или группы их на валу 8 имеется отдельное колено, образованное цапфой 11 кривошипа, щеками 10 и опорными шейками 13, поэтому вал двигателя называют коленчатым.

Размер кривошипа (колена) определяется радиусом r, равным расстоянию между осью вращения коленчатого вала и осью цапфы кривошипа.

В двигателях с разъемным картером коленчатый вал вращается в опорных подшипниках 12, расположенных в верхней части картера 6. Эти подшипники и соответствующие им опорные шейки 13 коленчатого вала называют коренными. Цапфу 11 кривошипа, шарнирно связывающую вал 8 с нижней головкой шатуна 14, в двигателях автомобильного типа называют шатунной шейкой.

В судовых и стационарных двигателях цапфу кривошипа называют иногда мотылевой; коренные шейки 13 — рамовыми, а часть корпуса (остова), несущую коренные опоры, — рамой.

На коленчатом валу 8 крепится маховик 7, выполненный в виде литого диска с массивным ободом. Энергия маховика, накапливаемая им при вращении, расходуется на вспомогательные процессы в цилиндре двигателя. В одноцилиндровых двигателях кинетическая энергия маховика обеспечивает вывод кривошипно-шатунного механизма из мертвых (крайних) его положений.

Безразмерной характеристикой кривошипно-шатунного механизма считают отношение радиуса r кривошипа к длине l шатуна. В поршневых двигателях внутреннего сгорания это отношение определяется из условий незадевания шатуна за стенку цилиндра и поршня о коренные подшипники при внешнем крайнем его положении.

В двигателе с кривошипно-шатунным механизмом возвратнопоступательное движение поршня вдоль оси цилиндра вызывает вращательное движение коленчатого вала около своей продольной оси, расположенной перпендикулярно коси цилиндра. И, наоборот, вращение коленчатого вала вызывает соответствующее перемещение поршня в цилиндре.

Для двигателя, схематично изображенного на рисунке, наибольшее перемещение поршня или его ход равен удвоенному радиусу кривошипа:

S = 2r

Следовательно, ход поршня — это расстояние между двумя крайними его положениями в цилиндре, занимаемыми им последовательно при каждом полуобороте вала двигателя (через каждые 180° поворота). Положение поршня, при котором он максимально удален от оси коленчатого вала, условно называется внутренней или верхней мертвой точкой (сокращенно в.м.т.), а положение, при котором поршень находится на минимальном расстоянии от оси вала, называется наружной или нижней мертвой точкой (н.м.т.).

Необходимо отметить, что мертвые точки присущи механизму и соответствуют таким двум положениям кривошипа (или колена), при которых шатун и кривошип вытянуты в одну линию, как это имеет место в рассматриваемом соосном механизме (ось цилиндра в котором пересекается с осью коленчатого вала). В общем случае мертвыми точками называют такие положения, при которых поршень меняет направление своего движения, и скорость его перемещения становится равной нулю.

Ход поршня S и диаметр цилиндра D относятся к главным оценочным параметрам двигателя, определяющим основные его размеры. В поршневых двигателях отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D изменяется примерно в пределах от 0,7 до 2,2. Если двигатель имеет S/D < 1,0, то его называют короткоходным. Современные автомобильные двигатели в основном, строятся короткоходными.

Объем, описываемый поршнем при его перемещении от в.м.т. до н.м.т., называется рабочим объемом цилиндра и обозначается Vh. Сумма рабочих объемов всех цилиндров в многоцилиндровых двигателях называется рабочим объемом, или литражом, двигателя так как рабочий объем чаще всего выражается в литрах.

Объем, образующийся в надпоршневой полости при положении поршня в в.м.т., называется объемом камеры сжатия или объемом камеры сгорания и обозначается Vr. Камеры сгорания двигателей часто имеют сложную геометрическую форму, поэтому действительный объем их определяют экспериментально.

Сумма рабочего объема цилиндра и объема его камеры сжатия называется полным объемом цилиндра. Полный объем цилиндра:

Va = Vh+Vc,

т. е. это объем, образующийся в надпоршневой полости цилиндра, когда поршень находится в н.м.т.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия.

Эта величина показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочего тела, находящегося в цилиндре при перемещении поршня от одного крайнего его положения к другому, т. е. из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку. В зависимости от типа и назначения поршневых двигателей степень сжатия для них выбирают в пределах 5—22. Автомобильные двигатели строятся со степенями сжатия 7—9 и выше, если это не ограничивается свойствами топлива или другими факторами, оказывающими неблагоприятное влияние на работу данного типа двигателя. Принятая степень сжатия как оценочный параметр предопределяет экономичность и мощность данного двигателя.

принцип работы и недостатки — «ИнфоСорт»

Содержание статьи:

Поршневой двигатель внутреннего сгорания в наше время является самым популярным, его устанавливают на большую часть автомобилей. Мы рассмотрим принцип работы ДВС и его недостатки.

ДВС появился в начале XX века и он пришел на смену паровым двигателям, а в наше время остается одним из самых эффективных двигателей, но это будет длиться до того, пока на смену ДВС массово не придут электродвигатели. Уже сейчас некоторые модели появляются сразу с обоими типами двигателей : ДВС и электродвигатель, такие системы называют гибридами. Но а пока ДВС не остались позади рассмотрим принципы его работы и существующие недостатки.

Определение, особенности ДВС

В процессе развития науки и техники конструкция ДВС постоянно совершенствовались. Двигатели сумели доказать свою эффективность. Так появились поршневые двигатели внутреннего сгорания и как подвид – карбюраторные и инжекторные моторы. Можно выделить дизельные двигатели, роторно-поршневые и газотурбинные агрегаты.

Бензиновые ДВС

Традиционный поршневой мотор оснащен внутренней камерой сгорания. Это цилиндр внутри блока двигателя. При горении топлива выделяется энергия, которая затем превращается в механическое движение коленчатого вала. За счет поступательного движения поршней, которые воздействуют на систему из шатунов и коленчатого вала, получается вращение маховика. Можно подробней ознакомиться с конструкцией в соответствующем ГОСТ двигателя внутреннего сгорания поршневого.

Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания отличается тем, что рабочая смесь топлива и воздуха готовится в специальном устройстве – карбюраторе. Смесь впрыскивается в цилиндры за счет разряжения. Далее она воспламеняется благодаря свече зажигания.

Инжекторный ДВС имеет более современную конструкцию. Здесь вместо традиционного механического устройства в системе питания имеются электронные форсунки. Они отвечают за впрыск точных порций горючего непосредственно в цилиндры двигателя.

Дизельные ДВС

Дизельный поршневой двигатель внутреннего сгорания имеет определенные конструктивные и принципиальные отличия от бензиновых ДВС.

Если в бензиновом агрегате для воспламенения используется искра от свечи, то в дизельных работает другой принцип и свечей кроме накала здесь нет. Дизельное топливо попадает в цилиндры через форсунки, смешивается с воздухом, а затем вся эта смесь сжимается, вследствие чего нагревается до температуры горения.

Роторно-поршневые

Роторно-поршневой двигатель существенно отличается от традиционных ДВС. Газы воздействуют на специальные детали и элементы. Так, под воздействием газов подвижный ротор движется в специальной камере в форме восьмерки. Камера выполняет функции поршней, ГРМ и коленвала. Камера имеет форму «восьмерки».

Комбинированные агрегаты

В газотурбинных двигателях внутреннего сгорания тепловая энергия превращается в механическую за счет вращения специального ротора со специальными лопатками. Этот ротор приводит в действие вал турбины.

Специальные поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания (а это газотурбинные моторы и роторные) можно смело заносить в красную книгу. Сегодня роторно-поршневой мотор изготавливает лишь японская Mazda. Crysler однажды выпустил опытную серию газотурбинных ДВС, однако это было в 60-х и больше к данному вопросу никто из автопроизводителей не возвращался по сегодняшний день.

В Советском Союзе газотурбинные ДВС устанавливали на танки и десантные корабли, однако и там в дальнейшем решено было отказаться от агрегатов данной конструкции.

Устройство ДВС

Двигатель представляет единый механизм. Он состоит из блока цилиндров, деталей кривошипно-шатунного механизма, механизма ГРМ, системы впрыска и выпуска.

Внутри блока цилиндров расположена камера сгорания, где непосредственно воспламеняется топливно-воздушная смесь, а продукты сгорания приводят в действие поршни. Посредством кривошипно-шатунного механизма энергия сгорания топлива передается на коленчатый вал. Механизм ГРМ необходим для обеспечения своевременного открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.

Принцип действия

При запуске двигателя в цилиндры через впускной клапан впрыскивается смесь топлива и воздуха и поджигается от искры на свече зажигания, сгенерированной системой зажигания. При горении образуются газы. Когда происходит тепловое расширение, вследствие избыточного давления поршень начинает двигаться, вращая тем самым коленчатый вал.

Работа поршневых двигателей циклична. В цикле поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть от двух до четырех тактов. Циклы в процессе работы мотора повторяются несколько сотен раз за одну минуту. Так коленчатый вал может непрерывно вращаться.

Двухтактный ДВС

Когда мотор запускается, то поршень приводится в движения за счет поворота коленчатого вала. Когда поршень достигнет положения нижней мертвой точки и начнет двигаться вверх, в цилиндр будет подана топливно-воздушная смесь.

При движении вверх поршень начнет сжимать смесь. Когда поршень достигнет верхнего положения, будет сгенерирована искра. Топливно-воздушная смесь воспламенится. Расширяясь, газы будут толкать поршень вниз.

В этот момент откроется выпускной клапан, через который продукты сгорания смогут выйти из камеры. Далее снова дойдя до нижней мертвой точки, поршень начнет свой путь в ВМТ. Все эти процессы проходят за один оборот коленчатого вала.

Когда поршень начнет новое движение, откроется впускной клапан и новая порция топливно-воздушной смеси заместит собой отработанные газы. Весь процесс начнется заново. Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания совершает меньшее число движений в отличии от четырехтактного. Снижены потери на трение, но выделяется больше тепла.

Механизм газораспределения заменяется поршнем. В процессе движения поршня открываются и закрываются впускные и выпускные отверстия в блоке цилиндров. По сравнению с четырехтактным силовым агрегатом, газообмен в двухтактном моторе – это главный недостаток. В момент выхода отработанных газов теряется эффективность и мощность.

Несмотря на этот недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания двухтактных, они применяются в мопедах, скутерах, в качестве лодочных моторов, в бензопилах.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Четырехтактный ДВС недостатков двухтактного мотора лишен. Такие моторы устанавливаются на большинство автомобилей и прочую технику. Впуск и выпуск отработанных газов – это отдельный процесс, и он не совмещен со сжатием, хотя работает поршневой двигатель внутреннего сгорания от воспламенения смеси. Работа мотора синхронизируется за счет газораспределительного механизма – клапаны открываются и закрываются синхронно с оборотами коленчатого вала. Впуск топливной смеси осуществляется лишь после полного выхода отработанных газов.

Преимущества ДВС

Начать стоит с самых популярных моторов – рядных четырехцилиндровых агрегатов. Среди достоинств – компактность, малый вес, одна ГБЦ, высокая ремонтопригодность.

Среди всех видов ДВС можно выделить еще оппозитные моторы. Они не особо популярные по причине более сложной конструкции. Применяют их преимущественно на гоночных авто. Среди достоинств – отличная первичная и вторичная балансировка, а отсюда и мягкая работа. На коленвал оказывается меньшая нагрузка. Как результат, незначительные потери мощности. Двигатель имеет низкий центр тяжести, а автомобиль лучше управляется.

Рядные шестицилиндровые моторы отлично сбалансированы, а сам агрегат работает очень плавно. Несмотря на большое количество цилиндров, цена производства не очень высокая. Также можно выделить ремонтопригодность.

Недостатки ДВС

Основной недостаток поршневых двигателей внутреннего сгорания – это все же не токсичность и шумность, а слабая эффективность. В ДВС только 20 % энергии затрачивается на собственно механическую работу. Все остальное расходуется на обогрев и другие процессы. Также двигатели выпускают в атмосферы вредные вещества такие, как оксиды азота, угарный газ, различные альдегиды.

Источники: fb.ru

Из чего состоит поршневой двигатель внутреннего сгорания

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 газе. 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

  1. кривошипно-шатунный механизм;
  2. механизм газораспределения;
  3. система питания;
  4. система охлаждения;
  5. система смазки;
  6. система зажигания;
  7. 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 система охлаждения, 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. У дизелей 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.

Загрузка…

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Гленн
Исследовательский центр

В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты двигатели внутреннего сгорания повернуть пропеллеры чтобы генерировать тяга. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов все еще находятся в эксплуатации. с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель.На этой странице мы обсудим основы двигатель внутреннего сгорания с использованием Двигатель братьев Райт 1903 года, показанный на рисунке в качестве примера.

Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как механическая работа машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. Базовая механическая конструкция двигателя Райта: замечательно похож на современный, четырехтактный, четыре цилиндра автомобильные двигатели. Как следует из названия, процесс горения двигателя внутреннего сгорания происходит в закрытом цилиндр .Внутри цилиндра движется поршень, который компрессы смесь топлива и воздуха перед сгоранием, а затем принудительно возвращается вниз по цилиндру после сгорания. На рабочий ход поршень вращает кривошип, который преобразует линейное движение поршень в круговое движение. Поворот коленчатый вал затем используется для поворота воздушного винта. В движение поршня повторяется в термодинамический цикл называется Цикл Отто который был разработан немецким доктором Н. А. Отто в 1876 г. и используется до сих пор.

Хотя между современными авиационные двигатели и двигатель Wright 1903, простота конструкции двигателя Райта делает его хорошей отправной точкой для студентов. Индивидуальные веб-страницы для всех основных систем и части предоставляются так, чтобы вы можете подробно изучить каждый пункт. Вот программа на Java, которую вы можете использовать, чтобы посмотреть на движок из разнообразие локаций:

На этой странице показан интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изменять вид авиационного двигателя 1903 года при нажатии кнопок для остановки, шага или поворота изображение.

Вы можете загрузить свою собственную копию этого апплета, нажав следующую кнопку:

Программа скачивается в формате .zip. Вы должны сохранить файл на диск и затем «Извлеките» файлы. Нажмите на «Engine.html» для автономной работы программы.


Действия:

Экскурсии

Навигация ..


Руководство для начинающих Домашняя страница

Двигатели внутреннего сгорания — Скачать PDF бесплатно

1 Лекция-18, подготовленная в рамках проекта QIP-CD Cell Двигатели внутреннего сгорания Уджвал К. Саха, Ph.D. Департамент машиностроения Индийский технологический институт Гувахати 1

2 Сгорание в двигателе CI Сгорание в двигателе CI сильно отличается от сгорания в двигателе SI. В то время как сгорание в двигателе SI представляет собой по существу фронт пламени, движущийся через гомогенную смесь, сгорание в двигателе CI представляет собой нестационарный процесс, происходящий одновременно во многих точках в очень неоднородной смеси, контролируемой впрыском топлива.Воздухозаборник в двигатель не дросселируется, а крутящий момент двигателя и выходная мощность регулируются количеством топлива, впрыскиваемого за цикл. 2

3 Во время такта сжатия в цилиндре содержится только воздух, а в двигателях с CI используются гораздо более высокие степени сжатия (от 12 до 24). Помимо завихрений и турбулентности воздуха, необходима высокая скорость впрыска для распределения топлива по цилиндру и его смешивания с воздухом.Топливо впрыскивается в цилиндры в конце такта сжатия одной или несколькими форсунками, расположенными в каждом цилиндре. Время впрыска обычно составляет около 20 0 оборотов коленчатого вала (15 0 btdc и 5 0 at dc). 3

4 Давление в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала для двигателя с прямым набором оборотов. A: точка впрыска топлива B: точка воспламенения C: конец впрыска топлива AB: период задержки 4

5 Сгорание в двигателе CI В двигателе CI топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, и топливно-воздушная смесь воспламеняется самопроизвольно.Эти фотографии сделаны в RCM в условиях двигателя CI с вихревым потоком воздуха 1 см 0,4 мс после зажигания 3,2 мс после зажигания 3,2 мс после зажигания Поздняя стадия процесса сгорания 5

6 Измерения в цилиндре Этот график показывает расход впрыска топлива, чистую скорость тепловыделения и давление в цилиндре для двигателя с прямым впрыском CI. Начало впрыска Начало горения Конец впрыска 6

7 Четыре стадии сгорания в двигателях с ХИ Начало впрыска Конец впрыска TC

8 Сгорание в двигателе CI Процесс сгорания проходит в следующие этапы: Задержка зажигания (ab) — топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр к концу такта сжатия.Жидкое топливо распыляется на мелкие капли и проникает в камеру сгорания. Топливо испаряется и смешивается с высокотемпературным воздухом под высоким давлением. Фаза предварительно смешанного сгорания (bc) сгорание топлива, которое смешалось с воздухом до пределов воспламеняемости (воздух с высокой температурой и высоким давлением) в течение периода задержки зажигания, происходит быстро при нескольких углах поворота коленчатого вала. 8

9 Сгорание в двигателе CI, продолжение.При смешивании фазы контролируемого горения (cd) после израсходования предварительно смешанного газа скорость горения регулируется скоростью, с которой смесь становится доступной для горения. На этом этапе скорость горения регулируется в основном процессом смешивания топлива с воздухом. Поздняя фаза сгорания (де) тепловыделение может происходить с меньшей скоростью до такта расширения (во время этой фазы не впрыскивается дополнительное топливо). За это отвечает сгорание несгоревшего жидкого топлива и сажи. 9

10 Типы двигателей CI Две основные категории двигателей CI: i) Прямой впрыск имеет единственную открытую камеру сгорания, в которую впрыскивается непосредственно топливо ii) Камера непрямого впрыска разделена на две области, и топливо впрыскивается в форкамеру. который соединен с основной камерой через сопло или одно или несколько отверстий.10

11 Типы двигателей CI (продолжение) Для очень больших двигателей (стационарная выработка электроэнергии), которые работают на низких оборотах двигателя, время, доступное для перемешивания, велико, поэтому используется тип камеры покоя с прямым впрыском (открытый или неглубокий резервуар в поршне). По мере уменьшения объема двигателя и увеличения частоты вращения увеличивается завихрение для достижения смешения топлива и воздуха (глубокая чаша в поршне).Для небольших высокоскоростных двигателей, используемых в автомобилях, завихрения в камере недостаточно, используется непрямой впрыск, когда сильное завихрение или турбулентность создается в форкамере во время сжатия и продувки продуктов / топлива и смешивания с воздухом в основной камере. 11

12 Типы двигателей CI Свеча накаливания Диафрагма-пластина Прямой впрыск: камера покоя Прямой впрыск: завихрение в камере Непрямое впрыскивание: турбулентная и вихревая форкамера 12

13 Покоящаяся камера прямого впрыска Завихрение форсунки с несколькими отверстиями прямого впрыска в камере Завихрение форсунки с одним отверстием прямого впрыска в камере Предварительная камера 13

14 Горение происходит по всей камере в диапазоне эквивалентных соотношений, продиктованных смешиванием топлива и воздуха до и во время фазы сгорания.Как правило, большая часть сгорания происходит в очень богатых условиях в головной части струи, при этом образуется значительное количество твердого углерода (сажи). Характеристики горения 14

15 Задержка зажигания Задержка зажигания определяется как время (или интервал угла поворота коленчатого вала) от начала впрыска топлива до начала сгорания. И физические, и химические процессы должны произойти до того, как будет высвобождена значительная часть химической энергии закачиваемой жидкости.К физическим процессам относятся распыление топлива распылением, испарение и смешивание паров топлива с воздухом в цилиндрах. Для хорошего распыления требуется высокое давление впрыска топлива, малый диаметр отверстия форсунки, оптимальная вязкость топлива, высокое давление в цилиндре (большой угол расхождения). Скорость испарения капель топлива зависит от диаметра капель, скорости, летучести топлива, давления и температуры воздуха. 15

16 Задержка зажигания Физические процессы — это распыление топлива при распылении, испарение и смешивание паров топлива с воздухом в цилиндре.Химические процессы, аналогичные описанным для явления самовоспламенения в предварительно смешанном топливном воздухе, только более сложны, поскольку также происходят гетерогенные реакции (реакции, происходящие на поверхности капли жидкого топлива). 16

17 Качество воспламенения топлива Характеристики воспламенения топлива влияют на задержку воспламенения. Качество воспламенения топлива определяется его цетановым числом CN.Для топлива с низким цетановым числом задержка воспламенения велика, и большая часть топлива впрыскивается до самовоспламенения и быстро сгорает, в крайних случаях это производит слышимый стук, называемый детонацией дизельного топлива. 17

18 Качество воспламенения топлива Для топлива с высоким содержанием цетанового числа задержка воспламенения короткая, и перед самовоспламенением впрыскивается очень мало топлива, скорость выделения тепла регулируется скоростью впрыска топлива и более плавной работой двигателя при смешивании топлива с воздухом.18

19 Цетановое число Метод, используемый для определения качества зажигания с точки зрения CN, аналогичен методу, используемому для определения качества антидетонации с использованием ON. Шкала цетанового числа определяется смесью двух чистых углеводородных эталонных топлив. По определению, изоцетан (гептаметилнонан, HMN) имеет цетановое число 15, а цетан (н-гексадекан, C 16 H 34) имеет значение

.

20 Цетановое число В исходных процедурах а-метилнафталин (C 11 H 10) с нулевым цетановым числом представлял нижнюю часть шкалы.С тех пор он был заменен HMN, который является более стабильным соединением. Чем выше CN, тем лучше качество зажигания, то есть меньше задержка зажигания. 20

21 Измерение цетанового числа В методе, разработанном для измерения CN, используется стандартизированный одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия. Рабочие условия следующие: Температура на входе (o C) 65,6 Скорость (об / мин) 900 Опережение искры (o BTC) 13 Температура охлаждающей жидкости (o C) 100 Давление впрыска (МПа)

22 Измерение цетанового числа продолж.Когда двигатель работает в этих условиях на тестовом топливе, степень сжатия изменяется до тех пор, пока сгорание не начнется при TC, период задержки зажигания составляет 13 o. Вышеуказанная процедура повторяется с использованием смесей цетана и HMN. Смесь, которая дает задержку воспламенения 13 o при той же степени сжатия, используется для расчета цетанового числа испытательного топлива. 22

23 Цетановое число по сравнению с октановым числом Октановое число и цетановое число топлива обратно пропорциональны. Бензин — плохое дизельное топливо, и наоборот.23

24 Факторы, влияющие на задержку зажигания Время впрыска При нормальных условиях двигателя минимальная задержка происходит с началом впрыска примерно при BTC. Увеличение времени задержки с более ранним или более поздним моментом впрыска происходит из-за температуры и давления воздуха в течение периода задержки. Количество впрыска Для двигателя с ХИ воздух не дросселируется, поэтому нагрузка изменяется путем изменения количества впрыскиваемого топлива. 24

25 факторов, влияющих на задержку зажигания (продолжение)Увеличение нагрузки (bmep) увеличивает остаточный газ и температуру стенки, что приводит к более высокой температуре заряда при впрыске, что приводит к уменьшению задержки зажигания. Увеличение температуры и давления воздуха на впуске приведет к уменьшению задержки зажигания, увеличение степени сжатия имеет тот же эффект. 25

26 факторов, влияющих на задержку зажигания (датчик) 26

27 факторов, влияющих на период задержки (DP) 1.Степень сжатия: DP уменьшается с увеличением CR. 2. Обороты двигателя: DP уменьшается с увеличением частоты вращения двигателя. 3. Выходная мощность: DP уменьшается с увеличением выходной мощности. 4. Распыление топлива: DP уменьшается с увеличением степени распыления. 5. Качество топлива: DP уменьшается с увеличением цетанового числа. 6. Темп. Впуска. & Давление: DP уменьшается с увеличением температуры и давления. 27

28 Влияние задержки зажигания 28

29 Детонация в двигателях CI Детонация в двигателях SI и CI принципиально схожа.В двигателях SI это происходит ближе к концу сгорания; тогда как в двигателях CI это происходит в начале сгорания. Детонация в двигателях CI связана с периодом задержки. Чем больше DP, тем больше и больше капель топлива будет скапливаться в камере сгорания. Это приводит к слишком быстрому росту давления из-за воспламенения, что приводит к заклиниванию сил на поршень и плохой работе двигателя. Когда DP слишком велик, скорость повышения давления почти мгновенная, с большим накоплением топлива.29

