Поршневий двс. Поршень двигуна внутрішнього згоряння: будову, призначення, принцип роботи. Класифікація систем охолодження

Поршень двигуна є деталь, що має циліндричну форму і здійснює зворотно-поступальні рухи всередині циліндра. Він належить до найбільш характерних для двигуна деталей, оскільки реалізація термодинамічного процесу, що відбувається в ДВЗ, відбувається саме за його допомогою. Поршень:

• сприймаючи тиск газів, передає зусилля на ;
• герметизує камеру згоряння;
• відводить від неї надлишок тепла.

На фотографії вище продемонстровано чотири такти роботи поршня двигуна.

Екстремальні умови зумовлюють матеріал виготовлення поршнів

Поршень експлуатується в екстремальних умовах, характерними рисами яких є високі: тиск, інерційні навантаження та температури. Саме тому до основних вимог, що пред'являються матеріалів для його виготовлення відносять:

• високу механічну міцність;
• гарну теплопровідність;
• малу густину;
• незначний коефіцієнт лінійного розширення; антифрикційні властивості;
• хорошу корозійну стійкість.

Поршні можуть бути:

• литими;
• кованими.

Конструктивні особливості поршня визначаються його призначенням

• голівки (днища);
• ущільнюючої частини;
• спідниці (напрямної частини).

На фото схема поршня двигуна.

Поршневі кільця: види та склад

Виготовляються поршневі кільця, в основному, із спеціального сірого високоміцного чавуну, що має:

• високі стабільні показники міцності та пружності в умовах робочих температур протягом усього періоду служби кільця;
• високу зносостійкість за умов інтенсивного тертя;
• добрі антифрикційні властивості;
• здатність швидкого та ефективного опрацювання до поверхні циліндра.

Основним призначенням компресійного кільця є перешкоджання влученню в картер двигуна газів з камери згоряння. Особливо великі навантаження припадають на перше компресійне кільце. Тому при виготовленні кілець для поршнів деяких форсованих бензинових і всіх дизельних двигуніввстановлюють вставку зі сталі, яка підвищує міцність кілець і дозволяє забезпечити максимальний рівень стиснення. За формою компресійні кільця можуть бути:

• трапецієподібні;
• тбочкоподібні;
• тканинні.

На маслознімне кільце покладається функція видалення надлишків олії зі стінок циліндра та перешкоджання його проникненню в камеру згоряння. Воно відрізняється наявністю безлічі дренажних отворів. У конструкціях деяких кілець передбачені пружинні розширювачі.

Форма напрямної частини поршня (інакше, спідниці) може бути конусоподібною або бочкоподібноющо дозволяє компенсувати його розширення при досягненні високих робочих температур. Під їх впливом форма поршня стає циліндричною. Бічна поверхня поршня з метою зниження викликаних тертям втрат покривають шаром антифрикційного матеріалу, з цією метою використовується графіт або дисульфід молібдену. Завдяки отворам із припливами, виконаним у спідниці поршня, здійснюється кріплення поршневого пальця.

• мінімальної деформації під час роботи;
• високої міцності при змінному навантаженні та зносостійкості;
• хорошої опірності ударному навантаженню;
• малої маси.

• закріплені у бобишках поршня, але обертатися у голівці шатуна;
• закріплені в голівці шатуна та обертатися у бобишках поршня;
• вільно обертаються в бобишках поршня і голівки шатуна.

Відведення надлишків тепла від поршня

Поряд зі значними механічними навантаженнями поршень також негативно впливає на екстремально високі температури. Тепло від поршневої групи відводиться:

• системою охолодження від стінок циліндра;
• внутрішньою порожниною поршня, далі - поршневим пальцем і шатуном, а також маслом, що циркулює в системі мастила;
• частково холодною паливоповітряною сумішшю, що подається в циліндри.

• розбризкування масла через спеціальну форсунку або отвір у шатуні;
• масляного туману в порожнині циліндра;
• впорскування олії в зону кілець, спеціальний канал;
• циркуляції олії в головці поршня по трубчастому змійовику.

Відео про чотиритактний двигун - принцип роботи:

Поршневі ДВЗ знайшли найширше поширення як джерела енергії на автомобільному, залізничному та морському транспорті, у сільськогосподарському та будівельному виробництвах (трактори, бульдозери), в системах аварійного енергозабезпечення спеціальних об'єктів (лікарні, лінії зв'язку тощо) та у багатьох інших сферах людської діяльності. В останні роки особливого поширення набувають міні-ТЕЦ на основі газопоршневих ДВС, за допомогою яких ефективно вирішуються завдання енергопостачання невеликих житлових районів або виробництв. Незалежність таких ТЕЦ від централізованих систем (типу РАВ ЄЕС) підвищує надійність та стійкість їх функціонування.

