Поршневая система двигателя: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Содержание

конструкция, отличия и применяемость на двигатели Ваз.. Статьи компании «АвтоКлюч-63»

     Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.

Общая конструкция поршневой группы сложилась еще в период появления первых двигателей внутреннего сгорания. С тех пор ни один из элементов поршневой группы не утратил своего функционального назначения.

Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.

Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.

Требования, которым должна соответствовать эта деталь:

  • температура в камере сгорания может достигать более 2000°С а температура поршня, без риска потери прочности материала, не должна превышать 350°С
  • после сгорания бензино-воздушной смеси, давление в камере сгорания может достигать 80 атмосфер.

 При таком давлении, оказываемое на днище усилие, будет составлять свыше 4-х тонн. Толщина стенок и днища поршня должна обеспечивать возможность выдерживать значительные нагрузки. Но любое увеличение массы изделия приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы двигателя, что в свою очередь, ведет к усилению конструкции и росту массы двигателя;

  • зазор между поршнем и поверхностью цилиндра должен обеспечивать эффективную смазку и возможность перемещения с минимальными потерями на трение. Но в тоже время зазор должен учитывать тепловое расширение и исключить возможность заклинивания.
  • изготовление должно быть достаточно дешевым и отвечать условиям массового производства.

Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.

   В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение:

1)   Днище поршня – поверхность, обращенная к камере сгорания.

Днище, своим профилем, определяет нижнюю поверхность камеры сгорания.

Форма днища зависит от формы камеры сгорания, расположения клапанов, от особенности подачи топливо-воздушной смеси в камеру сгорания и объема самой камеры.

Днища разных моделей применяемых на двигателях ВАЗ приведены на рисунке:

Поршни ВАЗ 21213 и ВАЗ 21230 отличаются нанесенной маркировкой. Маркировка наносится на поверхность рядом с отверстием под поршневой палец. На поршне ВАЗ 21213 нанесены цифры -"213", на модели ВАЗ 2123 - "23".

На модели ВАЗ 21080, ВАЗ 21083, ВАЗ 21100 нанесена соответствующая маркировка - "08","083", "10". Поршень 2108 имеет диаметр 76 мм , модели 21083 и 2110 - 82 мм.

Поршни ВАЗ 2112 и ВАЗ 21124, имеют соответствующую маркировку - "12"и "24" и отличаются глубиной выборки под клапана. Модели 21126 и 11194 отличаются диаметром.

2)   Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители.

 Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.

3)  «Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.

4)  Уплотняющий участок - это участок канавок, расположенных на боковой цилиндрической поверхности поршня. Канавки предназначены для установки поршневых колец. Поршневые кольца обеспечивают подвижное уплотнение. На всех моделях для двигателей ВАЗ, выполнены две канавки под компрессионные кольца и одна канавка под маслосъемное кольцо.

В канавке под маслосъемное кольцо есть отверстия, через которые отводится излишек масла во внутреннюю полость поршня. Уплотняющий участок выполняет еще одну очень важную функцию - через установленные поршневые кольца, осуществляется отвод значительной части тепла от поршня к цилиндру.

Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведет к его прогоранию.

По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.

Для обеспечения работоспособности, торцевой зазор первого компрессионного кольца в канавке должен составлять 0,045-0,070 мм. Для второго компрессионного кольца зазор - 0,035-0,060 мм, для маслосъемного – 0,025-,0050 мм. Между внутренней поверхностью кольца и канавки должен быть радиальный зазор - 0,2-0,3 мм.

5)  Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.

Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.

6)  «Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.

Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.

На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.

Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.

Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.

    Одним из факторов определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.

   Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.

Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.

   В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.

На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.

  В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции , основанных на новых научных разработках.

  В процессе работы, различные участки поршня нагреваются не равномерно, следовательно, и тепловое расширение будет больше там, где выше температура и больше объем металла. В связи с этим, на уровне днища размер выполняют меньшим, чем диаметр в средней части. Таким образом, в продольном сечении профиль будет коническим. Нижняя часть юбки тоже может иметь меньший диаметр. Это позволяет, при движении вниз, в пространстве между юбкой и цилиндром, создавать масляный клин, который улучшает центрирование в цилиндре.

   Для компенсации тепловых деформаций, в поперечном сечении поршень выполнен виде овала. Это связано с тем, что в районе бобышек под поршневой палец сосредоточен значительный объем металла.

При нагреве, в плоскости поршневого пальца, расширение будет осуществляться в большей степени. Овальность и бочкообразность детали в холодном состоянии, позволяет иметь поршень, приближающийся к цилиндрической форме, при работающем двигателе.

Такая форма изделия создает сложности при контроле его диаметра. Фактический диаметр можно определить, только замеряя его в плоскости перпендикулярной оси отверстия под поршневой палец на определенном расстоянии от днища. При этом, для разных моделей это расстояние будет отличаться.

   Тепловые нагрузки порождают еще одну проблему. Поршни изготавливают из алюминиевого кремнесодержащего сплава, а для блока цилиндров используют чугун. У этих материалов разная теплопроводность и разный коэффициент теплового расширения.

   Это приводит к тому, что в начале работы двигателя, поршень нагревается и увеличивается в диаметре быстрее, чем увеличивается внутренний диаметр цилиндра. При и без того малых зазорах, это может приводить к повышенному износу цилиндров, а в худшем случае, к заклиниванию поршня.

  Для решения этой проблемы, во время отливки поршня, в тело заготовки внедряют специальные стальные или чугунные элементы, которые сдерживают резкое изменение диаметра. Для уменьшения теплового расширения и отвода тепла, на некоторых типах двигателя, используются системы подачи масла во внутреннюю полость поршня.

  Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня и верхней головки шатуна. Во время работы двигателя, на поршневой палец воздействуют значительные переменные силы. Палец и отверстия под палец должны сопрягаться с минимальным зазором, обеспечивающим смазку.

  На двигателях ВАЗ используется два типа шарнирного соединения «поршень-палец-шатун». На поршнях моделей 2101, 21011, 2105, 2108, 21083 – палец устанавливается в верхней головке шатуна по плотной посадке, исключающей его вращение. Отверстие в поршне под поршневой палец выполнено с зазором, обеспечивая свободное вращение.

  В дальнейшем от этой схемы отказались и перешли на схему с «плавающим» пальцем. На поршнях моделей 21213, 2110, 2112, 21124, 21126, 11194, 21128 – палец устанавливается с минимальным зазором и в головке шатуна, и в отверстиях поршня. Для исключения осевого смещения пальца, в поршне, в отверстиях под поршневой палец устанавливаются стопорные кольца. Во время работы, у пальца есть возможность проворачиваться, обеспечивая равномерный износ поверхностей.

  Для обеспечения надежной смазки пальцев, в бобышках предусмотрены специальные отверстия.

По результатам фактического замера отверстия под поршневой палец, поршням присваивается одна из трех категорий(1-я, 2-я, 3-я). Разница в размерах для категорий составляет - 0,004мм. Номер категории клеймится на днище.

Для обеспечения необходимого зазора, поршневые пальцы, по наружному диаметру подразделяются на три класса. Отличие в размерах составляет - 0,004 мм. Маркировка класса производится краской по торцу пальца: синий цвет - первый класс, зеленый - второй, красный - третий класс. При сборке, поршню первой категории должен подбираться палец первого класса и т.д.

  Особенностью работы шатунного механизма, является то, что до достижения верхней мертвой точки, поршень прижат к одной стороне цилиндра, а после прохождения ВМТ – к другой стороне цилиндра. При приближении к верхней мертвой точке, на поршень действует максимальная нагрузка, следовательно растет сила давления на палец. Возрастающие силы трения препятствуют повороту поршня на пальце. При таких условиях поворот может происходит скачкообразно, со стуком о стенку цилиндра.

 

  Для того, чтобы снизить динамические нагрузки и шум, применяют поршни со смещенным отверстием под поршневой палец. Ось отверстия смещена в горизонтальной плоскости от оси поршня. В работающем двигателе это приводит к возникновению момента силы, который облегчает преодоление сил трения.

Такое конструктивное решение позволяет добиться плавности, при смене точек контакта поршня с цилиндром. На такие изделия обязательно наносится метка для правильной ориентации при его установке. Однако, чем больше будет износ цилиндров и юбки, тем в большей степени будет проявляться стук в цилиндре.

  Существуют поршни, в которых применяется не только горизонтальное смещение оси пальца, но и вертикальное. Такое смещение ведет к уменьшению компрессионной высоты. Поршни, с дополнительным смещением оси отверстия под палец вверх, применяются для тюнинговой доработки двигателя. В качестве основной характеристики для таких поршней используется величина смещения, указывающая на сколько смещен центр отверстия под палец, по сравнению со стандартным изделием.

  На рынке продаж, поршень представлен значительным количеством отечественных и иностранных производителей. Независимо от производителя, они должны соответствовать требованиям, рассчитанным для конкретной модели двигателя. Поршни, входящие в комплект, не должны отличаться по массе более чем на ±2,5 грамм. Это позволит снизить вибрации работающего двигателя. Для розничной сети, в комплекты подбираются поршни одной весовой группы. В случае необходимости можно осуществить подгонку поршня по массе.

  Зазор между цилиндром и поверхностью поршня должен соответствовать величине установленной для данной модели двигателя. Поршни номинального размера по своему диаметру относят к одному из пяти классов. Различие между классами составляет 0,01 мм.

  Классы маркируются на днище буквами - (А, В, С, D, Е). В качестве запасных частей поставляются поршни классов - А, С, Е. Этих размеров достаточно, чтобы осуществить подбор деталей для любого блока цилиндров и обеспечить необходимый зазор.

  Поршни ВАЗ 11194 и ВАЗ 21126 имеют только три класса (A, B, C) с размерным шагом - 0,01 мм.

  Кроме номинальных размеров, изготавливаются поршни 2-х ремонтных размеров, с увеличенным наружным диаметром на 0,4 и 0,8 мм. Для распознавания, на днищах ремонтных изделий ставится маркировка: символ "треугольник" соответствует первому ремонтному размеру(с увеличением наружного диаметра на 0,4 мм), символ "квадрат" - увеличение диаметра на 0,8 мм. До 1986 г. ремонтные размеры отличались от современных. Так для двигателя 2101 существовало три ремонтных размера: на 0,2 мм., 0,4 мм., 0,6 мм; для двигателя 21011 два размера: 0,4 мм. и 0,7 мм.

 

Применяемость моделей поршней на различных двигателях Ваз:

  В качестве материала для изготовления поршней применяются сплавы алюминия. Использование кремния в составе сплава, позволило снизить коэффициент теплового расширения и увеличить износостойкость. Сплавы, где содержание кремния может достигать 13%, называют – эвтектическими. Сплавы с более высоким содержанием кремния относят к заэвтектическим сплавам. Повышение процента содержания кремния улучшает теплопроводные характеристики, однако приводит к тому, что при охлаждении в сплаве происходит выделение кремния в виде зерен размером 0.5-1.0 мм. Это приводит к ухудшению литейных и механических свойств. Для улучшения физико-механических свойств, в сплавы вводят легирующие добавки меди, марганца, никеля, хрома.

  Существует два основных способа получения заготовки поршня.

Отливка в кокиль – специальную форму, является более распространенным способом. Другой способ - горячая штамповка (ковка). После этапов механической обработки, изделие подвергают термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для снятия остаточных напряжений в металле.

  Структура кованого металла позволяет повысить прочностные характеристики изделия. Но есть существенные недостатки кованых изделий классической конструкции( с высокой юбкой)– они получаются более тяжелыми. Кроме того, в кованных деталях, невозможно использовать термокомпенсирующие кольца или пластины. Увеличенный объем металла ведет к увеличенной тепловой деформации и необходимости увеличивать зазор между поршнем и цилиндром. И как следствие – повышенный шум, износ цилиндров, расход масла. Применение кованых поршней оправдано в тех случаях, когда большую часть времени двигатель автомобиля эксплуатируется на предельных режимах.

  В современном конструировании поршней, наблюдаются следующие тенденции: уменьшение веса, использования «тонких» поршневых колец, уменьшение компрессионной высоты, использование коротких поршневых пальцев, применение защитных покрытий. Все это, нашло свое применение, в конструкции Т-образных поршней. Наименование конструкции обусловлено схожестью профиля детали с буквой «Т». На этих изделиях, юбка уменьшена и по высоте и по площади направляющей части. В качестве материала для изготовления таких поршней используется заэвтектический сплав, с большим содержанием кремния. Поршни Т-образной конструкции практически всегда изготавливаются горячей штамповкой.

  Принятие разработчиками решения о применении той или иной конструкции поршня всегда предшествует расчет и глубокий анализ поведения всех узлов шатунно-поршневой группы. Детали современных двигателей рассчитаны на пределе возможностей конструкции и материалов. В таких расчетах предпочтение отдается конструкциям с минимальной стоимостью обеспечивающих утвержденный ресурс и не более. Поэтому любое отклонение от штатных режимов работы двигателя ведет к сокращению ресурса тех или иных деталей и узлов.

Поршневые двигатели | Научно-учебный комплекс «Энергомашиностроение»

Отдел ЭМ 2.1 НИИ ЭМ ("Поршневые двигатели") занимается проектированием и исследованием двигателей внутреннего сгорания. Отдел оснащен вычислительной техникой, имеет современную лабораторию, осуществляет активные связи с предприятиями, занимающимися производством двигателей и компонентов. Фундаментальный научный уровень разработок ведущих специалистов позволил приобрести высокую репутацию в своей отрасли.

Лаборатории отдела ЭМ 2.1 НИИ ЭМ

Экспериментальная и учебная лаборатория.

Лаборатория математического моделирования рабочих процессов.

Лаборатория топливной аппаратуры.

Лаборатория прочности тепловых двигателей.

Сложившиеся коллективы специалистов разработали и продолжают совершенствование специального прикладного программного обеспечения, использующегося в промышленности.

Направления научной работы отдела ЭМ 2.1 НИИ ЭМ

Моделирование рабочих процессов в ДВС

Математическое моделирование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания может осуществляться для различных режимов работы, включая скоростную, нагрузочную, высотную и другие характеристики двух- и четырехтактных ДВС, с различными схемами подключения коллекторов, преобразователей импульсов, турбин, компрессоров и охладителей наддувочного воздуха; учет агрегатов наддува осуществляется разными способами, включая согласование их характеристик (возможен оптимальный подбор проточных частей турбин и компрессоров к поршневому ДВС).

Рассчитываются поля универсальных характеристик турбин и компрессоров по размерам их проточных частей.

Прогнозируются мощностные, экономические и экологические показатели двигателя при проведении различных конструктивных мероприятий, связанных с модернизацией топливной аппаратуры, формы камеры сгорания, организацией закрутки заряда, выбором фаз газораспределения и системы наддува.

Решаются многофакторные задачи оптимизации рабочего процесса, используя для этого как метод сканирования, так и методы нелинейного программирования.

Теплообмен в поршневых двигателях

На основе многозонной модели расчета локальных нестационарных температур рабочего тела в объеме цилиндра дизеля производится расчет теплового состояния деталей, образующих камеру сгорания в трехмерной постановке с учетом наличия тонких слоев нагара на тепловоспринимающие поверхности. Разработанная математическая модель сложного (радиационно-  конвективного) теплообмена в цилиндре дизеля, учитывает течение рабочего тела, как излучающей и поглощающей лучистую энергию турбулентной среды.

Совершенствование конструкций и прочностной анализ поршневых и комбинированных ДВС

Проблема повышения прочности базовых узлов и деталей двигателей внутреннего сгорания традиционно занимает важное место в научной работе. При этом по мере непрерывного форсирования двигателей по удельной и агрегатной мощности, повышению требований к экономичности, экологическим, массо-габаритным показателям, а также надежности значение исследований в области тепловой и механической напряженности поршневых двигателей постоянно повышается.

Снижение механических потерь и энергосбережение в поршневых двигателях

Специалисты отдела занимаются моделированием, оценкой и снижением механических потерь, макро- и микропрофилированием поверхностей трения деталей цилиндро-поршневой группы, разработкой принципов трибологической адаптации конструкций, методов трибометрии и тестирования энергосберегающих конструкционных и смазочных материалов для поршневых двигателей.

Теоретико-расчетной основой практических рекомендаций по трибологическому энергосбережению служит активно используемый пакет расчетных программ динамики, гидродинамики и трибологии основных трущихся сопряжений.

Изучение процессов газообмена, смесеобразования и сгорания в ДВС методом физического моделирования

Физическое моделирование процессов газообмена, процессов смесеобразования и сгорания в ДВС позволяет изучать сложные физические процессы, которые в эксперименте на натурном двигателе наблюдать либо невозможно, либо это настолько технически сложно, что становится мало доступным. К таким процессам относят движение газов в цилиндре двигателя, от которого зависит и качество газообмена, и условия смесеобразования и сгорания топлива.

Моделирование течений газа во впускных каналах и трубопроводах

Методом физического моделирования выполнены исследование структуры течения во впускных каналах при нестационарных и стационарных условиях, воздействие волн на наполнение цилиндра двигателя с неразветвленным впускным трубопроводом. Изучено влияние волн в разветвленном впускном трубопроводе на неравномерность наполнения цилиндров многоцилиндрового двигателя.

В математических моделях четырехтактного дизеля применяется термодинамический метод для процессов в цилиндре и метод нестационарной газовой динамики для процессов в трубопроводах в одномерной постановке. Алгоритмы реализации моделей различаются методами численного решения основных уравнений и уравнений граничных условий.

 

Газообмен и наддув двигателей

При расчетах течений в газовоздушных трактах двигателей используются самые передовые численные методы газовой динамики – метод характеристик, распада разрыва и крупных частиц.

С помощью неявных представлений для расчетных сеток методов крупных частиц и распада разрыва разработаны новые модификации этих методов. На базе создания системы нестационарных газодинамических функций, а также экспериментов на модельных установках предложены новые граничные условия у органов газораспределения, разветвлений трубопроводов и агрегатов наддува, существенно уточняющие результаты расчета нестационарного газообмена.

Создание топливных систем дизелей

Созданы образцы специализированных ТНВД для Common Rail и усовершенствованные электрогидравлические форсунки.

         Топливные насосы с электронным управлением с двумя рейками управления подачей и углом опережения были созданы и прошли успешные испытания.

Были созданы проекты насосов с быстродействующим электроуправляемым клапаном для нужд отечественных заводов. Для них также подготовлены математические модели наполнения-отсечки и процессов в линии низкого давления, а также модели быстродействующих электроприводов.

Использование альтернативных топлив в ДВС

Наряду с исследованиями газовых двигателей проведен ряд работ по газогенераторам: разработана методика расчета и выбора оборудования газогенераторных установок, созданы руководящие материалы для проектирования газогенераторов обращенного процесса и разработаны типовые проекты генераторов и очистительных устройств. Работы по генераторам были завершены расчетом и проектированием серии типовых генераторов и очистительных устройств.

Была разработана и реализована технология питания автомобильных дизелей с газообразными присадками водорода и (или) синтез-газа, подаваемыми вместе с дизельным топливом через штатную форсунку. Испытания показали эффективность таких присадок в отношении улучшения физических и химических факторов смесеобразования и сгорания и, в конечном счете, снижения всех четырех актуальных вредных выбросов с ОГ.

Был проведен цикл разноплановых работ по реализации исходной идеи Рудольфа Дизеля – осуществлении работы двигателя с воспламенением от сжатия на угле. В данном случае использовались топливоугольные и водоугольные суспензии. Были осуществлены работы по изучению и описанию физических свойств суспензий, в первую очередь вязкостных. Суспензия, будучи неньютоновкой жидкостью, имеет очень сложную и почти неизученную реологию. Новые закономерности распыливания угольных суспензий, полученные методом лазерной дифракции, обосновали необходимость резкой интенсификации впрыскивания суспензий. Была разработана и реализована топливная аппаратура, обеспечивающая работоспособность и ресурс дизеля.

Проведена работа по подготовке топливной аппаратуры и дизеля к применению альтернативного топлива – диметилового эфира. Концепцией стала технология смесевого топлива (дизельного с ДМЭ). Она обеспечила разумность экономических затрат в отношении достигаемого экологического результата (тогда ДМЭ был в 5 раз дороже дизельного топлива) и еще десяток практически важных достоинств.

Исследования в области автоматического регулирования ДВС

Одним из основных направлений научных исследований является математическое моделирование переходных процессов САР. В рамках этого направления проведены работы по созданию линейных и нелинейных математических моделей дизеля с турбонаддувом как объекта автоматического регулирования, и в целом системы автоматического регулирования такого двигателя.

«Поршневые двигатели внутреннего сгорания»

Выпускник образовательной траектории сможет работать в области:

- проектирования и конструирования, исследований, монтажа и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также вспомогательного оборудования, обеспечивающего функционирование двигателей внутреннего сгорания.

Объектами профессиональной деятельности выпускников являются:

- двигатели внутреннего сгорания средств наземного, водного и воздушного транспорта;

- двигатели внутреннего сгорания для малой энергетики;

- комбинированные энергоустановки с двигателями внутреннего сгорания;

- средства автоматики, исполнительные устройства, системы и устройства управления работой установок с поршневыми двигателями внутреннего сгорания;

- вспомогательное оборудование, обеспечивающее работу двигателей внутреннего сгорания.

 

ДВС нашли широкое применение в самых разнообразных отраслях народного хозяйства: почти весь наземный транспорт, морской и речной флот, легкомоторная авиация, строительно-дорожные и сельскохозяйственные машины, лесное хозяйство, мелиорация, электростанции малой мощности и, наконец, разнообразная техника вооруженных сил. Это объясняется, прежде всего, тем, что поршневые двигатели являются самыми экономичными из всех других типов тепловых машин.

Выбор образовательной траектории по двигателям внутреннего сгорания открывают молодым специалистам широкие возможности для творческой работы в области двигателестроения:

-        в конструкторских и технологических бюро на производстве;

-        в экспериментальных лабораториях и научно-исследовательских центрах;

-        на предприятиях, эксплуатирующих всевозможную технику, оснащенную двигателями внутреннего сгорания.

 

Основной потребитель выпускников это – ООО «Уральский дизель-моторный завод» (УДМЗ), входящий в группу «Синара-транспортные машины». Более 50% выпускников устраивается на работу именно на этот завод. Выпускники работают инженерами-конструкторами, инженерами-технологами, на сборке и испытаниях двигателей, а также в сервисных центрах. При непосредственном участии выпускников на УДМЗ разработано и налажено производство нового семейства дизельных двигателей Д-185.

Обучение по двигателям внутреннего сгорания не означает, что они в состоянии работать только на крупных заводах. Общая подготовка такова, что полученных знаний достаточно для работы в сфере обслуживания, проектирования и производства любых тепловых машин. Например, большую часть вопросов по эксплуатации современного автомобиля представляет его двигатель. Зная по-настоящему принципы и процессы, которые положены в основу конструкции двигателя, выпускник может разобраться в принципах действия и конструкции любого автомобиля, мотоцикла, тепловоза и других энергетических машин.

Таким образом, выпускник может работать на промышленных предприятиях, в научных, конструкторских, проектных и эксплуатирующих ДВС предприятиях.

Производственной базой являются практически все ведущие предприятия Урало-Сибирского энергетического и энергомашиностроительного региона: ЗАО «Уральский турбинный завод», ООО «Уральский дизель-моторный завод», ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», ООО «Газпром трансгаз Югорск», ООО «Газпром трансгаз Ухта», ООО «Газпром трансгаз Надым», ОАО «Теплоэнергосервис», ТГК-9, ОГК-1, ОГК-2, ОГК-4, ОГК-5 (Enel) и другие.

Учебно-лабораторная база включает в себя ряд уникальных лабораторий, в том числе полномасштабный тренажер газокомпрессорной станции с газоперекачивающими агрегатами, лабораторию динамики и прочности, специализированные аудитории и компьютерные классы с мультимедийным оборудованием, а также оборудованием для проведения дистанционных занятий.

Поддерживаются творческие контакты с учебными заведениями и учеными зарубежных стран: Чехии, Словакии, КНР, Монголии, Израиля, Англии, Германии, Италии.

Знакомьтесь: сильфонно-поршневой двигатель - Энергетика и промышленность России - № 05 (121) март 2009 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 05 (121) март 2009 года

Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и выявило множество связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Неизменным за прошедший период для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое человеческой деятельностью в данной сфере.

Сразу отметим, что факты известной практики являются вовсе не базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Ведь и самолеты не всегда летали!

Из истории поршневых двигателей

Первым массовым тепловым двигателем была паровая машина Уатта – поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу.

Рабочий процесс паровой машины здесь обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала.

С конца XVIII до конца XIX века паровая машина была единственным распространенным тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста. Коэффициент полезного действия от нескольких процентов на начальном этапе достигает к закату эпохи паровых машин 20‑25 процентов.

К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность, вызванная большой неизбежной передачей тепла в окружающую среду, и ограничение единичной мощности.

О двигателе внутреннего сгорания

Следующим этапом развития теплотехники стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС подразделяются на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении.

Общим недостатком всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40‑50 процентов и ограничивает единичную мощность.

ПГУ и ГТУ

Вслед за ДВС широкое развитие получили паротурбинные и газотурбинные установки.
Паротурбинная (паросиловая) установка состоит из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса. Работает она по циклу Ренкина.

К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря большого количества тепла из‑за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.

Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из компрессора (сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания), собственно камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри) происходит горение топлива. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона, относится то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, то есть снижает возврат тепла в цикл. Это снижает КПД и экономичность установки.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри, относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора (по циклу Ленуара) и иметь более благоприятные условия для регенерации в этих установках, на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.

В настоящее время наиболее перспективными признаны парогазовые установки (ПГУ). ПГУ состоит из ГТУ, работающей по циклу Брайтона, и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котел-утилизатор, генерирующий пар за счет тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50 процентов.

К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, все та же компенсация, а также сложность и дороговизна установок.

Известны также реактивные (ракетные) тепловые двигатели. Главным недостатком этих двигателей является низкий КПД.

Говоря о КПД, мы везде имели в виду термический КПД.

Таким образом, исследование современного уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкие КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные и иные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Природа компенсации

Отметим еще один, пусть тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды.

Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или (то же самое) – против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации.

Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к ущербности всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 килограмм рабочего тела на выходе из тепловой машины под воздействием процессов расширения внутри машины имеет больший объем, чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 килограмм рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину – для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 килограмм рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме.

А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, то есть мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины, по сравнению с объемом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом.

И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела на выхлопе, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

О регенерации

Регенерация позволяет самым существенным образом сократить передачу тепла в окружающую среду (в холодильник), сократить компенсацию за преобразование тепла в работу. Это снижает относительную долю переданного в холодильник тепла и, следовательно, повышает термический КПД. Однако процесс предварительного сжатия рабочего тела и теплоперепад в регенераторе накладывают ограничения на глубину регенерации.

Тем не менее есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и соответственно затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне.

Сильфонно-поршневой двигатель

Автором были запатентованы две установки: «Л-2» и «Л-3».

Первая позволяет сократить компенсацию за преобразование тепла в работу, а вторая исключает ее полностью.

Общим технологическим недостатком этих установок был процесс теплопередачи в регенераторах в условиях газовой конвекции. В этих условиях теплопередача имеет очень низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора.

Автором предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, и коллектора.

Внутренняя полость рабочих цилиндров заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1).

Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов и коллектора.

Внутренняя полость сильфонных поршней заполнена трансформаторным или турбинным маслом.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом.

Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух , который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра (при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра).

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

В предлагаемой конструкции сильфонный поршень выполнен из нетеплопроводящего материала. Его сжатие и растяжение происходят только под воздействием перепада давлений по сторонам.

Повышение эксплуатационного ресурса поршневого двигателя

Поршневые двигатели широко используются для получения энергии в различных областях науки и техники, в первую очередь в автомобильной промышленности. В процессе проектирования, крайне важно быть уверенным в том, что все части двигателя способны выдерживать высокие напряжения и нагрузки, что в свою очередь продлевает срок его эксплуатации. В данной статье мы проанализируем износ шатунов двигателя.

Преобразование давления во вращательное движение

Большинство двигателей современных средств передвижения используют возвратно-поступательный поршневой механизм в качестве источника своей энергии. В поршневом двигателе внутреннего сгорания, топливо смешивается с окислителем в камере сгорания. Сгорание заставляет газы расширяться, оказывая давление на поршень двигателя и выталкивая его из камеры. Линейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение посредством шатуна, который соединяет поршень с коленчатым валом. Это непрерывное движение вызывает большие напряжения в шатуне — нагрузка, которая возрастает с увеличением оборотов двигателя.

В поршневых двигателях, решающее значение имеет анализ работы каждого компонента, поскольку отказ одной части часто означает замену всего двигателя. Для оптимизации конструкции двигателя и гарантии длительного срока его эксплуатации, можно проанализировать работу шатунов с точки зрения их износостойкости.

Механические напряжения и усталость поршневого двигателя

В модели расчета многоцикловой усталости при возвратно-поступательном движении поршня рассматривается пример трех-цилиндрового поршневого двигателя, собранный в модуле Динамика многотельных систем. В этом двигателе маховик установлен в коленвале, и эта сборка поддерживается с обоих концов подшипниками скольжения. Данная модель содержит три комплекта цилиндров, поршни и идентичные шатуны. Шарнирные стыки используются для соединения нижних концов шатунов к общему коленвалу, а также для соединения поршней и шатунов в вершней части. Призматическое соединение используется для соединения каждого из цилиндров с поршнем.


Геометрия двигателя.

Предполагается, что кроме подвижной центральной части шатуна, все остальные компоненты двигателя являются жесткими. Цилиндры закреплены, а другие части двигателя имеют возможность свободно перемещаться в пространстве. Двигатель в сборке работает в режиме 1000 оборотов в минуту, при этом данные для конструкционной стали показывают, что предел усталости наступает при 210 МПа.

Наш анализ начинается с расчета временной зависимости напряжения в центральной части шатуна, так как концентрация напряжений, в силу геометрических соображений, предполагается именно в этой области. После нескольких оборотов, двигатель выходит на стационарный режим. Начиная с третьего цикла, зависимость напряжения от времени практически повторяется для каждого цикла, как показано на графике ниже. Третье главное напряжение преобладает во временной зависимости напряжения шатуна, так как часть его подвергается сжатию все время. Поскольку значения первого и второго главных напряжений малы по сравнению с третьим, мы можем рассматривать напряженное состояние в центральной части шатуна, как одноосное. Так как напряжения по Мизесу больше подходят для многоосной нагрузки, мы используем главное напряжение в качестве амплитуды напряжения в соотношении Баскина.


Временная зависимость напряжения в центральной части шатуна.

Следующий рисунок связан с прогнозом усталостной долговечности шатуна — времени до его усталостного разрушения. Сфокусируем наше внимание на центральной части около верхнего конца шатуна. Согласно модели Баскина, усталостная долговечность предсказывается на уровне двадцати пяти миллиардов циклов, что является чрезвычайно хорошим показателем. Хотя предел прочности не определяется в модели Баскина, соотношение может быть использовано для обратного расчета усталостной долговечности исходя из напряжения выносливости — 245 миллионов циклов. Поскольку прогноз модели дает большее значение времени жизни, чем обратные вычисления усталостной долговечности при пределе выносливости, мы можем предположить, что напряжение внутри сборки двигателя лежит ниже предела усталости, которое, как мы отмечали ранее, составляет величину 210 МПа для используемого материала, и, таким образом, шатун имеет неограниченный срок эксплуатации.


Прогноз усталостной долговечности шатуна.

Первоначальный график временной зависимости напряжения также показывает, что шатун спроектирован с неограниченным ресурсом эксплуатации. С диапазоном главного напряжения около 110 МПа, амплитуда напряжения имеет значение близкое к 55 МПа, что ниже усталостного предела для материала.

Попробуйте сами

что нужно знать об этих деталях и как продлить срок их службы?

В статье подробно рассмотрены ключевые детали автомобильного двигателя – поршень и цилиндр. Уделено внимание их конструкции, функциям, условиям работы, возможным проблемам при эксплуатации и путям их решения.

Цилиндр и поршень – ключевые детали любого двигателя. В замкнутой полости цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Газы, образующиеся при этом, воздействуют на поршень – он начинает двигаться и заставляет вращаться коленчатый вал.

Цилиндр и поршень обеспечивают оптимальный режим работы двигателя в любых условиях эксплуатации автомобиля.

Рассмотрим эту пару подробнее: конструкцию, функции, условия работы, возможные проблемы при эксплуатации элементов ЦПГ и пути их решения.


Принцип работы цилиндро-поршневой группы

Современные двигатели внутреннего сгорания оснащены блоками, в которые входят от 1 до 16 цилиндров – чем их больше, тем мощнее силовой агрегат.

Внутренняя часть каждого цилиндра – гильза – является его рабочей поверхностью. Внешняя – рубашка – составляет единое целое с корпусом блока. Рубашка имеет множество каналов, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

Внутри цилиндра находится поршень. В результате давления газов, выделяющихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси, он совершает возвратно-поступательное движения и передает усилия на шатун. Кроме того, поршень выполняет функцию герметизации камеры сгорания и отводит от нее излишки тепла.

Поршень включает следующие конструктивные элементы:

  • Головку (днище)
  • Поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные)
  • Направляющую часть (юбку)

Бензиновые двигатели оснащены достаточно простыми в изготовлении поршнями с плоской головкой. Некоторые модели имеют канавки, способствующие максимальному открытию клапанов. Поршни дизельных двигателей отличаются наличием на днищах выемок – благодаря им воздух, поступающий в цилиндр, лучше перемешивается с топливом.

Кольца, установленные в специальные канавки на поршне, обеспечивают плотность и герметичность его соединения с цилиндром. В двигателях разного типа и предназначения количество и расположение колец могут отличаться.

Чаще всего поршень содержит два компрессионных и одно маслосъемное кольцо.

Компрессионные (уплотняющие) кольца могут иметь трапециевидную, бочкообразную или коническую форму. Они служат для минимизации попадания газов в картер двигателя, а также отведения тепла от головки поршня к стенкам цилиндра.

Верхнее компрессионное кольцо, которое изнашивается быстрее всех, обычно обработано методом пористого хромирования или напылением молибдена. Благодаря этому оно лучше удерживает смазочный материал и меньше повреждается. Остальные уплотняющие кольца для лучшей приработки к цилиндрам покрывают слоем олова.