30 Детонация в двигателях SI и CI 30

31 Ссылки 1. Крауз У.Х. и Энглин Д.Л. (1985), Автомобильные двигатели, Тата МакГроу Хилл. 2. Истоп Т.Д. и МакКонки А. (1993), Прикладная термодинамика для англ. Технологи, Эддисон Висли. 3. Фергусан ЧР, и Киркпатрик А.Т., (2001), Двигатели внутреннего сгорания, John Wiley & Sons. 4. Ганесан В. В. (2003), Двигатели внутреннего сгорания, Тата МакГроу Хилл. 5.Гилл П. У., Смит Дж. Х. и Зиурис Э. Дж. (1959), Основы двигателей I. C. Engines, Оксфорд и IBH Pub Ltd. 6. Хейслер Х, (1999), Технологии транспортных средств и двигателей, издательство Arnold Publishers. 7. Хейвуд Дж. Б. (1989), Основы двигателя внутреннего сгорания, McGraw Hill. 8. Хейвуд Дж. Б. и Шер Е. (1999), Двухтактный двигатель, Тейлор и Фрэнсис. 9. Джоэл Р. (1996), Основы инженерной термодинамики, Аддисон-Уэсли. 10. Матур М.Л. и Шарма Р.П. (1994), Курс двигателей внутреннего сгорания, Дханпат Рай и сыновья, Нью-Дели.11. Пулкрабек В.В., (1997), Основы проектирования I.C. Engine, Prentice Hall. 12. Роджерс Г.Ф.К. и Мэйхью Ю.Р. (1992), Техническая термодинамика, Аддисон-Висли. 13. Сринивасан С. (2001), Автомобильные двигатели, Тата МакГроу Хилл. 14. Стоун Р. (1992), Двигатели внутреннего сгорания, Макмиллан Пресс Лимитед, Лондон. 15. Тейлор К.Ф., (1985), Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике, том 1 и 2, MIT Press, Кембридж, Массачусетс. 31

32 Интернет-ресурсы me429 / lecture-air-cyc-web% 5b1% 5d.ppt ppt / secondary / powerpoint / sge-parts.ppt

Система силового цилиндра для двигателей внутреннего сгорания

1. Введение

Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горючего топлива в механическую энергию, которая перемещает поршень и, в конечном итоге, коленчатый вал . Этот процесс преобразования энергии происходит в системе силового цилиндра двигателя. Система силового цилиндра состоит из следующих компонентов: поршень, поршневые кольца, гильза цилиндра, палец на запястье и шатун.

Поршень — это основной компонент, который передает механическую энергию возвратно-поступательным движением. И это возвратно-поступательное движение передается во вращательное движение коленчатого вала для вывода мощности через шатун. Малый конец шатуна соединен с поршнем через палец на запястье, а большой конец шатуна соединен с коленчатым валом. Горение происходит над поршнем в камере сгорания, которая уплотнена кольцевым пакетом, особенно при верхнем сжатии кольцевого пакета.На рисунке 1 показаны эти основные компоненты системы силового цилиндра.

Рисунок 1.

Система силового цилиндра.

Полный цикл двигателя для четырехтактного двигателя состоит из четырех различных тактов, а также возвратно-поступательного движения поршня. Эти четыре хода представляют собой такт впуска, такта сжатия, такта расширения и такта выпуска, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Четыре такта для полного цикла двигателя.

Что касается современного дизельного двигателя, который известен своим лучшим КПД по сравнению с его бензиновым аналогом, только около 40% энергии, производимой двигателем, преобразуется в выходную мощность двигателя.Около 4–15% этой энергии тратится на потери на механическое трение. А остальная часть энергии, которая составляет почти половину химической энергии, рассеивается в виде других форм, например, теплопередачи, утечки и т. Д., Как показано на рисунке 3 из исследования Ричардсона [1].

Рисунок 3.

Распределение мощности для дизельных двигателей.

И примерно половина механических потерь на трение приходится на трение в системе силового цилиндра, включая поршень, кольцевой пакет и шатун, как показано на Рисунке 4 [1].Другая часть возникает из-за трения других компонентов, например, системы клапанного механизма, подшипников коленчатого вала и т. Д.

Рисунок 4.

Механическое распределение силы трения.

Распределение потерь на трение между поршнем, пакетом поршневых колец и шатуном для системы силового цилиндра можно найти на Рисунке 5 [1]. Как оказалось, поршень и кольцевой пакет имеют более высокие потери на трение, чем шатун.

Рис. 5.

Распределение силы трения в системе силового цилиндра.

1.1. Поршень

Поршень двигателя внутреннего сгорания является основным компонентом для преобразования тепловой энергии в механическую. Газ под высоким давлением, образующийся при сгорании топливно-воздушной смеси, толкает поршень вниз, чтобы передать механическую энергию. Таким образом, рабочее состояние поршня тяжелое. Поршни в небольших двигателях изготовлены из алюминия, а в больших, менее скоростных, поршни — из чугуна [2]. Поскольку нагрузка на двигатели продолжает расти, особенно в тяжелой промышленности, в настоящее время широко используются стальные поршни.На рисунке 6 показан типичный поршень для дизельного двигателя с определениями основных геометрических фигур, показанными в таблице 1.

Рисунок 6.

Основные геометрические формы поршня.

третья фаска
No. Определения
1 Головка поршня
2 Юбка поршня
3 9175
5 Верхняя канавка
6 Вторая и третья канавка

Таблица 1.

Определения основных геометрических фигур поршней.

Юбка поршня обычно имеет цилиндрический / параболический профиль, который способствует гидродинамической смазке за счет краевого эффекта (Рисунок 7). Этот профиль юбки необходимо оптимизировать, чтобы минимизировать трение поршня. Юбка поршня также вырастает наружу в радиальном направлении при высокой температуре во время работы двигателя.

Рисунок 7.

Профиль юбки поршня.

Помимо цилиндрического / параболического профиля в осевом направлении, юбка поршня обычно имеет овальность и в направлении окружности.Овальность определяется как разница между диаметром оси тяги и диаметром оси пальца. Овальность используется для уменьшения износа и риска истирания. Разработки, связанные с динамикой поршня, трением, задирами и т. Д., Можно найти в ссылках разных исследователей [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

1.2. Пакет колец

Пакет колец обычно состоит из трех колец: двух компрессионных колец и одного маслосъемного кольца. Основные функции пакета колец перечислены ниже:

  1. Для уплотнения камеры сгорания вместе с площадками поршня и стенкой цилиндра, чтобы предотвратить утечку газа высокого давления в картер, который расходуется впустую. производящая мощность.

  2. Для предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания из-под поршня, а также для равномерного распределения смазочного масла по стенкам цилиндра.

  3. Для передачи тепла от поршня к стенке цилиндра и, в конечном итоге, к системе охлаждения. Поскольку головка поршня подвергается воздействию камеры сгорания, очень важно снизить температуру поршня, чтобы гарантировать рабочее состояние поршня.

На рис. 8 показаны типичные комплекты колец для современных бензиновых и дизельных двигателей.

Рис. 8. Кольцо двигателя

IC: (a) бензиновый двигатель и (b) дизельный двигатель.

1.2.1. Верхнее компрессионное кольцо

Верхнее компрессионное кольцо является первым кольцом и основным элементом, уплотняющим камеру сгорания для управления продувкой двигателя. Верхнее кольцо также находится в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, поскольку оно подвергается прямому воздействию дымовых газов и обычно находится под высоким давлением и высокой температурой.

Верхние компрессионные кольца бензинового двигателя обычно имеют прямоугольное сечение.Однако при работе с дизельным двигателем верхние компрессионные кольца обычно представляют собой замковые кольца (Рисунок 9), которые способствуют разрушению отложений между кольцом и канавкой поршня, тем самым уменьшая возможность микросварки между поршневым кольцом и канавкой поршня. Верхнее компрессионное кольцо обычно имеет параболический или цилиндрический профиль на передней поверхности, чтобы улучшить гидродинамическую смазку между поверхностью кольца и границей стенки цилиндра (Рисунок 9).

Рис. 9.

Поперечное сечение верхнего компрессионного кольца.

Герметизирующая способность верхнего компрессионного кольца оказывает значительное влияние на продувку двигателя из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце. Продувка двигателя определяется как утечка газа под высоким давлением в картер через пакет колец. Таким образом, желательно, чтобы верхнее компрессионное кольцо равномерно прилегало к стенке цилиндра по окружности кольца. Кроме того, из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце верхнее кольцо большую часть времени во время рабочего цикла двигателя остается напротив нижней стороны канавки поршня.

1.2.2. Второе компрессионное кольцо

Второе кольцо представляет собой скребковое кольцо, предназначенное для соскабливания смазочного масла на 80% и на 20% для уплотнения камеры сгорания. Из-за эффекта клина скребковое кольцо способствует гидродинамической смазке во время тактов вверх (такты сжатия и выпуска) и соскабливает масло во время тактов вниз (такты впуска и расширения). На рисунке 10 показаны два типа вторых колец: одно — скребковое, а другое — кольцо Напье.Для второго кольца статическое скручивание обычно создается путем отрезания материала кольца на одном из задних углов. Если нижний внутренний угол обрезан, кольцо является отрицательным статическим скрученным кольцом, а если верхний внутренний угол отрезан, кольцо имеет конфигурацию положительного статического скручивания.

Рис. 10.

Поперечное сечение второго компрессионного кольца.

Хотя градиент давления газа во втором компрессионном кольце намного ниже, чем у верхнего кольца, второе кольцо также оказывает заметное влияние на поток газа и газовую динамику.Из-за этого более низкого градиента давления во втором кольце инерционная сила кольца становится конкурентоспособной с силой давления газа. Сила инерции может поднять второе кольцо вверх на позднем такте сжатия, так что второе кольцо остается напротив верхней поверхности канавки. Этот процесс может повторяться в зависимости от повышения давления над вторым кольцом, когда оно установлено сверху. Это неустойчивое осевое движение в канавке распознается как колебание кольца [12]. Когда происходит колебание кольца, открывается еще один путь для потока газа между сторонами кольца и канавки.В результате может увеличиться количество продувочного газа.

Второе кольцо также может двигаться внутрь в радиальном направлении. Это радиальное движение известно как радиальное коллапс кольца [12]. Когда происходит радиальное сжатие кольца, газ над кольцом может проходить мимо кольца непосредственно между поверхностью кольца и стенкой цилиндра к нижней поверхности. В этом состоянии разрушения кольца может произойти серьезный прорыв двигателя. В зависимости от конструкции кольца и поршня, какое из этих двух условий возникает: колебание кольца или его разрушение.Также возможно, что эти два условия возникают одновременно.

Было обнаружено, что статическое скручивание оказывает значительное влияние на колебание и радиальное коллапс второго кольца. Второе кольцо с отрицательной статической скрученностью более вероятно, чем второе кольцо с положительной статической скруткой. Однако, если второе кольцо приподнято к верхней стороне канавки, конфигурация положительного статического скручивания с большей вероятностью разрушится, чем конфигурация отрицательного скручивания. Это будет обсуждаться в разделе «Динамика кольца» далее в этой главе.

1.2.3. Маслосъемное кольцо

Масляное регулировочное кольцо используется для дозирования и распределения смазочного масла по стенкам цилиндра. Обычно существует два типа маслосъемных колец: двухкомпонентное маслосъемное кольцо и трехкомпонентное маслосъемное кольцо (Рисунок 11). Двухкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из корпуса кольца с двумя направляющими и винтовой пружины на задней стороне, обеспечивающей силу натяжения кольца. Трехкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из двух сегментов и расширителя между ними.Расширитель обеспечивает радиальное усилие для прилегания кольца к стенке цилиндра, а также осевое усилие, прижимающее кольцо к верхней и нижней сторонам канавки. Маслосъемное кольцо представляет собой двухстороннее скребковое кольцо, которое соскабливает масло как при движении вверх, так и при движении вниз. Во время хода вниз нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло прямо обратно в картер. Верхняя направляющая / сегмент соскребает масло обратно в канавку через расширитель масляного кольца. Как правило, отверстия в задней части канавки масляного регулировочного кольца могут быть найдены по окружности, чтобы позволить маслу стекать в картер.В некоторых конструкциях поршней вместо использования этих отверстий в задней части канавки в качестве более простого решения вводятся литые прорези на нижнем крае канавки для слива масла. Во время движения вверх нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло в канавку через расширитель. Улавливание масла, соскабливаемого верхней направляющей / сегментом во время этих движений вверх, зависит от внешней силы, действующей на верхнюю направляющую / сегмент. Иногда внешняя осевая сила на маслосъемном кольце преодолевает силу расширителя. В результате между маслосъемным кольцом и сторонами канавки образуется щель для потока масла, позволяющая сливать масло в канавку и, в конечном итоге, обратно в картер.

Рисунок 11.

Маслосъемное кольцо: двухкомпонентное маслосъемное кольцо (слева), трехкомпонентное маслосъемное кольцо (справа).

1.3. Цилиндр

Цилиндр поршневого двигателя — это часть, через которую перемещается поршень. Цилиндр может быть с рукавами или без рукавов в зависимости от металла, используемого для блока цилиндров. Например, блок цилиндров из чугуна обычно не требует гильзы цилиндра, потому что чугун достаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и стенкой цилиндра.Однако для блоков цилиндров из алюминиевого сплава, которые можно встретить почти во всех автомобилях с повседневной ездой, требуются гильзы цилиндров, поскольку алюминиевый сплав недостаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и поверхностью раздела стенки цилиндра.

Гильзы цилиндров или гильзы цилиндров в настоящее время производятся с использованием процесса центробежного литья. Процесс центробежного литья относится к технике литья, при которой постоянная форма непрерывно вращается вдоль своей центральной линии с постоянной скоростью.В то же время расплавленный металл заливается в форму и выбрасывается к внутренней стенке формы. Затем расплавленный металл затвердевает после охлаждения. Ориентация прядения литейной машины может быть горизонтальной или вертикальной, в зависимости от деталей, которые она производит. Горизонтальное вращение предпочтительнее для длинных и тонких цилиндров, а вертикальное вращение — для коротких и широких цилиндров. Также встречаются алюминиевые двигатели без гильз. На алюминиевые цилиндры нанесено покрытие из никелевого силиконового сплава или другое плазменное покрытие, которое помогает снизить износ цилиндров.Исследователи также изучили другие методы снижения трения двигателя. Один из методов заключается во введении углублений в середине хода на стенках цилиндра [13]. Это помогает уменьшить трение, потому что в середине хода поршневые кольца обычно подвергаются гидродинамическому трению при высокой скорости поршня. За счет введения углублений на стенку цилиндра эффективная площадь контакта между поверхностями кольца и стенкой цилиндра была уменьшена. Это приводит к уменьшению вязкого трения, как заявлено.

Типичная шероховатость поверхности гильзы цилиндра составляет 0,4–0,5. Эта шероховатость была значительно уменьшена, что могло помочь снизить расход моторного масла. Более шероховатые стенки цилиндра могут помочь удерживать смазочное масло на поверхности гильзы между микроволнами, что похоже на гильзу с ямками [13]. В результате трение между кольцом / стенкой цилиндра и стыками между юбкой поршня и стенкой цилиндра может быть уменьшено за счет смазочного масла в микрополостях. Однако это масло, удерживаемое в микроволинах, не соскребается с гильзы во время опускания двигателя и может оставаться открытым для высокотемпературных газов.В результате испаряется больше масла и увеличивается расход масла.

Гильзы цилиндров больше не имеют круглой формы при работающем двигателе. Деформация возникает в результате механической деформации в результате прикручивания блока цилиндров к головке блока цилиндров, термической деформации, когда тепловая нагрузка на гильзу неравномерна, механической нагрузки, когда поршень ударяется о гильзу, нагрузки давления в результате сгорания и т. Д. . Деформация отверстия цилиндра измеряется исследователями в ходе эксперимента [14].Для моделирования деформация отверстия цилиндра обычно определяется рядом Фурье [4, 5]:

δR = ∑i = 0i = 4 (Aicos (iθ) + Bisin (iθ)) E1

, где δR — отклонение от округлости, Ai и Bi — коэффициенты Фурье, а i — порядок ряда.

Порядки деформации указаны в таблице 2.

деформация
Нулевой порядок Изменение диаметра отверстия
Первый порядок Эксцентриситет отверстия
Второй порядок
Третий порядок Трехлепестковая деформация
Четвертый порядок Четырехлепестковая деформация

Таблица 2.

Деформация внутреннего диаметра цилиндра.

2. Динамика пакета колец

Динамика поршневых колец тесно связана с их функциями, особенно для контроля газа и масла. Хотя верхнее кольцо является наиболее важной частью газового уплотнения, в то время как кольцо контроля масла имеет наибольшее влияние на регулирование потока и расхода масла, второе кольцо также имеет значительное влияние на регулирование как газа, так и масла. В этом разделе обсуждается кольцевая динамика второго компрессионного кольца. Теории также могут быть применены к верхнему компрессионному кольцу и маслосъемному кольцу, а детали моделей динамики кольца можно найти в работах.[15, 16, 17, 18, 19, 20].

Как обсуждалось в разделе 1, существует два типа кольцевой динамики: колебание кольца и радиальный коллапс кольца. Колебание поршневого кольца — это осевое перемещение вследствие дисбаланса внешней силы, особенно между силой давления газа и силой инерции. Другие нагрузки, действующие на кольцо, включая силу трения, силу сжатия масляной пленки и т. Д., Относительно невелики по сравнению [6]. Следует отметить, что, хотя трение второго кольца относительно низкое, силы трения масляного кольца и верхнего кольца во время высокого давления в цилиндре могут быть большими.Кроме того, здесь описывается только флаттер и схлопывание второго кольца, которые возникают в условиях срабатывания верхней мертвой точки (ВМТ). Этот регион также считается наиболее важным для коллапса и коллапса из-за его значимости для прорыва и расхода масла.

Другое явление, радиальное сжатие, может возникнуть, если кольцо поднять и установить напротив верхней части кольцевой канавки. Когда кольцо находится на верхней стороне кольцевой канавки, сила давления не только толкает кольцо вниз, но также действует на переднюю поверхность кольца, толкая его внутрь.Кольцо перекрывает давление газа вверху, что означает, что давление за кольцом может быть намного ниже. Когда сила давления на поверхность кольца превышает натяжение кольца и силу давления за кольцом, произойдет схлопывание кольца. Как только он схлопнется, газы будут выходить за поверхность кольца и уравновешивать все вокруг колец. Опять-таки, на кольцо не будет никакого чистого давления газа, и упругое натяжение кольца заставит кольцо снова выйти к стенке цилиндра. Как и следовало ожидать, уплотнения между поверхностью кольца и стенкой цилиндра нет.В результате поток газа может проходить через поверхность кольца, что приводит к сильной продувке. Обрушение кольца — одно из нестабильных свойств кольца.

Это будет зависеть от конструкции кольца и поршня, а также от условий эксплуатации, если кольцо может дрожать или разрушаться. Также возможно, что и флаттер, и коллапс кольца происходят одновременно. В любом случае второе кольцо теряет свою герметизирующую способность, позволяя газам течь либо вокруг кольца (в случае колебания), либо мимо поверхности кольца (в случае сжатия кольца).

Сама конструкция кольца также оказывает значительное влияние на его устойчивость, например, статическое скручивание кольца. Второе кольцо с отрицательной скрученностью образует уплотнение внешней кромки между нижними сторонами кольца и канавки, когда кольцо находится на дне боковой поверхности. Это позволяет газам проходить под кольцом, что приводит к очень низкому действующему давлению газа вниз. В этом случае кольцо можно легко поднять за счет силы инерции, действующей на кольцо (рис. 12а). С другой стороны, для второго кольца с положительной статической скрученностью уплотнение между кольцом и дном канавки происходит во внутреннем нижнем углу.Это предотвращает перемещение газа под более высоким давлением между дном кольца и дном канавки, что приводит к более высокому давлению, направленному вниз. Поднять кольцо с помощью силы инерции непросто. На рис. 12а в упрощенном виде показаны силы давления газа, действующие на стороны колец.

Рис. 12.

Устойчивость кольцевой посадки: (a) устойчивость нижней посадки и (b) устойчивость верхней посадки.

Точно так же устойчивость верхней посадки кольца (рисунок 12b) может быть объяснена так же, как и для условия нижней посадки.Однако следует отметить, что, поскольку кольцо с отрицательной скрученностью легче сдвинуть вниз, вероятность его разрушения будет ниже. И наоборот, кольцо с положительной скрученностью будет труднее надавить; следовательно, кольцо будет с большей вероятностью сжаться в радиальном направлении внутрь, поскольку давление над кольцом может стать выше. Таким образом, конфигурация с положительным статическим скручиванием имеет тенденцию к увеличению силы давления, удерживающей второе кольцо внизу и способствующей устойчивости второго кольца. Это кольцо с положительной закруткой также более подвержено разрушению.Напротив, конфигурация с отрицательной статической закруткой будет способствовать дрожанию кольца. Однако радиальное разрушение кольца менее подвержено возникновению.

Когда второе кольцо трепещет или сжимается, прорыв, как правило, выше. Это потому, что кольцо не закрывает газы, и газы проходят мимо кольца. Хотя это может вызвать сильный прорыв, давление на второй площадке будет очень низким. Это предотвратит обратную продувку, которая способствует расходу масла. Дополнительные дискуссии о динамике кольцевых пакетов можно найти в [17, 18, 19, 20].

В настоящее время исследователи из промышленности и академических кругов разрабатывают трехмерную (3D) модель динамики кольцевого уплотнения, чтобы уловить изменения по окружности кольца с учетом деформации внутреннего диаметра гильзы цилиндра. Кроме того, влияние вторичного движения поршня также может быть реализовано для лучшего понимания поведения кольцевого уплотнения. Это позволит уловить поток газа в окружном направлении, на что современные коммерческие двухмерные (2D) модели не способны.В результате динамика колец, расход масла, трение и износ пакета колец могут быть лучше смоделированы и поняты для руководства при проектировании. Следующий раздел представляет собой введение в работу по 3D-моделированию кольцевой упаковки.

Двухмерная модель динамики пакета колец до сих пор широко используется в автомобилестроении и тяжелой промышленности при разработке продукции, учитывая опыт и надежность, основанные на этом подходе. Некоторые меры по улучшению включают реализацию модели износа на торце и стороне кольца на основе различного механизма износа, модели расхода масла из-за испарения масла, выброса масла, возврата масла в зону сгорания и т. Д.Кроме того, трехмерные модели динамики кольцевых упаковок разрабатываются с использованием различных подходов, включая полное МКЭ с шестигранным элементом, дискретизацию кольца с использованием пространственных балочных элементов и т. Д. С разным успехом. Подход с использованием 3D-модели будет обсуждаться более подробно в следующем разделе.

3. Взаимодействие между кольцом и канавкой поршня и гильзой цилиндра

При разработке системы силового цилиндра двигателя использование инструмента CAE стало стандартным подходом к проектированию и оптимизации системы.Традиционные инструменты CAE являются двумерными (2D), которые учитывают движение кольца вдоль оси цилиндра и скручивание. Однако предполагается, что отклонение по окружности кольца одинаковое. Требование лучшего понимания системы силового цилиндра требует трехмерных (3D) инструментов CAE для моделирования изменений по окружности кольца. Исследователи приступили к 3D-моделированию. Одним из вариантов по окружности кольца является контактное давление между поверхностью кольца и границей отверстия цилиндра, а также поверхностью кольца и стороной канавки поршня.Взаимодействия обсуждаются в этом разделе.

3.1. Контакт кольцо-отверстие цилиндра

Когда кольцо в свободном состоянии установлено в гильзу цилиндра, кольцо ограничивается на своей передней поверхности стенкой цилиндра. Необходимо отслеживать каждую точку на передней поверхности кольца, контактирует ли она со стенкой цилиндра или нет. Однако из-за времени и ресурсов вычислений это невозможно с существующим средством вычислений. И самое главное, как распределяется контактная сила / давление по окружности кольца.Таким образом, в этом сечении кольцо ограничено 13 различными точками поперечного сечения по окружности [21, 22, 23]. Конформность кольца моделируется методом конечных элементов (МКЭ) [24, 25] для кольца сжатия трапецеидального искажения. Подход к решению проблемы основан на оптимизации на основе метода штрафов, которая минимизирует энергию деформации поршневого кольца [26, 27, 28, 29, 30].

Как показано на Рисунке 13, среднее ограничение находится на задней стороне кольца (напротив кольцевого зазора) передней поверхности.Остальные ограничения симметричны по отношению к задней части кольца и распределяются с шагом около 30 °. Кольцевая сетка произвольной формы и деформированная кольцевая сетка без температурной компенсации показаны на Рисунке 13.

Рисунок 13.

Кольцевые ячейки произвольной формы и деформированные.

Зеленая сетка, показанная на Рисунке 13, представляет кольцо произвольной формы, а красная сетка представляет форму деформированного кольца при ограничениях внутреннего диаметра цилиндра без температурной компенсации. Очевидно, что кольцо из свободного состояния выталкивается внутрь.Силы ограничения, которые толкают кольцо в его деформированное положение, показаны на рисунке 14. Синие и красные полосы представляют собой силы ограничения в определенном месте окружности в верхнем и нижнем углах на поверхности кольца. Зеленые и пурпурные точки показывают разделительные зазоры между поверхностью кольца и отверстием цилиндра.

Рисунок 14.

Ограничивающая сила и разделительный зазор.

Из рисунка 14 видно, что две контактные силы при одном и том же поперечном сечении идентичны, поскольку кольцо имеет симметричное поперечное сечение и на кольце отсутствует крутящий момент.График также показывает, что сила сдерживания на заднем кольце максимальна. В поперечных сечениях, удаленных примерно на 30 ° от задней части кольца, наименьшие силы ограничения обнаруживаются для участков, которые контактируют со стенкой цилиндра. Силы связи на концах колец исчезают, так что кольцо отделяется от стенки цилиндра на его передней поверхности на двух концах. Разделительный зазор определяется как радиальное расстояние между внутренним диаметром стенки цилиндра и наружным диаметром наконечника кольца. Разделительный зазор 34 мкм обнаружен для этого конкретного кольца из модели FEA.

3.2. Результат бокового контакта кольцевого цилиндра и канавки

В этом разделе приведен другой пример бокового контакта кольцевого цилиндра и канавки с использованием скребкового кольца с положительным статическим скручиванием. Скребковое кольцо имеет коническую поверхность и срезается во внутреннем верхнем углу кольца, что способствует положительному скручиванию при установке кольца в канавку поршня. Поперечное сечение скребкового кольца показано на рисунке 15.

Рисунок 15.

Ограничения на поперечное сечение кольца.

Как показано на рисунке 15, четыре узла поперечного сечения в заданном положении по окружности рассматриваются для взаимодействия со стороны канавки кольца и поршня и пронумерованы как узел 1, узел 2, узел 3 и узел 4, как показано. Эти четыре узла ограничены канавкой в ​​осевом направлении. Это означает, что узлы 1 и 2 должны оставаться в контакте или выше нижней стороны канавки, а узлы 3 и 4 должны оставаться в контакте или ниже верхней стороны канавки. Два узла на передней поверхности кольца ограничены отверстием цилиндра в радиальном направлении на верхней и нижней кромках передней грани соответственно.Канавка имеет нулевые углы на верхней и нижней сторонах. Номинальный зазор между канавкой и осевой толщиной кольца составляет 0,1 мм.

Основные параметры, описывающие кольцо, приведены в таблице 3.

0004 Коэффициент Пуассона
Материал кольца Сталь
Модуль упругости 200,0 ГПа
Диаметр цилиндра 108.0 мм
Коэффициент теплового расширения 13,0E ‐ 6 / ° C
Теплопроводность 45 Вт / м K
Коэффициент кольцевой / газовой конвекции 25 Вт / м 2 K
Кольцо / коэффициент конвекции масляной пленки 100 Вт / м 2 K

Таблица 3.

Основные параметры кольца.

Места ограничения по окружности кольца расположены на одинаковом расстоянии примерно 30 ° от одного торца к другому.Было обнаружено, что количество ограничительных положений может представлять схему распределения силы контакта / давления на стороне кольца / гильзы цилиндра / канавки, а также экономить время вычислений. Увеличение количества ограничивающих местоположений приведет к экспоненциальному увеличению времени вычисления, в то время как уменьшение ограничивающих местоположений может привести к тому, что схема контактного усилия / давления не может быть хорошо представлена.

Форма деформированного кольца показана на Рис. 16 после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.Смещение в направлении z (осевое направление) усиливается в 100 раз, чтобы отчетливо проиллюстрировать деформацию кольца.

Рисунок 16.

Форма кольца деформировалась после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.

В этом случае задняя часть кольца и торцы кольца находятся в контакте с нижней стороной канавки, в то время как кольцо касается верхней стороны канавки примерно под 60 ° от торцевого зазора (120 ° от задней части кольца). Силы ограничения между кольцом и сторонами канавки поршня важны, поскольку они определяют форму контакта, которая в конечном итоге повлияет на боковой износ кольцевой канавки.Более подробную информацию о взаимодействии кольца, гильзы цилиндра и канавки поршня можно найти в работах. [22, 23].

В конечном счете, взаимодействие между поверхностью раздела торца кольца и отверстия гильзы и границей раздела стороны кольца и стороны канавки поршня используется для моделирования износа между ними [17], а также динамики пакета колец, которая сильно влияет на расход моторного масла, чтобы дополнительно оптимизировать конструкцию кольцевого пакета и силового цилиндра и повысить долговечность подсистемы. Поршневой двигатель внутреннего сгорания

— Перевод на немецкий — примеры английский

Эти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.

Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

Автомобили гольфа и аналогичные транспортные средства, с поршневым двигателем внутреннего сгорания

Новый автомобиль типа пикап, с поршневым двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия с объемом цилиндров 2179 см3, пятиступенчатой ​​механической коробкой передач и одной задней передачей.

Ein neues Kraftfahrzeug vom Typ «Pick-up», mit einem Kolbenverbrennungsmotor mit Selbstzündung mit einem Hubraum von 2179 cm3, einem Fünf-Gang-Schaltgetriebe und einem Rückwärtsgang.

Устройство для управления выпускным клапаном поршневого двигателя внутреннего сгорания .

Устройство для гидравлического управления выпускным клапаном поршневого двигателя внутреннего сгорания .

поршневой двигатель внутреннего сгорания по одному из пп.1 4, отличающийся тем, что блок поршень-цилиндр (15, 16) подается масло под давлением с помощью компенсационного воспроизведения элемента (10), образующей средства поддержки.

Kolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgung der Kolben-Zylinder-Einheit (15, 16) mit Drucköl über einen die Abstützung bildendes Spielgmentausgleichselele.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ Сглаженных ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

VERFAHREN ZUR AUTOMATISCHEN ERSTELLUNG VON GEGLÄTTETEN KENNFELDERN FÜR EINE ELEKTRONISCHE MOTORSTEUERUNG EINER KOLBENBRENNKRAFTMASCHINE

Процесс производства металлических отливок, металлических отливок и поршневых двигателей внутреннего сгорания

Устройство для охлаждения и / или смазки поршневого двигателя внутреннего сгорания

Устройство для уравновешивания масс и моментов в поршневом двигателе внутреннего сгорания

Гусеничный вагон для перевозки грузов (так называемый «минитрак») с поршневым двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия , объемом цилиндров 479 см3, полной массой 2085 кг и размером примерно 265 × 95 × 202 см.

Ein Kettenfahrzeug für den Transport von Gütern (sogenannter «Minitrac») mit Kolbenverbrennungsmotor mit Selbstzündung, mit einem Hubraum von 479 cm3, einem höchstzulässigen Gesamtgewichen und etmess von 2085 kg.

Новый четырехколесный автомобиль (так называемый «вездеход») с поршневым двигателем внутреннего сгорания с искровым зажиганием мощностью примерно 15 кВт и сухой массой примерно 310 кг.

Ein neues vierrädriges Fahrzeug (sog. «Geländefahrzeug») mit Kolbenverbrennungsmotor mit Fremdzündung, mit einer Motorleistung von etwa 15 kW и einem Eigengewicht von etwa 310 кг.

Изобретение относится к способу работы поршневого двигателя внутреннего сгорания , в котором топливо впрыскивается непосредственно в рабочую камеру в виде предварительного впрыска и основного впрыска посредством форсунки, снабженной несколькими отверстиями для впрыска, -инъекция синхронизируется.

Die Erfindung geht von Einem Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine aus, bei welcher Kraftstoff mittels einer Einspritzdüse mit mehreren Einspritzbohrungen direkt in Einen Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Насосы поршневые с механическим приводом (кроме насосов субпозиции 841311 и 841319, насосы для топлива, смазки или охлаждающей жидкости для поршневого двигателя внутреннего сгорания , бетононасосы, гидронасосы, в т.ч.гидроагрегаты и насосы-дозаторы)

Kolbenpumpen, kraftbetrieben (ausg. Pumpen der Unterpos. 841311 или 841319, Kraftstoff-, Öl- oder Kühlmittelpumpen für Kolbenverbrennungsmotoren , Betonpumpen, Hydropumpen, einschl. Hydroaggregate)

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОНЕЧНЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ ГАЗОБМЕННОГО КЛАПАНА, ПРИВОДИМОГО ПРИВОДУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

VERFAHREN ZUR ENDLAGENANSTEUERUNG EINES DURCH EINEN ELEKTROMAGNETISCHEN AKTUATOR BETÄTIGTEN GASWECHSELVENTILS AN EINER KOLBENBRENNKRAFTMASCHINE

Другое, с искровым зажиганием ДВС

Клапан топливной форсунки поршневого двигателя внутреннего сгорания .

Самосвалы внедорожные с двигателями кроме поршневых двигателей внутреннего сгорания

Muldenkipper (Dumper), ihrer Beschaffenheit nach zur Verwendung außerhalb des Straßennetzes bestimmt, mit anderem Motor als Kolbenverbrennungsmotor

МАССОВЫЙ КОМПЕНСАТОР ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ .

MASSENAUSGLEICH FÜR EINE

PPT — Двигатели внутреннего сгорания Презентация в формате PowerPoint, скачать бесплатно

  • Двигатели внутреннего сгорания Power & Energy 3201

  • Outline • Двигатели внутреннего сгорания • Типы движения • Двигатели с четырехтактным циклом • Двухтактные двигатели Двигатели • Роторные двигатели • Дизельные двигатели

  • Двигатель внутреннего сгорания • Тепловые двигатели внутреннего сгорания • Это категория двигателей, которые сжигают внутреннее топливо для выработки энергии.

  • Типы движения • Двигатели внутреннего сгорания вызывают механическое движение одним из трех способов: 1. Возвратно-поступательное движение • Возвратно-поступательное движение. Пример: поршневые двигатели 2. Вращение • Вращательное движение. Пример: Турбины и роторные двигатели 3. Линейное • Движение по прямой. Пример: реактивный двигатель / ракеты и картофельный пистолет.

  • Бензиновые поршневые двигатели • Существует два типа бензиновых поршневых двигателей: 1. Четырехтактный цикл 2. Двухтактный цикл

  • Бензиновые поршневые двигатели • Ход поршня — движение поршня сверху цилиндр ко дну.• Цикл — полный набор движений поршня, необходимых для выполнения рабочего хода.

  • Бензиновые поршневые двигатели • Оба работают с поршнем, перемещающимся вверх и вниз в цилиндре. • Разница заключается в количестве ходов каждого поршня за цикл двигателя.

  • История • Принцип четырехтактного двигателя был разработан в 1862 году французским Бо де Роша. • Первый четырехтактный двигатель был построен в 1876 году немецким инженером-механиком Николасом Отто (цикл Отто).

  • История • В 1893 году два американских брата по имени Дурья построили и эксплуатировали первый бензиновый автомобиль.

  • Четырехтактные бензиновые двигатели • В четырехтактных двигателях имеется четыре отдельных хода поршня: 1. Впуск 2. Сжатие 3. Мощность 4. Выпуск

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Ход впуска • впускной клапан открывается. • Поршень движется вниз по цилиндру, создавая частичный вакуум.• Смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр через впускной клапан.

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Ход сжатия • Когда поршень достигает НМТ, оба клапана закрываются. • Это герметизирует цилиндр и предотвращает утечку топливовоздушной смеси. • Поршень начинает двигаться вверх по цилиндру и сжимает смесь.

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Рабочий ход • Поршень поднимается, пока не достигнет ВМТ.• В этот момент свеча зажигания создает искру высокого напряжения.

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Рабочий ход • Эта искра вызывает воспламенение и быстрое воспламенение смеси сжатого воздуха и топлива. • Сила этого сдерживаемого взрыва заставляет поршень опускаться в цилиндре, производя энергию.

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Ход выпуска • Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается. • Когда поршень поднимается обратно, он выталкивает сгоревшие газы из выпускного клапана.

  • Принцип работы четырехтактного двигателя • Такт выпуска • После завершения такта выпуска все четыре такта работы начинаются заново.

  • Принципы работы четырехтактного двигателя • Видео о четырехтактном двигателе • Основы четырехтактного двигателя

  • Двухтактные бензиновые двигатели • Двухтактные двигатели работают по тем же основным принципам работы, что и четырехтактный двигатель. • Однако он выполняет такты впуска, сжатия, увеличения мощности и выпуска всего за два движения поршня, а не за четыре.

  • Двухтактные бензиновые двигатели • Каждый раз, когда поршень перемещается вверх, он завершает такт впуска и сжатия. • Каждый раз, когда поршень движется вниз, он завершает рабочий ход и такт выпуска.

  • Принцип работы двухтактного двигателя • Ход всасывания / сжатия • Когда поршень движется вверх по цилиндру, в

  • ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ —

    1. Прочтите и переведите текст:

    Внутреннее сгорание — это процесс сжигания топлива в двигателе.Топливо горит в двигателе и создает силы. Эти силы обеспечивают мощность двигателя. Двигатели внутреннего сгорания имеют неподвижные, вращающиеся и возвратно-поступательные части.

    Детали стационарного двигателя . К неподвижным частям двигателя относятся блок цилиндров, картер и головка блока цилиндров. Блок цилиндров — одна из основных частей двигателя. Процесс сгорания происходит внутри цилиндров. Тракторные двигатели имеют несколько цилиндров. Картер двигателя является частью цилиндра.Он поддерживает коленчатый и распределительный валы и удерживает смазочное масло рядом с деталями двигателя. Головки цилиндров закрывают цилиндры. Цилиндры и головки цилиндров образуют камеры сгорания. Сжигание топлива происходит внутри камер сгорания.

    Детали роторного двигателя . Части вращающегося двигателя — коленчатый вал, маховик и распределительный вал. Коленчатый вал меняет возвратно-поступательное движение поршней на вращательное. Распределительный вал открывает клапаны двигателя.

    2. Заполните пробелы соответствующими словами (головка блока цилиндров, распредвал, прожиг, картер, коленчатый вал, блок цилиндров) :

    1. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное. 2. Открывает клапаны двигателя. 3. Это одна из основных частей двигателя. 4. Цилиндр и форма камеры сгорания. 5. Держит смазочное масло рядом с деталями двигателя. 6. Топливо происходит внутри камер сгорания.

    3. Составьте предложения со словами и переведите на английский:

    Внутри горит топливо, цилиндр. 2. Коленчатый вал, ход, поршни. 3. Картер двигателя является частью двигателя. 4. Учимся, двигатель. 5. Происходит сгорание, камера, в, горение, процесс, оф.

    4. Поместите отмеченные слова во множественное число и внесите изменения. Перевести на украинский:

    а) 1.Коленчатые валы изменяют ход. 2. Картеры опоры коленвалов. 3. Эти силы обеспечивают мощность. 4. Эти являются деталями двигателя. 5. Поршни перемещаются внутри цилиндров . 6. Изучают двигатель внутреннего сгорания.

    б) Задайте общий вопрос по предложениям 1–4.

    c) Задайте вопрос к выделенным словам в предложениях 5-6.

    5.Ответьте на вопросы:

    1. Какой процесс происходит в двигателе внутреннего сгорания? 2. Что дает сжигание топлива? 3. Какие основные части двигателя внутреннего сгорания? 4. Что такое стационарные части двигателя? 5. Что поддерживает картер? 6. Каковы функции головок цилиндров? 7. Из чего образуются цилиндры и головки цилиндров? 8. Где происходит сжигание топлива? 9. Какие части роторного двигателя? 10. Для чего нужен коленчатый вал? 11.Что открывает распредвал?

    БЛОК 5


    :

    1. ДВИГАТЕЛИ
    2. Процесс сгорания


    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *