Перейти к контенту

Поршневая система двигателя – Volkswagen Tiguan Искандер APR 1.4 › Бортжурнал › Ликбез по поршневой группе современного бензинового мотора VW, пример на 1.4 TSI

Содержание

Поршневой двигатель внутреннего сгорания - это... Что такое Поршневой двигатель внутреннего сгорания?

4-тактный цикл двигателя внутреннего сгорания
Такты:
1. Всасывание горючей смеси.
2. Сжатие.
3. Рабочий ход.
4. Выхлоп. Двухтактный цикл.
Такты:
1. При движении поршня вверх — сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего цикла в полость под поршнем.
2. При движении поршня вниз — рабочий ход, выхлоп и вытеснение топливной смеси из-под поршня в рабочую полость цилиндра. Блок цилиндров 4-х цилиндрового ДВС

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

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

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

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:

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

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырёхтактные

двигатели.
Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

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

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

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

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

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

Основные параметры двигателя

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

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

Ссылки

dic.academic.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...

avto-i-avto.ru

Поршневая система двигателя | Малолитражки и компактные автомобили

Поршень и его основное назначение в работе двигателя. Поршень занимает центральное место в процессе преобразования химической энергии топлива сначала в тепловую, а затем в механическую. И в прямом, и в переносном смысле. И от того, насколько хорошо он справляется с возложенными на него обязанностями, в значительной степени зависят характеристики мотора. Его эффективность и, что более важно, надежность. Особенно когда мы говорим о спортивном применении или модификации автомобиля в тюнинговом ателье. Вопрос о применении специальных поршней в случае повышения мощности всегда встает перед конструктором.

В силу множества функций и противоречивости свойств поршень превращается в одну из самых сложных и наукоемких деталей мотора. Такое привилегированное положение подтверждается тем, что редкие автомобилестроительные компании проектируют и изготавливают их самостоятельно для своих моторов.

Чаще всего они пользуются услугами фирм, которые специализируются в этой области. Многообразие форм и размеров поршней является одной из причин, почему столь много тайн, секретов и небылиц распространяется вокруг этого причудливой формы куска металла. А так как это еще и технологически сложно, практически неисполнимо в условиях стандартного машиностроительного производства, то проблема подгонки, т. е. соответствия поршня требованиям модифицированного мотора, становится камнем преткновения для многих тюнинговых компаний и спортивных конюшен. Кроме того, штучное производство столь сложных изделий финансово обременительно. В этой ситуации часто интуитивные представления тюнера о том, что «улучшенный» двигатель должен иметь «улучшенные» поршни, приводит к тому, что сначала двигатель оснащается чем-то доступным, а потом такое решение находит свое наукообразное обоснование.

Так давайте попробуем разобраться, какие требования предъявляются к поршням и что от чего зависит. Во-первых, поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых, представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

Таким образом, все проблемы этой важной детали двигателя можно разделить на две большие группы. Первая – это тепловые процессы. Вторая, значительно более многообразная – механические. Обе группы взаимовлияющие, но в этот раз мы остановимся на тепловых.

Итак, топливо, сгорая в надпоршневом пространстве, выделяет огромное количество тепла в каждом цикле работы двигателя. Температура сгоревших газов достигает 2000 градусов. Только часть своей энергии они передадут движущимся деталям мотора, все остальное в виде тепла нагреет двигатель, а то, что останется, вместе с отработанными газами улетит в трубу. Из курса общей физики известно, что если два тела передают друг другу тепло, то передача тепла будет происходить до тех пор, пока их температуры не уравняются. Следовательно, если мы не будем охлаждать поршень, он через некоторое время расплавится. Это принципиально важный момент для понимания условий работы поршневой группы.

А особенно важно, если мотор форсируется. Всегда, когда мы заставляем мотор увеличить мощность, пропорционально увеличивается количество тепла, генерируемое в камере сгорания в единицу времени. Конечно, расплавленные поршни мы видим чрезвычайно редко, однако в любых их проблемах всегда незримо присутствует температура. Примерно так же, как в любом дорожно-транспортном происшествии – скорость. Виноват, конечно, водитель, но…. Если бы автомобили не двигались, никто бы не пострадал. Дело в том, что с ростом температуры механические характеристики всех материалов ухудшаются. Поэтому нагрузка, которая при 100 градусах Цельсия вызывает упругую деформацию материала, при 300 градусах деформирует изделие, а при 450 разрушит его. Поэтому мы должны или принимать меры по предотвращению роста температуры поршня, или использовать материалы, способные выдержать рабочие нагрузки при высоких температурах. Чаще всего и то и другое. Однако в любом случае конструкция поршня должна быть такова, чтобы в нужных местах было необходимое количество металла, способное противостоять разрушению.

Еще раз повторим известный из курса общей физики факт, что тепловой поток направлен от более нагретых тел к менее нагретым. Тогда мы сможем увидеть распределение температур по поршню во время его работы и определить важные конструктивные моменты, влияющие на его температуру, т. е. понять, за счет чего он охлаждается. Нам известно, что наиболее нагретым является рабочее тело, или, другими словами, газы в камере сгорания. Совершенно понятно, что, в конце концов, тепло будет передано окружающему автомобиль воздуху – самому холодному и в то же время при определенном допущении бесконечно теплоемкому. Воздух, омывая радиатор и корпус двигателя, студит охлаждающую жидкость, блок цилиндров и корпус головки. Нам осталось найти мостик, по которому поршень отдает свое тепло в блок и антифриз. Есть для этого четыре пути. Они совершенно разные по своему вкладу, однако все заслуживают упоминания, так как в зависимости от конструктивных особенностей двигателя имеют большее или меньшее значение.

Итак, первый путь, обеспечивающий наибольший поток, – это поршневые кольца. Причем первое кольцо играет главную роль, как расположенное ближе к днищу. Это также наиболее короткий путь к охлаждающей жидкости через стенку цилиндра. Кольца одновременно прижаты и к поршневым канавкам, и к стенке цилиндра. Они обеспечивают более 50% теплового потока. Второй путь менее очевиден, однако трудно его недооценить. Вторая охлаждающая жидкость в двигателе – масло. Имея непосредственный доступ к наиболее нагретым местам мотора и несмотря на небольшой объем и слабую циркуляцию, масляный туман уносит с собой и отдает в поддон картера значительную часть тепла именно от самых горячих точек. В случае применения масляных форсунок, направляющих струю на внутреннюю поверхность днища поршня, доля масла в теплообмене может достигать 30 – 40%. Понятно, что, нагружая масло в большей степени функцией теплоносителя, мы должны позаботиться о том, чтобы его остудить. Иначе перегретое масло может потерять свои свойства и стать причиной выхода из строя подшипников. Также, чем выше температура масла, тем меньше тепла оно способно перенести через себя.

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

И четвертый путь – совсем не в масло или охлаждающую жидкость. Часть тепла отбирает на свой нагрев свежая топливовоздушная смесь, поступившая в цилиндр в такте впуска. Количество свежей смеси, а следовательно, и количество тепла, которое она отберет, зависит от режима работы и степени открытия дросселя. Надо заметить, что тепло, полученное при сгорании, также пропорционально заряду. Поэтому этот путь охлаждения носит, во-первых, импульсный характер, во-вторых, отличается скоротечностью, в-третьих, пропорционален последующему нагреву и, в-четвертых, высокоэффективен благодаря тому, что тепло отбирается с той стороны, с которой поршень нагревается.

Полезное в сети: интересует где продается экипировка на мото, быстро и не дорого? Рекомендуем популярный вебсайт — simplyroad.ua, сервисного портала «Simply Road» из Киева, специалисты фирмы проконсультируют и подберут полный спектр необходимых услуг по выбору мотоэкипировки, все для мототюнинга, и любые мотозапчасти.

Первоисточник публикации сайт subcompactcars.ru

Разместить статью в соц. сетях и закладках:

 

subcompactcars.ru

Поршень на свободе: двигатель со свободным поршнем

«Современный двигатель внутреннего сгорания по определению не самый выдающийся продукт с точки зрения технологий. Это значит, что его можно совершенствовать до бесконечности» (Мэтт Тревитник, президент венчурного фонда семьи Рокфеллер Venrock).

Уже в ноябре этого года на американский рынок выйдет Chevrolet Volt, электромобиль с бортовым генератором электроэнергии. Volt будет оснащен мощным электродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, который лишь подзаряжает истощенную литий-ионную батарею. Этот агрегат всегда работает на максимально эффективных оборотах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, привыкший к куда более тяжкому бремени. Однако в скором времени его могут сменить куда более компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданные для работы в качестве электрогенератора.

Когда речь заходит о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы, кивать на сотни пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трясти святыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства классического двигателя внутреннего сгорания кого хочешь убедят в бесполезности инноваций. Но только не профессионалов в области термодинамики. К таковым относится профессор Питер Ван Блариган.

Энергия взаперти

Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрический поршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектор для впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топлива к ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) — с двумя или даже четырьмя оппозитными поршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним — возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.

Куда уходит КПД Двигатель Питера Ван Бларигана отличается от обычного ДВС значительно более высоким КПД за счет отсутствия паразитных потерь. В конструкции отсутствуют вращающиеся массы, инерция которых увеличивается за счет центробежной силы. На поршни не действуют боковые силы, прижимающие их к стенкам цилиндра, благодаря чего уменьшается трение. Подшипники коленчатого вала и шатунов, поршневые пальцы, распредвал, кулачки и клапаны — все те узлы двигателя ОТТО, в которых свирепствует трение, отсутствуют в FPLA. Кроме того, на каждый цикл работы двигателя со свободным поршнем приходится два рабочих такта. При этом FPLA намного компактнее, проще и надежнее обычного ДВС. Рабочий прототип мотора Ван Бларигана уже был воплощен в металле и успешно прошел первую стадию испытаний.

Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственная проблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собой замкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в минуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективность при этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попытки предпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.

Возможно, об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 году Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различных типов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, а значит — снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря на всю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в 1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных и мощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретения сплава на основе неодима, железа и бора.

Схема двигателя Штельзера Единая деталь сочетает в себе два поршня, топливный насос и клапанную систему.

За эту работу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта вплоть до стадии экспериментального агрегата.

Электронный пинг-понг

Двухтактный линейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками медной проволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации. Зажигание происходит в режиме HCCI — в камере одновременно возникает множество микроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLA нет — ее функции выполняет сам поршень.


Труба Франка Штельзера

В 1981 году немецкий изобретатель Франк Штельзер продемонстрировал двухтактный мотор со свободным поршнем, который он разрабатывал в своем гараже с начала 1970-х. По его расчетам, движок был на 30% экономичнее обычного ДВС. Единственная движущаяся деталь мотора — сдвоенный поршень, снующий с бешеной частотой внутри цилиндра. Стальная труба длиной 80 см, оснащенная карбюратором низкого давления от мотоцикла Harley-Davidson и блоком катушек зажигания Honda, по грубым прикидкам Стельзера, могла вырабатывать до 200 л.с. мощности при частоте до 20 000 циклов в минуту. Штельзер утверждал, что его моторы можно делать из простых сталей, а охлаждаться они могут как воздухом, так и жидкостью. В 1981 году изобретатель привез свой мотор на Франфуртский международный автосалон в надежде заинтересовать ведущие автокомпании. Поначалу идея вызвала определенный интерес со стороны немецких автопороизводителей. По отзывам инженеров Opel, прототип двигателя демонстрировал великолепный термический КПД, а его надежность была совершенно очевидной — ломаться там было практически нечему. Всего восемь деталей, из которых одна движущаяся — сдвоенный поршень сложной формы с системой уплотнительных колец общей массой 5 кг. В лаборатории Opel были разработаны несколько теоретических моделей трансмиссии для мотора Штельзера, включая механическую, электромагнитную и гидравлическую. Но ни одна из них не была признана достаточно надежной и эффективной. После Франкфуртского автосалона Штельзер и его детище пропали из поля зрения автоиндустрии. Еще пару лет после этого в прессе то и дело появлялись сообщения о намерениях Штельзера запатентовать технологию в 18 странах мира, оснастить своими моторами опреснительные установки в Омане и Саудовской Аравии и т. д. С начала 1990-х Штельзер навсегда пропал из виду, хотя его сайт в интернете все еще доступен.

Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам — термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше — 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.

Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.

Зеленый и плоский Двигатель Ecomotors отличается не только скромными габаритами и массой. Внешне плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, которые дают особые компоновочные преимущества в виде низкого центра тяжести и линии капота. Это означает, что автомобиль будет не только динамичным, но и хорошо управляемым.

Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработать простую и дешевую систему управления».

Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары — статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте — засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.

У кого шатун длиннее Значительная часть потерь на трение в обычных ДВС приходится на повороты шатуна относительно поршня. Короткие шатуны поворачиваются на больший угол, нежели длинные. В OPOC очень длинные и сравнительно тяжелые шатуны, которые снижают потери на трение. Уникальная конструкция шатунов OPOC не требует использования поршневых пальцев для внутренних поршней. Вместо них применяются радиальные вогнутые гнезда большого диаметра, внутри которых скользит головка шатуна. Теоретически такая конструкция узла позволяет сделать шатун длиннее обычного на 67%. В обычном ДВС серьезные потери на трение возникают в нагруженных подшипниках коленвала во время рабочего такта. В OPOC этой проблемы не существует вовсе — линейные разнонаправленные нагрузки на внутренний и внешний поршни полностью компенсируют друг друга. Поэтому вместо пяти опорных подшипников коленвала для OPOC требуется лишь два.

Конструктивная оппозиция

В январе 2008 года знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из своих последних проектов — компанию EcoMotors, созданную годом ранее Джоном Колетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. В послужном списке Хоффбауэра немало прорывных разработок: первый турбодизель для легковых автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый 6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизель Inline-Compact-V, впервые установленный в Golf, и его близнец VR6, созданный для Mercedes. Джон Колетти не менее известен в среде автомобильных инженеров. Долгое время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особых серий заряженных автомобилей.

В общем активе Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах по разработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных автомобилей. EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенного Хоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеля с технологией OPOC.

Небольшой размер, сумасшедшая удельная мощность 3,25 л.с. на 1 кг массы (250 л.с. на 1л объема) и танковая тяга в 900 Н•м при более чем скромном аппетите, возможность собирать из отдельных модулей 4-, 6- и 8-цилиндровые блоки — вот основные преимущества стокилограммового модуля OPOC EM100. Если современные дизели на 20−40% эффективнее бензиновых ДВС, то OPOC — на 50% эффективнее лучших турбодизелей. Его расчетный КПД — 57%. Несмотря на свою фантастическую заряженность, двигатель Хоффбауэра отличается идеальной сбалансированностью и очень мягкой работой.

В OPOC поршни соединяются с коленвалом, расположенным в центре, длинными шатунами. Пространство между двумя поршнями служит камерой сгорания. Топливный инжектор находится в области верхней мертвой точки, а впускной воздушный порт и выпускной порт для отработанных газов — в области нижней мертвой точки. Такое расположение вкупе с электрическим турбонагнетателем обеспечивает оптимальную продувку цилиндра — в OPOC нет ни клапанов, ни распредвала.

Турбонагнетатель — неотъемлемая часть мотора, без которой его работа невозможна. Перед запуском двигателя турбонагнетатель в течение одной секунды нагревает порцию воздуха до температуры 100 °C и закачивает ее в камеру сгорания. Дизелю OPOC не нужны калильные свечи, а запуск в холодную погоду не доставляет проблем. При этом Хоффбауэру удалось снизить степень сжатия с привычных для дизелей 19−22:1 до скромных 15−16. Все это, в свою очередь, приводит к снижению рабочей температуры в камере сгорания и расхода топлива.

Троянский конь

Уже сегодня у EcoMotors имеются три полностью готовых к производству оппозитных агрегата различной мощности: модуль мощностью 13,5 л.с. (размеры — 95 мм / 155 мм / 410 мм, вес — 6 кг), 40 л.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) и модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауэр и Колетти намерены продемонстрировать электрогибридный пятиместный седан среднего класса с дизельным генератором OPOC на базе одной из массовых моделей уже в текущем году. Средний расход солярки у этого автомобиля не превысит 2 л на сотню в комбинированном электрическом и смешанном режимах. Недавно EcoMotors открыла собственный технический центр в городке Троя, штат Мичиган, и уже подыскивает подходящее предприятие для организации серийного производства своих моторов. Несмотря на рассекреченность проекта, из недр компании поступает крайне скудная информация. По‑видимому, Винод Хосла решил придержать до поры убойные козыри.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2010).

www.popmech.ru

Механизмы и системы поршневого двигателя внутреннего сгорания

Категория:

   Устройство и работа двигателя

Публикация:

   Механизмы и системы поршневого двигателя внутреннего сгорания

Читать далее:



Механизмы и системы поршневого двигателя внутреннего сгорания

Карбюраторный и газовый четырехтактные поршневые двигатели имеют следующие механизмы и системы: кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения, систему охлаждения, систему смазки, систему питания и систему зажигания.

Кривошипно-шатунный механизм служит для осуществления рабочего цикла двигателя и преобразования поступательного двиягения поршня во вращательное движение вала. В кривошипно-шатунный механизм двигателя входят цилиндр (рис. 1) с головкой, поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун и коленчатый вал. Механизм установлен в картере, закрытом снизу поддоном. На конце коленчатого вала закреплен маховик.

Поршень, представляющий собой металлический стакан, установлен в цилиндре с небольшим зазором и уплотнен поршневыми кольцами. Поршень перемещается внутри цилиндра. При помощи пальца поршень шарнирно соединен с шатуном. Нижней головкой шатун шарнирно соединен с шатунной шейкой коленчатого вала. Коренными шейками вал лежит в подшипниках, установленных в картере, и может в них свободно вращаться.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Механизм газораспределения служит для впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. В верхней части цилиндра расположены клапаны , которые управляются деталями механизма газораспределения. Через впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь; через выпускной клапан отработавшие газы выходят в атмосферу.

Система охлаждения служит для отвода тепла от стенок цилиндра и его головки, сильно нагревающихся от горячих газов при работе двигателя. Цилиндр и головка имеют двойные стенки, образующие водяную рубашку, в которой циркулирует с помощью водяного насоса 6 охлаждающая цилиндр вода (или другая жидкость). При воздушном охлаждении цилиндры охлаждаются омывающим их воздухом.

Рис. 1. Основные механизмы и системы четырехтактного карбюраторного поршневого двигателя

Система смазки обеспечивает подачу масла ко всем трущимся деталям двигателя, в результате чего уменьшаются трение между деталями и их износ. Масло наливается в поддон картера двигателя и при помощи масляного насоса по трубкам и каналам подводится ко всем трущимся деталям.

Система питания служит для приготовления горючей смеси, которая подается внутрь цилиндра. Горючая смесь получается в карбюраторе или в смесителе, укрепленном на впускном трубопроводе.

Система зажигания служит для воспламенения смеси, находящейся в цилиндре двигателя. Зажигание производится электрической искрой с помощью свечи зажигания. Электрический ток, необходимый для зажигания смеси, вырабатывается приборами, входящими в систему зажигания.

В четырехтактном дизеле нет системы зажигания, так как смесь воспламеняется вследствие нагревания воздуха при его сжатии. Система питания имеет другое устройство и действие.

Двухтактные двигатели имеют те же основные механизмы и системы, что и четырехтактные, но отличаются по устройству и действию механизма газораспределения.

Рекламные предложения:


Читать далее: Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания

Категория: - Устройство и работа двигателя

Главная → Справочник → Статьи → Форум


stroy-technics.ru

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.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Двигатель со свободным поршнем — Энциклопедия журнала "За рулем"

Двигатель со свободным поршнем (двигатель ван Бларигана)


Один из самых оригинальных поршневых двигателей — так называемый «двигатель со свободным поршнем» (FPE). Основная особенность его в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него оказывается переменная. Как следствие, этот мотор можно настроить на бензин, солярку, этанол, природный газ, водород и т. д.
Устроен двигатель просто. По сути, это труба с глухими концами, внутри которой скользит поршень. На каждом конце трубы – форсунка, свеча, впускное и выпускное окно. Движущаяся деталь всего одна. Поршень в таком моторе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

КПД двигателя со свободным поршнем теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, и, значит, дешев. Но не смотря на то, что этот двигатель известен без малого почти сто лет, распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри трубы 20000 раз в минуту.
Решение нашел профессор Питер Ван Блариган . Он оснастил поршень кольцевыми магнитами из неодимового сплава, а на внешней стенке цилиндра – статора – поместил медную обмотку. Таким образом, появление сверхмощных магнитов из неодимового сплава позволило обойтись без механической связи поршня с шатуном, сделав бензиновый генератор электричества. Ван Блариган построил опытный образец, двухтактный линейный генератор под названием FPLA, мощностью 40 кВт. Термический КПД генератора, работающего на пропане, 56%. Любопытно, что этот двигатель может работать не только на пропане, но и на бензине, водороде, солярке и спирте.
Серийному выпуску подобных двигателей мешает несколько проблем, самая главная из которых - создание системы управления. Дело в том, что в обычном ДВС верхняя мертвая точка траектории поршня задается геометрией кривошипно-шатунного механизма, а в линейном она зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливовоздушной смеси. То есть, поршень тормозит, создавая давление в камере. Как следствие, длительность тактов и верхняя мертвая точка могут меняться. А это значит, что при неточной работе форсунки поршень либо остановится, либо ударится в стенку. Как следствие, свободные поршни нуждаются в специальном механизме, который бы нивелировал разницу в процессе сгорания топлива в каждом из рабочих циклов. Ван Блариган считает, что ключ к решению проблемы управления в контроле за положением и движением поршня через внешний статор. Компьютерное управление вполне может справиться с такой задачей. А тормозить поршень можно с помощью тех же электромагнитов.
Полноценный прототип генератора с готовой системой управления обещан к концу 2011 года. КПД – 50%.
Объяснить причины столь высокого КПД просто. У двигателя Ван Бларигана практически нет паразитных потерь, поскольку нет инерции вращающихся масс (по причине отсутствия этих самых масс), на поршень не действуют боковые силы, которые прижимают его к стенкам цилиндра. Нет подшипников коленвала, шатунов, поршневых пальцев, распредвала, клапанов. Более того: на каждый цикл работы двигателя приходится два рабочих такта.
Мотор FPLA отлично подходит для автомобиля с элетротрансмиссией. ДВС в таком автомобиле нужен только для зарядки аккумулятора, при пуске он должен сразу выходить на режим максимальной мощности либо – для экономии топлива – максимального момента. Это значит, что нет надобности организовывать его работу на переходных режимах, ту самую, ради которой строят многоклапанные двигатели, впускные коллекторы переменной длины, управление фазами газораспределения, двойной наддув и прочее. Двигатель, работающий в узком диапазоне оборотов намного проще и, значит, дешевле.

Иллюстрации www.technologyreview.com

wiki.zr.ru

Пока нет комментариев.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

СайдбарКомментарии (0)