Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зачем инженеры возвращают встречные поршни

Зачем инженеры возвращают встречные поршни

За последнее десятилетие изобретатели в разных странах выдали кучу самых экзотических схем ДВС, некоторые даже удалось воплотить в металле. Но массовая индустрия продолжает выпускать моторы классического вида. Проблема в конструкторских просчётах новичков или в отсутствии у них финансирования?

Недавнее известие о том, что миллиардер Билл Гейтс и инвестиционная фирма Khosla Ventures решили вложить миллионы в компанию EcoMotors, проектирующую двигатели со встречным движением поршней, заставило нас детально рассмотреть заокеанскую разработку. У подобных моторов давняя история, но широкого распространения они не получили, во всяком случае на автомобильном транспорте. EcoMotors придала, казалось бы, известному блюду новый вкус.

Свой двигатель с двумя оппозитными цилиндрами, в каждом из которых работает по два встречных поршня, EcoMotors назвала незамысловато — OPOC, что значит Opposed Piston Opposed Cylinder — «оппозитные поршни, оппозитные цилиндры». В принципе, по такой схеме может работать как бензиновый мотор (или ДВС, потребляющий спирт), так и дизельный, но пока компания сосредоточила усилия на втором варианте.

Двигатель OPOC — двухтактный, так что за один оборот коленчатого вала встречные поршни каждого из цилиндров совершают рабочий ход. При движении к своим мёртвым точкам они открывают окна в стенках цилиндров. Причём один из поршней заведует впуском, второй — выпуском. На рисунке ниже их легко распознать по цветам — синему и красному соответственно. При этом окна расположены так, что выпускное открывается чуть раньше впускного и закрывается также раньше. Это важно для хорошего газообмена.

Устранение головок цилиндров, клапанов и механизма их привода упростило мотор, сделало его легче, снизило потери на трение и даже расход масла (по оценке компании, вдвое против обычного дизеля). Но ведь такими преимуществами вроде бы могут похвастать и другие двухтактные моторы со встречными поршнями?

Изюминка новинки в том, что все поршни в ней соединены с единственным центральным коленвалом, в то время как раньше схожие конструкции требовали двух коленчатых валов по краям движка. Соответственно, они были заметно крупнее и тяжелее, и неудивительно, что применение нашли в основном на тепловозах и судах. Ну а OPOC, схема работы которого представлена в ролике ниже, нацелен на куда более широкий спектр машин.

Как любой двухтактник, OPOC нуждается во внешнем устройстве, которое продувало бы цилиндры в момент открытия окон. В рассматриваемом случае конструкторы решили возложить эту обязанность на турбонаддув. Но очевидно, он не поможет при запуске мотора, а сами цилиндры «вдохнуть» и «выдохнуть» не способны.

Решение опять же нашлось в давней идее, которую ряд компаний обкатывал, но до ума никто так и не довёл. На вал классической турбинки инженеры поставили электродвигатель. При запуске и до тех пор, пока ДВС не набрал обороты, этот моторчик получает энергию от батарей, обеспечивая «дыхание» OPOC. А далее мотор отключается, и турбонаддув превращается в самый обычный. Более того, на высоких оборотах, когда поток выхлопных газов велик, электромотор в турбине может превращаться в генератор, подпитывающий батареи машины.

Новая схема, по утверждению её создателей, отличается очень хорошей продувкой цилиндров, а потому позволяет извлечь наибольшую выгоду из самого двухтактного цикла, теоретически позволяющего достичь вдвое большей литровой мощности двигателя, по сравнению с четырёхтактным. Хотя на практике такого показателя ещё не достигалось. Система OPOC обладает рядом иных любопытных особенностей.

При новой конфигурации для того, чтобы обеспечить заданный рабочий объём, каждому из поршней за один ход требуется пройти вдвое меньшее расстояние. Это означает и меньшую скорость движения при фиксированных оборотах, следовательно, и меньшие потери на трение. Всеми этими особенностями двигатель OPOC обязан в первую очередь Петеру Хофбауэру. Основатель, председатель и технический директор EcoMotors ранее много лет возглавлял разработку перспективных двигателей в компании Volkswagen. К примеру, на его счету смещённо-рядный мотор VR6 с малым (15 градусов) углом развала цилиндров. И хотя фирма EcoMotors была основана в 2008 году, сам Хофбауэр начал размышлять над OPOC на несколько лет раньше.

Компания сообщает, что OPOC в дизельном варианте на легче, чем обычный турбодизель той же мощности, содержит на 50% меньше деталей, занимает в два-четыре раза меньше места под капотом и при этом может быть (при определённых условиях) на экономичнее. Последняя цифра вызывает у специалистов самые большие сомнения, однако, даже если выигрыш в расходе преувеличен, основания для оптимистичных заявлений у EcoMotors имеются. Первый образец ДВС OPOC, по утверждению фирмы, провёл на динамометрическом стенде свыше 500 часов. Можно констатировать, что схема работает. С характеристиками дело обстоит не так однозначно. Модель EM100, которую ныне испытывают инженеры, выдаёт заявленные параметры по мощности и крутящему моменту только при настройках, не учитывающих токсичность выхлопа. Такую версию OPOC компания предлагает ставить на военную технику, для которой отношение отдачи к весу важнее прочего.

Для обычного транспорта EcoMotors предлагает настраивать те же движки несколько иначе: на 300 л.с. и 746 Н•м. Улучшение экономичности против обычных дизелей в таком случае обещано «всего» но и оно выглядит огромным шагом вперёд, так как обычно компании борются за каждый процент. Дальнейшая экономия возможна при объединении пары таких моторов в четырёхцилиндровый агрегат. То, что раньше было самостоятельным мотором, превращается в модуль. Между ними EcoMotors намерена ставить управляемую электроникой муфту. При малой нагрузке, мол, будет работать только один модуль, при большой — подключится второй. А так как OPOC хорошо уравновешен, все действующие силы тут компенсируют друг друга и мотор отличается минимумом вибраций, то и активация «спящей» половинки в любой момент пройдёт гладко.

Замысел этот похож на известное отключение цилиндров в больших двигателях. Вот только там «холостые» поршни всё равно продолжают движение вверх-вниз, здесь же половина мотора останавливается полностью, а вторая продолжает трудиться в выгодном режиме. Кроме того, в такой бинарной схеме инженеры предлагают ещё немного снизить предельную отдачу каждого модуля — до 240 «лошадок» (480 будет развивать весь агрегат). По соотношению мощности и веса это всё ещё будет очень достойный мотор, причём, мол, удастся добиться максимальной экономии горючего (тех самых 45%) и соответствия самым строгим нормам по токсичности выхлопа, уверяют разработчики.

Пока OPOC — система сырая, а её конструкторы больше раздают обещания. Но они оптимисты и приступили к расширению линейки. На чертежах уже вырисовывается двухцилиндровый мотор EM65 чуть меньшего размера и массы, чем EM100. Его, кстати, хотят перевести на бензин. Сферы же применения EM65 вполне очевидны: лёгкие грузовики и легковушки, в том числе гибриды. Определённым залогом, но не стопроцентной гарантией успеха экзотического ДВС является репутация его главного конструктора: Петер отдал Фольксвагену 20 лет жизни. И удивительно ли, к слову, что его нынешняя работа перекликается с проектами Порше, стоявшего у истоков знаменитой немецкой марки?

Короткий ход поршня

Р удольф Дизель родился 18 марта 1858 года в семье Теодора Дизеля и Элис Штробель — эмигрантов из Германии, осевших во Франции и владевших небольшой переплетной мастерской в Париже. С самого раннего детства у Рудольфа проявился интерес к разным машинам и механизмам: излюбленным времяпровождением умного, послушного, аккуратного и трудолюбивого мальчика было посещение парижского Музея искусств и ремесел.

В 1870 году началась Франко-прусская война, и из-за роста антинемецких настроений Дизелям пришлось перебраться в Англию, где вскоре они оказались в нищете. На семейном совете было принято решение отправить Рудольфа в Германию, в семью брата, любезно согласившуюся принять племянника. Дядя Дизеля был профессором и преподавал математику в Королевском земском училище, куда в 1871 году пристроил и Рудольфа, заметив у того склонность к технике, а уже в 1873-м юноша его успешно закончил, опередив по успеваемости всех остальных учеников.

Затем Рудольф отправляется в Аугсбург, в Техническую школу, а через два года досрочно поступает в престижный Королевский баварский политехнический институт в Мюнхене. Во время учебы произошла судьбоносная для Дизеля встреча — его заметил один из преподавателей, профессор Карл фон Линде, помимо научной работы занимавшийся коммерцией, а именно созданием холодильного оборудования. В 1880 году, когда Дизель окончил институт, Линде пригласил его на работу в свою компанию на должность директора парижского филиала. В наше время Linde — одна из крупнейших и авторитетнейших в мире химических компаний, инжиниринговое подразделение которой занимается строительством «под ключ» крупнотоннажных химических производств, в том числе заводов по сжижению природного газа.

«Инженер все может»

Так ответил студент Рудольф Дизель на вопрос директора Высшей технической школы в Мюнхене профессора Бауэрфайнда о возможности создать двигатель внутреннего сгорания, способный заменить паровой. Теперь амбициозному молодому человеку предстояло доказать это на практике.

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, поскольку воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания. Однако уже в 1824 году французский инженер Сати Карнопредложил более перспективную схему работы двигателя. По его мнению, следовало «сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу…». Эта схема, получившая наименование «цикла Карно», стала эталоном цикла теплового двигателя. Ее и попытался на практике реализовать Рудольф Дизель.

Читать еще:  Шевроле лачетти какая рабочая температура двигателя

Забегая вперед, надо сказать, что у него это получилось не в полной мере: в дизелевском варианте в цилиндре сжималась не топливная смесь, а воздух, причем до запредельных для того времени значений.

Двенадцать лет проб и ошибок

А пока в течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, он постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру. В его качестве последовательно использовались аммиак, уголь и бензин, но все было безрезультатно.

В течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру

Помогла случайность. Использование воздуха в пневматической зажигалке для прикуривания сигар натолкнуло Рудольфа на мысль, что таким рабочим телом может стать сжатый воздух. «Не могу сказать, — писал позже изобретатель, — когда именно возникла у меня эта мысль. В неустанной погоне за целью, в итоге бесконечных расчетов родилась наконец идея, наполнившая меня огромной радостью: нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо и одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».

Основываясь на этом, Дизель разработал новую схему двигателя, в котором воздух должен был быть сжат с такой силой, чтобы при его соединении с топливом возникшая смесь воспламенилась до температуры 600–650 °С и в цилиндр начало поступать уже готовое для работы двигателя топливо.

Есть прототип!

В 1892 году Рудольф покидает компанию Линде и организовывает собственное предприятие, на котором в течение четырех лет изготавливает несколько опытных образцов. В том же году он получает свой первый патент № 67207 «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин», которым закрепил за собой право собственности на «рациональный тепловой двигатель», и издает книгу, в которой дает теоретическое обоснование созданной им конструкции такого двигателя. «Моя идея, — писал он семье в Мюнхен, — настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

«Моя идея настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать: я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»

В 1897 году с третьей попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины». Кроме того, двигатель Дизеля работал на дешевых видах топлива вроде керосина и не имел системы зажигания.

Как удалось достичь такого очень высокого для того времени КПД? Главным образом за счет многократного увеличения давления сжатия с помощью специального компрессора — в двигателе англичанина Герберта Акройда-Стюарта, наиболее похожего по конструкции на дизелевский, оно равнялось шести атмосферам, а в устройстве Рудольфа достигало 36 атмосфер.

В связи с этим неоднократно вставал вопрос: кто первый изобрел ДВС, Стюарт или Дизель? Известно, что основные признаки современного дизельного двигателя — непосредственный впрыск топлива (без применения сжатого воздуха) и компрессионное зажигание. В 1890 году Стюарт получил патент № 7146 «Усовершенствование в работе двигателей при помощи взрыва воспламеняемых паров или смеси газа с воздухом». Но этот патент был дан только на компрессионное зажигание, о применении сжатого воздуха для воспламенения смеси там речи не шло.

В 1897 году попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины»

Спустя некоторое время Стюарт построил экспериментальный образец устройства, функционировавшего на бензине и проработавшего всего несколько часов. Дизель же патент на компрессионное зажигание получил только в 1892 году, но в отличие от Стюарта в его патент уже была включена идея о сжатом воздухе, которую позже, в 1897 году, он и воплотил. Так что если вести отсчет от идеи, то первенство в изобретении ДВС принадлежит, безусловно, Дизелю. А поскольку идею придумал он и он же построил реально работающий образец, то и сам двигатель стали называть по его фамилии. Топливо такого двигателя, состоит из керосиново-газойлевых фракций переработанной нефти и имеет высокую — 200–350 °С — температуру кипения, в дизельном двигателе оно самовоспламеняется при сильном сжатии. В бензиновом двигателе горючую смесь образуют бензин и воздух, она воспламеняется от искры зажигания.

Развитие изделия

Это был успех. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году изделие Дизеля произвело фурор, началась массовая скупка лицензий на производство его двигателей. Однако в начале промышленного изготовления дизелевских двигателей возникли серьезные трудности: первые партии оказывались бракованными, часто ломались и выходили из строя, на многих заводах не было необходимого оборудования и рабочей силы нужной квалификации.

Постепенно болезни роста были преодолены, и двигатель Дизеля стал постепенно использоваться во многих сферах жизнедеятельности, связанных с техникой. А его изобретатель стал миллионером. Дизеля стали приглашать повсюду — во Францию, Швейцарию, Австрию, Бельгию, Россию, Америку… Особый интерес к нему был проявлен в России. Уже в 1898 году Людвиг Нобель, купив у Дизеля лицензию на двигатель, организовал его производство на своем заводе в Санкт-Петербурге (сейчас это известное на всю страну предприятие «Русский дизель»).

Устройство быстро завоевало популярность и стало использоваться всюду — на электростанциях, водонапорном оборудовании, с его помощью освещались крупные магазины и центральные улицы Санкт-Петербурга и других известных городов Российской империи.

Велись работы по его модификации. Известный русский инженер Вадим Аршаулов создал так называемый русский дизель, который, в отличие от своего прототипа, работал на нефти, а не на керосине, и имел топливный насос высокого давления, работавший от сжатого в цилиндре воздуха. На Путиловском заводе инженер Густав Тринклер построил «Тринклер-мотор», который отличался от дизелевского варианта тем, что не имел воздушного компрессора для накачки воздуха, его роль играла гидравлическая система для нагнетания и впрыска топлива.

Дизеля наконец-таки признали и на родине: сам кайзер Вильгельм II вручил ему диплом о присвоении почетного звания доктора-инженера и пригласил в оборонные проекты. Занялся Дизель и совершенствованием конструкции реверсивного судового четырехтактного мотора и созданием двигателя для грузовых автомобилей.

Закат

Дизель жил на широкую ногу. Построил в Мюнхене дворец стоимостью 900 тысяч марок, покупал нефтяные участки в Баварии, где, как выяснялось потом, не было нефти, широко и необдуманно спекулировал акциями, вкладывал деньги в католические лотереи. В итоге финансовые дела стали настолько плохи, что, как пишут его биографы, «пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом».

Нервы Дизеля были издерганы постоянными нападками недоброжелателей и конкурентов, среди которых были как малоизвестные инженеры, так и могущественные люди вроде угольных и нефтяных магнатов, постоянно таскавшие его по судам по обвинениям в плагиате и других неблаговидных поступках.

Характерный пример — намерение его ярого противника профессора Людерса издать книгу под названием «Миф Дизеля», пытаясь доказать, что ничего нового в его изобретении нет, поскольку основа работы его двигателя была известна и раньше, а сам Дизель присвоил себе чужие заслуги.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней

Третьи вспоминали «нобелевскую» историю: незадолго до своей смерти, изобретатель обратился с письмом к председателю Нобелевского комитета Эммануилу Нобелю, в котором намекал на возможность получения Нобелевской премии за свое изобретение, рассчитывая, таким образом, поправить свои финансовые дела и заодно напомнив всем о себе. Но тот отказал. И это ввергло Дизеля в пучину черной депрессии.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней. Когда он погиб, его жена вспомнила странную фразу, которую он как-то обронил: «Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим». Затем он поехал в Баварские Альпы, где участвовал в опасных горных путешествиях и рискованных мероприятиях.

Читать еще:  Что постукивает на холодный двигатель

29 сентября 1913 года, в Антверпене 55-летний Рудольф Дизель и еще двое его друзей сели на паром «Дрезден», идущий в Англию, где он собирался работать инженером-консультантом на одном из двигателестроительных заводов. И ночью пропал. А через десять дней в Северном море рыбаки выловили труп. В одежде были найдены некоторые личные вещи, и сын Дизеля подтвердил, что они принадлежали его отцу.

Поршень двигателя внутреннего сгорания

Использование: область двигателестро- ения, а именно конструирование и изготовление поршней двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, позволяет повысить долговечность путем интенсификации охлаждения. Сущность 1 изобретения: поршень имеет кольцевую полость охлаждения, выполненную в головке 1, образованную внутренней 4 и наружной 5 частями с общим основанием 6. При этом соотношение высот и объемов этих частей подобрано таким образом, что происходит дифференциация объемов поступающего в полость охлаждения охладителя по наружной и внутренней частям в зависимости от сил инерции, действующих на поршень с одной стороны, и происходит снижение гидравлических сопротивлений прохождению охладителя по полости и более рациональное распределение потока охладителя за счет конфигурации полости охлаждения — с другой. 2 ил. Ј ч| ел со ю ел ON GO

Изобретение относится к двигателест- роению, а именно к конструкциям поршней двигателей внутреннего сгорания, охлаждаемых жидкой средой.

Известен охлаждаемый поршень двигателя внутреннего сгорания, у которого с целью повышения интенсивности охлаждения в полости охлаждения установлен защитный элемент с кольцевыми ребрами, обращенными внутрь полости охлаждения, причем защитный элемент выполнен из материала с большим коэффициентом тепло- проводности, чем материал по ршня (авторское свидетельство СССР № 1262079, кл. F02 F3/20, 1981).

Недостатком данного технического решения является то,что в нем нерационально используются потенциальные возможности охладителя и конфигурация полости охлаждения с размещенным в ней защитным элементом, данная конструкция поршня позволяет интенсивно охлаждать только часть головки, непосредственно контактирующую с защитным элементом, ввиду чего возникает инградиенгтемператур между теплопередающими поверхностями головки со стороны камеры сгорания и со стороны расположения поршневых колец, что негативно сказывается на надежности конструкции и ее долговечности.

Наиболее близким к изобретению техническим решением (авторское свидетельство СССР N 1219836, кл. F 02 F 3/14, 1984) является поршень двигателя внутреннего сгорания, содержащий головку с камерой сгорания в днище и выполненную в головке кольцевую полость охлаждения, образованную внутренней и наружной частями, объединенными общим основанием, расположенным со стороны юбки пбршня, причем части полости разделены кольцевым выступом, обращенным вяутрь полости охлаждения и выполненным на стенке последней со стороны днища.

Данное техническое решение позволяет эффективно охлаждать лишь верхнюю часть головки в области кромки камеры сгорания и недостаточно снижает температуру в области поршневых колец, что не может являться гарантией долговечной работы поршня при повышенных тепловых нагрузках из-за недостаточной эффективности и интенсивности охлаждения наиболее теп- лонапряженной части поршня.

Целью изобретения является повышение долговечности путем интенсификации процесса охлаждения.

Поставленная цель достигается тем, что в поршне двигателя внутреннего сгорания, содержащем головку с камерой сгорания в

днище и выполненную в головке кольцевую полость охлаждения, образованную внутренней и наружной частями, объединенными общим основанием, расположенным со

стороны юбки поршня, причем части полости разделены кольцевым выступом, обращенным внутрь полости охлаждения и выполненным в стенке последней со стороны днища, высота части полости охлажде0 ния со стороны камеры сгорания, измеренная от дна общего основания, составляет по меньшей мере 1,5 высоты наружной части полости, а ее объем выполнен в пределах 0,2-0,5 объема полости, ограни5 ченной общим основанием и плоскостью, перпендикулярной оси поршня, проходящей от дна общего основания на расстоянии 0,65-0,75 высоты наружной части полости. На фиг. 1 показан поршень двигателя

0 внутреннего сгорания с полостью охлаждения , разрез; на фиг. 2 — форма полости охлаждения .

Поршень содержит головку 1 с камерой 2 сгорашя в днище 3 и кольцевую полость

5 охлаждения, образованную внутренней 4 и наружной 5 частями с общим основанием 6. Части полости со стороны днища 3 разделены кольцевым выступом 7. обращенным внутрь полости охлаждения. Высота Н2

0 внутренней части 4 полости со стороны камеры 2 сгорания (наиболее теплонапряжен- ного участка поршня) составляет (не менее) 1,5 высоты Hi наружной части 5 полости, а ее объем выполнен в пределах 0,2-0,5 объе5 ма полости, ограниченного общим основанием 6 и плоскостью, перпендикулярной оси 8 поршня, проходящей от дна общего основания 6 на расстоянии 0,65-0,75 высоты наружной части 5 полости охлаждения,

0 Поршень работает следующим образом .

С помощью оптимально подобранных сечений подводящих и сливных каналов (не показаны) или другим способом поддержи5 вается относительный уровень охладителя (масла), составляющий не менее 0,65-0,75 высоты наружной части 5 полости. Такой уровень практически стабилизирует гидравлические потери во время прохождения ох0 ладителя вдоль полости охлаждения. При этом относительный уровень заполнения части 4 полости (внутренней), обращенной в сторону наиболее теплонапряженного участка поршня, составит 0,2-0,5, т.е. уровень,

5 оптимальный для охлаждения взбалтыванием , При смене направления сил инерции, перемещение вдоль оси 8 поршня основной массы охладителя ограничивается наружной частью 5 полости с меньшей высотой, поэтому охладитель продвигается вдоль полости охлаждения без значительного дополнительного сопротивления, что улучшает процесс сменяемости охладителя. Остальной охладитель попадает во внутреннюю часть 4 полости, направленную в сторону камеры 2 сгорания поршня, имеющую наибольшую высоту, и совершает колебательные движения с большей амплитудой, что повышает интенсивность теплообмена. Не- смотря на то, что охладитель, попадающий во внутреннюю часть 4 полости, направленную в сторону камеры 2 сгорания, вследствие колебательного движения с большей амплитудой за цикл смены направления сил инерции, отстает в продвижении вдоль полости от охладителя, остававшегося в наружной части 5 полости с меньшей высотой, он не перегревается, так как хорошо перемешивается и отдает тепло остальному, со- ставляющему большую часть объема, охладителю,

Объем внутренней части 4 полости, обращенной в сторону камеры 2 сгорания, т.е. в сторону наиболее теплонапряженного участка поршня, составляет 0,2-0,5 от объема полости, ограниченного общим основа- кием 6 и плоскостью, проходящей от дна общего основания на расстоянии 0,65-0,75 высоты наружной части 5 полости, т.е. со- ставляет объем не более 0,5 от объема охла- дителя, заполняющего полость. В противном случае основная масса охладителя будет иметь возможность совершать колебательные движения с большей ампли- тудой, что приведет к дополнительному гидравлическому сопротивлению, потерям при прохождении охладителя вдоль полости и перегреву охладителя.

Таким образом, предлагаемая конфигу- рация полости охлаждения позволяет улучшить эффективности охлаждения за счет снижения гидравлических потерь при прохождении охладителя вдоль полости охлаждения и оптимизации условий теплообмена в наиболее теплонапряженной зоне поршня , что и является критерием повышения долговечности конструкции.

П р и м е р. В поршне двигателя 8ДВТ— 330 с помощью предварительной механической обработки и электронно-лучевой сварки была выполнена полость охлаждения из двух частей, объединённых общим основанием. Высота одной части полости составляет 14 мм, другой части, обращенной в сторону кромки камеры сгорания, 21 мм, а объем составляет 0,28 от объема полости , ограниченного общим основанием и плоскостью, перпендикулярной к оси поршня , проходящей на расстоянии 10,5 мм до дна общего основания. Эксплуатация показала , что температура в области кромки камеры сгорания снизилась на 20-25° по сравнению с серийным поршнем, имеющим полость охлаждения в виде овала высотой 20 мм и шириной 10 мм,

Формула изобретения Поршень двигателя внутреннего сгорания , содержащий головке с камерой сгорания в днище и выполненную в головке кольцевую полость охлаждения, образованную внутренней и наружной частями, объе- диненными общим основанием, расположенным со стороны юбки поршня, причем части полости разделены кольцевым выступом, обращенным внутрь полости охлаждения и выполненным на стенке последней со стороны днища, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности путем интенсификации процесса охлаждения , высота части полости охлаждения со стороны камеры сгорания, измеренная от дна общего основания, составляет по меньшей мере 1,5 высоты наружной части полости, а ее объем выполнен в пределах 0,2-0,5 объема полости, ограниченной общим основанием и плоскостью, перпендикулярной оси поршня, проходящей от дна общего основания на расстоянии 0,65-0,75 высоты наружной части полости.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Для того, чтобы понять принцип работы ГРМ, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Читать еще:  Шевроле авео плавают обороты двигателя при езде

Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Е сли д вигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.

Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.

Устройство КШМ

Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector