Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) » Детская энциклопедия (первое издание)
Двигатели модельные ДефектоскопияОдин из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.
Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу (см. рис.).
Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.
Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.
Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.
Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.
Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка. Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.
Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.
В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.
Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.
Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 000 кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Двигатели модельные Дефектоскопия.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Категория:
Общие сведения об автогрейдерах
Публикация:
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Читать далее:
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называется такой поршневой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, возникающая в цилиндрах при сгорании горючей смеси, преобразуется в механическую за счет воздействия на поршни газообразных продуктов сгорания, обладающих высоким давлением и температурой (до 2400° С и 8 МПа). При этом поршни, перемещаясь под давлением продуктов сгорания, приводят во вращение через кривошипно-шатунный механизм коленчатый вал двигателя, а от него — трансмиссию машины.
Принципиальная схема ДВС представлена на рис. 6.1. Из нее видно, что поршень может перемещаться в цилиндре из крайнего верхнего положения, или верхней мертвой точки (ВМТ), в крайнее нижнее положение, или до нижней мертвой точки (НМТ), на расстояние, соответствующее ходу поршня.
От НМТ поршень может перемещаться только вверх до ВМТ. Таким образом, двойной ход поршня (вниз и вверх) соответствует полному обороту вала. Значит, если обеспечить своевременное попадание в цилиндр горючей смеси, ее сжатие и сгорание, а затем удаление продуктов сгорания и новое заполнение цилиндра горючей смесью, можно добиться постоянного вращения коленчатого вала двигателя. На этом основана работа ДВС. А сама совокупность повторяющихся в определенной последовательности процессов впуска горючей смеси, ее сжатия, сгорания с последующим расширением и выпуска продуктов сгорания в атмосферу носит название рабочего цикла ДВС. Часть рабочего цикла, соответствующая перемещению поршня из одного крайнего положения в другое, называется тактом.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Если полный рабочий цикл ДВС совершается за четыре такта (4 хода поршня), т. е. за два полных обо рота коленчатого вала, то такой двигатель называется четырехтактным; если же рабочий цикл состоит из двух тактов (2 хода поршня), то двигатель считается двухтактным. На рис. 6.1 видно, что полость цилиндра сообщается с внешней средой с помощью двух отверстий, закрываемых клапанами или другим образом. Одно из отверстий является впускным и предназначено для впуска горючей смеси или воздуха, другое — выпускным и служит для выпуска продуктов сгорания. Впускное и выпускное отверстия могут либо полностью перекрываться, либо закрываться попеременно.
Когда поршень занимает крайнее верхнее положение, над ним остается свободное пространство объемом Ус, которое является так называемой камерой сгорания. При перемещении поршня в НМТ в цилиндре освобождается объем Ур, называемый рабочим, который вместе с объемом камеры сгорания Vc образует полный объем цилиндра: V„= Ус+ Vp. Таким образом, поршень, перемещаясь в обратном направлении от НМТ до ВМТ, изменяет объем цилиндра с V„ до VQ, т. е. многократно сжимает газообразные вещества. Поэтому отношение полного объема цилиндра V„ к объему камеры сгорания VQ показывает так называемую степень сжатия в цилиндре е= Vn/Vc, т. е. величину сжатия горючей смеси в момент ее воспламенения. Эта величина зависит от конструкции ДВС. Так, у дизельных двигателей она достигает величины 14…22, а у карбюраторных 6… 10. Когда рабочий объем одного цилиндра Vp умножается на их число, получается рабочий объем двигателя Ул.
Рис. 6.1. Принципиальная схема ДВС
В зависимости от вида применяемого топлива ДВС могут быть дизельными (используется дизельное топливо) и карбюраторными (топливом являются бензин, газ). На автогрейдерах основными двигателями являются многоцилиндровые четырехтактные дизельные двигатели, в качестве пусковых на них используются одноцилиндровые двухтактные бензиновые двигатели. В общем, принципы работы дизельных и карбюраторных двигателей подобны. Основное отличие состоит в том, что в карбюраторных двигателях для воспламенения рабочей смеси (смеси паров топлива, воздуха, остаточных газов) в цилиндрах используется специальная электрическая система зажигания, а на дизельных двигателях — воспламенение топлива, впрыскиваемого под высоким давлением в камеру сгорания, происходит от высокой температуры воздуха, превышающей температуру вспышки смеси топлива и воздуха, сжатого в камере сгорания поршнем. Кроме того, в дизельных двигателях вначале цилиндры наполняются воздухом, а не горючей смесью (смесь мелкораспыленного жидкого или газообразного топлива с воздухом), как у карбюраторных, и сжимается воздух, а не горючая смесь (поэтому-то степень сжатия, температура и давление в цилиндрах у дизельных двигателей выше, чем у карбюраторных). В связи с этим для дизельных двигателей требуется специальная система впрыска топлива под давлением, в то время как у карбюраторных двигателей горючая смесь поступает за счет разрежения, создаваемого поршнями.
Принцип работы четырехтактного дизельного двигателя. Первый такт — впуск воздуха (рис. 6.2, а) производится при движении поршня от ВМТ до НМТ за счет создаваемого в цилиндре разрежения через открытый впускной клапан, который открывается с опережением до прихода поршня в ВМТ и закрывается с запаздыванием после достижения поршнем НМТ.
Рис. 6.2. Принцип работы четырехтактного дизельного двигателя: а — первый такт — впуск воздуха; 6 — второй такт — сжатие воздуха; в — третий такт — рабочий ход; 4— четвертый такт — выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — впускной клапан; 5 — форсунка; 6 — выпускной клапан; 7 — цилиндр
Второй такт — сжатие воздуха (рис. 6.2,6) происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ при закрытых впускном и выпускном клапанах. В конце сжатия давление воздуха достигает 3…4 МПа при температуре выше 500° С. В момент, когда поршень несколько не доходит до ВМТ, с помощью форсунки производится впрыск топлива под давлением 20…40 МПа. В нагретом воздухе распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает.
Третий такт — рабочий ход (рис. 6.2,в) происходит при заканчивающемся сгорании топлива и расширении продуктов сгорания, сопровождающемся перемещением поршня от ВМТ к НМТ. С целью лучшей последующей очистки полости цилиндра от отработавших газов выпускной клапан открывается до момента подхода поршня в НМТ.
Четвертый такт — выпуск отработавших газов (рис. 6.2, г) производится при движении поршня от НМТ к ВМТ, когда выпускной клапан открыт. После этого рабочий цикл двигателя повторяется.
Принцип работы двухтактного карбюраторного двигателя. В отличие от дизельного двигателя для образования горючей смеси в нем использован карбюратор, а система зажигания со свечой, вставленной в головку цилиндра, служит для зажигания горючей смеси (рис. 6.3). В отличие от четырехтактного карбюраторного двигателя в двухтактном двигателе с кривошип- но-камерной продувкой отсутствуют клапаны, а впускное и выпускное отверстия перекрываются самим поршнем. Кроме того, имеется продувочное отверстие и для подачи горючей смеси от карбюратора в цилиндр используется герметичный картер двигателя.
В одном такте двухтактного двигателя сосредоточены не один, а два описанных выше процесса.
Первый такт — рабочий ход поршня (рис. 6.3, а, б) начинается, когда поршень, перекрыв выпускное и продувочное отверстия и открыв впускное отверстие, подходит к ВМТ. Тогда срабатывает свеча, искра от которой воспламеняет сжатую рабочую смесь, в камере сгорания резко повышается температура и давление (до 2,5 МПа). Поршень, под давлением перемещаясь вниз, сначала закрывает впускное отверстие и начинает сжимать рабочую смесь в картере 8 двигателя, а затем открывает выпускное отверстие 2 и продувочное, через которые под давлением (0,1 МПа) рабочей смеси из картера производится удаление отработавших газов и продувка рабочей полости цилиндра. При этом отражатель, установленный на головке поршня, направляет рабочую смесь по всей полости цилиндра, способствуя его очистке от продуктов сгорания. Когда поршень достигает НМТ, начинается его движение вверх.
Рис. 6.3. Принцип работы двухтактного карбюраторного двигателя: а — начало рабочего хода поршня; б—конец рабочего хода поршня; 1 — впускное отверстие; 2 — выпускное отверстие; 3 — шатун; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 — свеча; 7 — продувочное отверстие; 8 — картер; 9—коленчатый вал; 10—карбюратор
Второй такт — сжатие рабочей смеси начинается с продолжающегося удаления отработавших газов и впуска в надпоршневое пространство рабочей смеси. По мере движения поршня вверх сначала перекрывается продувочное отверстие, а затем и выпускное, после чего рабочая смесь сжимается в течение всего движения поршня до ВМТ. В тот момент, когда нижний край поршня открывает впускное отверстие, начинается впуск горючей смеси в полость картера (в подпоршневое пространство). Затем рабочий цикл повторяется.
Принцип и особенности работы поршневых ДВС определили наличие у них следующих основных механизмов и систем: кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня под воздействием давления газов во вращательное движение коленчатого вала; механизм газораспределения, предназначенный для своевременного наполнения цилиндров горючей смесью или воздухом и выпуска отработавших газов в атмосферу; система смазки, предназначенная для очистки и подачи к трущимся сопряженным поверхностям двигателя необходимого для смазки и охлаждения этих поверхностей количества масла; система охлаждения, служащая для охлаждения всех нагреваемых деталей двигателя путем отвода от них тепла; система питания, предназначенная для подачи в цилиндры дозированного количества топлива или горючей смеси в распыленном состоянии; система зажигания (у карбюраторных двигателей), служащая для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндрах; система пуска, предназначенная для быстрого и уверенного запуска двигателя при любых температурных условиях.
Работу ДВС характеризует такой параметр, как эффективная мощность N3, являющаяся мощностью, снимаемой с коленчатого вала двигателя для производства полезной работы. Мощность указана в паспорте на двигатель. Кроме того, в паспорте дается и регуляторная характеристика двигателя, т. е. зависимости мощности и крутящего момента на валу двигателя от частоты его вращения.
Рекламные предложения:
Читать далее: Классификация и техническая характеристика ДВС автогрейдера
Категория: — Общие сведения об автогрейдерах
Главная → Справочник → Статьи → Форум
8 самых известных типов двигателей в мире и их отличия
После прочтения нашего обзора вы будете понимать, как работают восемь типов двигателей в мире.
Двигатель – это агрегат, который может преобразовать одну энергию в механическую. В эту категорию входит множество видов двигателей, начиная от паровых (двигатели внешнего сгорания) и электрических и заканчивая двигателями внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные моторы и т. д.). Мы покажем вам восемь самых известных в мире двигателей, а также просто и интуитивно понятно расскажем вам, как они работают, описав принципы их работы.
1. Оппозитный двигатель
В горизонтально противоположном двигателе (оппозитном) поршни двигаются по обеим сторонам коленчатого вала влево и вправо в горизонтальном направлении. В этом случае высота двигателя уменьшена. За счет использования оппозитного двигателя уменьшается центр тяжести транспортного средства – автомобиль движется более плавно. Крутящий момент, создаваемый поршнями с обеих сторон, компенсирует друг друга, значительно уменьшая вибрацию транспортного средства во время движения.
Также подобная конструкция позволяет сделать двигатели высокооборотистыми. Но, несмотря на высокие обороты, оппозитные моторы имеют меньше шума, чем обычные ДВС.
Двигатели с горизонтальным ходом поршней использует компания Porsche почти во всех моделях. Но, например, в Porsche Cayenne и Panamera оппозитные двигатели не применяются.
2. Рядный двигатель
В рядном двигателе все его цилиндры расположены рядом друг с другом в одной плоскости. Конструкция цилиндров и коленвала довольно-таки проста. Головка блока цилиндров имеет небольшую стоимость при изготовлении. Также рядные двигатели отличаются высокой стабильностью, характеристиками крутящего момента на низких оборотах, низким расходом топлива и компактным размером. Рядные двигатели обычно обозначаются латинской буквой «L-n», где n – количество цилиндров рядного двигате
Назначение и устройство ДВС
Более ста лет в качестве силовых установок для большинства машин и механизмов, используемых в двигателях внутреннего сгорания. В начале 20 века они заменили паровой двигатель внешнего сгорания. Двигатель стал самым экономичным и эффективным среди других моторов. Рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания.
История
История этих единиц началась примерно 300 лет назад.Именно тогда Леонардо да Винчи создал первый чертеж примитивного двигателя. Развитие этого агрегата послужило поводом для сборки, испытаний и постоянного совершенствования двигателей внутреннего сгорания.
В 1861 году по планам, которые подарил миру Да Винчи, был создан первый двухтактный мотор. Тогда еще никто не думал, что такими установками будут оснащаться все вагоны и другое оборудование, хотя паровые агрегаты использовались для подвижного состава.
Первым, кто начал смазывать автомобили льдом, был Генри Форд.Он первым написал книгу о устройстве и работе двигателя внутреннего сгорания. Форд был первым, кто рассчитал эффективность этих двигателей.
Классификация двигателей
В процессе разработки усложняется и устройство двигателя внутреннего сгорания. Его назначение осталось прежним. Существует несколько основных типов двигателей внутреннего сгорания, которые на сегодняшний день являются наиболее эффективными.
Первый по эффективности и экономичности — поршневая установка.В этих агрегатах энергия, создаваемая при сгорании топливной смеси, преобразуется в движение через систему шатунов и коленчатого вала.
По общей конструкции карбюратор двигателя внутреннего сгорания не отличается от других двигателей. Но топливную смесь готовили прямо в карбюраторе. Впрыск осуществляется в общий коллектор, откуда под действием всасывания смесь поступает в цилиндры, где затем освещается электрическим разрядом на искре.
Рекомендуем
Как работает сайлентблок задний переднего рычага и сколько он служит?
Сайлентблок задний переднего рычага — один из составных элементов ходовой части автомобиля. Он относится к направляющим элементам подвески, вместе с рычагами выдерживает колоссальные нагрузки колесами. Однако с этим товаром их много …
Расход масла в двигателе. Шесть причин
Вряд ли можно найти автомобилиста, которого бы не волновал повышенный расход масла.Особенно раздражает, когда это происходит с другим новым мотором. Вот наиболее частые причины, которые приводят к расходу масла в двигателе …
Как работает выхлопная система?
Выхлопная система предназначена для удаления продуктов сгорания из двигателя и вывода их в окружающую среду. Также необходимо обеспечить снижение шумового загрязнения до приемлемых пределов. Как и любые другие сложные устройства, эта система состоит из нескольких …
Инжекторный двигатель отличается от бензинового тем, что топливо подается в каждый цилиндр напрямую через отдельную форсунку.Затем после смешивания бензина с воздухом топливо воспламеняется от свечей зажигания.
Дизельный двигатель отличается от бензинового. Кратко рассмотрим устройство дизельного двигателя внутреннего сгорания. Здесь для розжига не используйте свечи. Топливо воспламеняется под высоким давлением. В результате дизель нагревается. Температура превышает температуру горения. Впрыск осуществляется форсунками.
К ДВС будут входить роторно-поршневые двигатели. В этих установках тепловая энергия от сгорания топлива действует на ротор.У него особая форма и особый профиль. Траектория движения ротора — планетарная (элемент находится внутри специальной камеры). Ротор одновременно выполняет множество функций — это распределительная функция коленчатого вала и поршня.
Есть газотурбинный двигатель. В этих установках тепловая энергия преобразуется с помощью ротора с коническими лопастями. Затем эти механизмы заставляют турбину вращаться.
Самыми надежными, низкими в обслуживании и экономичными считаются поршневые двигатели.Роторные в массовом автомобилестроении практически не используются. Сейчас модели автомобилей оснащаются роторно-поршневыми двигателями, их выпускает только японская «Мазда». Опытные автомобили с газотурбинными двигателями в 60-х годах выпускали «Крайслер», а потом больше на эти заводы не возвращался ни один автопроизводитель. В Советском Союзе газотурбинные двигатели не оснащали некоторые модели танков и плавающих кораблей. Но потом от подобных силовых агрегатов было решено отказаться. Именно поэтому мы считаем устройство ДВС — они самые популярные и эффективные.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
В корпусе двигателя совмещено несколько систем. Это блок, в котором находятся такие же камеры сгорания. Последняя горящая топливная смесь. Также двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, преобразующего энергию движения поршней во вращение коленчатого вала. В случае с силовым агрегатом а и с газораспределительным механизмом. Его задача — обеспечить своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Двигатель не может работать без системы впрыска, зажигания и без выхлопной системы.
При запуске силового агрегата в цилиндры через открытые впускные клапаны подается смесь топлива и воздуха. Затем она воспламенилась от электрического разряда на свече зажигания. Когда смесь воспламенится и газы начнут расширяться, увеличьте давление на поршень. Последний будет приводиться в движение и заставит вращать коленчатый вал.
Структура и работа двигателя внутреннего сгорания, при которой двигатель работает в определенных циклах. Эти циклы постоянно повторяются с высокой частотой.Это обеспечивает непрерывное вращение коленчатого вала.
Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания
При запуске двигателя поршень, который приводится в движение за счет вращения коленчатого вала, начинает двигаться. Когда он достигает своей нижней точки и начинает двигаться вверх в цилиндре, подается топливо.
Когда поршень движется вверх, сжимает смесь. Когда он достигает верхней мертвой точки, искра от электрического разряда воспламеняет смесь. Газы сразу расширяются и толкают поршень вниз.
Затем открывается выпускной клапан цилиндра, и продукты сгорания выходят из цилиндра в систему выпуска. Затем снова, достигнув самой нижней точки, поршень начнет двигаться вверх. Коленчатый вал совершает один оборот.
Когда начинается новое движение поршня, впускной клапан снова открывается, и подается топливная смесь. Потребуется весь объем, который был занят продуктами сгорания, и цикл повторяется. Из-за того, что поршни в этих двигателях только в двух тактах, меньше перемещений, в отличие от четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.Снижение потерь на трение деталей. Но эти моторы сильнее жары.
В двухтактных силовых агрегатах поршень также играет роль синхронизатора. В процессе движения открывать и закрывать впуск топливной смеси и выпуск. Худший газообмен по сравнению с четырехтактными двигателями — это главный недостаток таких двигателей. На данный момент на выхлопе не хватает мощности.
В настоящее время двухтактные двигатели используются в мопедах, скутерах, лодках, бензопилах и другом маломощном оборудовании.
Четырехтактный
Устройство ДВС этого типа мало отличается от тактного. Принцип работы тоже немного другой. За один оборот коленчатый вал имеет четыре стержня.
Первый удар — это поток горючей смеси в цилиндр двигателя. Мотор под действием разрежения всасывает смесь в цилиндр. Поршень в цилиндре в этот момент направлен вниз. Впускной клапан открывается, и распыленный бензин с воздухом попадает в камеру сгорания.
Далее идет ход сжатия. Впускной клапан закрывается, и поршень движется вверх. Смесь в цилиндре сильно сжата. Из-за давления смесь нагревается. Давление увеличивает концентрацию.
Далее следует третий ход. Когда поршень почти достигает своего верхнего положения, срабатывает система зажигания. На свече зажигается искра, и смесь поджигается. За счет мгновенного расширения газов и распределения энергии взрыва поршень под давлением перемещается вниз.Это такт в работе главного четырехтактного двигателя. Остальные три шага не влияют на создание работы и дополняют друг друга.
На четвертом мероприятии начинается фаза выпуска. Когда поршень достигает дна камеры сгорания, выпускной клапан открывается, и выхлопные газы выходят сначала в выхлопную систему, а затем в атмосферу.
Вот устройство и принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, который устанавливается под капотом большинства автомобилей.
Опорная система
Мы рассмотрели устройство двигателя внутреннего сгорания. Но ни один мотор не мог работать, если бы не был оснащен дополнительными системами. О них мы расскажем ниже.
Зажигание
Эта система — часть электрооборудования. Он предназначен для образования искр, воспламеняющих топливную смесь.
В состав системы входят аккумулятор и генератор, замок зажигания, катушка и специальное устройство — распределитель.
Система впуска
Она нужна двигателю без прерывания поступающего воздуха.Кислород необходим для образования смеси. Сам по себе бензин не горит. Следует отметить, что впуск карбюратора представляет собой всего лишь фильтр и воздуховод. Система впуска современного автомобиля более сложная. Он включает воздухозаборник в виде патрубков, фильтр, дроссельную заслонку и впускной коллектор.
Power System
Принцип устройства ДВС мы знаем, что двигателю нужно что-то сжечь. Это бензин или солярка. Система питания обеспечивает подачу топлива в процессе работы мотора.
В самом примитивном случае эта система состоит из бака и топливопровода, фильтра и насоса, обеспечивающего подачу топлива в карбюратор. В инжекторных автомобилях система питания управляется ЭБУ.
Смазочная система
В систему смазки входят масляный насос, поддон, фильтр для очистки масла. В мощных бензиновых и дизельных силовых агрегатах также имеется мойка для очистки от жира. Насос приводится в движение коленчатым валом.
Вывод
То есть двигатель внутреннего сгорания.Устройство и принцип работы мы рассмотрели, и теперь разбираемся, как работает автомобиль, бензопила или дизель-генератор.
Система силовых цилиндров для двигателей внутреннего сгорания
1. Введение
Двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горючего топлива в механическую энергию, которая перемещает поршень и, в конечном итоге, коленчатый вал. Этот процесс преобразования энергии происходит в системе силового цилиндра двигателя. Система силового цилиндра состоит из следующих компонентов: поршень, поршневые кольца, гильза цилиндра, палец на запястье и шатун.
Поршень — это основной компонент, который передает механическую энергию возвратно-поступательным движением. И это возвратно-поступательное движение передается во вращательное движение коленчатого вала для вывода мощности через шатун. Малый конец шатуна соединен с поршнем через палец на запястье, а большой конец шатуна соединен с коленчатым валом. Горение происходит над поршнем в камере сгорания, которая уплотняется кольцевым пакетом, особенно при верхнем сжатии кольцевого пакета.На рисунке 1 показаны эти основные компоненты системы силового цилиндра.
Рисунок 1.
Система силового цилиндра.
Полный цикл двигателя состоит из четырех различных тактов для четырехтактного двигателя вместе с возвратно-поступательным движением поршня. Эти четыре хода представляют собой такт впуска, такта сжатия, такта расширения и такта выпуска, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2.
Четыре такта для полного цикла двигателя.
Что касается современного дизельного двигателя, который известен своей большей эффективностью по сравнению с его бензиновым аналогом, только около 40% энергии, производимой двигателем, преобразуется в выходную мощность двигателя.Около 4–15% этой энергии тратится на потери на механическое трение. А остальная часть энергии, которая составляет почти половину химической энергии, рассеивается в виде других форм, например, теплопередачи, утечки и т. Д., Как показано на рисунке 3 из исследования Ричардсона [1].
Рисунок 3.
Распределение мощности для дизельных двигателей.
И примерно половина механических потерь на трение приходится на трение в системе силового цилиндра, включая поршень, кольцевой пакет и шатун, как показано на Рисунке 4 [1].Другая часть возникает из-за трения других компонентов, например, системы клапанного механизма, подшипников коленчатого вала и т. Д.
Рис. 4.
Распределение силы механического трения.
Распределение потерь на трение между поршнем, пакетом поршневых колец и шатуном для системы силового цилиндра можно найти на Рисунке 5 [1]. Как видно, поршень и пакет колец имеют более высокие потери на трение, чем шатун.
Рис. 5.
Распределение силы трения в системе силового цилиндра.
1.1. Поршень
Поршень двигателя внутреннего сгорания является основным компонентом для преобразования тепловой энергии в механическую. Газ под высоким давлением от сгорания топливно-воздушной смеси толкает поршень вниз, чтобы передать механическую энергию. Таким образом, рабочее состояние поршня тяжелое. Поршни в небольших двигателях изготовлены из алюминия, а в больших, менее скоростных, поршни — из чугуна [2]. Поскольку нагрузка на двигатели продолжает расти, особенно в тяжелой промышленности, в настоящее время широко используются стальные поршни.На рисунке 6 показан типичный поршень для дизельного двигателя с определениями основных геометрических фигур, показанными в таблице 1.
Рисунок 6.
Основные геометрические формы поршней.
| No. | Определения |
|---|---|
| 1 | Головка поршня |
| 2 | Юбка поршня |
| 9016 9016 9016 9016 9016 9016 9016 9016 9016 третья фаска | |
| 5 | Верхняя канавка |
| 6 | Вторая и третья канавка |
Таблица 1.
Определения основных геометрических фигур поршней.
Юбка поршня обычно имеет цилиндрический / параболический профиль, который способствует гидродинамической смазке за счет краевого эффекта (Рисунок 7). Этот профиль юбки необходимо оптимизировать, чтобы минимизировать трение поршня. Юбка поршня также растет наружу в радиальном направлении при высокой температуре во время работы двигателя.
Рисунок 7.
Профиль юбки поршня.
Помимо цилиндрического / параболического профиля в осевом направлении, юбка поршня обычно имеет овальность и в окружном направлении.Овальность определяется как разница между диаметром оси тяги и диаметром оси пальца. Овальность используется для уменьшения износа и риска истирания. Разработки, связанные с динамикой поршня, трением, задирами и т. Д., Можно найти в ссылках различных исследователей [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].
1.2. Пакет колец
Пакет колец обычно состоит из трех колец: двух компрессионных колец и одного маслосъемного кольца. Ниже перечислены основные функции пакета колец:
Для уплотнения камеры сгорания вместе с площадками поршня и стенкой цилиндра, чтобы предотвратить утечку газа высокого давления в картер, который расходуется впустую. производящая мощность.
Для предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания из-под поршня, а также для равномерного распределения смазочного масла по стенке цилиндра.
Для передачи тепла от поршня к стенке цилиндра и, в конечном итоге, к системе охлаждения. Поскольку головка поршня подвергается воздействию камеры сгорания, очень важно снизить температуру поршня, чтобы гарантировать рабочее состояние поршня.
На рис. 8 показаны типичные комплекты колец для современных бензиновых и дизельных двигателей.
Рис. 8. Кольцевой блок двигателя
IC: (a) бензиновый двигатель и (b) дизельный двигатель.
1.2.1. Верхнее компрессионное кольцо
Верхнее компрессионное кольцо — это первое кольцо и главный компонент, уплотняющий камеру сгорания для управления продувкой двигателя. Верхнее кольцо также находится в наиболее тяжелых условиях эксплуатации, поскольку оно подвергается прямому воздействию дымовых газов и обычно находится под высоким давлением и высокой температурой.
Верхние компрессионные кольца бензиновых двигателей обычно имеют прямоугольное сечение.Однако при работе с дизельным двигателем верхние компрессионные кольца обычно представляют собой замковые кольца (Рисунок 9), которые способствуют разрушению отложений между кольцом и канавкой поршня, тем самым уменьшая возможность микросварки между поршневым кольцом и канавкой поршня. Верхнее компрессионное кольцо обычно имеет параболический или цилиндрический профиль на передней поверхности, чтобы улучшить гидродинамическую смазку между поверхностью кольца и границей стенки цилиндра (Рисунок 9).
Рис. 9.
Поперечное сечение верхнего компрессионного кольца.
Герметизирующая способность верхнего компрессионного кольца оказывает значительное влияние на продувку двигателя из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце. Продувка двигателя определяется как утечка газа под высоким давлением в картер через пакет колец. Таким образом, желательно, чтобы верхнее компрессионное кольцо равномерно прилегало к стенке цилиндра по окружности кольца. Кроме того, из-за высокого градиента давления газа на верхнем кольце верхнее кольцо большую часть времени в течение рабочего цикла двигателя остается напротив нижней стороны канавки поршня.
1.2.2. Второе компрессионное кольцо
Второе кольцо представляет собой скребковое кольцо, которое на 80% очищает смазочное масло и 20% — для уплотнения камеры сгорания. Из-за эффекта клина скребковое кольцо способствует гидродинамической смазке во время тактов вверх (такты сжатия и выпуска) и соскребает масло во время тактов вниз (такты впуска и расширения). На рисунке 10 показаны два типа вторых колец: одно — скребковое, а другое — кольцо Напье.Для второго кольца статическое скручивание обычно создается путем отрезания материала кольца на одном из задних углов. Если нижний внутренний угол обрезан, кольцо является отрицательным статическим скрученным кольцом, а если верхний внутренний угол отрезан, кольцо имеет конфигурацию положительного статического скручивания.
Рис. 10.
Поперечное сечение второго компрессионного кольца.
Хотя градиент давления газа на втором компрессионном кольце намного ниже, чем у верхнего кольца, второе кольцо также оказывает заметное влияние на поток газа и газовую динамику.Из-за этого более низкого градиента давления во втором кольце инерционная сила кольца становится конкурентоспособной с силой давления газа. Сила инерции может поднять второе кольцо вверх на позднем такте сжатия, так что второе кольцо остается напротив верхней поверхности канавки. Этот процесс может повторяться в зависимости от повышения давления над вторым кольцом, когда оно установлено сверху. Это нестабильное осевое движение в канавке распознается как колебание кольца [12]. Когда происходит колебание кольца, открывается другой путь потока газа между сторонами кольца и канавки.В результате может увеличиться количество продувочного газа.
Второе кольцо также может двигаться внутрь в радиальном направлении. Это радиальное движение известно как радиальное коллапс кольца [12]. Когда происходит радиальное сжатие кольца, газ над кольцом может проходить мимо кольца непосредственно между поверхностью кольца и стенкой цилиндра к нижней поверхности. В этом состоянии разрушения кольца может произойти серьезный прорыв двигателя. В зависимости от конструкции кольца и поршня, какое из этих двух условий возникает: колебание кольца или его разрушение.Также возможно, что эти два условия возникают одновременно.
Было обнаружено, что статическое скручивание оказывает значительное влияние на колебание и радиальное коллапс второго кольца. Второе кольцо с отрицательной статической скрученностью более вероятно, чем второе кольцо с положительной статической скруткой. Однако, если второе кольцо приподнимается к верхней стороне канавки, конфигурация положительного статического скручивания с большей вероятностью разрушится, чем конфигурация отрицательного скручивания. Это будет обсуждаться в разделе «Динамика кольца» далее в этой главе.
1.2.3. Маслосъемное кольцо
Масляное регулировочное кольцо используется для дозирования и распределения смазочного масла по стенкам цилиндра. Обычно существует два типа маслосъемных колец: двухкомпонентное маслосъемное кольцо и трехкомпонентное маслосъемное кольцо (Рисунок 11). Двухкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из корпуса кольца с двумя направляющими и винтовой пружины на задней стороне, обеспечивающей силу натяжения кольца. Трехкомпонентное маслосъемное кольцо состоит из двух сегментов и расширителя между ними.Расширитель обеспечивает радиальное усилие для прилегания кольца к стенке цилиндра, а также осевое усилие, прижимающее кольцо к верхней и нижней сторонам канавки. Маслосъемное кольцо представляет собой скребковое кольцо, работающее в двух направлениях, которое соскабливает масло как при движении вверх, так и при движении вниз. Во время хода вниз нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло прямо обратно в картер. Верхний рельс / сегмент соскребает масло обратно в канавку через расширитель масляного кольца. Как правило, отверстия в задней части канавки масляного регулировочного кольца могут быть обнаружены по окружности, чтобы позволить маслу стекать в картер.В некоторых конструкциях поршня, вместо использования этих отверстий в задней части канавки, в качестве более простого решения вводятся литые пазы на нижнем крае канавки для слива масла. Во время движения вверх нижняя направляющая / сегмент соскабливает масло в канавку через расширитель. Улавливание масла, очищенного верхней направляющей / сегментом во время этих движений вверх, зависит от внешней силы, действующей на верхнюю направляющую / сегмент. Иногда внешняя осевая сила на маслосъемном кольце превышает усилие расширителя. В результате между маслосъемным кольцом и сторонами канавки образуется щель для потока масла, которая позволяет маслу стекать в канавку и, в конечном итоге, обратно в картер.
Рисунок 11.
Маслосъемное кольцо: двухкомпонентное маслосъемное кольцо (слева), трехкомпонентное маслосъемное кольцо (справа).
1.3. Цилиндр
Цилиндр поршневого двигателя — это часть, через которую перемещается поршень. Цилиндр может быть с рукавами или без рукавов в зависимости от металла, используемого для блока цилиндров. Например, блок цилиндров из чугуна обычно не требует гильзы цилиндра, потому что чугун достаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и стенкой цилиндра.Однако для блоков цилиндров из алюминиевого сплава, которые можно встретить почти во всех автомобилях с повседневной ездой, требуются гильзы цилиндров, поскольку алюминиевый сплав недостаточно твердый, чтобы противостоять износу между поршневым кольцом и поверхностью раздела стенки цилиндра.
Гильзы цилиндров или гильзы цилиндров в настоящее время производятся с использованием процесса центробежного литья. Процесс центробежного литья относится к технике литья, при которой постоянная форма непрерывно вращается вдоль своей центральной линии с постоянной скоростью.В то же время расплавленный металл заливается в форму и выбрасывается к внутренней стенке формы. Затем расплавленный металл затвердевает после охлаждения. Ориентация прядения литейной машины может быть горизонтальной или вертикальной, в зависимости от деталей, которые она производит. Горизонтальное вращение предпочтительно для длинных и тонких цилиндров, а вертикальное вращение — для коротких и широких цилиндров. Также встречаются алюминиевые двигатели без гильз. На алюминиевые цилиндры нанесено покрытие из никелевого силиконового сплава или другое плазменное покрытие, которое помогает снизить износ цилиндров.Исследователи также изучили другие методы снижения трения двигателя. Один из методов заключается во введении углублений в середине хода на стенках цилиндра [13]. Это помогает уменьшить трение, потому что в середине хода поршневые кольца обычно подвергаются гидродинамическому трению при высокой скорости поршня. За счет введения углублений на стенку цилиндра эффективная площадь контакта между поверхностями колец и стенкой цилиндра была уменьшена. Это приводит к уменьшению вязкого трения, как заявлено.
Типичная шероховатость поверхности гильзы цилиндра составляет 0,4–0,5. Эта шероховатость была значительно уменьшена, что могло помочь снизить расход моторного масла. Более шероховатые стенки цилиндра могут помочь удерживать смазочное масло на поверхности гильзы между микропоршинами, что похоже на гильзу с ямками [13]. В результате трение между кольцом / стенкой цилиндра и стыками между юбкой поршня и стенкой цилиндра может быть уменьшено за счет смазочного масла в микрополостях. Однако это масло, удерживаемое в микроволинах, не соскабливается с гильзы во время опускания двигателя и может оставаться открытым для газов с высокой температурой.В результате испаряется больше масла и увеличивается расход масла.
Гильзы цилиндров больше не имеют круглой формы при работающем двигателе. Деформация возникает в результате механической деформации в результате прикручивания блока цилиндров к головке блока цилиндров, термической деформации, когда тепловая нагрузка на гильзу неравномерна, механической нагрузки, когда поршень ударяется о гильзу, нагрузки давления в результате сгорания и т. Д. . Деформация отверстия цилиндра измеряется исследователями в ходе эксперимента [14].Для моделирования деформация отверстия цилиндра обычно определяется рядом Фурье [4, 5]:
δR = ∑i = 0i = 4 (Aicos (iθ) + Bisin (iθ)) E1
где δR — отклонение от округлости, Ai и Bi — это коэффициенты Фурье, а i — порядок ряда.
Порядок деформации отражен в таблице 2.
| Нулевой порядок | Изменение диаметра отверстия |
|---|---|
| Первый порядок | Эксцентриситет отверстия |
| Второй порядок деформации | |
| Третий порядок | Трехлепестковая деформация |
| Четвертый порядок | Четырехлепестковая деформация |
Таблица 2.
Деформация внутреннего отверстия цилиндра.
2. Динамика пакета колец
Динамика поршневых колец тесно связана с их функциями, особенно для контроля газа и масла. Хотя верхнее кольцо является наиболее важной частью газового уплотнения, в то время как кольцо контроля масла имеет наибольший эффект в регулировании потока и расхода масла, второе кольцо также имеет значительное влияние на регулирование как газа, так и масла. В этом разделе обсуждается кольцевая динамика второго компрессионного кольца. Теории также могут быть применены к верхнему компрессионному кольцу и маслосъемному кольцу, а детали моделей динамики кольца можно найти в работах.[15, 16, 17, 18, 19, 20].
Как обсуждалось в разделе 1, существует два типа кольцевой динамики: колебание кольца и радиальный коллапс кольца. Колебание поршневого кольца — это осевое перемещение вследствие дисбаланса внешней силы, особенно между силой давления газа и силой инерции. Другие нагрузки, действующие на кольцо, в том числе сила трения, сила сжатия масляной пленки и т. Д., Относительно невелики по сравнению [6]. Следует отметить, что, хотя трение второго кольца относительно низкое, силы трения масляного кольца и верхнего кольца во время высокого давления в цилиндре могут быть большими.Кроме того, здесь описывается только флаттер и схлопывание второго кольца, которые возникают в условиях срабатывания верхней мертвой точки (ВМТ). Этот регион также считается наиболее важным для коллапса и коллапса из-за его значимости для прорыва и расхода масла.
Другое явление, радиальное сжатие, может возникнуть, если кольцо поднять и установить напротив верхней части кольцевой канавки. Когда кольцо находится на верхней стороне кольцевой канавки, сила давления не только толкает кольцо вниз, но также действует на переднюю поверхность кольца, толкая его внутрь.Кольцо перекрывает давление газа сверху, что означает, что давление за кольцом может быть намного ниже. Когда сила давления на поверхность кольца превышает натяжение кольца и силу давления за кольцом, происходит схлопывание кольца. Как только он схлопнется, газы будут выходить за поверхность кольца и уравновешивать все вокруг колец. Опять-таки, на кольцо не будет никакого чистого давления газа, и упругое натяжение кольца заставит кольцо снова выйти к стенке цилиндра. Как и следовало ожидать, между поверхностью кольца и стенкой цилиндра нет уплотнения.В результате газовый поток может проходить через поверхность кольца, что приводит к сильной продувке. Обрушение кольца — одно из нестабильных свойств кольца.
Это будет зависеть от конструкции кольца и поршня, а также от условий эксплуатации, если кольцо может дрожать или разрушаться. Также возможно, что и флаттер, и коллапс кольца происходят одновременно. В любом случае второе кольцо теряет свою герметизирующую способность, позволяя газам течь либо вокруг кольца (в случае колебания), либо мимо поверхности кольца (в случае сжатия кольца).
Сама конструкция кольца также оказывает значительное влияние на его устойчивость, например, статическое скручивание кольца. Второе кольцо с отрицательной скрученностью образует уплотнение внешней кромки между нижними сторонами кольца и канавки, когда кольцо находится на дне боковой поверхности. Это позволяет газам проходить под кольцом, что приводит к очень низкому общему давлению газа, направленному вниз. В этом случае кольцо можно легко поднять за счет силы инерции, действующей на кольцо (рис. 12а). С другой стороны, для второго кольца с положительной статической скрученностью уплотнение между кольцом и дном канавки происходит во внутреннем нижнем углу.Это предотвращает перемещение газа под более высоким давлением между дном кольца и дном канавки, что приводит к увеличению силы давления, направленной вниз. Поднять кольцо с помощью силы инерции непросто. На рис. 12а в упрощенном виде показаны силы давления газа, действующие на стороны колец.
Рис. 12.
Устойчивость кольцевой посадки: (a) устойчивость нижней посадки и (b) устойчивость верхней посадки.
Точно так же устойчивость верхней посадки кольца (рисунок 12b) можно объяснить так же, как и для условия нижней посадки.Однако следует отметить, что, поскольку кольцо с отрицательной скрученностью легче сдвинуть вниз, вероятность его коллапса снижается. И наоборот, кольцо с положительной скрученностью будет труднее надавить; следовательно, кольцо будет с большей вероятностью разрушиться в радиальном направлении внутрь, поскольку давление над кольцом может стать выше. Таким образом, конфигурация с положительным статическим скручиванием имеет тенденцию к увеличению силы давления, удерживающей второе кольцо вниз, и обеспечения устойчивости второго кольца. Это кольцо с положительной закруткой также более подвержено разрушению.Напротив, конфигурация с отрицательной статической закруткой будет способствовать дрожанию кольца. Однако радиальное разрушение кольца менее подвержено возникновению.
Когда второе кольцо трепещет или сжимается, прорыв, как правило, выше. Это связано с тем, что кольцо не закрывает газы, и газы проходят мимо кольца. Хотя это может вызвать сильный прорыв, давление на второй площадке будет очень низким. Это предотвратит обратную продувку, которая способствует расходу масла. Дополнительные дискуссии о динамике кольцевых пакетов можно найти в [17, 18, 19, 20].
В настоящее время исследователи из отрасли и академических кругов разрабатывают трехмерную (3D) модель динамики кольцевого уплотнения, чтобы уловить изменение по окружности кольца с учетом деформации внутреннего диаметра гильзы цилиндра. Кроме того, влияние вторичного движения поршня также может быть реализовано для лучшего понимания поведения кольцевого уплотнения. Это позволит уловить поток газа в окружном направлении, на что современные коммерческие двухмерные (2D) модели не способны.В результате динамика колец, расход масла, трение и износ пакета колец могут быть лучше смоделированы и поняты для руководства при проектировании. Следующий раздел представляет собой введение в работу по 3D-моделированию кольцевой упаковки.
Двухмерная модель динамики пакета колец до сих пор широко используется в автомобилестроении и тяжелой промышленности при разработке продукции, учитывая опыт и надежность, основанные на этом подходе. Некоторые меры по улучшению включают реализацию модели износа на торце и стороне кольца на основе различного механизма износа, модели расхода масла из-за испарения масла, выброса масла, возврата масла в зону сгорания и т. Д.Кроме того, трехмерные модели динамики кольцевых упаковок разрабатываются с использованием различных подходов, включая полное МКЭ с шестигранным элементом, дискретизацию кольца с использованием пространственных балочных элементов и т. Д. С разным успехом. Подход с использованием 3D-модели будет обсуждаться более подробно в следующем разделе.
3. Взаимодействие между кольцом, канавкой поршня и гильзой цилиндра
При разработке системы силового цилиндра двигателя использование инструмента CAE стало стандартным подходом к проектированию и оптимизации системы.Традиционные инструменты CAE являются двумерными (2D), которые учитывают движение кольца вдоль оси цилиндра и скручивание. Однако предполагается, что отклонение по окружности кольца одинаковое. Требование лучшего понимания системы силового цилиндра требует трехмерных (3D) инструментов CAE для моделирования изменений по окружности кольца. Исследователи приступили к 3D-моделированию. Одним из вариантов по окружности кольца является контактное давление между поверхностью кольца и границей отверстия цилиндра, а также поверхностью кольца и стороной канавки поршня.Взаимодействия обсуждаются в этом разделе.
3.1. Контакт кольцо-отверстие цилиндра
Когда кольцо в свободном состоянии устанавливается в гильзу цилиндра, кольцо ограничивается на своей передней поверхности стенкой цилиндра. Необходимо отслеживать каждую точку на передней поверхности кольца, контактирует ли она со стенкой цилиндра или нет. Однако из-за времени и ресурсов вычислений это невозможно с существующим средством вычислений. И самое главное, как распределяется контактная сила / давление по окружности кольца.Таким образом, в этом сечении кольцо ограничено 13 различными точками поперечного сечения по окружности [21, 22, 23]. Конформность кольца моделируется методом конечных элементов (МКЭ) [24, 25] для кольца сжатия трапецеидального искажения. Подход к решению проблемы основан на оптимизации на основе метода штрафов, которая минимизирует энергию деформации поршневого кольца [26, 27, 28, 29, 30].
Как показано на Рисунке 13, среднее ограничение находится на задней стороне кольца (напротив кольцевого зазора) передней поверхности.Остальные ограничения симметричны по отношению к задней части кольца и распределяются с шагом около 30 °. Кольцевая сетка произвольной формы и деформированная кольцевая сетка без температурной компенсации показаны на Рис. 13.
Рис. 13.
Кольцевые сетки произвольной формы и деформированные.
Зеленая сетка, показанная на Рисунке 13, представляет кольцо произвольной формы, а красная сетка представляет форму деформированного кольца под ограничениями внутреннего диаметра цилиндра без температурной компенсации. Очевидно, что кольцо из свободного состояния выталкивается внутрь.Силы ограничения, которые толкают кольцо в его деформированное положение, показаны на рисунке 14. Синие и красные полосы представляют собой силы ограничения в определенном месте окружности в верхнем и нижнем углах на поверхности кольца. Зеленые и пурпурные точки показывают разделительные зазоры между поверхностью кольца и отверстием цилиндра.
Рисунок 14.
Ограничивающая сила и разделительный зазор.
Из рисунка 14 видно, что две контактные силы при одном и том же поперечном сечении идентичны, поскольку кольцо имеет симметричное поперечное сечение и на кольце отсутствует крутящий момент.График также показывает, что сила сдерживания на заднем кольце максимальна. В поперечных сечениях примерно 30 ° от задней части кольца наименьшие силы ограничения обнаруживаются для участков, которые контактируют со стенкой цилиндра. Силы связи на концах колец исчезают, так что кольцо отделяется от стенки цилиндра на его передней поверхности на двух концах. Разделительный зазор определяется как радиальное расстояние между внутренним диаметром стенки цилиндра и наружным диаметром наконечника кольца. Разделительный зазор 34 мкм обнаружен для этого конкретного кольца из модели FEA.
3.2. Результат бокового контакта кольцевого цилиндра и канавки
В этом разделе приведен другой пример бокового контакта кольцевого цилиндра с канавкой и расточкой с использованием скребкового кольца с положительной статической скручиванием. Скребковое кольцо имеет коническую поверхность и срезается во внутреннем верхнем углу кольца, что способствует положительному скручиванию при установке кольца в канавку поршня. Поперечное сечение скребкового кольца показано на рисунке 15.
Рисунок 15.
Ограничения на поперечное сечение кольца.
Из рисунка 15, четыре узла поперечного сечения в заданном месте окружности рассматриваются для взаимодействия со стороны канавки кольца и поршня и пронумерованы как узел 1, узел 2, узел 3 и узел 4, как показано. Эти четыре узла ограничены канавкой в осевом направлении. Это означает, что узлы 1 и 2 должны оставаться в контакте или выше нижней стороны канавки, а узлы 3 и 4 должны оставаться в контакте или ниже верхней стороны канавки. Два узла на передней поверхности кольца ограничены отверстием цилиндра в радиальном направлении на верхней и нижней кромках передней грани соответственно.Канавка имеет нулевые углы на верхней и нижней сторонах. Номинальный зазор между канавкой и осевой толщиной кольца составляет 0,1 мм.
Основные параметры, описывающие кольцо, приведены в таблице 3.
| Материал кольца | Сталь |
|---|---|
| Модуль упругости | 200,0 ГПа |
| Коэффициент Пуассона 906 | |
| Диаметр цилиндра | 108.0 мм |
| Коэффициент теплового расширения | 13.0E ‐ 6 / ° C |
| Теплопроводность | 45 Вт / м K |
| Кольцевой / газоконвективный коэффициент | 25 Вт / м 2 K |
| Коэффициент конвекции кольца / масляной пленки | 100 Вт / м 2 K |
Таблица 3.
Основные параметры кольца.
Места ограничения по окружности кольца расположены на одинаковом расстоянии примерно 30 ° от одного торца к другому.Обнаружено, что количество ограничительных положений может отражать схему распределения силы контакта / давления на стороне кольца / гильзы цилиндра / канавки, а также экономить время расчета. Увеличение количества ограничивающих местоположений приведет к экспоненциальному увеличению времени вычисления, в то время как уменьшение ограничивающих местоположений может привести к тому, что схема контактного усилия / давления не сможет быть хорошо представлена.
Форма деформированного кольца показана на рис. 16 после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.Смещение в направлении z (осевое направление) усиливается в 100 раз, чтобы отчетливо проиллюстрировать деформацию кольца.
Рисунок 16.
Деформированная форма кольца после установки в гильзу цилиндра и канавку поршня.
В этом случае задняя часть кольца и торцы кольца соприкасаются с нижней стороной канавки, а кольцо касается верхней стороны канавки под углом примерно 60 ° от торцевого зазора (120 ° от задней стороны кольца). Сдерживающие силы между кольцом и сторонами канавки поршня важны, поскольку они определяют форму контакта, которая в конечном итоге повлияет на боковой износ кольцевой канавки.Более подробную информацию о взаимодействии кольца, гильзы цилиндра и канавки поршня можно найти в работах. [22, 23].
В конечном итоге, взаимодействие между поверхностью раздела торца кольца и отверстия гильзы и границей раздела стороны кольца и стороны канавки поршня используется для моделирования износа между ними [17], а также динамики пакета колец, которая сильно влияет на расход моторного масла, чтобы дополнительно оптимизировать конструкцию кольцевого пакета и силового цилиндра и повысить долговечность подсистемы.
Понимание принципов работы двигателей внутреннего сгорания
Презентация на тему: «Понимание принципов работы двигателей внутреннего сгорания» — стенограмма презентации:
1 Понимание принципов работы двигателей внутреннего сгорания
Обзор
2 Двигатели внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, которое преобразует энергию, содержащуюся в топливе, в мощность вращения. Различные части расположены внутри блока цилиндров.
3 4 Части блока цилиндров
Цилиндр — часть блока цилиндров, в которой происходит сгорание Поршень — плунжер с кольцами, которые прилегают к внутренним стенкам цилиндра и предотвращают утечку воздуха мимо. Крепится пальцем. Шатун — соединяется. Поршень к коленчатому валу Коленчатый вал — вал со смещениями, к которым крепятся шатуны
4 Диаметр цилиндра и ход цилиндра
5 Коленчатый вал в сборе
6 Двигатель внутреннего сгорания — События
Двигатель внутреннего сгорания работает по принципу цикла Цикл представляет собой серию событий, которые повторяются снова и снова. Четыре хода составляют цикл: Впускное сжатие Мощность Выпуск
7 Двигатель внутреннего сгорания — События
Впуск Получите топливо и воздух, необходимые для сгорания. Выпускной клапан остается закрытым, а впускной клапан открыт. Сжатие. Сжать топливно-воздушную смесь, чтобы обеспечить сгорание. Впускной и выпускной клапаны закрыты.Мощность Зажигает топливно-воздушную смесь и преобразует химическую энергию в механическую энергию. Топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания. Выхлоп Удалите отработанные продукты сгорания. Выпускные клапаны открываются, и отработанные газы вытесняются из цилиндра.
9 Различия между четырехтактными и двухтактными двигателями 4-тактный двигатель
имеет серию из 4 событий, которые должны быть выполнены в течение цикла 2-тактный двигатель выполняет ту же серию из 4 событий за 2 такта
11 Обзор / Резюме Что такое двигатель внутреннего сгорания? Каковы его основные части? Опишите четыре события двигателя внутреннего сгорания.Объясните разницу между четырехтактным и двухтактным двигателями внутреннего сгорания.
PPT — Презентация PowerPoint по двигателям внутреннего сгорания, скачать бесплатно
Двигатели внутреннего сгорания Power & Energy 3201
Outline • Двигатели внутреннего сгорания • Типы движения • Четырехтактные двигатели • Двухтактные двигатели • Двухтактные двигатели Роторные двигатели • Дизельные двигатели
Двигатель внутреннего сгорания • Тепловые двигатели внутреннего сгорания • Это категория двигателей, которые сжигают внутреннее топливо для выработки энергии.
Типы движения • Двигатели внутреннего сгорания создают механическое движение одним из трех способов: 1. Возвратно-поступательное движение • Возвратно-поступательное движение. Пример: поршневые двигатели 2. Вращение • Вращательное движение. Пример: Турбины и роторные двигатели 3. Линейное • Движение по прямой. Пример: реактивный двигатель / ракеты и картофельный пистолет.
Бензиновые поршневые двигатели • Есть два типа бензиновых поршневых двигателей: 1. Четырехтактный цикл 2. Двухтактный цикл
Бензиновые поршневые двигатели • Ход — движение поршня сверху цилиндр ко дну.• Цикл — полный набор движений поршня, необходимых для выполнения рабочего хода.
Бензиновые поршневые двигатели • Оба работают с поршнем, перемещающимся вверх и вниз в цилиндре. • Разница заключается в количестве ходов каждого поршня за цикл двигателя.
История • Принцип четырехтактного двигателя был разработан в 1862 году французским Бо де Роша. • Первый четырехтактный двигатель был построен в 1876 году немецким инженером-механиком Николасом Отто (цикл Отто).
История • В 1893 году два американских брата по имени Дурья построили и эксплуатировали первый бензиновый автомобиль.
Четырехтактные бензиновые двигатели • В четырехтактных двигателях имеется четыре отдельных хода поршня: 1. Впуск 2. Сжатие 3. Мощность 4. Выпуск
Принцип работы четырехтактного двигателя • Ход впуска • впускной клапан открывается. • Поршень движется вниз по цилиндру, создавая частичный вакуум.• Смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр через впускной клапан.
Принцип работы четырехтактного двигателя • Ход сжатия • Когда поршень достигает НМТ, оба клапана закрываются. • Это герметизирует цилиндр и предотвращает утечку топливовоздушной смеси. • Поршень начинает двигаться вверх по цилиндру и сжимает смесь.
Принцип работы четырехтактного двигателя • Рабочий ход • Поршень поднимается, пока не достигнет ВМТ.• В этот момент свеча зажигания создает искру высокого напряжения.
Принцип работы четырехтактного двигателя • Рабочий ход • Эта искра вызывает воспламенение и быстрое горение смеси сжатого воздуха и топлива. • Сила этого сдерживаемого взрыва заставляет поршень опускаться в цилиндре, производя энергию.
Принцип работы четырехтактного двигателя • Такт выпуска • Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается. • Когда поршень поднимается обратно, он выталкивает сгоревшие газы из выпускного клапана.
Принцип работы четырехтактного двигателя • Такт выпуска • После завершения такта выпуска все четыре такта работы начинаются заново.
Принципы работы четырехтактного двигателя • Видео о четырехтактном двигателе • Основы четырехтактного двигателя
Двухтактные бензиновые двигатели • Двухтактные двигатели работают по тем же основным принципам работы, что и четырехтактный двигатель. • Однако он завершает такты впуска, сжатия, увеличения мощности и выпуска всего за два движения поршня вместо четырех.
Двухтактные бензиновые двигатели • Каждый раз, когда поршень перемещается вверх, он завершает такт впуска и сжатия. • Каждый раз, когда поршень движется вниз, он завершает рабочий ход и такт выпуска.
Принцип работы двухтактного двигателя • Ход всасывания / сжатия • Когда поршень движется вверх по цилиндру, впускные и выпускные отверстия закрываются. • Смесь воздух / топливо / масло над поршнем сжимается.
Принцип работы двухтактного двигателя • Ход впуска / сжатия • В то же время новая смесь воздуха / топлива / масла всасывается в картер двигателя через пластинчатый клапан, соединенный с карбюратором.
Принцип действия двухтактного двигателя • Ход всасывания / сжатия • Герконовый клапан — это специальный клапан, который позволяет воздуху / топливу / маслу двигаться только в одном направлении.
Принцип работы двухтактного двигателя • Ход поршня / выхлопа • В верхней части хода свеча зажигания воспламеняет сжатую смесь. • Горение смеси толкает поршень вниз, производя энергию.
Принцип работы двухтактного двигателя • Ход поршня / выхлопа • Движение поршня вниз создает давление в смеси воздух / топливо / масло в картере и заставляет пластинчатый клапан закрыться.
Принцип работы двухтактного двигателя • Ход мощности / выпуска • Когда поршень достигает НМТ, впускные и выпускные отверстия открываются. • Выхлопные газы выводятся из двигателя, и в то же время смесь воздуха / топлива / масла нагнетается в цилиндр через впускной канал.
Принцип действия двухтактного двигателя • Мощность / ход выхлопа • Приток воздуха / топлива / масла в цилиндр помогает вытолкнуть выхлопной газ и готов к сжатию за счет движения поршня вверх.• Теперь цикл начинается снова.
Видео с двухтактным двигателем
Преимущества двухтактного двигателя • Преимущества • Требуется меньше движущихся частей для достижения той же мощности, что и у четырехтактных двигателей. • Дешевле в обслуживании, чем четырехтактные двигатели. • Меньше и проще по конструкции, чем четырехтактные двигатели. • Может работать в любой ориентации.
Недостатки двухтактного двигателя • Недостатки • Менее топливная экономичность, чем у четырехтактного.• Более быстрый износ движущихся частей двигателя. • Более загрязняет окружающую среду, чем четырехтактные двигатели, поскольку вместе с топливно-воздушной смесью сжигается масло.
Роторный двигатель (Ванкеля) • Разработан в 1958 году немецким ученым Феликсом Ванкелем. • В двигателях Ванкеля не используются поршни.
Двигатель Ванкеля • В двигателе Ванкеля используется ротор треугольной формы, расположенный в цилиндре овальной формы. • Когда ротор вращается, он перемещается вокруг цилиндра, выполняя четыре основных функции для создания рабочего хода.
Принцип работы двигателя Ванкеля • Ход всасывания • Выработка мощности начинается с ротора в точке A. • Впускное отверстие открыто, позволяя новой топливно-воздушной смеси попасть в камеру сгорания.
Принцип работы двигателя Ванкеля • Ход сжатия • По мере вращения ротора камера сгорания уменьшается в размере, сжимая смесь.
Принцип работы двигателя Ванкеля • Рабочий ход • В самой высокой точке сжатия воздух / топливо воспламеняются.• Горячие расширяющиеся газы толкают ротор, заставляя его вращаться.
Принципы работы двигателя Ванкеля • Ход выхлопа • Продолжающееся вращение ротора открывает выхлопное отверстие, позволяя выхлопным газам выходить. • Цикл затем повторяется, когда новая топливно-воздушная смесь попадает в камеру сгорания.
Преимущества двигателя Ванкеля • Преимущества • Меньшая вибрация по сравнению с двигателями с поршневым приводом. • Двухроторный двигатель такой же мощный, как шестицилиндровый поршневой двигатель.• Выходную мощность можно увеличить, добавив к двигателю дополнительные роторы.
Двигатель Ванкеля Недостатки • Недостатки • Уплотнение ротора в цилиндре нестандартной формы очень сложно и требует дорогостоящего обслуживания. • Стоимость строительства этого двигателя высока. • Нехватка квалифицированных механиков для обслуживания этого типа двигателя.
Дизельные двигатели • Этот двигатель был изобретен в 1892 году немецким инженером-механиком по имени Рудольф Дизель.• Сначала этот двигатель был известен как двигатель сжатия, но позже был назван Дизельным в честь своего изобретателя.
Дизельные двигатели • Дизели бывают двухтактными и четырехтактными и работают так же, как двигатели с бензиновым приводом. • Дизели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые. • Дизель 16: 1 — 23: 1 • Бензин 6: 1 — 12: 1
Дизельный двигатель Принципы работы • Ход впуска • Впускной клапан открывается. • Поршень движется вниз.• Только воздух втягивается в цилиндр или закачивается с помощью турбонагнетателя (вентилятора).
Дизельный двигатель Принципы работы • Ход сжатия • Движение поршня вверх сжимает воздух, повышая температуру примерно до 538 градусов Цельсия.
Дизельный двигатель Принципы работы • Рабочий ход • Когда поршень достигает вершины, топливо впрыскивается в нужный момент и воспламеняется от тепла, заставляя поршень опускаться обратно.
Дизельный двигатель Принципы работы • Такт выпуска • Поршень перемещается назад вверх и выталкивает сгоревшие газы из выпускного клапана или порта.
Дизель VS Бензиновые двигатели • Другой вид топлива (Дизельное топливо). • Дизельные двигатели работают с гораздо более высокой степенью сжатия. • В дизельных двигателях свечи зажигания не используются. • Свечи накаливания используются для запуска двигателей в очень холодные дни.
Преимущества дизельного двигателя • Преимущества • Большая экономия топлива (на 25% эффективнее бензиновых двигателей).• Производит больше мощности. • Требуется меньше обслуживания.
Дизельный двигатель Недостатки • Недостатки • Должен быть более тяжелым, чтобы выдерживать более высокие давления. • Нехватка квалифицированных механиков в некоторых областях.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ —
1. Прочтите и переведите текст:
Внутреннее сгорание — это процесс сжигания топлива в двигателе. Топливо горит в двигателе и создает силы.Эти силы обеспечивают мощность двигателя. Двигатели внутреннего сгорания имеют неподвижные, вращающиеся и возвратно-поступательные части.
Детали стационарного двигателя . К неподвижным частям двигателя относятся блок цилиндров, картер и головка блока цилиндров. Блок цилиндров — одна из основных частей двигателя. Процесс сгорания происходит внутри цилиндров. Тракторные двигатели имеют несколько цилиндров. Картер двигателя является частью цилиндра. Он поддерживает коленчатый и распределительный валы и удерживает смазочное масло рядом с деталями двигателя.Головки цилиндров закрывают цилиндры. Цилиндры и головки цилиндров образуют камеры сгорания. Сжигание топлива происходит внутри камер сгорания.
Детали роторного двигателя . Части вращающегося двигателя — коленчатый вал, маховик и распределительный вал. Коленчатый вал меняет возвратно-поступательное движение поршней на вращательное. Распределительный вал открывает клапаны двигателя.
2. Заполните промежутки соответствующими словами (головка блока цилиндров, распредвал, прожиг, картер, коленчатый вал, блок цилиндров) :
1.Изменяет возвратно-поступательное движение поршней на вращательное. 2. Открывает клапаны двигателя. 3. Это одна из основных частей двигателя. 4. Цилиндр и форма камеры сгорания. 5. Держит смазочное масло рядом с деталями двигателя. 6. Топливо происходит внутри камер сгорания.
3. Составьте предложения со словами и переведите на английский язык:
Внутри горит топливо, цилиндр.2. Коленчатый вал, ход, поршни. 3. Картер двигателя является частью двигателя. 4. Учимся, двигатель. 5. Имеет место сгорание, камера, в, горение, процесс, оф.
4. Поместите отмеченные слова во множественное число и внесите изменения. Перевести на украинский:
a) 1. Коленчатые валы изменяют ход. 2. Картеры опоры коленвалов. 3. Эти силы обеспечивают мощность. 4. Эти являются деталями двигателя.5. Поршни перемещаются внутри цилиндров . 6. Изучают двигатель внутреннего сгорания.
б) Задайте общий вопрос по предложениям 1–4.
c) Задайте вопрос к выделенным словам в предложениях 5-6.
5. Ответьте на вопросы:
1. Какой процесс происходит в двигателе внутреннего сгорания? 2. Что дает сжигание топлива? 3.Какие основные части двигателя внутреннего сгорания? 4. Что такое стационарные части двигателя? 5. Что поддерживает картер? 6. Каковы функции головок цилиндров? 7. Из чего образуются цилиндры и головки цилиндров? 8. Где происходит сжигание топлива? 9. Какие части роторного двигателя? 10. Для чего нужен коленчатый вал? 11. Что открывает распредвал?
БЛОК 5
:
- ДВИГАТЕЛИ
- Процесс сгорания
Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя
Двигатель внутреннего сгорания назван так потому, что топливо сжигается непосредственно внутри самого двигателя.Большинство автомобильных двигателей работают по 4-тактному циклу. Цикл — это одна полная последовательность из 4 ходов поршня в цилиндре. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя включает: такт впуска (впускной клапан открывается), такт сжатия (оба клапана закрыты), рабочий ход (оба клапана закрыты), такт выпуска (выпускной клапан открыт).
Чтобы описать полный цикл, предположим, что поршень находится в верхней части хода (верхняя мертвая точка), а впускной и выпускной клапаны закрыты.Когда поршень движется вниз, впускной клапан открывается и всасывает топливо в цилиндр. Это называется тактом впуска (впуска). При достижении самого низкого положения (нижней мертвой точки) поршень начинает двигаться вверх в закрытую верхнюю часть цилиндра (впускной клапан закрывается, и смесь сжимается поднимающимся поршнем. Это называется тактом сжатия. поршень снова достигает верхней мертвой точки, свечи зажигания воспламеняют смесь, при этом оба клапана закрываются во время ее сгорания.В результате горения смеси оба клапана закрываются при ее сгорании. В результате горения смесей газы расширяются, и большое давление заставляет поршень двигаться обратно по цилиндру. Этот ход называется рабочим ходом. Когда поршень достигает нижней точки своего хода, выпускной клапан открывается, давление сбрасывается, и поршень снова поднимается. Он пропускает сгоревший газ через выпускной клапан в атмосферу. Это называется тактом выпуска, который завершает цикл.Таким образом, поршень движется в цилиндре вниз (ход впуска), вверх (ход сжатия), вниз (рабочий ход), вверх (ход на выпуске).
Тепло, выделяемое топливом, преобразуется в работу, так что возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством шатунов.
| 1 — впуск 2 — компрессия 3 — мощность 4 — выпуск . 1. Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя. |
Сцепление
Муфта — фрикционное устройство.Он соединяет двигатель с шестернями в коробке передач. Он используется для отключения двигателя от коробки передач, для запуска автомобиля и снятия двигателя с колес автомобиля.
Муфта закреплена между маховиком двигателя и шестерней коробки и состоит из двух пластин (дисков): фрикционного диска и нажимного диска. Фрикционный диск расположен между маховиком и нажимным диском и имеет износостойкий материал с каждой стороны.
Основная основная работа сцепления — сила трения, действующая между двумя дисками. Сцепление управляется педалью сцепления. Когда педаль находится в состоянии покоя, сцепление включено, и работающий двигатель соединен с коробкой передач. Когда педаль нажата, сцепление выключается, и двигатель работает на холостом ходу.
Тормоза
Тормоза используются для замедления или остановки автомобиля там, где это необходимо. Это один из важнейших механизмов автомобиля по состоянию на его собственный
.зависит безопасность пассажиров.Автомобильные тормоза можно разделить на два типа, а именно: барабанные и дисковые. Барабанный тип может быть либо ленточным, либо колодочным. В зависимости от функции автомобиль имеет ножной тормоз и ручной тормоз (стояночный тормоз). По принципу действия тормоза классифицируются как: механические тормоза, гидравлические тормоза, воздушные тормоза, электрические тормоза. Тормоза управляются педалью тормоза.
Большинство используемых сегодня тормозных систем — гидравлические. Эта система состоит из главного цилиндра, установленного на раме автомобиля, и колесных цилиндров.Когда водитель нажимает на педаль тормоза, поршень перемещается в главном цилиндре, и тормозная жидкость подается от 11 к колесным цилиндрам. Движение поршня заставляет тормозные колодки двигаться и тормозить (тормозные колодки прижимаются к тормозным барабанам).
Пневматический тормоз использует сжатый воздух для приложения тормозного усилия к тормозным колодкам.
В электрических тормозах используются электромагниты для обеспечения тормозного усилия тормозных колодок.
Раньше тормоза применялись только на двух задних колесах, но теперь все автомобили оснащены тормозами на все колеса. Сегодня много доработок проводится в тормозах.
. 3. Тормозная система