С помощью маслосъемного кольца поршень, совершающий возвратно-поступательные движения в гильзе, собирает с ее стенок излишки масла, которые не должны попасть в камеру сгорания. Через дренажные отверстия поршень «забирает» масло внутрь, а затем отводит его в картер двигателя.

Направляющая часть поршня (юбка) обычно имеет конусную или бочкообразную форму – это позволяет компенсировать неравномерное расширение поршня при высоких рабочих температурах. На юбке расположено отверстие с двумя выступами (бобышками) – в нем крепится поршневой палец, служащий для соединения поршня с шатуном.

Палец представляет собой деталь трубчатой формы, которая может либо закрепляться в бобышках поршня или головке шатуна, либо свободно вращаться и в бобышках, и в головке (плавающие пальцы).

Поршень с коленчатым валом соединяется шатуном. Его верхняя головка движется возвратно-поступательно, нижняя вращается вместе с шатунной шейкой коленвала, а стержень совершает сложные колебательные движения. Шатун в процессе работы подвергается высоким нагрузкам – сжатию, изгибу и растяжению – поэтому его производят из прочных, жестких, но в то же время легких (в целях уменьшения сил инерции) материалов.


Конструкционные материалы деталей ЦПГ

Сегодня цилиндры и поршни двигателя чаще всего производят из алюминия или стали с различными присадками. Иногда для внешней части блока цилиндров используют алюминий, имеющий небольшой вес, а для гильзы, контактирующей с движущимся поршнем, – более прочную сталь.

В отличие от чугуна, который применялся ранее для изготовления деталей ЦПГ, внедрение алюминия – намного более легкого, но износостойкого материала – стало толчком к появлению мощных и высокооборотистых двигателей.

Современные автомобили, особенно с дизельными двигателями, все чаще оснащаются сборными поршнями из стали. Они имеют меньшую компрессионную высоту, чем алюминиевые, поэтому позволяют использовать удлиненные шатуны. В результате боковые нагрузки в паре "поршень-цилиндр" существенно снижаются.

Поршневые кольца, наиболее подверженные износу и деформациям, производят из специального высокопрочного чугуна с легирующими добавками (молибденом, хромом, вольфрамом, никелем).

Значительные механические и тепловые циклические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности элементов цилиндро-поршневой группы. В то же время от их состояния напрямую зависит стабильная компрессия двигателя, обеспечивающая его уверенный холодный и горячий запуск, мощность, экологичность и другие эксплуатационные показатели.

Именно поэтому для изготовления поршней и других деталей ЦПГ применяются материалы, обладающие высокой механической прочностью, хорошей теплопроводностью, незначительным коэффициентом линейного расширения, отличными антифрикционными и антикоррозионными свойствами.

В целях снижения потерь на трение производители поршней покрывают их боковую поверхность специальными антифрикционными составами на основе твердых смазочных частиц: графита или дисульфида молибдена. Однако со временем заводское покрытие разрушается, поршни снова испытывают высокие нагрузки, под влиянием которых изнашиваются и выходят из строя.

Одним из самых эффективных антифрикционных покрытий поршней является MODENGY Для деталей ДВС.

Состав на основе сразу двух твердых смазок – высокоочищенного дисульфида молибдена и поляризованного графита – применяется для первоначальной обработки юбок поршней или восстановления старого заводского покрытия.

MODENGY Для деталей ДВС имеет практичную аэрозольную упаковку с оптимально настроенными параметрами распыления, поэтому наносится на юбки поршней легко, быстро и равномерно.

На поверхности покрытие создает долговечную сухую защитную пленку, которая снижает износ деталей и препятствует появлению задиров.

MODENGY Для деталей ДВС полимеризуется при комнатной температуре, не требуя дополнительного оборудования.

Для подготовки поверхностей перед нанесением покрытия их необходимо обработать Специальным очистителем-активатором MODENGY. Только в таком случае производитель гарантирует прочное сцепление состава с основой и долгий срок службы готового покрытия. Оба средства входят в Набор для нанесения антифрикционного покрытия на детали ДВС.


Методы охлаждения и смазывания цилиндро-поршневой группы

В каждом цикле работы двигателя сгорает большое количество топливно-воздушной смеси. При этом все детали цилиндро-поршневой группы испытывают экстремальные температурные воздействия, поэтому нуждаются в эффективном охлаждении – воздушном или жидкостном.

Наружная поверхность цилиндров ДВС с воздушным охлаждением покрыта множеством ребер, которые обдувает встречный или искусственно созданный воздухозаборниками воздух.

При водяном охлаждении жидкость, циркулирующая в толще блока, омывает нагретые цилиндры, забирая таким образом излишек тепла. Затем жидкость попадает в радиатор, где охлаждается и вновь подается к цилиндрам.

Второй по важности момент после отвода тепла – система смазки цилиндров. Без нее поршни рано или поздно подвергаются заклиниванию, что может привести к поломке двигателя.

Для того чтобы масляная пленка дольше удерживалась на внутренних поверхностях цилиндров, их подвергают хонингованию, т.е. нанесению специальной микросетки. Стабильность слоя масла гарантирует не только максимально низкое трение в паре "поршень-цилиндр", но и способствует отведению лишнего тепла из ЦПГ.



Неисправности ЦПГ и их диагностика

Даже грамотная эксплуатация автомобиля не гарантирует, что со временем не возникнет проблем с его цилиндро-поршневой группой.

О неисправностях деталей ЦПГ свидетельствует увеличение расхода масла, ухудшение пусковых качеств двигателя, снижение его мощности, появление каких-либо посторонних шумов при работе. Эти моменты нельзя игнорировать, так как стоимость ремонта цилиндро-поршневой группы иногда равна стоимости автомобиля в целом.

Под влиянием очень высоких нагрузок и температур:

  • На рабочих поверхностях цилиндров появляются трещины, сколы, пробоины
  • Посадочные места под гильзу деформируются
  • Днища поршней оплавляются и прогорают
  • Поршневые кольца разрушаются, закоксовываются, залегают
  • На теле поршней возникают различные повреждения
  • Зазоры между поршнем и цилиндром сужаются, вследствие чего на юбках появляются задиры
  • Наблюдается общий износ цилиндров и поршней

Перечисленные неисправности цилиндро-поршневой группы неизбежны при перегреве двигателя. Он может возникнуть из-за нарушения герметичности системы охлаждения, отказа термостата или помпы, сбоев в работе вентилятора охлаждения радиатора, поломки самого радиатора или его датчика.

Точно определить состояние цилиндров и поршней можно с помощью специализированной диагностики самой ЦПГ (при полной разборке двигателя) или других автомобильных систем (например, воздушного фильтра).

В ходе сервисных работ измеряется компрессия в цилиндрах ДВС, берутся пробы картерного масла и пр. Все это помогает оценить исправность работы цилиндро-поршневой группы.

Ремонт цилиндро-поршневой группы двигателя включает замену маслосъемных и компрессионных колец, установку новых поршней, шатунов, восстановление (расточку) цилиндров.

Степень износа последних определяется с помощью индикаторного нутрометра. Трещины и сколы на стенках устраняются эпоксидными пастами или путем сварки.

Новые поршни – с нужным диаметром и массой – подбирают к гильзам, а поршневые пальцы – к поршням и втулкам верхних головок шатунов. Шатуны предварительно проверяют и при необходимости восстанавливают.


Как продлить ресурс ЦПГ?

Ресурс цилиндро-поршневой группы зависит от типа двигателя, режима его эксплуатации, регулярности обслуживания и многих других факторов. Срок службы ЦПГ отечественных автомобилей, как правило, меньше, чем у иномарок: около 200 тыс. км против 500 тыс.км.

Для того, чтобы детали ЦПГ вырабатывали свой ресурс полностью, рекомендуется:

  • Использовать моторное масло, одобренное автопроизводителем
  • Осуществлять замену масла и охлаждающей жидкости строго по регламенту
  • Следить за температурным режимом работы двигателя, не допускать его перегрева и холодного запуска
  • Регулярно проводить диагностику автомобиля
  • Применять для обслуживания автокомпонентов специальные средства, которые могут защитить их от усиленного износа и максимально продлить срок службы

Поршневая группа двигателя мотоблока и минитрактора, цены

Garden-shop. ru

г. Абакан, ул. Игарская, 23 г. Абакан Россия

г. Абакан 8-800-500-87-23

пгт. Агинское, ул. Партизанская, 1Г г. Агинское Россия

г. Агинское 8-800-500-87-23

г. Анадырь Россия

г. Анадырь 8-800-500-87-23

г. Архангельск, Талажское шоссе, 17 г. Архангельск Россия

г. Архангельск 8-800-500-87-23

г. Астрахань, ул. Боевая, 136Б г. Астрахань Россия

г. Астрахань 8-800-500-87-23

Москва, Пятницкое шоссе, 6-й километр, с9 г. Балашиха Россия

г. Балашиха +7 (495) 663-97-53

г. Барнаул, ул. Чернышевского, 293А г. Барнаул Россия

г. Барнаул 8-800-500-87-23

г. Белгород, ул. Кирпичный тупик, д.2 А г. Белгород Россия

г. Белгород 8-800-500-87-23

г. Биробиджан, ул. Пионерская, 66Б г. Биробиджан Россия

г. Биробиджан 8-800-500-87-23

г. Благовещенск, ул. Калинина, 12Б г. Благовещенск Россия

г. Благовещенск 8-800-500-87-23

г. Брянск, ул. М. Расковой, 25 г. Брянск Россия

г. Брянск 8-800-500-87-23

г. Владивосток, Военное Шоссе, 18 г. Владивосток Россия

г. Владивосток 8-800-500-87-23

г. Владикавкац, р-н Промышленный, Карцинское шоссе, 7 г. Владикавказ Россия

г. Владикавказ 8-800-500-87-23

г. Владимир, ул. Гастелло, д.8 г. Владимир Россия

г. Владимир 8-800-500-87-23

г. Волгоград, ул. Землячки, 16 г. Волгоград Россия

г. Волгоград 8-800-500-87-23

г. Вологда, ул. Ильюшина, 9 Б г. Вологда Россия

г. Вологда 8-800-500-87-23

Москва, Пятницкое шоссе, 6-й километр, с9 г. Волоколамск Россия

г. Волоколамск +7 (495) 663-97-53

г. Воронеж, ул. Землячки, 15 г. Воронеж Россия

г. Воронеж 8-800-500-87-23

г. Горно-Алтайск, ул. Энергетиков, 9Б г. Горно-Алтайск Россия

г. Горно-Алтайск 8-800-500-87-23

г. Грозный, п-т А. Кадырова, 157 г. Грозный Россия

г. Грозный 8-800-500-87-23

г. Дудинка Россия

г. Дудинка 8-800-500-87-23

г. Екатеренбург, ул. Чистопольская, 6 г. Екатеринбург Россия

г. Екатеринбург 8-800-500-87-23

г. Иваново, ул. П. Коммуны, д. 84 г. Иваново Россия

г. Иваново 8-800-500-87-23

г. Ижевск, ул. Пойма, 22 г. Ижевск Россия

г. Ижевск 8-800-500-87-23

г. Иркутск, ул. Новаторов, 1 г. Иркутск Россия

г. Иркутск 8-800-500-87-23

г. Йошкар-Ола, ул. Строителей, 99Б г. Йошкар-Ола Россия

г. Йошкар-Ола 8-800-500-87-23

г. Казань, ул. Восстания, 100, здание № 2 г. Казань Россия

г. Казань 8-843-212-20-09

г. Калининград, ул. Пригородная, 20 г. Калининград Россия

г. Калининград 8-800-500-87-23

г. Калуга ул.Параллельная, 11 стр. 22 г. Калуга Россия

г. Калуга 8-800-500-87-23

г. Кемерово, ул. Кузнецкий проспект, 91 г. Кемерово Россия

г. Кемерово 8-800-500-87-23

г. Киров, ул. Производственная, 22 г. Киров Россия

г. Киров 8-800-500-87-23

г. Кострома, ул. Локомотивная, 6 Ж г. Кострома Россия

г. Кострома 8-800-500-87-23

г. Краснодар, ул. Живописная, 72, блок 2, офис 26 г. Краснодар Россия

г. Краснодар +7-861-202-52-63

г. Красноярск, Северное шоссе, 5Г стр 26 г. Красноярск Россия

г. Красноярск 8-800-500-87-23

г. Кудымкар Россия

г. Кудымкар 8-800-500-87-23

г. Курган, ул. Омская, 146 г. Курган Россия

г. Курган 8-800-500-87-23

г. Курск, ул. Литовская, 12 А г. Курск Россия

г. Курск 8-800-500-87-23

г. Кызыл, ул.Калинина, 25 г. Кызыл Россия

г. Кызыл 8-800-500-87-23

г. Липецк, ул. Ангарская, д. 30 г. Липецк Россия

г. Липецк 8-800-500-87-23

Москва, Пятницкое шоссе, 6-й километр, с9 г. Люберцы Россия

г. Люберцы +7 (495) 663-97-53

г. Магадан, ул. Пролетарская, 120 г. Магадан Россия

г. Магадан 8-800-500-87-23

г. Майкоп, ул. Шоссейная, 3 г. Майкоп Россия

г. Майкоп 8-800-500-87-23

г. Махачкала, Степной поселок, 6 г. Махачкала Россия

г. Махачкала 8-800-500-87-23

Москва, Пятницкое шоссе, 6-й километр, с9 г. Москва Россия

г. Москва +7 (495) 649-82-59

г. Мурманск, ул. Домостроительная, 16/1, 2 этаж г. Мурманск Россия

г. Мурманск 8-800-500-87-23

г. Назрань, ул. Гейрбек-Хаджи, 3А г. Назрань Россия

г. Назрань 8-800-500-87-23

г. Нальчик, переулок Кузнечный, 5 г. Нальчик Россия

г. Нальчик 8-800-500-87-23

г. Нарьян-Мар Россия

г. Нарьян-Мар 8-800-500-87-23

г. Нижний Новгород, ул. Геологов, 1 г. Нижний Новгород Россия

г. Нижний Новгород 8-800-500-87-23

г. Великий Новгород, Район Колмово, пер. Базовый, 13 г. Новгород Россия

г. Новгород 8-800-500-87-23

г. Новосибирск,ул. Кубовая, 25к1 г. Новосибирск Россия

г. Новосибирск 8-800-500-87-23

г. Омск, пр. Космический, 109 к.1 г. Омск Россия

г. Омск 8-800-500-87-23

г. Орел, ул. Автогрейдерная, 4 г. Орёл Россия

г. Орёл 8-800-500-87-23

г. Оренбург, пл. 1 Мая, 1А г. Оренбург Россия

г. Оренбург 8-800-500-87-23

г. Палана Россия

г. Палана 8-800-500-87-23

г. Пенза, ул. Измайлова, д.13 г. Пенза Россия

г. Пенза 8-800-500-87-23

г. Пермь, ул.Промышленная, 123 г. Пермь Россия

г. Пермь 8-800-500-87-23

г. Петрозаводск, Шуйское шоссе, 4 А г. Петрозаводск Россия

г. Петрозаводск 8-800-500-87-23

г. Петропавловск-Камчатский, Проспект Победы, 109 оф. 3 г. Петропавловск-Камчатский Россия

г. Петропавловск-Камчатский 8-800-500-87-23

г. Москва, 31-й км МКАД, влад. 12 г. Подольск Россия

г. Подольск +7 (495) 663-97-53

г. Псков, ул. Леона Поземского, 110 Д г. Псков Россия

г. Псков 8-800-500-87-23

г. Ростов-на-Дону, ул. Каширская, 5 г. Ростов-на-Дону Россия

г. Ростов-на-Дону 8-800-500-87-23

г. Рязань, 195 км Окружной дороги г. Рязань Россия

г. Рязань 8-800-500-87-23

г. Салехард, ул. Объездная, 28 А г. Салехард Россия

г. Салехард 8-800-500-87-23

г. Самара, ул. Земеца, 32, литера 377А г. Самара Россия

г. Самара 8-800-500-87-24

Ленинградская область, 11й километр Новоприозерского Шоссе г. Санкт-Петербург Россия

г. Санкт-Петербург 8-812-407-72-76

г. Саранск, ул. Строительная, 11 г. Саранск Россия

г. Саранск 8-800-500-87-23

г. Саратов, Крымский проезд, 7 г. Саратов Россия

г. Саратов 8-800-500-87-24

г. Симферополь, ул. Генерала Васильева, 30 г. Симферополь Россия

г. Симферополь 8-800-500-87-23

г. Смоленск, ул. Старо-Комендантская, д. 2 г. Смоленск Россия

г. Смоленск 8-800-500-87-23

г. Ставрополь, ул. 2-я Промышленная, 33 г. Ставрополь Россия

г. Ставрополь 8-800-500-87-23

г. Сыктывкар, ул. Лесопарковая, 21/3 г. Сыктывкар Россия

г. Сыктывкар 8-800-500-87-23

г. Тамбов, ул. Кавалерийская, 13А г. Тамбов Россия

г. Тамбов 8-800-500-87-23

г. Тверь, ул. Лермонтова, 9А г. Тверь Россия

г. Тверь 8-800-500-87-23

г. Томск, ул. Пролетарская, 38В стр. 1 г. Томск Россия

г. Томск 8-800-500-87-23

г. Тула, Щегловская Засека 31/2 «Технопарк-Тула» г. Тула Россия

г. Тула 8-800-500-87-23

пгт Тура, Промышленный проезд, 3 г. Тура Россия

г. Тура 8-800-500-87-23

г. Тюмень, ул. Одесская, 1 стр. 8 г. Тюмень Россия

г. Тюмень 8-800-500-87-23

г. Улан-Удэ, ул. Учебная, 2А г. Улан-Удэ Россия

г. Улан-Удэ 8-800-500-87-23

г. Ульяновск, Московское шоссе, 9А корп. 2 г. Ульяновск Россия

г. Ульяновск 8-800-500-87-23

г. Усть-Ордынский Россия

г. Усть-Ордынский 8-800-500-87-23

г. Уфа, ул. Сельская Богородская, 57 г. Уфа Россия

г. Уфа 8-800-500-87-23

г. Хабаровск, ул.Лазо, 3 г. Хабаровск Россия

г. Хабаровск 8-800-500-87-23

г. Ханты-Мансийск, ул. Объездная, 23А г. Ханты-Мансийск Россия

г. Ханты-Мансийск 8-800-500-87-23

Москва, Пятницкое шоссе, 6-й километр, с9 г. Химки Россия

г. Химки +7 (495) 663-97-53

г. Чебоксары, ул. Гаражный пр-д, 3/1 г. Чебоксары Россия

г. Чебоксары 8-800-500-87-23

г. Челябинск, Северный луч, 3 г. Челябинск Россия

г. Челябинск 8-800-500-87-23

г. Черкесск, ул. Подгорная, 2Г г. Черкесск Россия

г. Черкесск 8-800-500-87-23

г. Чита Россия

г. Чита 8-800-500-87-23

г. Элиста, ул. В.И.Ленина, 266А г. Элиста Россия

г. Элиста 8-800-500-87-23

г. Южно-Сахалинск, пр. Мира, 5, оф. 9 г. Южно-Сахалинск Россия

г. Южно-Сахалинск 8-800-500-87-23

г. Якутск, Вилюйский переулок, 6 г. Якутск Россия

г. Якутск 8-800-500-87-23

г. Ярославль, проспект Октября, 93 г. Ярославль Россия

г. Ярославль 8-800-500-87-23

Пн-Пт: 9:00-18:00 | Сб: 9:00-15:00

Поршни двигателя внутреннего сгорания - x-engineer.org

Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания. Основная функция поршня - преобразовывать давление, создаваемое горящей топливовоздушной смесью, в силу, действующую на коленчатый вал. Легковые автомобили имеют поршни из алюминиевого сплава, а грузовые автомобили также могут иметь поршни из стали и чугуна.

Поршень является частью кривошипно-шатунного механизма (также называемого кривошипно-шатунным механизмом ), который состоит из следующих компонентов:

  • поршень
  • поршневые кольца
  • шатун
  • коленчатый вал

Изображение: Привод коленчатого вала двигателя (кривошипно-шатунный механизм) Предоставлено: Rheinmetall

Поршень также выполняет второстепенные функции двигателя. утечки газа из нее и проникновение масла в камеру сгорания

  • направляет движение шатуна
  • обеспечивает непрерывную смену газов в камере сгорания
  • создает переменного объема в камере сгорания
  • Изображение: поршни Kolbenschmidt
    Кредит: Kolbenschmidt

    Форма поршня в основном зависит от типа двигателя внутреннего сгорания. Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей обычно легче и короче по сравнению с поршнями дизельных двигателей. Геометрия поршня имеет множество тонкостей из-за сложности его рабочей среды, но основными частями поршня являются:

    • поршень головка , также называемая верхняя часть или головка : верхняя часть поршня который контактирует с давлением газа в камере сгорания
    • кольцевой ремень : верхняя средняя часть поршня, когда поршневые кольца расположены
    • выступ штифта : нижняя средняя часть поршня который содержит поршневой палец
    • юбка поршня : область под кольцевым ремнем

    Изображение: оси поршневого пальца и юбки

    Изображение: Основные части поршня
    Кредит: [3]

    где:

    1. верх поршня
    2. верхняя площадка
    3. кольцевой ремень
    4. распорки
    5. фиксатор штифта
    6. выступ штифта
    7. pis тонный палец
    8. поршневые кольца
    9. юбка поршня

    Поршень соединен с шатуном через поршневой палец (7). Штифт позволяет поршню вращаться вокруг оси штифта. Штифт удерживается в поршне с помощью фиксатора пальца (5).

    После днища поршня доходит до кольцевого ремня (также называемого кольцевой зоной) (3). Большинство поршней имеют три кольцевые канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Верхнее кольцо называется компрессионным кольцом , среднее - скребковым кольцом , а нижнее - кольцом контроля масла . Компрессионное кольцо должно герметизировать камеру сгорания, чтобы предотвратить утечку внутренних газов в блок двигателя.Маслоуправляющее кольцо соскребает масло со стенок цилиндра, когда поршень находится на рабочем или выпускном такте. Среднее кольцо одновременно обеспечивает сжатие в цилиндре и удаляет излишки масла со стенок цилиндра.

    Юбка поршня (8) обеспечивает балансировку поршня внутри цилиндра. Обычно он покрывается материалом с низким коэффициентом трения, чтобы уменьшить потери на трение. В отверстии для пальца или втулки (6) поршня находится поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

    Геометрические характеристики поршня

    Поршни должны правильно работать в широком диапазоне температур, от -30 ° C до 300-400 ° C. В то же время он должен быть достаточно легким, чтобы иметь низкую инерцию и обеспечивать высокие обороты двигателя. Ниже представлена ​​пара геометрических характеристик поршня.

    Овальность поршня

    Вследствие процесса сгорания температура внутри цилиндров двигателя достигает сотен градусов Цельсия.Поршень является одним из основных компонентов, который поглощает часть выделяемого тепла и отводит его в моторное масло. Поскольку ось поршневого пальца содержит больше материала, чем ось юбки, тепловое расширение вдоль оси пальца немного выше, чем тепловое расширение вдоль оси юбки. По этой причине поршень имеет овальную форму, диаметр по оси пальца на 0,3-0,8% меньше диаметра по оси юбки [6].

    Изображение: Овальность поршня

    Поршень конической формы

    Форма поршня не идеальна для цилиндра.При низкой температуре зазор между поршнем и цилиндром двигателя больше по сравнению с высокими температурами. Кроме того, зазор не является постоянным по длине поршня, он меньше вокруг верхней части поршня по сравнению с областью юбки поршня. Это необходимо для большего теплового расширения головки поршня, поскольку она содержит больший объем металла.

    Изображение: Зазор поршня (коническая форма)

    Изображение: Тепловое расширение поршня (если цилиндрическая форма)

    Смещение поршневого пальца

    Движение поршня внутри цилиндра имеет 3 градуса свободы, 1 первичный и 2 вторичных:

    • по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, ось Y)
    • вокруг Ось пальца (вторичная, α - угол)
    • вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

    Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, что желательно с механической точки зрения. Вторичные движения происходят из-за комбинации нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (удар поршня).

    Изображение: Осевое усилие поршня и смещение пальца

    Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется осевой стороной (TS) , а противоположная сторона называется противодействующей стороной (ATS). .Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Удар поршня возбуждает блок цилиндров и проявляется в виде поверхностных колебаний, которые в конечном итоге излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одно неудобство заключается в том, что когда поршень движется через ВМТ и ВТК, на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

    Смещение поршневого пальца - это несоосность между центром отверстия поршневого пальца и центром коленчатого вала. За счет этого в конструкции улучшаются шумовые характеристики двигателя из-за ударов поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шумовая вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где они могут. Вторая причина - повысить мощность двигателя за счет уменьшения внутреннего трения в TS и ATS.

    Смещение пальца снижает механическое напряжение, возникающее в соединительной штанге, когда она достигает ВМТ или НМТ, потому что шатун не должен хлопать поршнем в противоположном направлении в конце хода.Это смещение заставляет шток перемещаться по дуге в ВМТ и НМТ.

    Механические нагрузки на поршень

    Поршень - это компонент двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (ДВС) , который должен выдерживать наибольшие механические и термические нагрузки. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя первым (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен быть компромиссом между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

    Циклическое нагружение поршня из-за [6]:

    • сила газа от давления в цилиндре
    • сила инерции от колебательного движения поршня и
    • боковая сила от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

    определяет механическую нагрузку .

    Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления, , создаваемых расширяющимися газами, и сил инерции, , создаваемых собственной массой поршня [10].

    \ [F_ {p} = F_ {gas} + F_ {ineria} \]

    Силы инерции намного меньше сил давления и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

    Изображение: Напряжение поршня по Мизесу и механическая деформация
    Кредит: [7]

    Изображение: Вертикальные силы поршня, функция угла поворота коленчатого вала
    Кредит: [7]

    Вышеуказанные силы поршня рассчитываются с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

    Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150 - 160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

    Чтобы работать без сбоев в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей конструируются более тяжелыми, прочными и имеют большую массу.Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические силы, поэтому максимальная скорость двигателя ниже. Одна из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об / мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об / мин), - это более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. Д.).

    Термические нагрузки на поршень

    Головка поршня находится в прямом контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам . В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой впрыск) головка поршня может быть плоской или содержать чашу .

    Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на поршне со стороны камеры сгорания. В других тактах, в зависимости от принципа работы, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающий эффект во время газообмена.Как правило, передача тепла от горячих дымовых газов к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь небольшая часть является результатом излучения.

    Изображение: Рабочие температуры поршня
    Кредиты: [3]

    Тепло, выделяемое при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через площадь кольца поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается на поршневой палец, шатун и масло. Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами сгорания. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что при этом сгорает больше воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

    Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя
    Кредит: [6]

    Изображение: Распределение температуры в поршне дизельного двигателя с каналом охлаждения
    Кредит: [6]

    Изображение: Тепловая нагрузка поршня
    Кредит: [7]

    Что касается такта расширения, продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала.Следовательно, только очень небольшая часть составляющей массы поршня, вблизи поверхности на стороне сгорания, следует за циклическими колебаниями температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные изменения.

    Охлаждение поршня

    По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому эффективное охлаждение поршня требуется чаще, чтобы обеспечить безопасность эксплуатации.

    Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
    Кредит: GM

    Температуру поршня можно снизить на , циркулируя масло через среднюю часть поршня. Это может быть достигнуто с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

    Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметичной на весь срок службы» охлаждающей камерой в головке, что позволяет поршням безопасно работать при температурах в головке головки более чем на 100 ° C выше действующих ограничений.

    Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
    Кредит: Tenneco

    Для формирования коронки EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно закрыта приварной заглушкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

    Типы поршней

    Геометрия поршня ограничена из-за кубатуры ДВС. Поэтому основной способ увеличения механического и термического сопротивления поршня - увеличение его массы. Это не рекомендуется, потому что поршень с большой массой имеет большую инерцию, которая преобразуется в высокие динамические силы, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

    На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

    Изображение: Техническое описание дизельного поршня
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Техническое описание бензинового поршня
    Кредит: Kolbenschmidt

    Обозначения:

    1. Диаметр чаши
    2. днище поршня
    3. камера сгорания (чаша)
    4. кромка днища поршня
    5. верхняя площадка поршня
    6. канавка компрессионного кольца
    7. посадочная площадка кольца
    8. основание канавки
    9. встраиваемое кольцо земля
    10. паза сторона
    11. маслосъемных кольцевой паз
    12. возврата
    13. масла отверстие
    14. поршневого палец босс
    15. удержания для паза на расстоянии
    16. паза для стопорного кольца
    17. поршня босса расстояние
    18. поршня босс расстояния
    19. активизировал край
    20. Диаметр поршня 90 ° C относительно отверстия 90 под поршневой палец 014
    21. отверстие под поршневой палец
    22. глубина чаши
    23. юбка
    24. зона кольца
    25. высота сжатия поршня
    26. длина поршня
    27. канал маслоохладителя
    28. держатель кольца
    29. втулка болта
    30. окно измерения диаметра
    31. развал коронки

    Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

    Поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, крупнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

    Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей легче и предназначены для более высоких оборотов двигателя.Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, позволяющие направлять поток топлива качающимся движением.

    Ниже вы можете увидеть несколько изображений дизельных и бензиновых (бензиновых) двигателей в высоком разрешении.

    Изображение: Поршень LS9 6.2L V-8 SC (алюминий, бензин / бензиновый двигатель с непрямым впрыском)
    Кредит: GM

    Изображение: Поршень Ecotec 2. 0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) (алюминиевый, бензиновый / бензиновый двигатель с прямым впрыском)
    Кредит: GM

    Изображение: Поршень дизельного двигателя автомобиля с кольцами (алюминий, дизель)
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) )
    Кредит: Tenneco

    Материалы поршней

    Большинство поршней для автомобильной промышленности изготавливаются из алюминиевых сплавов .Это потому, что алюминий легкий, обладает достаточной механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Есть тяжелые применения, коммерческие автомобили, в которых используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

    Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Есть три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12% Si, содержащий дополнительно ок. По 1% каждого из Cu, Ni и Mg [3].

    Основными алюминиевыми сплавами для поршней являются [3]:

    • эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
    • заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый
    • специальный эвтектический сплав (AlSi12Cu4Ni только
    • , потому что
    • cast2Mg) алюминиевый сплав имеет более низкую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не все преимущества легкого веса этого материала реализуются. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения алюминиевые поршни должны иметь больший рабочий зазор.С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной используемых секций, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 ° C ниже, чем чугунные [8].

      В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:

      • в качестве местного армирования, вставок из черных металлов (т.е.g., опоры колец)
      • в виде удлиненных частей композитных поршней (например, днища поршня, болтов)
      • поршней, полностью изготовленных из чугуна или кованой стали

      Изображение: композитный поршень для тяжелого двигателя - поперечное сечение
      Кредит: [8]

      Изображение: Поршень композитной конструкции для судовых дизельных двигателей
      Кредит: Warstila

      В поршнях и поршнях используются два типа черных металлов компоненты [6]:

      • чугун :
        • аустенитный чугун для держателей колец
        • чугун с шаровидным графитом для поршней и юбок поршней
      • сталь
        • хромомолибденовый сплав (42CrMo4)
        • хромомолибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
        • молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)

      чугун обычно имеют содержание углерода> 2%. Поршни в высоконагруженных дизельных двигателях и другие высоконагруженные компоненты двигателей и конструкции машин преимущественно изготавливаются из сферолитического чугуна M-S70. Этот материал используется, например, для изготовления цельных поршней и юбок поршней в композитных поршнях [6].

      Сплавы железа, обозначенные как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью превращаются в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

      Поршневые технологии

      Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых имеет целью увеличить механическое и / или термическое сопротивление, снизить коэффициент трения или общую массу (сохраняя в то же время механические и термические свойства).

      Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых на заводе Kolbenschmidt , каждый с уникальными технологиями.

      Изображение: Поршень дизеля с охлаждающим каналом, втулкой болта и держателем кольца
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Шарнирно-сочлененный поршень дизеля с кованой верхней стальной частью и алюминиевой юбкой
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Поршень бензинового двигателя в оптимизированной по весу конструкции LiteKS® с держателем кольца
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Литые держатели колец из чугуна многократно увеличивают долговечность первой кольцевой канавки дизельных поршней. Kolbenschmidt является лидером в разработке соединения Alfin с держателем кольца
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Канавки под кольцо с твердым анодированием предотвращают износ и микросварку в поршнях для бензиновых двигателей
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Поршни KS Kolbenschmidt имеют специальное покрытие LofriKS®, NanofriKS® или графит на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие характеристики при аварийной работе. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам.Их использование сводит к минимуму шум поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного и испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия.
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Юбки поршней с железным покрытием (Ferrocoat ®) гарантируют надежную работу при использовании в алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®).
      Кредит: Kolbenschmidt

      Изображение: Отверстия поршневого пальца специальной формы (Hi-SpeKS®) увеличивают динамическую нагрузочную способность станины поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня
      Кредит: Kolbenschmidt

      Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых компанией Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждый из которых отличается уникальными технологиями.

      Изображение: Поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)

      Характеристики: поршень с охлаждающим каналом
      улучшает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенных размеров
      - канал эластотермического охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30 ° C.
      - снижение температуры первой кольцевой канавки примерно на 50 ° C, что приводит к уменьшению отложений нагара и износа канавок и колец для длительного срока службы; низкий расход масла и удар на
      ; зажигание

      Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Изображение: Алюминиевые поршни дизельного двигателя

      Характеристики:
      - оптимизированное расположение каналов для максимального охлаждения может привести к снижению температуры обода барабана до 10%
      - улучшенный боковой заброс методы значительно улучшают структурную устойчивость (даже при тонкостенных конструкциях)
      - изменение конструкции обода камеры сгорания и дно стакана могут увеличить усталостный ресурс до 100%.

      Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Изображение: поршни для дизельных двигателей из моностали (стальные поршни для дизельных автомобилей большой грузоподъемности или промышленного применения)

      Поршень Monosteel® обеспечивает прочность и охлаждающую способность, чтобы удовлетворить самые жесткие требования к двигателям на рынках тяжелых и промышленных двигателей, включая новое поколение давлений срабатывания двигателя, необходимых для дорожных правил Евро VI и выше.

      Прочная конструкция, состоящая из сварных с помощью инерционной сварки кованых стальных секций, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей с большим диаметром цилиндра, а также использование тонкостенных легких поковок и отливок для дизельных двигателей легких транспортных средств.

