Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:
- воспринимая давление газов, передает возникающее усилие на шатун;
- герметизирует камеру сгорания;
- отводит от неё излишек тепла.
На фотографии выше продемонстрированы четыре такта работы поршня двигателя.
Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней
Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:
- высокую механическую прочность;
- хорошую теплопроводность;
- малую плотность;
- незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
- хорошую коррозионную устойчивость.
Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.
Поршни могут быть:
В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.
Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением
Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:
- головки (днища);
- уплотняющей части;
- юбки (направляющей части).
Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки — плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов.
Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, — благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.
На фотографии схема поршня двигателя.
Поршневые кольца: виды и состав
Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Даже самые успешные и состоятельные мужчины хотят новых ощущений. Многие уже устали от пресыщенных барышень из салонов, наглых индивидуалок и высокомерных девиц из экспорт-агентств. Поэтому поиск секса через знакомства на сайтах Новосибирска становится глотком свежего воздуха для многих. Здесь много новых мордашек, не обнаглевших от дорогих подарков, но очень горячих самочек, готовых на многое ради встречи с незнакомцем. Необязательно платить за интим, девушка может попросить подарок или поход в любимое кафе. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:
- высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
- высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
- хорошие антифрикционные свойства;
- способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.
Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.
Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо.
Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия.
По форме компрессионные кольца могут быть:
- трапециевидные;
- тбочкообразные;
- тконические.
При изготовлении некоторых колец выполняется порез (вырез).
На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.
Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной, что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической.
Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена.
Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.
Состав поршневой группы
Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:
- минимальной деформации при работе;
- высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
- хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
- малой массы.
По способу установки поршневые пальцы могут быть:
- закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
- закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
- свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.
Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.
Отвод излишков тепла от поршня
Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:
- системой охлаждения от стенок цилиндра;
- внутренней полостью поршня, далее — поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
- частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.
С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:
- разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
- масляного тумана в полости цилиндра;
- впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
- циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.
- Видео — работа двигателя внутреннего сгорания (такты, поршень, смесь, искра):
- Видео про четырёхтактный двигатель — принцип работы:
Устройство автомобилей
Поршневая группа образует подвижную стенку рабочего объема цилиндра. Именно перемещение этой «стенки», т. е. поршня, является показателем работы, выполненной сгоревшими и расширяющимися газами.
Поршневая группа кривошипно-шатунного механизма включает в себя поршень, поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), поршневой палец и фиксирующие его детали.
Иногда поршневую группу рассматривают вместе с цилиндром, и называют цилиндропоршневой группой.
***
Поршень
Требования, предъявляемые к конструкции поршня
Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через поршневой палец шатуну. При этом он совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.
Условия, в которых работает поршень:
- высокое давление газов (3,5…5,5 МПа для бензиновых, и 6,0…15,0 МПа для дизельных двигателей);
- контакт с горячими газами (до 2600 ˚С);
- движение с переменой направления и скорости.
Возвратно-поступательное движение поршня вызывает значительные инерционные нагрузки в зонах прохода мертвых точек, где поршень изменяет направление движения на противоположное. Инерционные силы зависят от скорости перемещения поршня и его массы.
Поршень воспринимает значительные усилия: более 40 кН в бензиновых двигателях, и 20 кН – в дизелях. Контакт с горячими газами вызывает нагрев центральной части поршня до температуры 300…350 ˚С. Сильный нагрев поршня опасен возможностью заклинивания в цилиндре из-за температурного расширения, и даже прогоранием днища поршня.
Перемещение поршня сопровождается повышенным трением и, как следствие, изнашиванием его поверхности и поверхности цилиндра (гильзы). Во время движения поршня от верхней мертвой точки к нижней и обратно сила давления поверхности поршня на поверхность цилиндра (гильзы) изменяется и по величине, и по направлению в зависимости от такта, протекающего в цилиндре.
Максимальное давление поршень оказывает на стенку цилиндра при такте рабочего хода, в момент, когда шатун начинает отклоняться от оси поршня.
При этом сила давления газов, передаваемая поршнем шатуну, вызывает реактивную силу в поршневом пальце, который в данном случае является цилиндрическим шарниром.
Эта реакция направлена от поршневого пальца вдоль линии шатуна, и может быть разложена на две составляющие – одна направлена вдоль оси поршня, вторая (боковая сила) перпендикулярна ей и направлена по нормали к поверхности цилиндра.
Именно эта (боковая) сила и вызывает значительное трение между поверхностями поршня и цилиндра (гильзы), приводящее к их износу, дополнительному нагреву деталей и снижению КПД из-за потерь энергии.
Попытки уменьшить силы трения между поршнем и стенками цилиндра осложняются тем, что между цилиндром и поршнем необходим минимальный зазор, обеспечивающий полную герметизацию рабочей полости с целью не допустить прорыв газов, а также попадание масла в рабочее пространство цилиндра. Величина зазора между поршнем и поверхностью цилиндра лимитируется тепловым расширением деталей. Если его сделать слишком малым, в соответствии с требованиями герметичности, то возможно заклинивание поршня в цилиндре из-за теплового расширения.
При изменении направления движения поршня и процессов (тактов), протекающих в цилиндре, сила трения поршня о стенки цилиндра меняет характер – поршень прижимается к противоположной стенке цилиндра, при этом в зоне перехода мертвых точек поршень совершает удары по цилиндру из-за резкого изменения величины и направления нагрузки.
Конструкторам, при разработке двигателей, приходится решать комплекс проблем, связанных с описанными выше условиями работы деталей цилиндропоршневой группы:
- высокими тепловыми нагрузками, вызывающими температурное расширение и коррозию металлов деталей КШМ;
- колоссальным давлением и инерционными нагрузками, способным разрушить детали и их соединения;
- значительными силами трения, вызывающими дополнительный нагрев, износ и потери энергии.
Исходя из этого, к конструкции поршня предъявляются следующие требования:
- достаточная жесткость, позволяющая выдерживать силовые нагрузки;
- тепловая стойкость и минимальные температурные деформации;
- минимальная масса для снижения инерционных нагрузок, при этом масса поршней в многоцилиндровых двигателях должна быть одинаковой;
- обеспечение высокой степени герметизации рабочей полости цилиндра;
- минимальное трение о стенки цилиндров;
- высокая долговечность, поскольку замена поршней связана с трудоемкими ремонтными операциями.
***
Особенности конструкции поршня
Поршни современных автомобильных двигателей имеют сложную пространственную форму, которая обусловлена различными факторами и условиями, в которых работает эта ответственная деталь.
Многие элементы и особенности формы поршня не заметны невооруженным глазом, поскольку отклонения от цилиндричности и симметрии минимальны, тем не менее, они присутствуют.
Рассмотрим подробнее – как устроен поршень двигателя внутреннего сгорания, и на какие хитрости приходится идти конструкторам, чтобы обеспечить выполнение требований, изложенных выше.
Поршень двигателя внутреннего сгорания состоит из верхней части – головки и нижней – юбки.
Верхняя часть головки поршня – днище непосредственно воспринимает усилия со стороны рабочих газов. В бензиновых двигателях днище поршня обычно делают плоским. В поршневых днищах дизелей часто выполняют камеру сгорания.
Днище поршня представляет собой массивный диск, который соединяется с помощью ребер или стоек с приливами, имеющими отверстия для поршневого пальца – бобышками. Внутренняя поверхность поршня выполняется в виде арки, что обеспечивает необходимую жесткость и теплоотвод.
***
На боковой поверхности поршня прорезаны канавки для поршневых колец. Число поршневых колец зависит от давления газов и средней скорости перемещения поршня (т. е. частоты вращения коленчатого вала двигателя) – чем меньше средняя скорость поршня, тем больше требуется колец.
В современных двигателях, наряду с ростом частоты вращения коленчатого вала, наблюдается тенденция к сокращению числа компрессионных колец на поршнях.
Это обусловлено необходимостью уменьшения массы поршня с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения сил трения, отнимающих существенную долю мощности двигателя. При этом возможность прорыва газов в картер высокооборотистого двигателя считается менее актуальной проблемой.
Поэтому в двигателях современных легковых и гоночных автомобилей можно встретить конструкции с одним компрессионным кольцом на поршне, а сами поршни имеют укороченную юбку.
Кроме компрессионных колец на поршне устанавливают одно или два маслосъемных кольца.
Канавки, выполненные в поршне под маслосъемные кольца, имеют дренажные отверстия для отвода моторного масла во внутреннюю полость поршня при снятии его кольцом с поверхности цилиндра (гильзы).
Это масло обычно используется для охлаждения внутренней поверхности днища и юбки поршня, а затем стекает в поддон картера.
Форма днища поршня зависит от типа двигателя, способа смесеобразования и формы камеры сгорания. Наиболее распространена плоская форма днища, хотя встречаются выпуклая и вогнутая.
В некоторых случаях в днище поршня выполняют углубления для тарелок клапанов при расположении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ).
Как упоминалось выше, в днищах поршней дизельных двигателей нередко выполняют камеры сгорания, форма которых может различной.
Нижняя часть поршня – юбка направляет поршень в прямолинейном движении, при этом она передает стенке цилиндра боковое усилие, величина которого зависит от положения поршня и процессов, протекающих в рабочей полости цилиндра. Величина бокового усилия, передаваемого юбкой поршня, значительно меньше максимального усилия, воспринимаемого днищем со стороны газов, поэтому юбка выполняется относительно тонкостенной.
В нижней части юбки у дизелей часто устанавливают второе маслосъемное кольцо, что позволяет улучшить смазывание цилиндра и уменьшить вероятность попадания масла в рабочую полость цилиндра.
Для уменьшения массы поршня и сил трения ненагруженные части юбки срезают по диаметру и укорачивают по высоте.
Внутри юбки обычно выполняются технологические приливы, которые используются для подгонки поршней по массе.
Конструкция и размеры поршней зависят главным образом от быстроходности двигателя, а также от величины и скорости нарастания давления газов. Так, поршни быстроходных бензиновых двигателей максимально облегчены, а поршни дизелей имеют более массивную и жесткую конструкцию.
В момент перехода поршня через ВМТ изменяется направление действия боковой силы, которая является одной из составляющих силы давления газов на поршень. В результате поршень перемещается от одной стенки цилиндра к другой – происходит перекладка поршня. Это вызывает удар поршня о стенку цилиндра, сопровождающийся характерным стуком.
Чтобы уменьшить это вредное явление поршневые пальцы смещают на 2…3 мм в сторону действия максимальной боковой силы; при этом боковая сила давления поршня на цилиндр значительно уменьшается. Такое смещение поршневого пальца называется дезаксажем.
Применение в конструкции поршня дезаксажа требует соблюдения правил монтажа КШМ — поршень должен устанавливаться строго по меткам, указывающим, где передняя часть (обычно это стрелка на днище).
Оригинальное решение, призванное снизить воздействие боковой силы, применили конструкторы двигателей фирмы «Фольксваген». Днище поршня в таких двигателях выполнено не под прямым углом к оси цилиндра, а немного скошено. По мнению конструкторов, это позволяет оптимальнее распределить нагрузку на поршень, и улучшить процесс смесеобразования в цилиндре при тактах впуска и сжатия.
Для того, чтобы удовлетворить противоречивые требования герметичности рабочей полости, предполагающие наличие минимальных зазоров между юбкой поршня и цилиндром, и предотвращения заклинивания детали в результате теплового расширения, в форме поршня применяют следующие конструктивные элементы:
- уменьшение жесткости юбки за счет специальных прорезей, компенсирующих ее тепловое расширение и улучшающих охлаждение нижней части поршня. Прорези выполняют на той стороне юбки, которая наименее нагружена боковыми силами, прижимающими поршень к цилиндру;
- принудительное ограничение теплового расширения юбки вставками из материалов с меньшим, чем у основного металла, коэффициентом температурного расширения;
- придание юбке поршня такой формы, чтобы в нагруженном состоянии и при рабочей температуре она приняла форму правильного цилиндра.
Последнее условие выполнить непросто, поскольку поршень нагревается по всему объему неравномерно и имеет сложную пространственную форму – в верхней части его форма симметрична, а в районе бобышек и на нижней части юбки имеются ассиметричные элементы.
Все это приводит к неодинаковой температурной деформации отдельных участков поршня при его нагреве во время работы.
По этим причинам в конструкции поршня современных автомобильных двигателей обычно выполняют следующие элементы, усложняющие его форму:
- днище поршня имеет меньший диаметр по сравнению с юбкой и наиболее приближено в поперечном сечении к правильной окружности. Меньший диаметр сечения днища поршня связан с его высокой рабочей температурой и, как следствие, с большим тепловым расширением, чем в районе юбки. Поэтому поршень современного двигателя в продольном сечении имеет слегка коническую или бочкообразную форму, зауженную к днищу. Уменьшение диаметра в верхнем поясе конической юбки для поршней из алюминиевого сплава составляет 0,0003…0,0005D, где D – диаметр цилиндра. При нагреве до рабочих температур форма поршня по длине «выравнивается» до правильного цилиндра.
- в районе бобышек поршень имеет меньшие поперечные габариты, поскольку здесь сосредоточены массивы металла, и тепловое расширение больше. Поэтому поршень ниже днища имеет в поперечном сечении овальную или эллиптическую форму, которая при нагреве детали до рабочих температур приближается к форме правильной окружности, а поршень по форме приближается к правильному цилиндру. Большая ось овала располагается в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. Величина овальности колеблется от 0,182 до 0,8 мм.
Очевидно, что на все эти ухищрения конструкторам приходится идти, чтобы придать поршню в нагретом до рабочих температур состоянии правильную цилиндрическую форму, обеспечив тем самым минимальный зазор между ним и цилиндром.
Наиболее эффективным способом предотвращения заклинивания поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения при минимальном зазоре является принудительное охлаждение юбки и вставка в юбку поршня элементов из металла, имеющего низкий коэффициент температурного расширения. Чаще всего применяются вставки из малоуглеродистой стали в виде поперечных пластин, которые при отливке поршня помещаются в зону бобышек. В некоторых случаях вместо пластин применяются кольца или полукольца, заливаемые в верхнем поясе юбки поршня.
Температура днища алюминиевых поршней не должна превышать 320…350 ˚С. Поэтому для увеличения теплоотвода переход от днища поршня к стенкам делают плавным (в виде арки) и достаточно массивным.
Для более эффективного теплоотвода от днища поршня применяют его принудительное охлаждение, брызгая на внутреннюю поверхность днища моторное масло из специальной форсунки.
Обычно функцию такой форсунки выполняет специальное калиброванное отверстие, выполненное в верхней головке шатуна. Иногда форсунка устанавливается на корпусе двигателя в нижней части цилиндра.
Для обеспечения нормального теплового режима верхнего компрессионного кольца его располагают значительно ниже кромки днища, образуя так называемый жаровой или огневой пояс. Наиболее изнашиваемые торцы канавки под поршневые кольца часто усиливают специальными вставками из износостойкого материала.
В качестве материала для изготовления поршней широко применяют алюминиевые сплавы, основным достоинством которых является небольшая масса и хорошая теплопроводность. К недостаткам алюминиевых сплавов можно отнести невысокую усталостную прочность, большой коэффициент температурного расширения, недостаточную износостойкость и сравнительно высокую стоимость.
В состав сплавов кроме алюминия входят кремний (11…25%) и добавки натрия, азота, фосфора, никеля, хрома, магния и меди. Отлитые или отштампованные заготовки подвергают механической и термической обработке.
Значительно реже в качестве материала для поршней используют чугун, поскольку этот металл значительно дешевле и прочнее алюминия.
Но, несмотря на высокую прочность и износостойкость, чугун обладает сравнительно большой массой, что приводит к появлению значительных инерционных нагрузок, особенно при изменении направления движения поршня.
Поэтому для изготовления поршней быстроходных двигателей чугун не применяется.
***
Назначение и типы поршневых колец
Главная страница
Дистанционное образование
- Группа ТО-81
- Группа М-81
- Группа ТО-71
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Получи ПРАВА в Ташкенте
В данном разделе речь пойдет о карбюраторных и дизельных двигателях, работающих на жидком топливе.
Для работы карбюраторных двигателей необходим бензин, для работы дизельных – дизельное топливо. КПД этих двигателей составляет 20%.
Рассмотрим подробнее устройство каждого из двигателей.
Карбюраторные поршневые двигатели.
- К составляющим карбюраторного поршневого двигателя относятся:
- кривошипно-шатунный механизм,
- газораспределительный механизм,
- система питания,
- система выпуска отработавших газов,
- система зажигания,
- система охлаждения,
- система смазки.
А теперь рассмотрим принцип работы на примере одноцилиндрового карбюраторного двигателя. Его устройство представлено на рисунке 1.1.
В цилиндре (2) со съемной головкой (1) находится поршень (3), в специальные канавки справа и слева помещены поршневые кольца (4). Кольца скользят по поверхности цилиндра, не давая образующимся газам вырваться вниз и препятствуя попаданию наверх масла.
Поршневой палец (5) и шатун (6) соединяют поршень с кривошипом коленчатого вала (9). Он вращается в подшипниках, которые расположены в картере двигателя. На конце коленчатого вала (7) укреплен маховик (8).
Когда кулачки распределительного вала (11) находят на рычаги (12), клапаны (13) открываются. При этом, через впускной клапан проходит горючая смесь (бензин и воздух), а через выпускной выходят отработанные газы. Закрываются клапаны под воздействием пружин, когда кулачки сбегают с рычагов. В движении коленчатый вал и кулачки приводятся с помощью коленчатого вала.
Свеча зажигания (14) расположена в резьбовом отверстии головки цилиндра (1). Между ее электродами проскакивает искра и воспламеняет горючую смесь (см. выше).
Вот основные принципы работы одноцилиндрового карбюраторного двигателя.Также существуют показатели, которые используются для оценки двигателей (рисунок 1.2).
ВМТ и НМТ – верхняя и нижняя «мертвая» точка, соответственно. Эти показатели характеризуют положение поршня, при котором он удален от оси коленчатого вала.S – ход поршня. Путь от одной «мертвой» точки до другой.Vс — объемом камеры сгорания. Это объем над поршнем, когда он находится в ВМТ.Vр — рабочий объем цилиндра.
Тот объем, который освобождает поршень, перемещаясь от верхней «мертвой» точке к нижней.Vп – полный объем цилиндра. Показатель, который исчисляется суммированием объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.При сложении рабочих объемов всех цилиндров мы получаем рабочий объем двигателя.
Мы рассмотрели работу двигателя с одним цилиндром, но современные машиностроительные заводы выпускают двигатели с количеством цилиндров 4, 6, 8, 12.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Чтобы заставить вращаться ведущие колеса автомобиля двигатель должен пройти так называемый рабочий цикл. Двигатель автомобиля совершает этот цикл за четыре такта (схема представлена на рисунке 1.3):
- впуск горючей смеси,
- сжатие рабочей смеси,
- рабочий ход,
- выпуск отработавших газов.
Рис. 1.3 Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск
Первый такт – впуск горючей смеси (рис. 1.3а). Клапан открывается, горючая смесь заполняет цилиндр, смешивается с остатками газов и превращается в рабочую смесь.
Второй такт — сжатие рабочей смеси (рис. 1.3б). Клапаны закрыты, следовательно, рабочая смесь сжимается, температура газов повышается. Если оценить это в цифрах, то мы получим следующие величины: давлении в цилиндре составит 9-10 кг/см2, температура газов – 400оС.
Третий такт — рабочий ход (рис. 1.3в). На этом этапе сгорает рабочая смесь, в результате происходит выделение энергии, которая превращается в механическую работу. Расширяющиеся газы создают давление на поршень, далее через шатун и кривошип на коленчатый вал. Под силой давления коленчатый вал и ведущие колеса автомобиля начинают вращаться.
Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 1.3г). Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ, при этом открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят из цилиндра.
Мы рассмотрели четыре такта работы двигателя. Только в ходе третьего такта (рабочего хода) совершается полезная механическая работа. А первый, второй и четвертый – это подготовительные процессы. Этим процессам способствует кинестетическая энергия маховика (рисунок 1.4), который вращается по инерции
Металлический диск, закрепленный на коленчатом валу, и называется маховик. Во время третьего такта, коленчатый вал, раскрученный поршнем через шатун и кривошип, передает запас инерции маховику.
В свою очередь, под действием энергии, отдаваемой маховиком, поршень движется вверх (выпуск и сжатие) и вниз (впуск). Т.е.
подготовительные такты в обратном порядке осуществляются только за счет запасов инерции в массе маховика через коленчатый вал, шатун и поршень.
Теперь перейдем к рассмотрению дизельных двигателей.
Дизельные двигатели
Главным отличием дизельных двигателей от карбюраторных является отсутствие свечей и системы зажигания. Это связано с высоким давлением, под которым подается топливо непосредственно в цилиндр при помощи форсунки, и высокой температурой. Поэтому топливо воспламеняется само. Таким образом система зажигания не нужна..
Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насос-форсункой непосредственно в цилиндр двигателя под большим давлением в конце такта сжатия.
Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей в несколько раз больше, чем у карбюраторных. И так как давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень высоки, то происходит самовоспламенение топлива.
А это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Первый такт – впуск. Цилиндр двигателя наполняется через впускной клапан воздухом.
Второй такт – сжатие. Здесь идет подготовка к воспламенению топлива. Поршень при движении от ВМТ к НМТ сжимает воздух, давление над поршнем становится равным 40 кг/см2, температура – более 500оС.
Третий такт — рабочий ход. Дизельное топливо через форсунку под давлением поступает в камеру сгорания, где и происходит его воспламенение за счет высокой температуры сжатого воздуха. Во время третьего такта давление в цилиндре 100 кг/см2, а температура свыше 2000оС.
Четвертый такт – выпуск отработавших газов, Поршень от НМТ совершает движение к ВМТ, выпускной клапан открывается, отработанные газы выходят из цилиндра.
Размеры, масса и стоимость дизельного двигателя значительно больше бензинового за счет высоких нагрузок на рабочие механизмы. Но есть неоспоримый плюс таких двигателей:
- меньший расход топлива;
- за счет отсутствие системы зажигания снижается вероятность лишних поломок.
В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости.
Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества — меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30%), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.
Отличительные особенности дизельного и карбюраторного двигателей
Дизельные двигатели – это механизмы, которые работают на дизельном топливе (жидком топливе), с помощью воспламенения от сжатия. Топливо подается форсункой, а внутри цилиндра происходит смешивание с воздухом.
Газовые двигатели – это двигатели, работающие на пропано-бутановом газе, зажигаются они принудительно. газ смешивается с воздухом в карбюраторе, сразу перед подачей в цилиндры двигателя. Подобные двигатели только недавно стали размещаться на автомобилях, поэтому мы их затрагивать не будем.
Карбюраторные поршневые двигатели.
К основным системам и механизмам поршневого карбюраторного двигателя относятся:
- система смазки;
- система охлаждения,
- система зажигания,
- система выпуска отработавших газов,
- система питания,
- газораспределительный механизм,
- кривошипно-шатунный механизм.
Карбюраторный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания состоит из таких элементов как:
- свеча зажигания;
- клапан;
- рычаг;
- кулачок распределительного вала;
- распределительный вал;
- кривошип;
- маховик;
- коленчатый вал;
- шатун;
- поршневой палец;
- поршневые кольца;
- поршень;
- цилиндр;
- головка цилиндра.
Для начала стоит взять простой карбюраторный двигатель с одним цилиндром и досконально разобрать принцип его работы. И так, рассмотрим процессы, которые в нем протекают, и поймем, откуда берется тот самый крутящий момент, который приводит в движение ведущие колеса машины.
Основная часть карбюраторного двигателя с одним цилиндром – это именно цилиндр со съемной головкой укрепленной на нем. Если начать сравнивать элементы автомобиля с предметами быта, то такой цилиндр походит на обычный стакан, который перевернули верх дном.
Внутри цилиндра помещен поршень, так называемый еще один «стакан». В специальных канавках на поршне находится поршневое масло. Именно поршни скользят по внутреннему «зеркалу» цилиндра, они же дают газу, который образовался в процессе работы, возможность прорываться вниз. В тоже время препятствуют попаданию масла вверх установленные кольца.
При помощи шатуна и пальца, поршень соединен с кривошипом коленвала, который крутится в подшипниках и установлен в картере двигателя. В конце коленвала закреплен массивный маховик.
Цикл работы карбюраторного четырехтактного двигателя.
Главные отличительные особенности дизельного и карбюраторного двигателей – это рабочий цикл. Рабочий цикл – это последовательность процессов, которые периодически повторяются в каждом из цилиндров.
Рабочий процесс, который происходит в цилиндре за одни ход поршня, называется — такт. Исходят из этого, по числу таков (которые составляют рабочий цикл) все двигатели можно разделить на два вида:
- двухтактные — рабочий цикл в которых совершается за два поршневых хода.
- четырехтактные — рабочий цикл в которых совершается за четыре поршневых хода,
На легковых автомобилях, которые производятся в нашей стране, чаще всего применяются четырехтактные двигатели. Двухтактные – это привилегия моторных лодок и мотоциклов. О принципах работы двигателей моторных лодок мы сейчас говорить не будем, лучше разберемся с автомобильным двигателем и четырьмя его тактами.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл состоит из следующих тактов:
- впускается горючая смесь,
- сжимается рабочая смесь,
- непосредственно рабочий ход,
- выпускаются отработавшие газы.
А теперь ответьте на вопрос, кто из вас заметил, что полезная работа, совершаемая двигателем, будет производиться, только в течение одного такта — рабочего хода! Остальные же три такта называется подготовительным, совершаются они за счет энергии маховика, который вращается по инерции.
Коленвал с маховиков состоит из:
- противовеса;
- коренной (опорной) шейки;
- шатунной шейки;
- маховика с зубчатым венцом;
- коленчатого вала двигателя.
Маховик – это большой металлический диск, крепящийся к коленвалу на двигателе. В процессе рабочего хода, поршень через кривошип и шатун, начинает раскручивать коленвал двигателя, передающий запас инерции маховику.
Дизельные двигатели.
Основной особенностью дизельного двигателя является то, что топливо в него подается либо насос-форсункой, либо форсункой под болт непосредственно в цилиндр двигателя на конечном этапе сжатия.
Топливо надо подавать под большим давлением из-за того, что у подобных двигателей намного выше степень сжатия, если сравнивать их с карбюраторными движками. Из-за того, что температура и давление в цилиндре дизеля очень велики, топливо воспламеняется само.
А это может означать только одно – не нужен искусственный поджег. Поэтому в дизельных двигателях нет, не только свеч зажигания, а и всей системы.
Цикл работы дизельного четырехтактного двигателя.
Первым этапом является впрыск, который нужен, для того чтобы наполнить цилиндр двигателя только лишь воздухом. Тогда, когда поршень движется от верхней к нижней мертвой точке, происходит процесс, который всасывает воздух через открытый впускной клапан.
Вторым таком выступит подготовка к самовоспламенению дизельного топлива. Когда поршень движется к мертвой точке, он сжимает воздух примерно в 20 раз (в карбюраторах поршень сжимает воздух в два раза слабее) в результате чего температура повышается до 500 градусов, а давление достигает 40 кг/см2.
Третий такт – рабочий ход. Нужен для того чтобы преобразовать энергию сгораемого топлива в механический порыв.
Кода такт сжатия закончен, в камеру сгорания подается под давлением топливо, которое из-за высокой температуры воспламеняется само.
Когда дизельное топливо сгорает (происходит взрыв), это вызывает увеличение давления и расширение. В результате чего появляется усилие, перемещающие поршень в нижней мертвой точке, через шатун прокачивается коленвал. Давление во время рабочего хода в цилиндре может достичь 100 кг/см2, температура в свою очередь превысить 2000оС.
Четвертый такт – отработанные газы выпускаются и освобождают цилиндр. От нижней мертвой точки поднимается поршень, достигая верхней мертвой точки. Выбрасывая отработанные газы через открытый выпускной клапан. Когда происходит движение поршня вниз, то тот засасывает воздух, чем начинается новый рабочий цикл.
Также отличительной особенностью дизельного и карбюраторного двигателей можно назвать то, что в дизельном двигателе намного выше нагрузки, на все устройства и механизмы. Что, несомненно, приводит к увеличению его размеров, массы и стоимости. Преимущества дизелей при этом на лицо: топлива расходуется меньше, нет системы зажигания, меньше причин поломок.
Загрузка...