Дуже різноманітні за конструктивним виконанням поршневі ДВС здатні забезпечувати дуже широкий інтервал потужностей - від дуже малих (двигун для авіамоделей) до дуже великих (двигун для океанських танкерів).

З основами пристрою та принципом дії поршневих ДВЗ ми неодноразово знайомилися, починаючи від шкільного курсу фізики та закінчуючи курсом «Технічна термодинаміка». І все-таки, щоб закріпити та поглибити знання, розглянемо дуже коротко ще раз це питання.

На рис. 6.1 наведено схему пристрою двигуна. Як відомо, спалювання палива в ДВЗ здійснюється безпосередньо у робочому тілі. У поршневих ДВС таке спалювання проводиться у робочому циліндрі 1 з поршнем, що рухається в ньому 6. Димові гази, що утворюються в результаті згоряння, штовхають поршень, змушуючи його здійснювати корисну роботу. Поступальний рух поршня за допомогою шатуна 7 колінчастого валу 9 перетворюється на обертальне, більш зручне для використання. Колінчастий вал розташовується в картері, а циліндри двигуна - в іншій корпусній деталі, яка називається блоком (або сорочкою) циліндрів 2. У кришці циліндра 5 знаходяться впускний 3 та випускний 4 клапани з примусовим кулачковим приводом від спеціального розподільного валу, кінематично пов'язаного з колінчастим валоммашини.

Рис. 6.1.

Щоб двигун працював безперервно, необхідно періодично видаляти з циліндра продукти згоряння та заповнювати його новими порціями палива та окислювача (повітря), що здійснюється завдяки переміщенням поршня та роботі клапанів.

Поршневі ДВС прийнято класифікувати за різними загальними ознаками.

• 1. За способом сумішоутворення, запалення та підведення тепла двигуни ділять на машини з примусовим запаленням та з самозайманням (карбюраторні або інжекторні та дизельні).
• 2. По організації робочого процесу - на чотиритактні та двотактні. В останніх робочий процес відбувається не за чотири, а за два ходи поршня. У свою чергу, двотактні ДВС поділяються на машини з прямоточним клапанно-щілинним продуванням, з кривошипно-камерним продуванням, з прямоточним продуванням і протилежно рухаються поршнями та ін.
• 3. За призначенням – на стаціонарні, суднові, тепловозні, автомобільні, автотракторні та ін.
• 4. За кількістю оборотів - на малооборотні (до 200 об/хв) та високооборотні.
• 5. За середньою швидкістю поршня й>п = ? п/ 30 - на тихохідні та швидкохідні (й?„ > 9 м/с).
• 6. По тиску повітря на початку стиснення - на звичайні та з наддувом за допомогою приводних повітродувок.
• 7. По використанню тепла вихлопних газів – на звичайні (без використання цього тепла), з турбонаддувом та комбіновані. У машин з турбонаддувом випускні клапани відкриваються дещо раніше звичайного і димові гази з більш високим тиском, ніж зазвичай, спрямовуються в імпульсну турбіну, що приводить у дію турбокомпресор, що подає повітря в циліндри. Це дозволяє спалювати в циліндрі більше палива, покращуючи і ККД, і технічні характеристикимашини. У комбінованих ДВЗ поршнева частина служить багато в чому генератором газу і виробляє лише ~ 50-60% потужності машини. Решту загальної потужності отримують від газової турбіни, що працює на димових газах Для цього димові гази при високому тиску рі температурі / прямують у турбіну, вал якої за допомогою зубчастої передачі або гідромуфти передає отримувану потужність головному валу установки.
• 8. За кількістю та розташуванням циліндрів двигуни бувають: одно-, дво- і багатоциліндрові, рядні, К-подібні, .Т-подібні.

Розглянемо тепер реальний процес сучасного чотиритактного дизеля. Чотирьохтактним його називають тому, що повний цикл тут здійснюється за чотири повні ходи поршня, хоча, як ми зараз побачимо, за цей час здійснюється дещо більше реальних термодинамічних процесів. Ці процеси представлені на рис 6.2.

Рис. 6.2.

I – всмоктування; II – стиск; III – робочий хід; IV - виштовхування

Під час такту всмоктування(1) всмоктуючий (впускний) клапан відкривається за кілька градусів до верхньої мертвої точки (ВМТ). Моменту відкриття відповідає точка гна р-^-діаграмі. При цьому процес всмоктування відбувається при русі поршня до нижньої мертвої точки (НМТ) і йде при тиску р нсменше атмосферного/; а (або тиску наддуву р н).При зміні напрямку руху поршня (від НМТ до ВМТ) впускний клапан закривається теж не відразу, а з певним запізненням (у точці т). Далі при закритих клапанах відбувається стиснення робочого тіла (до точки с).В дизельних машинахвсмоктується і стискається чисте повітря, а карбюраторних - робоча суміш повітря з парами бензину. Цей хід поршня прийнято називати тактом стиску(II).

За кілька градусів кута повороту колінчастого валу до ВМТ у циліндр упорскується через форсунку. дизельне паливо, відбувається його самозаймання, згоряння та розширення продуктів згоряння. У карбюраторних машинах робоча суміш примусово підпалюється за допомогою іскрового електричного розряду.

При стисканні повітря та порівняно малому теплообміні зі стінками температура його значно підвищується, перевищуючи температуру самозаймання палива. Тому впоране дрібно розпорошене паливо дуже швидко прогрівається, випаровується і спалахує. В результаті згоряння палива тиск в циліндрі спочатку різко, а потім, коли поршень починає свій шлях до НМТ, з темпом, що зменшується, збільшується до максимуму, а потім у міру згоряння останніх порцій палива, що надійшло при впорскуванні, навіть починає зменшуватися (через інтенсивного зростання обсягу циліндра). Будемо вважати умовно, що у точці с"процес горіння закінчується. Далі слідує процес розширення димових газів, коли сила їх тиску переміщає поршень до НМТ. Третій хід поршня, що включає процеси згоряння та розширення, називають робочим ходом(III), бо тільки в цей час двигун виконує корисну роботу. Цю роботу акумулюють за допомогою маховика та віддають споживачеві. Частина акумульованої роботи витрачається під час інших трьох тактів.

Коли поршень наближається до НМТ, з деяким випередженням відкривається випускний клапан (точка Ь) та відпрацьовані димові гази спрямовуються в вихлопну трубу, А тиск у циліндрі різко падає майже до атмосферного. При ході поршня до ВМТ відбувається виштовхування димових газів із циліндра (IV - виштовхування).Оскільки випускний тракт двигуна має певний гідравлічний опір, тиск у циліндрі під час цього процесу залишається вище атмосферного. Випускний клапан закривається після проходження ВМТ (точка п),Так що в кожному циклі виникає ситуація, коли одночасно відкриті і впускний, і випускний клапани (говорять про перекриття клапанів). Це дозволяє краще очистити робочий циліндр від продуктів згоряння, у результаті збільшується ефективність та повнота згоряння палива.

Інакше організується цикл у двотактних машин (рис. 6.3). Зазвичай це двигуни з наддувом, і для цього вони зазвичай мають приводну повітродувку або турбокомпресор. 2 , який під час роботи двигуна нагнітає повітря у повітряний ресивер. 8.

Робочий циліндр двотактного двигуна завжди має продувальні вікна 9, через які повітря з ресивера потрапляє в циліндр, коли поршень, проходячи до НМТ, почне відкривати їх все більше і більше.

За перший хід поршня, який прийнято називати робочим ходом, у циліндрі двигуна відбувається згоряння впорскованого палива та розширення продуктів згоряння. Ці процеси на індикаторної діаграми(Рис. 6.3, а)відображені лінією с – I – т.У точці твідкриваються випускні клапани та під дією надлишкового тиску димові гази спрямовуються у випускний тракт 6, в резуль-

Рис. 6.3.

1 - Всмоктуючий патрубок; 2 - повітродувка (або турбокомпресор); 3 - поршень; 4 - Випускні клапани; 5 – форсунка; 6 – випускний тракт; 7 - робітник

циліндр; 8 - Повітряний ресивер; 9- продувні вікна

тиск в циліндрі помітно падає (точка д).Коли поршень опускається настільки, що починають відкриватися продувальні вікна, в циліндр спрямовується стиснене повітря з ресивера. 8 виштовхуючи з циліндра залишки димових газів. При цьому робочий об'єм продовжує збільшуватися, а тиск в циліндрі зменшується до тиску в ресивері.

Коли напрямок руху поршня змінюється на протилежне, процес продування циліндра триває доти, поки вікна продувки залишаються хоча б частково відкритими. У точці до(Рис. 6.3, б)поршень повністю перекриває продувні вікна і починається стиснення чергової порції повітря, що у циліндр. За кілька градусів до ВМТ (у точці с")починається упорскування палива через форсунку, а далі відбуваються описані раніше процеси, що призводять до займання та згоряння палива.

На рис. 6.4 наведено схеми, що пояснюють конструктивний устрій інших типів двотактних двигунів. В цілому робочий цикл у всіх цих машин аналогічний до описаного, а конструктивні особливостібагато в чому позначаються лише на тривалості

Рис. 6.4.

а- петльове щілинне продування; 6 - прямоточне продування з протилежно рухомими поршнями; в- кривошипно-камерне продування

окремих процесів та, як наслідок, на техніко-економічних характеристиках двигуна.

Насамкінець слід зазначити, що двотактні двигуни теоретично дозволяють за інших рівних умов отримувати вдвічі більшу потужність, проте насправді через гірші умови очищення циліндра і порівняно великих внутрішніх втрат цей виграш трохи менше.

Більшість автомобілів змушує переміщатися поршневий двигун внутрішнього згоряння (скорочено ДВЗ) з кривошипно-шатунним механізмом. Така конструкція набула масового поширення в силу малої вартості та технологічності виробництва, порівняно невеликих габаритів та ваги.

На вигляд застосовуваного палива ДВЗможна розділити на бензинові та дизельні. Треба сказати, що бензинові двигуни чудово працюють на . Такий поділ безпосередньо позначається на конструкції двигуна.

Як влаштований поршневий двигун внутрішнього згоряння

Основа його конструкції – блок циліндрів. Це корпус, відлитий із чавуну, алюмінієвого або іноді магнієвого сплаву. Більшість механізмів і деталей інших систем двигуна кріпляться саме до блоку циліндрів або розташовуються всередині його.

Інша велика деталь двигуна, це головка. Вона знаходиться у верхній частині блоку циліндрів. У головці також розміщуються деталі систем двигуна.

Знизу до блоку циліндра кріпиться піддон. Якщо ця деталь сприймає навантаження під час роботи двигуна, її часто називають піддоном картера, або картером.

Усі системи двигуна

1. кривошипно-шатунний механізм;
2. механізм газорозподілу;
3. система харчування;
4. система охолодження;
5. система змазки;
6. система запалювання;
7. система керування двигуном.

Кривошипно-шатунний механізмскладається з поршня, гільзи циліндра, шатуна та колінчастого валу.

Кривошипно-шатунний механізм:
1. Розширювач маслознімного кільця. 2. Кільце поршневе маслознімне. 3. Кільце компресійне, третє. 4. Кільце компресійне, друге. 5. Кільце компресійне, верхнє. 6. Поршень. 7. Кільце стопорне. 8. Палець поршневий. 9. Втулка шатуну. 10. Шатун. 11. Кришка шатуна. 12. Вкладиш нижньої головки шатуна. 13. Болт кришки шатуна, короткий. 14. Болт кришки шатуна, довгий. 15. Шестерня провідна. 16. Заглушка масляного каналу шатунної шийки. 17. Вкладиш підшипника колінчастого валу, верхній. 18. Вінець зубчастий. 19. Болти. 20. Маховик. 21. Штифти. 22. Болти. 23. Масловідбивач, задній. 24. Кришка заднього підшипника колінчастого валу. 25. Штифти. 26. Півкільце завзятого підшипника. 27. Вкладиш підшипника колінчастого валу, нижній. 28. Противага колінчастого валу. 29. Гвинт. 30. Кришка підшипника колінчастого валу. 31. Болт стяжний. 32. Болт кріплення кришки підшипника. 33. Вал колінчастий. 34. Противага, передня. 35. Масловідроджувач, передній. 36. Гайка замкова. 37. Шків. 38. Болти.

Поршень розташований усередині циліндра гільзи. За допомогою поршневого пальця він з'єднаний з шатуном, нижня головка якого кріпиться до шатунної шийки колінчастого валу. Гільза циліндра є отвір в блоці, або чавунну втулку, що вставляється в блок.

Гільза циліндрів із блоком

Гільза циліндра зверху закрита головкою. Колінчастий вал також кріпиться до блоку в нижній частині. Механізм перетворює прямолінійний рух поршня у обертальний рух колінчастого валу. Те саме обертання, яке, зрештою, змушує крутитися колеса автомобіля.

Газорозподільчий механізмвідповідає за подачу суміші парів палива та повітря в простір над поршнем та видалення продуктів горіння через клапани, що відкриваються строго у певний момент часу.

Система харчування відповідає насамперед за приготування горючої суміші необхідного складу. Пристрої системи зберігають паливо, очищають його, змішують з повітрям так, щоб забезпечити приготування суміші потрібного складу та кількості. Також система відповідає за видалення із двигуна продуктів горіння палива.

При роботі двигуна утворюється теплова енергія у кількості більшій, ніж двигун здатний перетворити на механічну енергію. На жаль, так званий термічний коефіцієнт корисної дії, навіть найкращих зразків сучасних двигунівне перевищує 40%. Тому доводиться велика кількість "зайвої" теплоти розсіювати в навколишньому просторі. Саме цим і займається, відводить тепло та підтримує стабільну робочу температуру двигуна.

Система змазки . Це саме той випадок: "Не підмажеш, не поїдеш". У двигунах внутрішнього згоряння велика кількість вузлів тертя і про підшипників ковзання: є отвір, у ньому обертається вал. Не буде мастила, від тертя та перегріву вузол вийде з ладу.

Система запалюванняпокликана підпалити, суворо у певний момент часу, суміш палива та повітря у просторі над поршнем. такої системи немає. Там паливо самозаймається за певних умов.

Відео:

Система управління двигуном за допомогою електронного блоку керування (ЕБУ) управляє системами двигуна та координує їхню роботу. Насамперед це приготування суміші потрібного складу та своєчасне запалювання її в циліндрах двигуна.

Роторно-поршневий двигун або двигун Ванкеля є мотором, де головним робочим елементом здійснюються планетарні кругові рухи. Це принципово інший вид двигуна, відмінний від поршневих побратимів у сімействі ДВЗ.

У конструкції такого агрегату використовується ротор (поршень) з трьома гранями, що зовні утворює трикутник Рело, що здійснює кругові рухи в циліндрі особливого профілю. Найчастіше поверхня циліндра виконана по епітрохоїді (плоскою кривою, отриманою точкою, яка жорстко пов'язана з колом, що здійснює рух по зовнішній стороні іншого кола). Насправді можна зустріти циліндр і ротор інших форм.

Складові елементи та принцип роботи

Пристрій двигуна типу РПД дуже проста і компактна. На вісь агрегату встановлюється ротор, який міцно з'єднується із шестернею. Остання зчіплюється зі статором. Ротор, що має три грані, рухається по епітрохоїдальній циліндричній площині. В результаті чого об'єми робочих камер циліндра, що змінюються, відсікаються за допомогою трьох клапанів. Ущільнювальні пластини (торцевого та радіального типу) притискаються до циліндра під дією газу та за рахунок дії відцентрових сил та стрічкових пружин. Виходять три ізольовані камери різні за об'ємними розмірами. Тут здійснюються процеси стискання суміші пального і повітря, що надійшла, розширення газів, що надають тиск на робочу поверхню ротора і очищають камеру згоряння від газів. На ексцентрикову вісь передається круговий рух ротора. Сама вісь знаходиться на підшипниках та передає момент обертання на механізми трансмісії. У цих моторах здійснюється одночасна робота двох механічних пар. Одна, яка складається із шестерень, регулює рух самого ротора. Інша - перетворює обертові рух поршня в обертові рухи ексцентрикової осі.

Деталі Роторно-поршневого двигуна

Принцип роботи двигуна Ванкеля

На прикладі двигунів, встановлених на автомобілях ВАЗ, можна назвати такі технічні характеристики:
- 1,308 см3 – робочий об'єм камери РПД;
- 103 кВт/6000 хв-1 - номінальна потужність;
- 130 кг маса двигуна;
- 125000 км - ресурс двигуна до першого повного його ремонту.

Сумішоутворення

Теоретично в РПД застосовують кілька різновидів сумішоутворення: зовнішнє і внутрішнє, з урахуванням рідких, твердих, газоподібних видів палива.
Щодо твердих видів палива варто відзначити, що їх спочатку газифікують у газогенераторах, оскільки вони призводять до підвищеного золоутворення в циліндрах. Тому більшого поширення практично отримали газоподібні і рідкі палива.
Сам механізм утворення суміші в двигунах Ванкеля залежатиме від виду палива, що застосовується.
При використанні газоподібного палива його змішування з повітрям відбувається у спеціальному відсіку на вході двигуна. Горюча суміш у циліндри надходить у готовому вигляді.

З рідкого палива суміш виготовляється таким чином:

1. Повітря змішується з рідким паливом перед надходженням у циліндри, куди надходить горюча суміш.
2. У циліндри двигуна рідке паливо і повітря надходять окремо, і вже всередині циліндра відбувається їхнє змішування. Робоча суміш виходить при зіткненні з залишковими газами.

Відповідно, паливно-повітряна суміш може готуватися поза циліндрами або всередині них. Від цього йде поділ двигунів із внутрішнім або зовнішнім утворенням суміші.

Особливості РПД

Переваги

Переваги двигунів роторно-поршневого типу порівняно із стандартними бензиновими двигунами:

- Низькі показники рівня вібрації.
У моторах типу РПД відсутня перетворення зворотно-поступального руху на обертальне, що дозволяє агрегату витримати високі обороти з меншими вібраціями.

- Гарні динамічні характеристики.
Завдяки своєму пристрою такий мотор, встановлений у машині, дозволяє її розігнати вище 100 км/год. високих оборотахбез надмірного навантаження.

— Хороші показники питомої потужності за малої маси.
Через відсутність у конструкції двигуна колінчастого валу і шатунів досягається невелика маса частин, що рухаються в РПД.

— У двигунах такого типу практично відсутня система мастила.
Безпосередньо в паливо додається олія. Паливно-повітряна суміш сама здійснює змащування пар тертя.

- Мотор роторно-поршневого типу має невеликі габаритні розміри.
Встановлений роторно-поршневий двигун дозволяє максимально використовувати корисний простір. моторного відсікуавтомобіля, рівномірно розподілити навантаження на осі автомашини і краще розрахувати розташування елементів коробки передач та вузлів. Наприклад, чотиритактний двигунтакої ж потужності буде вдвічі більше роторного двигуна.

Недоліки двигуна Ванкеля

- Якість моторного масла.
При експлуатації такого типу двигунів необхідно приділяти належну увагу якісному складу масла, що застосовується в двигунах Ванкеля. Ротор і камера двигуна, що знаходиться всередині, мають велику площу зіткнення, відповідно, знос двигуна відбувається швидше, а також такий двигун постійно перегрівається. Нерегулярна зміна масла завдає величезної шкоди двигуну. Зношування мотора зростає в рази через наявність абразивних частинок у відпрацьованому маслі.

- Якість свічок запалювання.
Експлуатантам таких двигунів доводиться бути особливо вимогливим до якісного складу свічок. У камері згоряння через її невеликий об'єм, протяжну форму і високу температуру утруднений процес запалювання суміші. Наслідком є ​​підвищена робоча температура та періодична детонація камери згоряння.

- Матеріали ущільнювальних елементів.
Істотною недоробкою двигуна типу РПД можна назвати ненадійну організацію ущільнень проміжків між камерою, де згоряє паливо, та ротором. Пристрій ротора такого мотора досить складне, тому ущільнення потрібні і за межами ротора, і з бічної поверхні, що має зіткнення з кришками двигуна. Поверхні, які піддаються тертю, необхідно постійно змащувати, що виливається в підвищена витратаолії. Практика показує, що двигун типу РПД може потребувати від 400 гр до 1 кг масла на кожні 1000 км. Знижуються екологічні показники роботи двигуна, так як пальне згоряє разом з маслом, в результаті в довкілля викидається велика кількість шкідливих речовин.

Через свої недоробки такі мотори не набули широкого поширення в автомобілебудуванні та у виготовленні мотоциклів. Але на основі РПД виготовляються компресори та насоси. Авіамоделісти часто використовують такі двигуни для конструювання своїх моделей. Через невисокі вимоги до економічності та надійності конструктори не застосовують складну системуущільнень у таких моторах, що значно знижує його собівартість. Простота його конструкції дозволяє легко вбудувати в авіамодель.

ККД роторно-поршневої конструкції

Незважаючи на низку недоробок, проведені дослідження показали, що загальний ККД двигунаВанкеля досить високий за сучасними мірками. Його значення становить 40 – 45%. Для порівняння, у поршневих двигуніввнутрішнього згоряння ККД становить 25%, у сучасних турбодизелів – близько 40%. Найвищий ККД у поршневих дизельних двигунів становить 50%. До цього часу вчені продовжують роботу з пошуку резервів для підвищення ККД двигунів.

Підсумковий ККД роботи двигуна складається з трьох основних частин:

1. Паливна ефективність (показник, що характеризує раціональне використання пального в двигуні).

Дослідження у цій галузі показують, що лише 75% пального згоряє у повному обсязі. Є думка, що ця проблема вирішується шляхом поділу процесів згоряння та розширення газів. Необхідно передбачити облаштування спеціальних камер за оптимальних умов. Горіння має відбуватися у замкнутому обсязі, за умови наростання температурних показників та тиску, розширювальний процес має відбуватися за невисоких показників температур.

1. ККД механічний (характеризує роботу, результатом якої стало утворення переданого споживачеві крутного моменту головної осі).

Близько 10% роботи двигуна витрачається на приведення в рух допоміжних вузлів та механізмів. Виправити цю недоробку можна шляхом внесення змін у пристрій двигуна: коли головний робочий елемент, що рухається, не торкається нерухомого корпусу. Постійне плече моменту, що крутить, має бути присутнім на всьому шляху проходження основного робочого елемента.

1. Термічна ефективність (показник, що відображає кількість теплової енергії, утвореної від спалювання пального, що перетворюється на корисну роботу).

На практиці 65% отриманої теплової енергії випаровується з відпрацьованими газами у зовнішнє середовище. Ряд досліджень показав, що можна досягти підвищення показників термічної ефективності в тому випадку, коли конструкція двигуна дозволяла б здійснювати згоряння пального в теплоізольованій камері, щоб від самого початку досягалися максимальні показники температури, а наприкінці ця температура знижувалася до мінімальних значень шляхом включення парової фази.

Сучасний стан роторно-поршневого двигуна

На шляху масового застосування двигуна стали значні технічні труднощі:
- Відпрацювання якісного робочого процесу в камері несприятливої ​​форми;
- Забезпечення герметичності ущільнення робочих обсягів;
- проектування та створення конструкції корпусних деталей, які надійно прослужать весь життєвий цикл роботи двигуна без жолоблення при нерівномірному нагріванні цих деталей.
В результаті величезної виконаної науково-дослідної та дослідно-конструкторської роботи цим фірмам вдалося вирішити майже всі найскладніші технічні завданняна шляху створення РПД та вийти на етап їх промислового виробництва.

Перший масовий автомобіль NSU Spider із РПД почала випускати фірма NSU Motorenwerke. Внаслідок частих перебірок двигунів через вище сказані технічні проблеми на ранньому етапі розвитку конструкції двигуна Ванкеля, взяті NSU гарантійні зобов'язання призвели її до фінансового краху і банкрутства і злиття з Audi в 1969 році.
Між 1964 та 1967 роком вироблено 2375 автомобілів. В 1967 Spider був знятий з виробництва і замінений на NSU Ro80 з роторним двигуном другого покоління; за десять років виробництва Ro80 випущено 37 398 машин.

Найбільш успішно з цими проблемами впоралися інженери фірми Mazda. Вона і залишається єдиним масовим виробником машин із роторно-поршневими двигунами. Дороблений двигун серійно почався ставити на автомобіль Mazda RX-7 з 1978 року. З 2003 наступність прийняла модель Mazda RX-8, вона і є на даний момент масовою та єдиною версією автомобіля із двигуном Ванкеля.

Російські РПД

Перша згадка про роторний двигун у Радянському Союзі відноситься до 60-х років. Дослідницькі роботи з роторно-поршневих двигунів розпочалися у 1961 році, відповідною постановою Мінавтопрому та Мінсільгоспмашу СРСР. Промислове вивчення з подальшим виведенням на виробництво даної конструкції почалося в 1974 році на ВАЗі. спеціально для цього було створено спеціальне конструкторське бюро роторно-поршневих двигунів (СКБ РПД). Оскільки ліцензію купити не було можливості, було розібрано та скопійовано серійний «ванкель» від NSU Ro80. На цій основі розробили та зібрали двигун Ваз-311, а відбулася ця знаменна подія у 1976 році. На ВАЗі розробляли цілу лінійку РПД від 40 до 200 потужних двигунів. Доопрацювання конструкції тривало майже шість років. Вдалося вирішити цілий рядТехнічні проблеми пов'язані з працездатністю газових та маслознімних ущільнень, підшипників, налагодити ефективний робочий процес у камері несприятливої ​​форми. Свій перший серійний автомобіль ВАЗ із роторним двигуном під капотом представив публіці у 1982 році, це був ВАЗ-21018. Машина зовні і конструктивно була як і всі моделі цієї лінійки, за одним винятком, зокрема, під капотом стояв односекційний роторний двигун потужністю 70 к.с. Тривалість розробки не завадила статися конфузу: на всіх 50 дослідних машинах при експлуатації виникли поломки мотора, що змусили завод встановити на його місце звичайний поршневий.

Ваз 21018 з роторно-поршневим двигуном

Встановивши, що причиною неполадок були вібрації механізмів та ненадійність ущільнень, конструктори врятували проект. Вже у 83-му з'явилися двосекційні Ваз-411 та Ваз-413 (потужністю, відповідно, 120 та 140 к.с.). Незважаючи на низьку економічність та малий ресурс, сфера застосування роторного двигуна все-таки знайшлася – ДАІ, КДБ та МВС були потрібні потужні та непомітні машини. Оснащені роторними двигунами «Жигулі» та «Волги» легко наздоганяли іномарки.

З 80-х років 20 століття СКБ був захоплений новою темою – застосування роторних двигунів у суміжній галузі – авіаційній. Відхід від основної галузі застосування РПД призвело до того, що для передньопривідних машин роторний двигун ВАЗ-414 створюється лише до 1992 року, та ще три роки доводиться. 1995 року Ваз-415 був представлений до сертифікації. На відміну від попередників він універсальний, і може встановлюватися під капотом як задньопривідних (класика і ГАЗ), так і передньопривідних машин (ВАЗ, Москвич). Двосекційний «Ванкель» має робочий об'єм 1308 см 3 та розвиває потужність 135 л.с. при 6000об/хв. "Дев'яносто дев'яту" він прискорює до сотні за 9 секунд.

Роторно-поршневий двигун ВАЗ-414

На даний момент проект із розробки та впровадження вітчизняного РПД заморожений.

Нижче представлено відео пристрою та роботи двигуна Ванкеля.

• забезпечує передачу механічних зусиль на шатун;
• відповідає за герметизацію камери згоряння палива;
• забезпечує своєчасне відведення надлишку тепла з камери згоряння

Робота поршня проходить у складних та багато в чому небезпечних умовах – за підвищених температурних режимахі посилених навантаженнях, тому особливо важливо, щоб поршні для двигунів відрізнялися ефективністю, надійністю та зносостійкістю. Саме тому для їхнього виробництва використовуються легкі, але надміцні матеріали - термостійкі алюмінієві або сталеві сплави. Поршні виготовляються двома методами – литтям або штампуванням.

Конструкція поршня

Поршень двигуна має достатньо просту конструкцію, Що складається з наступних деталей:

Volkswagen AG

1. Головка поршня ДВЗ
2. Поршневий палець
3. Кільце стопорне
4. Бобишка
5. Шатун
6. Сталева вставка
7. Компресійне кільце перше
8. Компресійне кільце друге
9. Олійне кільце

Конструктивні особливості поршня в більшості випадків залежать від типу двигуна, форми камери згоряння і типу палива, яке використовується.

Днище

Днище може мати різну формузалежно від виконуваних ним функцій - плоску, увігнуту та опуклу. Увігнута форма днища забезпечує більш ефективну роботу камери згоряння, проте це сприяє більшому утворенню відкладень при згорянні палива. Випукла форма днища покращує продуктивність поршня, але при цьому знижує ефективність процесу згоряння. паливної сумішів камері.

Поршневі кільця

Нижче днища розташовані спеціальні канавки (борозни) для встановлення поршневих кілець. Відстань від днища до першого компресійного кільця зветься вогневого пояса.

Поршневі кільця відповідають за надійне з'єднання циліндра та поршня. Вони забезпечують надійну герметичність за рахунок щільного прилягання до стінок циліндра, що супроводжується напруженим процесом тертя. Для зниження тертя використовується моторне масло. Для виготовлення поршневих кілець застосовується чавунний метал.

Кількість поршневих кілець, яке може бути встановлене в поршні, залежить від типу використовуваного двигуна та його призначення. Найчастіше встановлюються системи з одним маслознімним кільцем і двома компресійними кільцями (першим та другим).

Олійне кільце і компресійні кільця

Олійне кільце забезпечує своєчасне усунення надлишків масла з внутрішніх стінок циліндра, а компресійні кільця - запобігають попаданню газів у картер.

Компресійне кільце, розташоване першим, приймає більшу частину інерційних навантажень під час роботи поршня.

Для зменшення навантажень у багатьох двигунах у кільцевій канавці встановлюється сталева вставка, що збільшує міцність та ступінь стиснення кільця. Кільця компресійного типу можуть бути виконані у формі трапеції, бочки, конуса, з вирізом.

Маслознімне кільце в більшості випадків оснащене безліччю отворів для дренажу олії, іноді пружинним розширювачем.

Поршневий палець

Це трубчаста деталь, яка відповідає за надійне з'єднання поршня із шатуном. Виготовляється із сталевого сплаву. При встановленні поршневого пальця в бобишках він щільно закріплюється спеціальними стопорними кільцями.

Поршень, поршневий палець та кільця разом створюють так звану поршневу групу двигуна.

Спідниця

Напрямна частина поршневого пристрою, яка може бути виконана у формі конуса чи бочки. Спідниця поршня оснащується двома бобишками для з'єднання з поршневим пальцем.

Для зменшення втрат при терті на поверхню спідниці наноситься тонкий шар антифрикційної речовини (часто використовується графіт або дисульфід молібдену). Нижня частина спідниці оснащена олійним кільцем.

Обов'язковий процес роботи поршневого пристрою - це його охолодження, яке може бути здійснене такими методами:

• розбризкуванням олії через отвори в шатуні або форсункою;
• рухом олії по змійовику в поршневій головці;
• подачею олії в область кілець через кільцевий канал;
• масляним туманом

Ущільнююча частина

Ущільнююча частина та днище з'єднуються у формі головки поршня. У цій частині пристрою розташовані кільця поршня - маслознімні та компресійні. Канали для кілець мають невеликі отвори, через які відпрацьована олія потрапляє на поршень, а потім стікає у картер двигуна.

В цілому поршень двигуна внутрішнього згоряння є однією з найважче навантажених деталей, який піддається сильним динамічним і одночасно тепловим впливам. Це накладає підвищені вимоги як до матеріалів, що використовуються у виробництві поршнів, так і якості їх виготовлення.

Головна » Обслуговування » Поршневий двс. Поршень двигуна внутрішнього згоряння: будову, призначення, принцип роботи. Класифікація систем охолодження