      Основные характеристики продукта:
      - большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающим деформацию канавки и улучшающим контроль масла и газового уплотнения.
      - профилированное отверстие под палец без втулки. динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение кольцевого уплотнения.
      - процесс обеспечивает гибкость материала с возможностью выбора материала коронки для уменьшения коррозии или окисления и / или выбора материала юбки для повышения технологичности.

      Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Изображение: Поршни с покрытием EcoTough® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких или тяжелых автомобилей)

      Поршень с покрытием EcoTough® обеспечивает важные преимущества, которые помогают удовлетворить потребности клиентов в более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Он сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8% по сравнению с обычным покрытием поршня.

      Ключевые преимущества:
      - совместима с существующей и усовершенствованной отделкой внутренних отверстий цилиндров и может быть беспрепятственно внедрена в серийное производство двигателей в качестве рабочих изменений
      - состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычным покрытием, обеспечивая дополнительную защиту
      - соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей.
      - запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых бензиновых условий.
      - Снижение трения в силовом цилиндре (поршень + кольца) на 10% по сравнению сстандартные покрытия, повышение экономии топлива до 0,4% / сокращение выбросов CO 2 в европейских испытаниях ездового цикла
      - уменьшение износа на 40% по сравнению со стандартными бензиновыми покрытиями, повышенная надежность в современных бензиновых двигателях с наддувом DI
      - EcoTough® - это запатентованное FM-покрытие

      Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Изображение: Поршень DuraBowl® (алюминиевый поршень для дизельных легких или тяжелых автомобилей)

      Усиление поршня DuraBowl® Особенности частичного переплавления кромки чаши :
      - чрезвычайное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное локализованным переплавом с использованием технологии TIG.
      - до 4 раз улучшенная долговечность в двигателях высокой удельной мощности по сравнению с поршнями без переплавки барабана.Позволяет получить форму камеры сгорания, подвергающуюся высоким нагрузкам.
      - Процесс FM DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в наиболее сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня

      Автор: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Изображение: Elastoval II сверхлегкие поршни (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)

      Технология бензиновых поршней Avanced Elastoval® II основана на:
      - глубоких карманах под коронкой
      - наклонных боковых панелях
      - облегченной конструкции опоры пальца
      - тонких стенках 2.5 мм
      - оптимизированная площадь юбки и гибкость
      - Высокоэффективный сплав FM S2N

      Характеристики и преимущества включают:
      - снижение веса на 15% по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения
      - обеспечивает удельную мощность до 100 кВт / л
      - оптимизировано характеристики шума и трения
      Совместимость с опцией держателя кольца alfin для увеличения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации

      Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

      Часто задаваемые вопросы о поршнях

      Для чего используются поршни?

      Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая крутящий момент двигателя. Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу.

      Что такое поршень и как он работает?

      Поршень - это компонент двигателя внутреннего сгорания, сделанный из алюминия или стали, используемый для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал.

      Из чего сделан поршень?

      Поршень может быть изготовлен из цветных металлов, алюминия (Al) или черных металлов, например, чугун или сталь .

      Какие бывают два типа поршневых колец?

      Два типа поршневых колец: компрессионные кольца и масляные кольца.

      Какие два основных типа поршневых двигателей?

      Двумя основными типами поршневых двигателей являются: дизельный, поршневых двигателей и бензиновых (бензиновых) поршневых двигателей. Функция материала, два основных типа поршня: алюминиевый поршень и стальной поршень .

      Каков срок службы поршней?

      Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля при номинальных условиях эксплуатации (нормальная смазка, регулярное обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерной нагрузки, отсутствие чрезмерной температуры). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300000 км до 500000 км и более.

      Что вызывает отверстия в поршнях?

      Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, или детонация двигателя может вызвать трещины в поршнях.Неисправные форсунки могут подавать чрезмерное количество топлива в цилиндры, что может вызвать аномально высокую температуру сгорания и частично оплавить поршни.

      Как узнать, повреждены ли поршни?

      Если поршень поврежден, наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери компрессии, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя.

      Можно ли починить сломанный поршень?

      Сломанный поршень не подлежит ремонту, его необходимо заменить.Поршни имеют очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не будут соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшим повреждениям. Сломанный поршень может вызвать серьезные повреждения блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. Д. И должен быть немедленно заменен.

      Можно ли водить машину с неисправным поршнем?

      Вы можете ездить с плохим поршнем, но это не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к значительному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. Д.Если не заменить поврежденный поршень, это может привести к полному отказу двигателя.

      Повредит ли мой двигатель удар поршня?

      Удар поршня повредит двигатель, оставьте без присмотра. Удар поршня в течение длительного времени приведет к повреждению гильзы цилиндра и самого поршня.

      Уходит ли поршень при нагревании?

      Поршень частично уходит, когда двигатель прогрет. Удар поршня возникает из-за чрезмерного износа гильзы цилиндра или самого поршня.Когда двигатель нагревается, поршень имеет тепловое расширение, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению удара поршня.

      Могу ли я ехать с ударом поршня?

      Можно ездить с хлопком поршня, но долго ехать не рекомендуется. Удар поршня вызовет износ самого поршня и гильзы цилиндра. Удар поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если его оставить без присмотра.

      Что вызывает износ юбки поршня?

      Износ юбки поршня вызван недостаточной смазкой гильзы цилиндра маслом.В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или недостаточном уровне масла на стенках цилиндра не будет достаточно масла, и юбка поршня будет значительно изнашиваться.

      Ссылки

      [1] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010 г.
      [2] Хироши Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Кембридж, Англия, 2005 г. .
      [3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011.
      [4] Heisler, Heinz, Vehicle and Engine Technology, Society of Automotive Engineers, 1999.
      [5] QinZhaoju et al., Поршневая термомеханическая муфта дизельного двигателя моделирование и многодисциплинарная оптимизация проектирования, Примеры в теплотехнике, Том 15, ноябрь 2019 г.
      [6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012 г.
      [7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Тепловые и механические нагрузки в Область чаши сгорания легковых дизельных поршней из AlSiCuNiMg; Пересмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и инструментальные методы тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, SAE Paper 2012-01-1330.
      [8] T.K. Гарретт и др., Автомобиль, 13-е издание, Баттерворт-Хайнеманн, 2001.
      [9] Н. Долатабади и др., Об идентификации событий удара поршнем в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Механические системы и обработка сигналов, Том 58 –59, июнь 2015 г., страницы 308-324, Elsevier, 2014.
      [10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

      По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье , используйте форму комментария ниже.

      Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

      Основы двигателя внутреннего сгорания | Министерство энергетики

      Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, и от них в Соединенных Штатах полагается более 250 миллионов транспортных средств по шоссе. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для увеличения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.

      Как работает двигатель внутреннего сгорания?

      Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал.В конечном итоге это движение приводит в движение колеса транспортного средства через систему шестерен трансмиссии.

      В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, что означает, что для завершения цикла требуется четыре хода поршня. Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.

      Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух вводится в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

      Улучшение двигателей внутреннего сгорания

      За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС таких загрязняющих веществ, как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. .Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.

      Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.

      Поршневые двигатели

      Узнайте, как работают поршневые двигатели

      Знание нескольких общих принципов работы двигателя эксплуатация помогает пилотам эффективно управлять двигателями, продлевает срок службы электростанции, и помогает избежать отказов двигателя.

      Основные принципы поршневого двигателя

      Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются наиболее распространенными. силовые установки на самолетах авиации общего назначения. Эти двигатели практически идентичны автомобильным двигателям, за тремя важными исключениями:

      1. Большинство авиационных двигателей имеют воздушное охлаждение. Эта подход экономит вес радиатора и охлаждающей жидкости и добавляет меру безопасности.Потеря охлаждающей жидкости или отказ системы охлаждения в жидкостном охлаждении двигатель быстро вызывает полный отказ двигателя.
      2. Авиационные двигатели имеют двойную систему зажигания, с энергия для создания искры, генерируемой магнето. Магнето, вращаемое коленчатым валом, не зависимо на батарее самолета. Каждый цилиндр также имеет два Свечи зажигания.Если одна вилка или магнето выйдет из строя, другой обеспечивает искру для сжигания топлива.
      3. Поскольку авиационный двигатель работает на протяжении всего широкий диапазон высот, регуляторы мощности включают ручное управление смесью, которое пилот использует для поддерживать надлежащее соотношение воздух / топливо, пока самолет поднимается и спускается.

      Четырехтактный цикл

      Типичный поршневой двигатель работает по четырехтактный цикл.

      Впуск: Поршень движется вниз в цилиндр, всасывающий воздух и топливо через открытый впускной клапан.

      Компрессия: Впускные и выпускные клапаны в цилиндр закрывается, и поршень движется вверх в цилиндр, сжимающий топливно-воздушную смесь.

      Мощность: По мере приближения поршня к верхней части цилиндр во время такта сжатия произошел взрыв электричество от системы зажигания генерирует искру в свечах зажигания. Искры воспламеняют воздух / топливо смесь, которая быстро расширяется при горении. Сила этого расширения толкает поршень обратно в цилиндр. Когда поршень движется вниз, он поворачивает коленчатый вал, вращающий винт.

      Выхлоп: Когда поршень достигает дна цилиндра открывается выпускной клапан. Поршень затем движется обратно в цилиндр, толкая сгоревшие воздушно-топливная смесь из цилиндра.

      Каждый цилиндр проходит эти четыре хода в поверните, убедившись, что хотя бы один поршень всегда производящая мощность.

      Карбюраторы и топливные форсунки

      Большинство поршневых двигателей, используемых в самолетах, имеют либо карбюратор или система впрыска топлива для подачи топлива и воздух в цилиндры. Карбюратор смешивает топливо и воздух до того, как он попадет в цилиндры. Карбюраторы распространены на меньших двигателях, потому что они относительно недорого. В более крупных двигателях обычно используется система впрыска топлива. системы, которые впрыскивают топливо прямо в цилиндры, где он смешивается с воздухом во время всасывания Инсульт.

      Системы зажигания

      Система зажигания обеспечивает искру для зажигания воздушно-топливная смесь в цилиндрах поршневого двигателя.Большинство современных авиационных двигателей используют магнето для генерации Искра. Хотя не такой сложный, как электронные системы зажигания, используемые в новейших автомобилях, магнето полезны в самолетах, потому что:

      • Они создают более горячую искру при высоких оборотах двигателя. чем аккумуляторная система, используемая в автомобилях.
      • Они не зависят от внешнего источника энергия, такая как аккумулятор, генератор или генератор.

      Начало работы
      При вращении магнето генерирует электричество. Итак, чтобы запустить двигатель, пилот должен включить аккумуляторный стартер, который вращает коленчатый вал. После того, как магнето начинают вращаться, они подают искра в каждый цилиндр для воспламенения топливовоздушной смеси и система стартера отключена.Батареи нет больше не участвует в работе двигателя. Если выключен аккумуляторный (или главный) выключатель, двигатель продолжает работать.

      Двойное зажигание

      Большинство авиадвигателей оснащены двойным зажиганием. система - два магнето, которые снабжают электрическую ток на две свечи зажигания на каждый цилиндр. Один магнито-система подает ток на один комплект заглушки; вторая система подает ток на другой набор заглушек. Вот почему зажигание включено. Cessna Skyhawk SP Model 172 (с маркировкой MAGNETO на некоторых самолетах) имеет пять позиций: ВЫКЛ , L ( слева ), R ( правый ), ОБА и START . С переключатель в положении L или R , только один магнето подает ток и только один комплект искры заглушки пожаров.С переключателем в ОБА положение, оба магнето подают ток и оба набора свечи зажигания огонь.

      Преимущества двойного зажигания
      Самолеты имеют двойную систему зажигания для безопасности и эффективность.

      • При выходе из строя одной магнитосистемы двигатель может работать с другой системой, пока вы не сможете посадка.
      • Две свечи зажигания улучшают горение и горение смесь, обеспечивающая улучшенные характеристики.

      Эксплуатация системы зажигания
      Вы должны повернуть ключ зажигания на ОБЕ после запуска двигателя и оставьте его на ОБЕИХ во время полета. Выключите после выключения двигатель.Если оставить зажигание включенным ОБА (или L или R ), двигатель мог огонь, если винт перемещается из-за пределов самолет - даже если главный электрический выключатель выкл.

      Проверка перед взлетом
      Чтобы убедиться, что обе системы зажигания работают правильно, проверьте каждую систему во время обкатки двигателя перед взлетом. Обычная процедура - установить мощность около 1700 оборотов в минуту. Поверните ключ зажигания из ОБА от до рэнд, затем обратно на ОБА , затем на L , а затем обратно на ОБА . Вам следует видите небольшое снижение оборотов при каждом переключении с ОБЕ до R или L . Если оба магнето работают нормально, капля должна быть не более примерно 75 об / мин.

      Выключение двигателя
      Вы не должны останавливать поршневой двигатель, поворачивая переключатель зажигания в положение ВЫКЛ. . Вместо этого переместите регулятор смеси в положение отключения холостого хода, чтобы выключить подача топлива в цилиндры. После двигателя останавливается, поверните ключ зажигания в положение OFF . Эта процедура гарантирует, что топливо не останется в цилиндрах и что двигатель не заведется случайно, если кто-то поворачивает стойку или если нагар внутри цилиндры создают горячие точки, которые воспламеняют остатки топливо.

      Органы управления поршневым двигателем

      Большинство современных поршневых двигателей имеют два или три основных контроль.

      • A дроссельная заслонка , регулятор, имеющий наибольшее прямое влияние на мощность.
      • Управление воздушным винтом (если самолет оснащен пропеллером постоянной скорости) для регулировки скорость вращения воздушного винта, измеренная в оборотов в минуту (об / мин).
      • Контроль смеси для регулировки воздуха / топлива смеси, когда самолет набирает и опускается.

      Карбюраторные двигатели нагреваются карбюратором до предотвратить образование или растопить лед в карбюраторе. Двигатели мощностью около 200 лошадиных сил и более обычно имеют закрылки капота, чтобы пилот мог регулировать количество охлаждающий воздух, обтекающий двигатель.Открытие заслонки капота особенно важны при большой мощности такие операции, как взлет и длительный поднимается.

      Винты

      Поршневые двигатели обычно подключаются к винт фиксированного шага или постоянной скорости.

      Гребные винты фиксированного шага прикручены непосредственно к коленчатый вал двигателя и поэтому всегда поворачивайте на той же скорости, что и двигатель.Стойка с фиксированным шагом что-то вроде трансмиссии только с одной передачей. Эта конфигурация компенсирует неэффективность за счет очень проста в эксплуатации. Единственный измеритель, который вы нужно следить за тахометром.

      Винт постоянной скорости имеет регулятор который регулирует угол лезвий для поддержания выбранные вами обороты.Этот тип пропеллера делает гораздо больше эффективное использование мощности двигателя. На низкой скорости, когда требуется максимальная мощность (как при взлете), вы выберите максимальные обороты или "полное увеличение" с помощью управление пропеллером, и лопасти пропеллера соответствуют воздух под небольшим углом. Во время круиза вы регулируете обороты на более низкую настройку, и лезвия откусывают больше воздуха при повороте на более низкой скорости.

      Управление мощностью

      С гребным винтом фиксированного шага управляющая мощность просто. Нажмите на дроссель и обороты (и мощность) увеличивается. Вытяните дроссель, и обороты уменьшатся. Быть осознавая, однако, что с увеличением воздушной скорости обороты имеют тенденцию тоже подкрасться. Внимательно следите за тахометром во время спусков на высокой скорости, чтобы убедиться, что обороты остается в пределах.

      Пропеллер с постоянной скоростью делает управление мощностью немного сложнее. Вы должны контролировать коллектор манометр, управляемый дроссельной заслонкой, и тахометр, показывающий обороты винта. Вы настраиваете об / мин с управлением пропеллером.

      При установке мощности винтом с постоянной частотой вращения помните эти основные правила, чтобы не переоценивать двигатель:

      Для увеличения мощности

      1. Увеличить обороты за счет продвижения гребного винта контроль.
      2. Увеличьте давление в коллекторе с помощью дроссель.

      Для уменьшения мощности

      1. Уменьшите давление в коллекторе с помощью дроссель.
      2. Уменьшить частоту вращения гребного винта контроль.

      Двигатели с карбюраторами

      Многие авиационные поршневые двигатели используют карбюраторы для объединить воздух и топливо, чтобы создать горючую смесь что горит в цилиндрах.

      Как работает карбюратор

      Наружный воздух проходит через воздушный фильтр, затем попадает в карбюратор. Воздух проходит через трубку Вентури, узкое горло в карбюраторе. Воздух ускоряется в Вентури и ее давление падает в соответствии с Принцип Бернулли. Частичный вакуум заставляет топливо течь через струю в воздушный поток, где он смешивается с потоком воздуха.Затем воздушно-топливная смесь течет во впускной коллектор, который направляет его к каждому цилиндр.

      Правильное соотношение

      Карбюратор смешивает воздух и топливо по весу. Поршень двигатели обычно развивают максимальную мощность, когда смесь воздух / топливо примерно 15: 1. откалиброван при давлении на уровне моря для измерения правильного количество топлива с контролем смеси в полном объеме богатое положение.По мере увеличения высоты плотность воздуха уменьшается. Чтобы компенсировать эту разницу, пилот использует регулятор смеси для регулировки воздушно-топливной смеси попадание в камеру сгорания.

      Для контроля количества топлива, которое смешивается с воздух, большинство карбюраторов используют поплавок в топливной камере. А игла, прикрепленная к поплавку, открывает и закрывает отверстие в топливной магистрали, дозирование правильного количества топлива в карбюратор.Положение поплавка, контролируется уровнем топлива в поплавковой камере, определяет, когда клапан открывается и закрывается.

      Бегущий богатый

      Слишком богатая топливно-воздушная смесь, т. Е. он содержит слишком много топлива - вызывает избыток топлива расход, грубая работа двигателя и потеря мощности. Запуск слишком богатого двигателя также охлаждает двигатель, вызывая температуры ниже нормы при сгорании камеры, что приводит к засорению свечей зажигания, среди другие проблемы.

      Бережливое производство

      Работа со слишком бедной смесью - слишком малой топливо для текущего веса воздуха - приводит к грубая работа двигателя, детонация, перегрев и потеря мощности.

      Карбюратор Ice

      Испарение топлива и расширение воздуха в карбюратор вызывает внезапное охлаждение воздуха / топлива смесь.Температура может упасть на 60 F (15 C) в течение доли секунды. Это охлаждение вызывает водяной пар в воздухе конденсируется, а если температура в карбюраторе достигает 32 градусов F (0 В) вода замерзает внутри каналов карбюратора. Даже небольшое накопление этого депозита может ограничить поток воздуха в карбюратор, снижающий мощность. Обледенение карбюратора также может привести к сбою двигателя. отказ, особенно когда дроссельная заслонка частично или полностью закрыта.

      Условия обледенения

      В засушливые дни или когда температура значительно ниже замерзание, влага в воздухе обычно не вызвать обледенение карбюратора. Но если температура между 20 F (-7 C) и 70 F (21 C), с видимой влажностью или высокая влажность, пилот должен постоянно находиться на предупреждение об обледенении карбюратора.

      Показания обледенения карбюратора

      Для самолетов с воздушными винтами фиксированного шага первый Индикация обледенения карбюратора - падение оборотов на тахометр.Для самолетов с регулируемым шагом (с постоянной скоростью) пропеллеры, первая индикация обычно падение давления в коллекторе. В обоих случаях двигатель может начать работать с перебоями. В самолетах с винты с постоянной частотой вращения, частота вращения остается постоянной.

      Оттаивание

      Для предотвращения образования льда в карбюраторе и устраняет образование льда, карбюраторы оснащены обогреватели. Нагреватель карбюратора предварительно нагревает воздух перед он достигает карбюратора. Этот подогрев тает лед или снег, попадая в водозабор, тает лед, образующийся в каналы карбюратора (при условии, что скопление не слишком велика), и держит воздушно-топливную смесь выше замерзание, чтобы предотвратить образование льда в карбюраторе.

      Использование нагрева карбюратора

      При полете в условиях, благоприятных для карбюратора обледенение, следите за приборами двигателя, чтобы следить за признаки образования льда.Если вы подозреваете, что Обледенение карбюратора, нагреть карбюратор полностью немедленно. Не выключайте, пока не убедитесь, что весь лед удален. Частичное нагревание или слишком короткое время нагревания может усугубить ситуация.

      При первом нагреве карбюратора ожидайте падения в оборотах в минуту в самолетах с фиксированным шагом пропеллеры; в самолетах с постоянной скоростью пропеллеры, ожидайте падения давления в коллекторе. Если нет Обледенение карбюратора, обороты или давление в коллекторе будет оставаться ниже обычного, пока карбюратор не нагреется. выключен. Если карбюратор обледенел, ожидайте рост оборотов или давления в коллекторе после начального падения (часто сопровождается прерывистой шероховатостью двигателя). Когда вы выключаете нагрев карбюратора, частота вращения или коллектор давление поднимается выше значения до подачи тепла.Двигатель также должен работать более плавно после обледенения. растаял.

      При обледенении карбюратора после обледенения был удален, вам может потребоваться подать достаточно нагрейте карбюратор, чтобы предотвратить дальнейшее образование льда.

      Нагрев карбюратора в качестве меры предосторожности

      Когда дроссельная заслонка закрывается во время полета, особенно когда вы готовитесь к приземлению, двигатель остывает быстро и испарение топлива менее полное чем если двигатель теплый. Если вы подозреваете карбюратор условия обледенения, полностью нагреть карбюратор перед закрыв дроссельную заслонку и оставьте огонь включенным.

      Больше мощности

      Использование нагрева карбюратора приводит к снижению производительности двигатель и увеличить его работу температура. Поэтому не используйте обогрев карбюратора, когда нужна полная мощность (как при взлете) или во время нормальная работа двигателя, за исключением проверки наличие или удаление наледи карбюратора.

      Двигатели с впрыском топлива

      Поршневые двигатели мощностью более 200 л.с. часто используют систему впрыска топлива, а не карбюратор.

      Система впрыска топлива впрыскивает топливо непосредственно в цилиндров или прямо перед впускным клапаном. В затем топливо смешивается с воздухом в цилиндрах. Потому что это тип системы требует насосов высокого давления, блок управления воздухом / топливом, распределитель топлива и напорные патрубки для каждого цилиндра, это обычно дороже карбюратора.

      Как и в случае двигателя с карбюратором, пилот контролирует расход топлива, регулируя контроль смеси.

      Преимущества впрыска топлива

      Впрыск топлива имеет ряд преимуществ перед карбюраторная топливная система, которые компенсируют ее большая стоимость и сложность.

      • Нет возможности обледенения карбюратора (хотя лед может блокировать воздухозаборники).
      • Улучшенный расход топлива.
      • Более быстрый отклик дроссельной заслонки.
      • Точный контроль смеси.
      • Лучшее распределение топлива.
      • Более легкий запуск в холодную погоду.

      Недостатки впрыска топлива

      Впрыск топлива имеет ряд недостатков, самое важное существо:

      • Затруднение при запуске горячего двигателя.
      • Паровые пробки при наземных операциях на горячих дней.
      • Сложность перезапуска двигателя, который выключается из-за результат топливного голодания.

      Вот как работает двигатель вашего автомобиля

      Для большинства людей автомобиль - это то, что они заправляют бензином, который перемещает их из точки А в точку Б. Но задумывались ли вы когда-нибудь, как это на самом деле делает ? Что заставляет его двигаться? Если вы еще не выбрали электромобиль в качестве повседневного водителя, магия сводится к тому, что сводится к двигателю внутреннего сгорания - той штуке, которая шумит под капотом. Но как именно работает двигатель?

      В частности, двигатель внутреннего сгорания является тепловым двигателем, поскольку он преобразует энергию тепла горящего бензина в механическую работу или крутящий момент. Этот крутящий момент применяется к колесам, чтобы заставить машину двигаться. И если вы не управляете старинным двухтактным Saab (который звучит как старая бензопила и изрыгает масляный дым из выхлопных газов), ваш двигатель работает по одним и тем же основным принципам, независимо от того, управляете ли вы Ford или Ferrari.

      Двигатели имеют поршни, которые перемещаются вверх и вниз внутри металлических трубок, называемых цилиндрами.Представьте, что вы едете на велосипеде: ваши ноги двигаются вверх и вниз, чтобы крутить педали. Поршни соединены стержнями (они как ваши голени) с коленчатым валом, и они перемещаются вверх и вниз, чтобы вращать коленчатый вал двигателя, так же, как ваши ноги вращают велосипед, который, в свою очередь, приводит в действие ведущее колесо велосипеда или ведущие колеса автомобиля. . В зависимости от автомобиля в двигателе обычно бывает от двух до 12 цилиндров, в каждом из которых поршень перемещается вверх и вниз.

      Откуда сила двигателя

      Эти поршни движутся вверх и вниз тысячи крошечных контролируемых взрывов, происходящих каждую минуту, создаваемых смешиванием топлива с кислородом и воспламенением смеси.Каждый раз, когда топливо воспламеняется, называется тактом сгорания или силовым ходом. Тепло и расширяющиеся газы от этого мини-взрыва толкают поршень в цилиндре.

      Почти все сегодняшние двигатели внутреннего сгорания (для простоты, мы сосредоточимся здесь на бензиновых силовых установках) относятся к четырехтактным. Помимо такта сгорания, который толкает поршень вниз от верхней части цилиндра, есть еще три хода: впуск, сжатие и выпуск.

      Двигателям необходим воздух (а именно кислород) для сжигания топлива.Во время такта впуска клапаны открываются, позволяя поршню действовать как шприц, когда он движется вниз, втягивая окружающий воздух через систему впуска двигателя. Когда поршень достигает нижней точки своего хода, впускные клапаны закрываются, эффективно уплотняя цилиндр для такта сжатия, который проходит в направлении, противоположном такту впуска. Движение поршня вверх сжимает всасываемый заряд.

      Четыре такта четырехтактного двигателя

      Getty Images

      В современных двигателях бензин впрыскивается непосредственно в цилиндры в верхней части такта сжатия.(Другие двигатели предварительно смешивают воздух и топливо во время такта впуска.) В любом случае, непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней точки своего хода, известной как верхняя мертвая точка, свечи зажигания воспламеняют смесь воздуха и топлива.

      Возникающее в результате расширение горячих горящих газов толкает поршень в противоположном направлении (вниз) во время такта сгорания. Это ход, при котором колеса вашего автомобиля крутятся, как когда вы нажимаете на педали велосипеда. Когда такт сгорания достигает нижней мертвой точки, выпускные клапаны открываются, позволяя газам сгорания откачиваться из двигателя (как шприц, выталкивающий воздух), когда поршень снова поднимается. Когда выхлоп выходит - он проходит через выхлопную систему автомобиля перед выходом из задней части автомобиля - выхлопные клапаны закрываются в верхней мертвой точке, и весь процесс начинается заново.

      Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти то же содержимое в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

      В многоцилиндровом автомобильном двигателе циклы отдельных цилиндров смещены друг от друга и равномерно распределены, так что такты сгорания не происходят одновременно, а двигатель является максимально сбалансированным и плавным.

      Getty Images

      Но не все двигатели одинаковы. Они бывают разных форм и размеров. В большинстве автомобильных двигателей цилиндры расположены по прямой линии, например, рядный четырехцилиндровый двигатель, или объединены два ряда рядных цилиндров по схеме V-образного сечения, как в V-6 или V-8. Двигатели также классифицируются по размеру или рабочему объему, который представляет собой совокупный объем цилиндров двигателя.

      Различные типы двигателей

      Конечно, существуют исключения и незначительные различия среди двигателей внутреннего сгорания, представленных на рынке.Например, двигатели с циклом Аткинсона изменяют фазы газораспределения, чтобы сделать двигатель более эффективным, но менее мощным. Турбонаддув и наддув, сгруппированные вместе под опциями принудительной индукции, нагнетают дополнительный воздух в двигатель, что увеличивает доступный кислород и, следовательно, количество топлива, которое можно сжечь, что приводит к увеличению мощности, когда вы этого хотите, и большей эффективности, когда вы надеваете мне не нужна сила. Все это дизельные двигатели делают без свечей зажигания. Но независимо от двигателя, если он относится к типу двигателей внутреннего сгорания, основы его работы остаются неизменными.И теперь вы их знаете.

      Пора провести весеннюю уборку? Попробуйте продукты Meguiar, которые мы используем в нашем парке

      Средство для мытья и воска Meguiar's Ultimate

      Ultimate Quik Detailer Meguiar

      Полотенце из микрофибры Meguiar's Water Magnet

      Детальщик интерьера Meguiar's Ultimate

      Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти дополнительную информацию об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

      Оптимизация двухтактного термодинамического цикла одноцилиндрового генератора с свободнопоршневым двигателем

      Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) - это новый тип преобразователя энергии, в котором не используются коленчатый вал и шатунный механизм. Для достижения эффективного преобразования энергии в данной статье исследуется оптимизация термодинамических характеристик двухтактного генератора с одноцилиндровым двигателем со свободным поршнем.Во-первых, подробно представлены компоненты, четырехтактный термодинамический цикл, двухтактный термодинамический цикл и прототип системы FPEG. Имитационная модель одномерного потока FPEG создается на основе уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи, а затем модель подтверждается данными, протестированными с помощью прототипа системы. Согласно результатам экспериментов с четырехтактным двигателем FPEG, эффективная мощность 4,75 кВт и пиковое давление 21. Было получено 02 бар. Затем двухтактный термодинамический цикл моделируется и сравнивается при различных управляющих параметрах давления всасываемого воздуха, времени впрыска, момента зажигания и фаз газораспределения посредством имитационной модели. Оптимизированные результаты показывают, что указанный тепловой КПД 27,6%, указанная мощность 6,7 кВт и максимальная рабочая частота 25 Гц могут быть достигнуты с помощью системы-прототипа при использовании двухтактного термодинамического цикла.

      1. Введение

      Заботы об энергосбережении и сокращении выбросов привели к изменениям в конструкции двигателя внутреннего сгорания (ДВС), одним из способов решения этой проблемы является использование двигателя со свободным поршнем [1–3].Генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG) - это новый тип силовой установки, который привлек внимание исследователей во всем мире благодаря своим особым преимуществам с точки зрения высокой эффективности и низкого уровня выбросов.

      По сравнению с традиционной системой генератора, это новое устройство преобразования энергии демонстрирует такие преимущества, как структурная простота, низкая стоимость производства и высокая мощность. Самым большим различием в конструкции является отсутствие коленчатого вала и маховика двигателя, при этом поршень и движитель линейного генератора соединены напрямую.Таким образом, свободный поршень может колебаться между двумя своими конечными точками и подвергаться влиянию всех сил, действующих на него. Без ограничения механизма соединительной тяги трение движения поршня значительно снизилось, и конструкция FPEG стала более компактной [4, 5]. Генератор со свободнопоршневым двигателем может работать с несколькими видами топлива за счет легкого регулирования степени сжатия, а указанная мощность и эффективность системы могут быть улучшены за счет оптимизации термодинамического цикла.

      Исследования показали, что большинство двухтактных свободнопоршневых двигателей имеют схожий принцип работы.На основании теоретического анализа двухтактный двигатель достиг высокой удельной мощности и теплового КПД. В последние десятилетия Кларк и другие исследователи из Университета Западной Вирджинии провели большую исследовательскую работу по генератору двигателя со свободным поршнем. Они разработали первый прототип системы генератора со свободнопоршневым двигателем в 1998 году, который представляет собой двухпоршневую конструкцию с искровым зажиганием с диаметром цилиндра 36,5 мм и максимальным ходом поршня 50 мм [6, 7]. Напомним, что опытный образец работал на частоте 23.1 Гц, максимальная выходная электрическая мощность составляет 316 Вт, а эффективность преобразования энергии составляет 11%. Тем не менее, выходная мощность и эффективность преобразования энергии значительно ниже результатов моделирования 50%.

      Суат Саридемир и Фуат Кара из Университета Дюздже разработали модель искусственной нейронной сети (ИНС) для прогнозирования крутящего момента и мощности бета-версии. типа двигатель Стирлинга. После сравнения предсказанных клапанов модели с экспериментальными результатами, валидность созданной модели ИНС проверяется.Они также использовали метод множественной регрессии для оценки предсказательной способности модели, и результаты показали, что ИНС является надежной моделью для предсказания крутящего момента и мощности двигателя Стирлинга бета-типа [8, 9].

      Исследователи из Toyota Central R&D Labs Inc также разработали однопоршневой линейный генератор со свободнопоршневым двигателем (FPEG), который состоял из интегрированной камеры сгорания, камеры с газовой пружиной и линейного генератора. FPEG принял двухтактный рабочий режим, и он мог работать непрерывно в течение многих часов.После проведения эксперимента по выработке электроэнергии на прототипе системы FPEG результаты показали, что она может обеспечивать надежную и стабильную работу во всех режимах пуска, движения и зажигания [10].

      В [11, 12], Xu et al. в Нанкинском университете науки и технологий в 2010 году разработали новый одноцилиндровый четырехтактный прототип FPEG. В качестве линейного генератора внутреннего сгорания прототип системы обеспечивает непрерывную и стабильную работу четырехтактного рабочего цикла. Он оснащен электромагнитным клапаном для завершения процесса продувки. Кроме того, был получен максимальный крутящий момент 58 Нм при максимальной выходной мощности 10 кВт. На этом основании Сюй предложил улучшенный метод, который оптимизировал двухтактный термодинамический цикл FPEG для достижения термодинамических характеристик высокой эффективности и экономии энергии.

      В этой статье для достижения характеристики более высокой мощности и оптимизации термодинамических характеристик двухтактного двигателя создана экспериментальная система FPEG и внесены соответствующие изменения. В следующих разделах представлены компоненты и принцип работы FPEG с возвратной средней пружиной.В разделе 3 построена одномерная модель потока FPEG, которая проверена с помощью четырехтактного эксперимента. Затем моделируется двухтактный термодинамический цикл FPEG при различных влияющих факторах, а результаты моделирования сравниваются и подробно анализируются. Оптимизированные результаты помогут нам понять, как двухтактный термодинамический цикл FPEG влияет на указанную мощность и эффективность системы.

      2. Структура и принцип работы FPEG
      2.1. Базовая структура FPEG

      Элементарная структура генератора со свободнопоршневым двигателем показана на рисунке 1. Основными частями FPEG являются бензиновый двигатель, обратная пружина и линейный электрический генератор. Система имеет только одну камеру сгорания, отбойное устройство и возвратно-поступательный движущийся компонент. Камера сгорания представляет собой одноцилиндровый свободнопоршневой двигатель, оборудованный электромагнитными клапанами, инжектором и свечой зажигания. Между камерой сгорания и линейным электрогенератором установлена ​​обратная пружина.Одиночный поршень и подвижная катушка линейного генератора соединены в один компактный компонент, как единый движитель FPEG. Свободный поршень будет свободно перемещаться между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), а его возвратно-поступательное движение определяется дисбалансом всех сил, действующих на движитель [11, 13].


      Двигатель со свободным поршнем будет работать с захваченной топливной смесью и зажиганием свечи зажигания. Поскольку эффективность генерации линейного электрического генератора значительно снижается в условиях низкой скорости, задняя пружина толкает поршень вверх для обеспечения непрерывной работы. Суперконденсатор используется для включения выработки электроэнергии генератором. Преобразователь мощности используется для согласования линейного генератора и накопления электроэнергии [14, 15]. Электронный блок управления (ЭБУ) может управлять системой для регулировки характеристик двигателя после получения сигналов давления в цилиндре, смещения поршня, тока якоря и других. Кроме того, продувка осуществляется электромагнитными клапанами, которые закреплены на головке блока цилиндров. В полном рабочем цикле линейный генератор работает в моторном режиме только на такте впуска, тогда как остальные такты работают в генераторном режиме.

      В системе FPEG существует большая свобода в определении движения поршня. Рабочий цикл FPEG можно переключать, изменяя закон движения поршня. Таким образом, четырехтактный термодинамический цикл и двухтактный термодинамический цикл можно использовать для разных рабочих циклов ГПЭГ.

      2.2. Термодинамический цикл FPEG

      Четырехтактные двигатели со свободным поршнем имеют относительно большую экономию энергии и более высокий КПД, чем двухтактные двигатели со свободным поршнем, но двухтактные имеют преимущества в удельной мощности. При той же рабочей частоте число двухтактных рабочих циклов в два раза больше, чем у четырехтактных, а время газообмена короче, чем у четырехтактных [16]. Четырехтактные и двухтактные термодинамические циклы FPEG представлены для оптимизации термодинамических характеристик.

      Как видно из рисунка 2, замечательными характеристиками четырехтактного термодинамического цикла являются короткие такты впуска и сжатия, которые дополняются сжатым всасываемым воздухом [17].Во время такта впуска линейный генератор работает как электрическая машина, заставляя поршневой узел двигаться вниз от точки к точке для поглощения топливной смеси. Он может регулировать давление на входе или температуру воздуха, чтобы увеличить поток смеси и улучшить процесс сгорания. Когда поршень движется в ВМТ и приближается к этой точке, топливная смесь сжимается в такте сжатия. Во время такта расширения зажигание свечи зажигания является начальной точкой процесса сгорания и в этой точке заканчивается.После этого поршень движется снизу вверх и достигает точки, в которой вытесняется сгоревший газ. Таким образом, такты расширения и выпуска длиннее, чем такты впуска и сжатия, и можно достичь полного сгорания для увеличения удельной мощности.


      Как показано на рисунке 3, двухтактный термодинамический цикл характеризуется коротким ходом сжатия и расширения, который дополняется регулировкой угла опережения искры для реализации более полного сгорания. Более длинное перекрытие клапанов может увеличить продолжительность открытия клапана на тактах впуска и выпуска.Прежде чем поршень достигнет точки, свеча зажигания воспламеняет топливную смесь, и поршень движется вверх, чтобы совершить такт сжатия. Во время такта выпуска поршень перемещается от точки к точке. Затем поршень перемещается от точки к точке на такте впуска. Когда поршень перемещается из точки в точку, перекрытие клапанов обеспечивает одновременное открытие впускного и выпускного клапанов для поглощения топливной смеси и удаления остаточного газа. Это может увеличить объемный КПД и улучшить процесс газообмена. Кроме того, опережающее зажигание может обеспечить достаточное сгорание для высвобождения большего количества энергии.


      2.3. Прототип и экспериментальная система

      Конструкция прототипа FPEG описана на рисунке 4. Прототип представляет собой однопоршневой четырехтактный бензиновый двигатель, который оснащен четырьмя электромагнитными клапанами. Он использует метод охлаждения с водяным охлаждением, управление впрыском топлива с обратной связью и систему искрового зажигания с электронным управлением. По сравнению с требованиями к конструкции FPEG, характеристики прототипа очень согласованы и облегчают переоборудование.В таблице 1 перечислены основные параметры конструкции прототипа.



      Параметры Ед.
      Объем см³ 695
      Диаметр седла клапана мм 36
      Минимальная верхняя мертвая точка мм 18
      Максимальная нижняя мертвая точка мм 120
      Максимальный рабочий объем двигателя куб. см / об 182
      Степень сжатия - 9.3
      КПД генерации MCLG % 95,2
      Максимальная сила тяги генератора Н 3200

      Общая конструкция электромагнитного клапана показано на рисунке 4. Трубчатая конструкция состоит из железного сердечника, каркаса катушки, катушки, слоя постоянного магнита и внешней стенки привода. В системе электромагнитных клапанов катушка и клапан жестко соединены, а задняя пружина собрана между каркасом катушки и головкой блока цилиндров.Электромагнитный клапан используется для подачи продувочного воздуха и обеспечения эффективного управления процессом газообмена. Под управлением электронного блока управления (ЭБУ) он может изменять высоту подъема клапана, время открытия клапана и продолжительность открытия клапана, чтобы обеспечить гибкое управление механизмом клапана.

      На рис. 5 показаны трехмерные структуры линейного генератора с подвижной трубчатой ​​катушкой (MCLG). MCLG - это однофазный генератор постоянного магнита с подвижной катушкой, также называемый двигателем звуковой катушки (VCM).Линейный генератор состоит из постоянного магнита (ПМ), сердечника, подвижной катушки и торцевой крышки. Воздушный зазор между внешним и внутренним сердечниками. Для получения высокой плотности потока в воздушном зазоре PM принимает радиальное намагничивание, а направление намагничивания PM-A и PM-B противоположно. Каркас немагнитной катушки намотан двумя катушками, что и составляет весь двигатель MCLG. Кроме того, ток катушки - это не коммутируемый ток, который может повысить эффективность системы MCLG. Структура имеет преимущества меньшей подвижной массы, быстрого отклика и низкой индуктивности катушки [18, 19].


      На основе компонентов прототипа, электромагнитного клапана, линейного генератора с подвижной катушкой и датчиков была построена экспериментальная система FPEG. Как показано на рисунке 6, экспериментальная система используется для тестирования и подтверждения термодинамических характеристик FPEG. В систему также входят контроллер двигателя и преобразователь мощности, который оснащен датчиком давления в цилиндре, датчиком перемещения и датчиком тока. Датчики могут собирать информацию о системе в рабочем состоянии и передавать информацию контроллеру, который рассчитывает результаты тестирования.


      3. Моделирование FPEG

      Термодинамический цикл FPEG зависит от различных факторов, таких как газовая динамика, процесс тепловыделения и потери тепла. В этом разделе имитационная модель FPEG создается на основе одномерного уравнения газовой динамики, функции горения Вебера и функции теплопередачи.

      3.1. Одномерная газовая динамика

      Для описания одномерной газовой динамики в трубе свободнопоршневого двигателя принимаются следующие положения: (1) состояние рабочего тела в камере сгорания - идеальный однородный газ.(2) Температура, давление и объем соответствуют уравнению состояния идеального газа. (3) Масса газа в баллоне постоянна, и утечка потока в процессе газообмена не учитывается. Таким образом, одномерная модель динамики в трубе описывается тремя уравнениями.

      Уравнение энергии:

      Уравнение сохранения количества движения:

      Уравнение неразрывности рабочего тела: где представляет собой содержание энергии идеального газа, представляет скорость потока, представляет статическое давление, представляет собой крест площадь сечения трубы, представляет тепловой поток стенки, представляет единицу объема, представляет плотность рабочей среды, представляет удельную теплоемкость в объеме содержимого и представляет силу трения между жидкостью и стенкой трубы.

      3.2. Давление газа в цилиндре

      В соответствии с вышеизложенными предположениями мы также предположили, что давление газа в цилиндре равно давлению на впуске, равно как и ход выпуска. Когда объем камеры сгорания равен нулю, положение поршня устанавливается как начало смещения. Используя первый закон термодинамики и уравнение состояния идеального газа, давление газа в цилиндре можно записать в виде следующего уравнения: где представляет давление газа в цилиндре, представляет объем цилиндра, представляет отношение удельной теплоемкости рабочее тело, и представляет собой скорость тепловыделения топлива.

      3.3. Горение в цилиндре

      Экзотермическая характеристика свободнопоршневого двигателя определяется скоростью распространения пламени и формой камеры сгорания. В этой статье имитационная модель использует нульмерную однозонную модель горения, которая определяет всю камеру сгорания как замкнутое пространство и игнорирует утечку потока. Функцию Вебера можно использовать для представления фактического процесса горения и выражения тепловыделения. Тепло, выделяемое в процессе сгорания, выглядит следующим образом: где Q представляет скорость тепловыделения топлива, представляет более низкую теплотворную способность топлива, представляет массу впрыскиваемого топлива за цикл, представляет эффективность сгорания, представляет качество сгорания. index, представляет продолжительность горения и представляет переменную времени, представляет время начала горения.

      3.4. Теплопередача от цилиндра

      При расчете потерь теплопередачи нельзя пренебречь необратимостью теплопередачи при возвратно-поступательном тепловом цикле. Предполагается, что потери произошли только в тактах сгорания и расширения, а передача тепла из камеры сгорания наружу незначительна. От газов в цилиндре до стенок цилиндра расчетное уравнение теплопередачи: где представляет скорость тепловыделения топлива, представляет коэффициент теплопередачи, представляет диаметр цилиндра, представляет положение поршня, представляет температуру стенок цилиндра, и представляет собой температуру газа в цилиндрах.

      Здесь расчетное уравнение принимает функцию теплопередачи Woschni 1978. Эта функция подходит для цикла высокого давления, а коэффициент теплопередачи - это где - диаметр цилиндра, - давление газа в цилиндре, - давление на входе. температура газа в цилиндре, представляет собой круговую скорость и представляет собой среднюю скорость поршня.

      3.5. Имитационная модель

      В процессе создания модели FPEG одномерная имитационная модель в основном делится на две части.В первую часть входили размерные параметры двигателя, такие как диаметр цилиндра, длина впускного и выпускного патрубков. Другая часть содержала термодинамическую модель, модель горения и модель теплопередачи.

      Шаги моделирования FPEG следующие области [20]: (1) изучение основных параметров измерения двигателя и сбор данных и информации о конструкции. (2) Разделите фактический двигатель со свободным поршнем на несколько простых в эксплуатации подсистем и используйте субмодули AVL BOOST для создания соответствующих физических субмоделей.(3) В соответствии с теоретическими знаниями динамики, теплопередачи, термодинамики, горения была построена простая физическая модель, которая содержит собранные данные и входную информацию для субмодуля двигателя. (4) Используйте установленную модель, чтобы выполнить простейшее моделирование и найти физические параметры имитационной модели, чтобы изменить ошибку.

      На основе теоретического анализа и математической модели, приведенной выше, в программном обеспечении AVL BOOST создается одномерная имитационная модель FPEG для моделирования четырехтактного термодинамического цикла и двухтактного термодинамического цикла.Как мы все знаем, полная имитационная модель системы FPEG должна включать систему впуска, систему сгорания и систему выпуска. В соответствии с параметрами конструкции, указанными выше, и системой экспериментов в предыдущем разделе, имитационная модель одномерного потока создается, как показано на рисунке 7.


      3.6. Параметры моделирования

      Перед запуском модели моделирования ключевым шагом является выбор параметров управления. Начальное значение граничных условий включает давление, температуру и соотношение воздух-топливо.При этом параметры цилиндра содержат диаметр цилиндра, ход поршня, длину шатуна и степень сжатия. Также необходимо определить параметры управления теплопередачей и спецификацию клапана. В таблице 2 перечислены конкретные параметры каждого компонента.


      Компоненты Параметры Значение

      Воздухоочиститель Общий объем 3.1 л
      Дроссельная заслонка Угол дроссельной заслонки 18,5 °
      Цилиндр Диаметр цилиндра 102 мм
      Ход поршня 126 мм
      Длина шатуна 150 мм
      Степень сжатия 9,3
      Впускной клапан Открытие клапана 48,5 мс
      Закрытие клапана 50,2 мс
      Выпускной клапан Открытие клапана 19.1 мс
      Клапан закрыт 23,4 мс
      Catalyst Объем монолита 0,3 л
      Граница системы 1 Давление 1,1 бар
      Температура газа 24,85 ° C
      Граница системы 2 Давление 1,0 бар
      Температура газа 126,85 ° C

      4.Проверка модели

      Моделируется траектория свободного поршня FPEG во время четырехтактного рабочего цикла. Как показано на рисунке 8, рабочий период четырехтактного двигателя со свободным поршнем составляет около 100 мс. Понятно, что смещение поршня асимметрично, такты впуска и сжатия короче тактов расширения и выпуска. Степень расширения больше, чем степень сжатия, и более длительное расширение и выхлоп полезны для достижения полного расширения и уменьшения остаточного газа.Следовательно, характеристики FPEG отличаются от характеристик обычного двигателя, и он имеет большое преимущество с точки зрения топливной экономичности и образования выбросов.


      На системе FPEG завершен четырехтактный эксперимент для проверки имитационной модели. Как видно из рисунка 9, он сравнивает давление в цилиндре по данным испытаний с результатами моделирования во время четырехтактного рабочего цикла, которые получают датчиком давления в цилиндре. По сравнению с экспериментальными результатами, кривые давления в цилиндре испытания и моделирования совпадают; максимальное отклонение изменения давления в цилиндре - 5.2%, а среднее отклонение - 1,5%. В таблице 3 приведены результаты сравнения производительности FPEG. Таким образом, смоделированные результаты соответствуют требованиям точности, и мы полагаем, что имитационная модель является точной моделью FPEG. Более того, в системе FPEG время начала сгорания составляет -3,1 мс, а продолжительность сгорания составляет 6,4 мс, что определяется результатами экспериментов с четырехтактным двигателем.



      Название Единица Тест Моделирование

      Эффективная мощность кВт 4.75 4,82
      Пиковое давление бар 21,02 21,40
      Содержание остаточного газа - 0,0809 0,0769
      Начало горения мс −3,1 −3,1
      Продолжительность горения мс 6,4 6,4

      5.Оптимизация двухтактного термодинамического цикла

      Смоделированная кривая движения свободного поршня во время двухтактного рабочего цикла показана на рисунке 10. Как видно, рабочий период двухтактного двигателя со свободным поршнем составляет около 43 мс. . На основе перекрытия клапанов и опережающего зажигания получается длинный такт впуска и выпуска при коротком такте сжатия и расширения. Эта характеристика показывает, что двухтактный термодинамический цикл ГПЭГ может быть оптимизирован за счет изменения параметров управления газообменом и горением.


      В этом разделе проверенный режим используется для моделирования двухтактного термодинамического цикла FPEG. При неизменных других параметрах управления модель моделируется при различном давлении всасываемого воздуха, времени впрыска, времени зажигания, времени впускного клапана и времени выпускного клапана. Затем анализируется влияние термодинамического цикла, и термодинамические характеристики FPEG оптимизируются.

      5.1. Влияние повышения давления на впуске

      Исследования показывают, что улучшение давления всасываемого воздуха может обеспечить хорошее состояние сгорания.Модель FPEG моделируется при различном давлении всасываемого воздуха, а кривые изменения выглядят следующим образом. Указанная мощность, коэффициент остаточного газа, указанный удельный расход топлива (ISFC) и расход на всасывании являются основными оценочными показателями, и их можно найти в результатах моделирования. В соответствии с диапазоном давления фактического турбонагнетателя диапазон давления на впуске составляет от 1,0 до 1,4 бара.

      На рис. 11 показано, что указанная мощность и расход на впуске постепенно увеличиваются, коэффициент остаточного газа постепенно снижается в диапазоне давления на впуске, а четыре оценочных индекса изменяются более явно в диапазоне 1.0 бар ~ 1,1 бар. Результаты показывают, что двухтактный двигатель со свободным поршнем не может обеспечить достаточный поток всасываемого воздуха для завершения рабочего цикла при нормальном давлении всасываемого воздуха. Это связано с тем, что при повышении давления всасываемого воздуха в цилиндр может поступать больше топливной смеси. Кроме того, более высокое давление всасываемого воздуха обеспечивало большое давление сжатия. Следовательно, увеличение давления всасываемого воздуха приводит к улучшению указанной мощности и экономии топлива.

      5.2. Влияние времени впрыска

      В системе сгорания одномерной имитационной модели параметры времени впрыска могут быть изменены для имитации его влияния на производительность FPEG.Как можно видеть, на рисунке 12 показано влияние разного времени впрыска. Среднее эффективное давление (MEP) - это эффективная мощность, создаваемая рабочим объемом на единицу цилиндра, и это важный показатель для оценки энергетических характеристик.

      Диапазон времени впрыска разделен на три части: 0 мс ~ 7,2 мс, 7,2 мс ~ 14,4 мс и 14,4 ~ 21,6 мс. Во-первых, указанная мощность и MEP поддерживаются на низком уровне колебаний, а коэффициент остаточного газа остается неизменным на более высоком уровне.Поскольку процесс впрыска топлива завершился до открытия впускного клапана, большая часть топливной смеси не попала в камеру сгорания. Во-вторых, время впрыска и процесс всасывания согласованы, а термодинамические характеристики FPEG значительно улучшились, что позволило улучшить указанную мощность и эффективность вентиляции. Наконец, по сравнению с первой частью все значения производительности аналогичны в диапазоне от 14,4 мс до 21,6 мс. Это связано с тем, что время впрыска опережает процесс впуска, и часть топливной смеси не может использоваться в процессе сгорания.Как видно, оптимальные характеристики двигателя достигаются в момент 14,4 мс.

      5.3. Влияние момента зажигания

      Эффект опережающего зажигания заключается в том, чтобы начать горение перед тем, как поршень переместится в ВМТ. Когда поршень движется в ВМТ и входит в такт расширения, смесь рабочего тела полностью сгорает и выделяет больше энергии. Следовательно, диапазон времени зажигания составляет от -5,4 мс до 0 мс, а результаты моделирования показаны на рисунке 13.

      В диапазоне от -3 мс до -5.4 мс, указанная мощность и MEP постепенно уменьшаются, а ISCF постепенно увеличивается. Это происходит из-за преждевременного воспламенения смеси и расширения горящего газа. Часть энергии мешает поршню двигаться вверх до ВМТ. Затем указанная мощность и MEP постепенно уменьшались с разным временем зажигания, а ISFC постепенно увеличивалась в диапазоне от -3 мс до 0 мс. Из-за задержки времени воспламенения поршень движется вниз, прежде чем смесь начнет гореть. Это приводит к увеличению объема цилиндра и снижению давления сгорания, а термодинамические характеристики FPEG находятся в состоянии высокого расхода топлива и низкой выходной мощности.Кроме того, оптимальные характеристики двигателя были достигнуты при −3 мс.

      5.4. Влияние времени впускного клапана

      При условии сохранения неизменными высоты подъема клапана и продолжительности открытия клапана, модель FPEG моделируется при разном времени открытия впускного клапана. Как показано на рисунке 14, при времени открытия впуска от 4,8 мс до 16,8 мс, указанная мощность и расход на всасывании показывают общую тенденцию сначала к увеличению, затем к падению и получают максимальное значение на уровне 10,8 мс. Между тем характеристики коэффициента остаточного газа и ISFC противоречат закону изменения всасываемого потока.

      Когда время открытия впуска находится в диапазоне от 4,8 до 10,8 мс, впускной и выпускной клапаны открываются одновременно. Он создает продувочный поток в цилиндре, что делает процесс газообмена более полным и снижает количество остаточного газа. После этого время открытия впускного клапана опаздывает, и часть топливной смеси не попадает в цилиндр, поэтому процесс сгорания оказывается недостаточным и термодинамические характеристики значительно ухудшаются. Из-за фиксированного времени работы клапана оптимальный период открытия впускного клапана от 10.От 8 мс до 24,5 мс.

      5.5. Влияние времени работы выпускного клапана

      Как показано на Рисунке 15, при изменении времени открытия выпускного клапана с 1,2 мс на 10,8 мс указанная мощность и поток выхлопных газов показывают общую тенденцию сначала к увеличению, а затем к снижению. Поток выхлопных газов увеличивался в диапазоне от 1,2 мс до 3,6 мс, а затем постепенно уменьшался, достигая максимального значения на 3,6 мс. Указанная мощность, коэффициент остаточного газа и ISCF улучшились с увеличением потока выхлопных газов.

      Результаты показывают, что преждевременное открытие выпускного клапана приводит к недостаточному процессу сгорания и снижению мощности и экономии топлива FPEG.При задержке открытия выпускного клапана остаточный газ в цилиндре не может быть удален полностью, и это повлияет на следующий цикл сгорания. Следовательно, правильное время открытия выпускного клапана значительно улучшает рабочие характеристики FPEG, а оптимальный период открытия выпускного клапана составляет от 3,6 мс до 23,1 мс.

      5.6. Оптимизированная производительность FPEG

      В соответствии с результатами моделирования, приведенными выше, мы внесли корректировки в параметры управления модели FPEG.Настраиваемые параметры включают время зажигания, время впрыска и время открытия клапана. Уточненная модель моделировалась на рабочей частоте 25 Гц, а именно, 25 возвратно-поступательных циклов в секунду. Оптимизированные результаты показывают, что указанный тепловой КПД составляет около 27,6%, указанная мощность составляет 6,7 кВт, а ISFC составляет 481,6 г / кВтч. Конкретные результаты термодинамических характеристик FPEG для двухтактного термодинамического цикла показаны в таблице 4.


      Элементы Единица Значение

      Указанная мощность кВт 6.7
      Расчетный тепловой КПД % 27,6
      Указанный удельный расход топлива (ISCF) г / кВтч 481,6
      Остаточное содержание газа - 0,285
      Среднее эффективное давление бар 2,6
      Циклическая масса на входе г 0,671

      6.Выводы

      В работе представлена ​​оптимизация термодинамических характеристик двухтактного одноцилиндрового FPEG. Создана комплексная одномерная модель потока FPEG, и точность модели подтверждена экспериментальными результатами, протестированными на прототипе FPEG. Результаты экспериментов с четырехтактным двигателем показали эффективную мощность 4,75 кВт и максимальное давление 21,02 бара. На этой основе был смоделирован и оптимизирован двухтактный термодинамический цикл.Результаты моделирования показывают, что указанный тепловой КПД ППЭГ составляет около 27,6%, а указанная мощность 6,7 кВт может быть достигнута на рабочей частоте 25 Гц. Из этих результатов мы заключаем, что термодинамические характеристики высокой эффективности и энергосбережения для системы FPEG могут быть значительно улучшены за счет оптимизации двухтактного термодинамического цикла.

      В будущем будет проведено экспериментальное испытание для проверки результатов моделирования двухтактной термодинамической оптимизации цикла в этой статье.Кроме того, двухтактный генератор с свободнопоршневым двигателем будет исследован с помощью многоцелевой интеллектуальной оптимизации для получения более высокой выходной мощности и эффективного КПД.

      Доступность данных

      Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

      Конфликт интересов

      Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

      Благодарности

      Авторы выражают признательность Национальному фонду естественных наук Китая (грант №51875290).

      Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

      4-тактный двигатель внутреннего сгорания

      Гленн
      Исследовательский центр

      Это анимированный компьютерный рисунок одного цилиндра Райт. авиадвигатель братьев 1903 г. Этот двигатель приводил в действие первый, тяжелее воздушные, самоходные, маневренные, пилотируемые самолеты; Райт Флаер 1903 года.Двигатель состоял из четырех цилиндры как показано выше, с каждый поршень подключен к общему коленчатый вал. Коленчатый вал соединялся с двумя противоположно вращающимися пропеллеры который произвел тяга, необходимая для преодоления сопротивление самолета.

      Дизайн братьев очень прост по сегодняшним меркам, так что это хороший двигатель для студентов, чтобы изучить основы работа двигателя. Этот тип внутреннее сгорание двигатель называется четырехтактный двигатель , потому что есть четыре движения, или удары поршня перед повторением всей последовательности запуска двигателя.Четыре штриха описаны ниже с некоторыми неподвижными фигурами. На анимации и на всех рисунках мы раскрасили система впуска топлива / воздуха красный, электрическая система зеленый, а вытяжная система синий. Мы также представляем топливно-воздушную смесь и выхлопные газы небольшими цветные шарики, чтобы показать, как эти газы проходят через двигатель. Поскольку мы будем иметь в виду движение различных частей двигателя, вот рисунок, показывающий названия частей:

      Ход всасывания

      Двигатель цикл начинается с впускной ход как поршень потянул в сторону коленчатого вала (на рисунке слева).

      Впускной клапан открыт, и топливо и воздух проходят через клапан. и в камеру сгорания и цилиндр от впускного коллектора, расположенного сверху камеры сгорания. Выпускной клапан закрыт, а электрический контактный выключатель разомкнут. Топливно-воздушная смесь находится на относительно низком уровне. давление (около атмосферного) и окрашен в синий цвет на этом рисунке. В конце такта впуска поршень расположен в крайнем левом углу и начинает двигаться назад к правильно.

      Цилиндр и камера сгорания заполнены топливовоздушной смесью низкого давления. и, когда поршень начинает двигаться вправо, впускной клапан закрывается.

      Историческая справка - Открытие и закрытие впускного клапана двигателя Wright 1903 был назван братьями «автоматическим». Он основан на немного более низком давлении внутри в цилиндре во время такта впуска, чтобы преодолеть силу пружины, удерживающей клапан в закрытом состоянии. Современные двигатели внутреннего сгорания делают не работайте так, а используйте кулачки и коромысла, как выхлопную систему братьев. Кулачки и коромысла обеспечивают лучший контроль и время открытия и закрытие клапанов.

      Ход сжатия

      Когда оба клапана закрыты, комбинация цилиндра и камеры сгорания образуют полностью закрытую емкость, содержащую топливно-воздушную смесь. Как поршень сдвигается вправо, объем уменьшается, а топливно-воздушная смесь сжатый во время ход сжатия.

      Во время сжатия нет высокая температура переходит в топливно-воздушную смесь. Поскольку объем уменьшается из-за движения поршня, давление в газе увеличена, как описано по законам термодинамика.На рисунке смесь окрашена желтый цвет означает умеренное повышение давления. Чтобы произвести повышенное давление, мы должны сделать Работа на смеси, просто поскольку вам нужно проделать работу, чтобы накачать велосипедную шину с помощью насоса. Во время такта сжатия электрический контакт остается разомкнутым. Когда объем самый маленький, и давление самое высокое, как показано на рисунке, контакт замкнут, и поток электричество течет через вилку.

      Рабочий ход

      В начале рабочего хода электрический контакт размыкается.Внезапное размыкание контакта вызывает искру в камере сгорания, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь. Быстрый горение топливных выбросов высокая температура, и производит выхлопные газы в камере сгорания.

      Поскольку впускной и выпускной клапаны закрыты, сгорание Топливо находится в полностью закрытом сосуде (и почти постоянного объема). В сгорание увеличивает температура выхлопных газов, остаточного воздуха в камере сгорания, и в самой камере сгорания.От закон идеального газа, повышенная температура газов также вызывает повышенное давление в камере сгорания. Мы покрасили газы в красный цвет на рисунке. для обозначения высокого давления. Высокое давление газов, действующих на лицевой стороной поршня заставляет поршень двигаться влево, что инициирует рабочий ход.

      В отличие от такта сжатия, горячий газ воздействует на поршень во время рабочего такта. Сила на поршне передается штоком поршня на коленчатый вал, где линейный движение поршня преобразуется в угловое движение коленчатого вала.Работа сделано на поршне, затем используется для вращения вала и гребных винтов, и для сжатия газов в такте сжатия соседнего цилиндра. Имея возникла искра зажигания, электрический контакт остается разомкнутым.

      Во время рабочего такта объем, занимаемый газами увеличивается из-за движения поршня и нет высокая температура переходит в топливно-воздушную смесь. Поскольку объем увеличивается из-за движения поршня, давление и температура газа уменьшилось.Мы покрасили выхлопные «молекулы» в желтый цвет, чтобы обозначить умеренное давление. в конце рабочего хода.

      Историческая справка - Способ получения электрической искры Братья Райт использовали это понятие как «замыкающий и размыкающий». Там подвижные части, расположенные внутри камеры сгорания. Современное внутреннее сгорание двигатели не используют этот метод, а вместо этого используют свечу зажигания, чтобы произвести искра зажигания. Свеча зажигания не имеет движущихся частей, что намного безопаснее, чем у свечи зажигания. метод, которым пользовались братья.

      Ход выхлопа

      В конце рабочего хода поршень находится в крайнем левом положении. Нагрейте это осталось от рабочего хода сейчас переведен к воде в водная куртка пока давление не приблизится к атмосферному давление. После этого открывается выпускной клапан. кулачком, нажав на коромысло, чтобы начать такт выпуска.

      Назначение выхлопа ход - очистить цилиндр от отработанного выхлопа для подготовки к следующему цикл зажигания.Когда начинается такт выпуска, цилиндр и камера сгорания заполнены. продуктов выхлопа при низком давлении (окрашены синим цветом на рисунке выше). Потому что выпускной клапан открыт, выхлопные газы проходят мимо клапана и выходят из двигателя. Впускной клапан закрыт, а электрическая контакт открыт во время этого движения поршня.

      В конце такта выпуска выпускной клапан закрывается и двигатель начинается еще один такт впуска.

      Историческая справка - Выхлопная система братьев Райт заставлял горячий выхлоп выходить из каждого цилиндра независимо... сразу за пилоту. Этот двигатель тоже был очень громким. Коллекционируют современные автомобили выхлоп из всех цилиндров в выпускной коллектор (как и впускной коллектор б / у братьев). Выпускной коллектор проходит через выхлоп до каталитического нейтрализатора для удаления опасных газов, а затем через глушитель, чтобы он не шуметь, и, наконец, выхлопную трубу.

      Теперь вы можете понять анимация вверху этой страницы. Обратите внимание, что коленчатый вал делает два оборотов за каждый оборот кулачков.Это движение контролируется временная цепь. Также обратите внимание, как кулачок перемещает выпускной клапан. в нужный момент и как быстро впускной клапан открывается после выпуска клапан закрыт. В реальной работе двигателя ход выпуска не может вытолкнуть все выхлоп из цилиндра, поэтому настоящий двигатель работает не так хорошо, как идеальный двигатель описан на этой странице. По мере того, как двигатель работает и нагревается, производительность изменения. Современные автомобильные двигатели регулируют соотношение топливо / воздух с помощью компьютера. топливные форсунки для поддержания высокой производительности.Братьям просто нужно было смотреть мощность их двигателя упала с примерно 16 лошадиных сил, когда двигатель был сначала начал примерно с 12 лошадиных сил, когда он был горячим.


      Деятельность:

      Экскурсии с гидом

      Навигация ..


      Руководство для начинающих Домашняя страница

      Основы работы поршневого двигателя

      Многие люди всю свою жизнь водят машину, даже не понимая, как работают машины.У этих знаний много преимуществ. Курсы обучения водителей отлично подходят для обучения людей правилам дорожного движения, но многие из них даже не охватывают основы механики.

      Большинство автомобилей на дорогах сегодня имеют двигатели внутреннего сгорания. Это тип поршневого двигателя, в котором поршни используются для преобразования давления в движение. Хотя это может показаться сложным, самый простой способ понять ваш двигатель - это изучить различные части и то, что они делают во время этих циклов.

      Преимущества понимания вашего двигателя

      Есть много причин для фундаментального понимания того, как работает двигатель вашего автомобиля.Во-первых, это даст вам преимущество при покупке автомобиля, потому что вы сможете сравнивать разные автомобили в зависимости от того, что находится под капотом. Если вы владеете собственным автомобилем, знание двигателя поможет облегчить обслуживание автомобиля и устранение механических проблем.

      Точно так же, если вам когда-нибудь понадобится сдать автомобиль в ремонт, знакомство с двигателем поможет вам понять, какие работы необходимо выполнить и почему. Вы также можете определить, действительно ли в некоторых предлагаемых ремонтах нет необходимости.

      Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания

      В основе двигателя автомобиля лежат цилиндры. У большинства машин их четыре, шесть или восемь штук. Внутри каждого цилиндра находится поршень, который скользит вверх и вниз и при этом вращает коленчатый вал, прикрепленный к коробке передач, которая, в свою очередь, приводит в действие колеса автомобиля. Цилиндры также оснащены клапанами, которые впускают воздух и топливо и позволяют выходить выхлопным газам. Топливо внутри двигателя воспламеняется свечами зажигания, и это сгорание приводит в движение поршни.

      Четырехтактный цикл

      Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены многие современные легковые и грузовые автомобили, обычно работают в четырехтактном цикле, и эти четыре стадии - это впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Поскольку в автомобилях обычно есть по крайней мере четыре цилиндра, которые запускаются последовательно, цилиндры всегда проходят разные стадии цикла, а это означает, что всегда есть поршень, приводящий в действие коленчатый вал.

      • Цикл впуска : Во время цикла впуска впускной клапан цилиндра открывается, когда поршень движется вниз по цилиндру, и вакуум, создаваемый движениями поршня вниз, всасывает воздух и топливо в камеру сгорания цилиндра.
      • Цикл сжатия : Как только поршень достигает дна цилиндра, впускной клапан закрывается и сжимает воздух и топливо внутри камеры сгорания.
      • Цикл сгорания : Поршни всегда движутся вверх и вниз, поскольку поршень движется вверх, он сжимает воздух и топливо в камере сгорания. Как только это происходит, свеча зажигания используется для воспламенения топлива и воздуха, и в результате взрыва поршень снова опускается.
      • Выпускной цикл : Во время последней стадии цикла выпускной клапан открывается, когда поршень достигает нижней части цилиндра, и оставшееся топливо и воздух выпускаются из камеры сгорания.

      Знание основ работы двигателя транспортного средства полезно при покупке и обслуживании автомобиля, и это может даже помочь вам диагностировать проблемы, когда что-то идет не так. Изучение двигателя вашего автомобиля - лишь один из компонентов комплексного обучения водителей, но во многих случаях эти знания могут помочь вам выбраться из затора.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *