Движение поршня: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Зачем инженеры возвращают встречные поршни — ДРАЙВ

Недавнее известие о том, что миллиардер Билл Гейтс и инвестиционная фирма Khosla Ventures решили вложить миллионы в компанию EcoMotors, проектирующую двигатели со встречным движением поршней, заставило нас детально рассмотреть заокеанскую разработку. У подобных моторов давняя история, но широкого распространения они не получили, во всяком случае на автомобильном транспорте. EcoMotors придала, казалось бы, известному блюду новый вкус.

Свой двигатель с двумя оппозитными цилиндрами, в каждом из которых работает по два встречных поршня, EcoMotors назвала незамысловато — OPOC, что значит Opposed Piston Opposed Cylinder — «оппозитные поршни, оппозитные цилиндры». В принципе, по такой схеме может работать как бензиновый мотор (или ДВС, потребляющий спирт), так и дизельный, но пока компания сосредоточила усилия на втором варианте.

Первый двигатель типа OPOC — дизельную модель EM100 (число означает диаметр цилиндров в миллиметрах) американская компания впервые показала общественности весной 2010 года.

По информации EcoMotors, весит агрегат 134 кг, размеры его составляют 58 (длина) х 105 (ширина) х 47 (высота) см, развивает он мощность 325 лошадиных сил и выдаёт крутящий момент 900 Н•м.

Двигатель OPOC — двухтактный, так что за один оборот коленчатого вала встречные поршни каждого из цилиндров совершают рабочий ход. При движении к своим мёртвым точкам они открывают окна в стенках цилиндров. Причём один из поршней заведует впуском, второй — выпуском. На рисунке ниже их легко распознать по цветам — синему и красному соответственно. При этом окна расположены так, что выпускное открывается чуть раньше впускного и закрывается также раньше. Это важно для хорошего газообмена.

Ключевые компоненты OPOC, вид сверху и спереди. Обратите внимание на несимметричное расположение впускных и выпускных патрубков относительно коленвала.

Устранение головок цилиндров, клапанов и механизма их привода упростило мотор, сделало его легче, снизило потери на трение и даже расход масла (по оценке компании, вдвое против обычного дизеля). Но ведь такими преимуществами вроде бы могут похвастать и другие двухтактные моторы со встречными поршнями?

Изюминка новинки в том, что все поршни в ней соединены с единственным центральным коленвалом, в то время как раньше схожие конструкции требовали двух коленчатых валов по краям движка. Соответственно, они были заметно крупнее и тяжелее, и неудивительно, что применение нашли в основном на тепловозах и судах. Ну а OPOC, схема работы которого представлена в ролике ниже, нацелен на куда более широкий спектр машин.

Как любой двухтактник, OPOC нуждается во внешнем устройстве, которое продувало бы цилиндры в момент открытия окон. В рассматриваемом случае конструкторы решили возложить эту обязанность на турбонаддув. Но очевидно, он не поможет при запуске мотора, а сами цилиндры «вдохнуть» и «выдохнуть» не способны.

Решение опять же нашлось в давней идее, которую ряд компаний обкатывал, но до ума никто так и не довёл. На вал классической турбинки инженеры поставили электродвигатель. При запуске и до тех пор, пока ДВС не набрал обороты, этот моторчик получает энергию от батарей, обеспечивая «дыхание» OPOC. А далее мотор отключается, и турбонаддув превращается в самый обычный. Более того, на высоких оборотах, когда поток выхлопных газов велик, электромотор в турбине может превращаться в генератор, подпитывающий батареи машины.

Электрический турбонаддув — один из самых спорных элементов новинки. Для его раскрутки нужно приличное количество энергии, что приводит к необходимости ёмких и мощных батарей, а значит, удорожает конструкцию.

Новая схема, по утверждению её создателей, отличается очень хорошей продувкой цилиндров, а потому позволяет извлечь наибольшую выгоду из самого двухтактного цикла, теоретически позволяющего достичь вдвое большей литровой мощности двигателя, по сравнению с четырёхтактным. Хотя на практике такого показателя ещё не достигалось. Система OPOC обладает рядом иных любопытных особенностей.

При новой конфигурации для того, чтобы обеспечить заданный рабочий объём, каждому из поршней за один ход требуется пройти вдвое меньшее расстояние. Это означает и меньшую скорость движения при фиксированных оборотах, следовательно, и меньшие потери на трение. Всеми этими особенностями двигатель OPOC обязан в первую очередь Петеру Хофбауэру. Основатель, председатель и технический директор EcoMotors ранее много лет возглавлял разработку перспективных двигателей в компании Volkswagen. К примеру, на его счету смещённо-рядный мотор VR6 с малым (15 градусов) углом развала цилиндров. И хотя фирма EcoMotors была основана в 2008 году, сам Хофбауэр начал размышлять над OPOC на несколько лет раньше.

Идея Петера Хофбауэра хотя сама по себе и свежа, но корнями уходит в 1930-е годы. Отправной точкой его изысканиям послужили созданный Гуго Юнкерсом авиационный дизель со встречными поршнями Junkers JUMO 205 (вверху) и бензиновые «оппозитники» Фердинанда Порше (внизу), в числе которых мотор автомобиля, получившего после войны всемирную известность под именем «Жук». Фактически Хофбауэр скрестил эти две конструкции.

Компания сообщает, что OPOC в дизельном варианте на 30–50% легче, чем обычный турбодизель той же мощности, содержит на 50% меньше деталей, занимает в два-четыре раза меньше места под капотом и при этом может быть (при определённых условиях) на 45–50% экономичнее. Последняя цифра вызывает у специалистов самые большие сомнения, однако, даже если выигрыш в расходе преувеличен, основания для оптимистичных заявлений у EcoMotors имеются. Первый образец ДВС OPOC, по утверждению фирмы, провёл на динамометрическом стенде свыше 500 часов. Можно констатировать, что схема работает. С характеристиками дело обстоит не так однозначно. Модель EM100, которую ныне испытывают инженеры, выдаёт заявленные параметры по мощности и крутящему моменту только при настройках, не учитывающих токсичность выхлопа. Такую версию OPOC компания предлагает ставить на военную технику, для которой отношение отдачи к весу важнее прочего.

Для обычного транспорта EcoMotors предлагает настраивать те же движки несколько иначе: на 300 л.с. и 746 Н•м. Улучшение экономичности против обычных дизелей в таком случае обещано «всего» 15-процентное, но и оно выглядит огромным шагом вперёд, так как обычно компании борются за каждый процент. Дальнейшая экономия возможна при объединении пары таких моторов в четырёхцилиндровый агрегат. То, что раньше было самостоятельным мотором, превращается в модуль. Между ними EcoMotors намерена ставить управляемую электроникой муфту. При малой нагрузке, мол, будет работать только один модуль, при большой — подключится второй. А так как OPOC хорошо уравновешен, все действующие силы тут компенсируют друг друга и мотор отличается минимумом вибраций, то и активация «спящей» половинки в любой момент пройдёт гладко.

Замысел этот похож на известное отключение цилиндров в больших V-образных двигателях. Вот только там «холостые» поршни всё равно продолжают движение вверх-вниз, здесь же половина мотора останавливается полностью, а вторая продолжает трудиться в выгодном режиме. Кроме того, в такой бинарной схеме инженеры предлагают ещё немного снизить предельную отдачу каждого модуля — до 240 «лошадок» (480 будет развивать весь агрегат). По соотношению мощности и веса это всё ещё будет очень достойный мотор, причём, мол, удастся добиться максимальной экономии горючего (тех самых 45%) и соответствия самым строгим нормам по токсичности выхлопа, уверяют разработчики.

Пока OPOC — система сырая, а её конструкторы больше раздают обещания. Но они оптимисты и приступили к расширению линейки. На чертежах уже вырисовывается 75-сильный двухцилиндровый мотор EM65 чуть меньшего размера и массы, чем EM100. Его, кстати, хотят перевести на бензин. Сферы же применения EM65 вполне очевидны: лёгкие грузовики и легковушки, в том числе гибриды. Определённым залогом, но не стопроцентной гарантией успеха экзотического ДВС является репутация его главного конструктора: Петер отдал Фольксвагену 20 лет жизни. И удивительно ли, к слову, что его нынешняя работа перекликается с проектами Порше, стоявшего у истоков знаменитой немецкой марки?

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

 

 

Для того, чтобы понять принцип работы ГРМ, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:

 

 

 

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.

Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).

Первый такт — такт впуска

 

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия

 

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход

 

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

 

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.
 

Газораспределительный механизм

 

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.

Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.

Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.
 

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.

Устройство КШМ

Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Шатун

Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Коленчатый вал

Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в восприятии усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.

Маховик

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок и головка цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Двигатели будущего: чувство такта — журнал За рулем

Умы изобретателей неустанно рождают альтернативные конструкции традиционных агрегатов. Чаще всего это один из главных узлов автомобиля — двигатель. Отделим реальность от утопии?

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

У OPOC единый коленвал в центре двигателя. Сделать мотор легче и компактнее, отказавшись от второго коленвала, позволила оригинальная компоновка шатунов. За открытие впускных и выпускных окон в стенках цилиндров отвечают сами поршни.

Все схемы открываются в полный размер по клику.

ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ

Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», — два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) — встречные поршни, встречные цилиндры.

Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго — выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.

В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC — турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант — с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два — четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире — двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».

Мотор OPOC — образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело — тут позиции двухтактников традиционно слабы.

РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

В двигателе Кармело Скудери классические четыре такта распределены между двумя цилиндрами: впуск и сжатие происходят в одном, а рабочий ход и выпуск — в другом.

Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй — за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC — Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.

Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси — например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр — это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится… Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.

Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух — своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.

МОЩНОСТЬ ИЗ ВОЗДУХА

Лино Гуззелло использовал для улучшения характеристик двигателя рекуперацию воздуха. Он аккумулируется в дополнительном резервуаре, связанном с двигателем.

Лино Гуззелло использовал для улучшения характеристик двигателя рекуперацию воздуха. Он аккумулируется в дополнительном резервуаре, связанном с двигателем.

Лино Гуззелло использовал для улучшения характеристик двигателя рекуперацию воздуха. Он аккумулируется в дополнительном резервуаре, связанном с двигателем.

Профессор Лино Гуззелла также использовал идею накопления сжатого воздуха в отдельном резервуаре: один из клапанов открывает путь от баллона к камере сгорания. В остальном это обычный двигатель с турбонаддувом. Опытный образец построили на базе 0,75-литрового двигателя, предложив его как замену… 2-литровому атмосферному мотору.

Разработчик для оценки эффективности своего творения предпочитает сравнивать его с гибридными силовыми агрегатами. Причем при схожей экономии топлива (около 33%) конструкция Гуззеллы удорожает мотор всего лишь на 20% — сложная бензоэлектрическая установка обходится почти в десять раз дороже. Однако в тестовом образце топливо экономится не столько за счет наддува из баллона, сколько благодаря малому рабочему объему самого двигателя. Но перспективы у сжатого воздуха в работе обычного ДВС все же есть: его можно использовать для пуска мотора в режиме «старт-стоп» или для движения автомобиля на малых скоростях.

КРУТИТСЯ, ВЕРТИТСЯ ШАР…

Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.

Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот — два рабочих цикла.

Устройство шарового двигателя со встроенным электромотором: 1 — приводная шестерня; 2 — статор электромотора; 3 — постоянные магниты; 4 — ротор электро- мотора; 5 — камера сгорания 1; 6 — шаровые направляющие поршней; 7 — коль- цевая направляющая для движения поршней; 8 — подшипник ротора; 9 — камера сгорания 2; 10 — свеча зажигания; 11 — отвод выхлопных газов; 12 — забор воздуха; 13 — выходной вал.

Устройство шарового двигателя со встроенным электромотором: 1 — приводная шестерня; 2 — статор электромотора; 3 — постоянные магниты; 4 — ротор электро- мотора; 5 — камера сгорания 1; 6 — шаровые направляющие поршней; 7 — коль- цевая направляющая для движения поршней; 8 — подшипник ротора; 9 — камера сгорания 2; 10 — свеча зажигания; 11 — отвод выхлопных газов; 12 — забор воздуха; 13 — выходной вал.

Устройство шарового двигателя со встроенным электромотором: 1 — приводная шестерня; 2 — статор электромотора; 3 — постоянные магниты; 4 — ротор электро- мотора; 5 — камера сгорания 1; 6 — шаровые направляющие поршней; 7 — коль- цевая направляющая для движения поршней; 8 — подшипник ротора; 9 — камера сгорания 2; 10 — свеча зажигания; 11 — отвод выхлопных газов; 12 — забор воздуха; 13 — выходной вал.

Первый показ шарового двигателя на Женевском автосалоне привлек всеобщее внимание. Концепция, безусловно, интересная — за работой 3D-модели можно наблюдать часами, пытаясь разобраться, как работает та или иная система. Однако за красивой идеей должно последовать воплощение в металле. А разработчик пока ни слова не говорит о хотя бы приблизительных значениях основных показателей агрегата — мощности, экономичности, экологичности. И, главное, о технологичности и надежности.

МОДНАЯ ТЕМА

Роторно-лопастной двигатель изобрели чуть меньше века назад. И, наверное, еще долго не вспоминали бы о нем, не появись амбициозный проект российского народного автомобиля. Под капотом «ё-мобиля» пусть и не сразу, но должен появиться именно роторно-лопастной двигатель, да еще в паре с электромотором.

Вкратце о его устройстве. На оси установлены два ротора с парой лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями — один догоняет другой, смесь между лопастями сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы на следующем круге «подтолкнуть» соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней — сжатие, затем против часовой стрелки — рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта.

Схемы роторно-лопастного двигателя.

Схемы роторно-лопастного двигателя.

Схемы роторно-лопастного двигателя.

Очевидные преимущества конструкции — компактность, легкость и хороший КПД. Однако есть и проблемы. Из них главная — точная синхронизация работы двух роторов. Задача эта непростая, а решение должно быть недорогим, иначе «ё-мобиль» никогда не станет народным.

Устройство двигателя. Принцип работы ДВС

Общее устройство ДВС:

Двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. б).

Схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания:

а — продольный вид, б — поперечный вид; 1 — головка цилиндра, 2 — кольцо,

3 — палец, 4 — поршень, 5 — цилиндр, 6 — картер, 7 — маховик, 8 — коленчатый вал,

9 — поддон, 10 — щека, 11 — шатунная шейка, 12 — коренной подшипник, 13 — коренная шейка,

14 — шатун, 15, 17- клапаны, 16 — форсунка

Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, следовательно, и с перемещением поршня.

Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю: верхней мертвой точкой (ВМТ), соответствующей наибольшему удалению поршня от вала (рис. б), и нижней мертвой точкой (НМТ), соответствующей наименьшему удалению его от вала.

Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска с массивным ободом.

Расстояние, проходимое поршнем, между мертвыми точками называется ходом поршня S, а расстояние между осями коренных и шатунных шеек — радиусом кривошипа R (рис. б). Ход поршня равен двум радиусам кривошипа: S = 2R. Объем, который описывает поршень за один ход, называется рабочим объемом цилиндра (Vh):

Vh = (πD²S) / 4

Объем над поршнем (Vc) в положении ВМТ (рис. а) и называется объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема цилиндра (Vh) и объема камеры сгорания (Vc) составляет полный объем цилиндра (Va):

Va = Vh + Vc

Отношение полного объема цилиндра (Va) к объему камеры сгорания (Vc) называется степенью сжатия (е):

е = Va / Vc

Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность.

 

Принцип работы ДВС:

Схема работы двигателя

Практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Такт впуска — впускается топливо-воздушная смесь
2. Такт сжатия — смесь сжимается и поджигается
3. Такт расширения — смесь сгорает и толкает поршень вниз
4. Такт выпуска — продукты горения выпускаются

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла, такт впуска.

Во время второго такта, такта сжатия, поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий такт, такт расширения — это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

Четвертый такт, такт выпуска, поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему. После этого цикл, начиная с первого такта, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания — элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600 градусов Цельсия. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Фоторепортаж о ходе работ по дефектоскопии газопровода-перемычки КС «Кубанская» — КС «Кореновская»

Фоторепортаж о ходе работ по дефектоскопии газопровода-перемычки КС «Кубанская» — КС «Кореновская»

• Описание
• Фотоальбом

25 апреля 2018, 15:02Проведена масштабная внутритрубная диагностика (ВТД) газопровода-перемычки КС «Кубанская» — КС «Кореновская». Специалисты Краснодарского ЛПУМГ совместно с подрядной организацией проверили 56 км трубопровода.
Тщательную диагностику внутреннего состояния трубопровода на этом участке проводили впервые. По новому газопроводу будут идти поставки газа для «Турецкого потока», и перед началом эксплуатации специалисты должны окончательно убедиться в отсутствии внутренних дефектов трубы и в ее целостности. Внутритрубную диагностику планово проводят на всем протяжении газовой магистрали.
Теплое и солнечное утро. Мы приехали на запуск четвертого дефектоскопа продольного намагничивания. Работы на этом участке проходили в четыре этапа и для каждого использовался отдельный поршень со своими особенностями. В первый день был запущен скребок очистной, который проверяет газопровод на проходимость, во второй день — профилометр рычажный трубный, определяющий геометрию трубы и наличие внутри нее вмятин. Третий поршень — магнитно-очистной, предназначен для очистки трубы от мусора. И наконец, на четвертый день пришло время запускать самый главный дефектоскоп продольного намагничивания, который выявляет даже самые мельчайшие дефекты внутри газопровода.
На месте камеры приема вблизи КС «Кубанская» нас встречает один из самых опытных специалистов линейных служб, начальник Кореновской ЛЭС Краснодарского ЛПУМГ.
Он вместе с бригадой рабочих с раннего утра занят подготовкой к внутритрубной диагностике. «Работаем быстро, слаженно. Каждый знает свой участок работ и оперативно реагирует. В 6:30 мы начинаем работу, в 8:20 дефектоскоп уже в трубе», — говорит Анатолий Васьков.

Первым к работе приступает автокран, который должен перенести поршень в лоток для запасовки диагностических поршней. Запасовкой называют процесс установки дефектоскопа в камеру запуска.

Рабочие аккуратно «цепляют» снаряд, и начальник ЛЭС дает команду на подъем поршня.
Водитель автокрана поднимает поршень и осторожно опускает его для предварительного осмотра.
Перед запуском — обязательный осмотр и приборная диагностика поршня.
Специалист подрядной организации подключает ноутбук к диагностическому поршню, проверяет все датчики, чтобы они были исправны, и активизирует все системы аппарата к работе.
Наконец, после получения положительного результата проверки, начинаются работы по запасовке поршня в камеру запуска.
На фото рабочие помещают поршень в специальный лоток.
Далее начинают готовить к открытию камеру запуска.
Перед открытием камеры запуска начальник ЛЭС проверяет на манометре, что газа в трубе нет, после этого приоткрывают крышку камеры.

Специалист проверяет загазованность в камере приема специальным прибором.
И когда прибор показывает загазованность меньше 1% уже можно окончательно открыть камеру приема.

Расстояние, пройденное поршнем внутри трубы, будут измерять одометрические колеса, которые расположены в хвостовой части прибора.

Начинается запасовка диагностического поршня в камеру запуска. После того, как снаряд целиком окажется в трубе, крышку плотно закрывают, и камера постепенно заполняется газом.
Принцип работы поршня прост. При прохождении по трубе дефектоскоп продольного намагничивания образует кривые токи, и если в стенке имеется дефект, часть магнитного потока рассеивается на нем. Датчики на поверхности дефектоскопа измеряют величину выхода этих магнитных полей и записывают данные на карту памяти внутри снаряда.

Снаряд движется по трубе в потоке газа. Самая оптимальная скорость прохождения поршня — 8 км/час. За этим показателем внимательно следят специалисты Кореновской ЛЭС. «Диагностика — очень ответственный этап работ. Нам нужно сделать все необходимое, чтобы в итоге получить корректные данные. Например, если скорость будет выше допустимой, то при обнаружении дефектов сигнал будет поступать неправильно, и в конечном итоге данные получатся искаженные. В таком случае, при установлении дефектов нам будет трудно определить их точное местонахождение», — отмечает начальник Кореновской ЛЭС.

На четырех участках дежурят специалисты, которые определяют на слух движение поршня по газопроводу. Ответственный одного из постов ждет, когда поршень пройдет крановый узел. Как только этот момент наступит, он докладывает об этом диспетчеру. Диспетчерская служба на основании данных просчитывает точную скорость прохождения поршня по трубе. Далее диспетчер передает информацию ответственному руководителю работ и всем остальным постам, чтобы они тоже могли ориентироваться, когда поршень пройдет следующий крановый узел и в итоге придет на камеру приема.

Далее мы приезжаем на газоизмерительную станцию «Кореновская» (ГИС «Кореновская»), которая предназначена для учета расхода газа, определения его физико-химических свойств, сохранения этой информации и ее передачи на диспетчерский пункт Краснодарского ЛПУМГ.
Специалисты ГИС «Кореновская» определяют движение поршня по показаниям манометра и по звуку в трубе.
При подходе поршня за 15–20 минут ответственный станции ГИС «Кореновская» отключает газоизмерительную станцию для прохождения поршня и контролирует движение снаряда по вибрациям в трубе. Как только поршень пройдет пост, специалисты ГИС восстанавливают обычную схему работы, запуская узлы учета.
После объезда нескольких крановых узлов, мы приезжаем на участок камеры приема дефектоскопа. Здесь за каждым специалистом закреплен свой крановый узел. Все ждут момента, когда прибудет поршень.
При прохождении поршня по трубе каждый из работников Кореновской ЛЭС должен вовремя подать сигнал о перекрытии крана и снижении давления в трубе для остановки движения поршня и прибытия снаряда в камеру приема.
Самый «эффектный» момент — понижение давления в трубе путем выпуска природного газа через свечной кран.

Специалисты ЛЭС открывают камеру приема, чтобы достать оттуда поршень.

Один из работников надевает специальную защитную одежду и маску, чтобы пристегнуть поршень к троссу.
Поршень прикреплен. Далее начинается тяжелая физическая работа.

Рабочий вытягивает поршень.
Поршень достают из трубы и помещают его на приемный лоток. На трубе под камерой приема и на металлических деталях дефектоскопа виден иней, который образовался из-за перепада давления при стравливании газа.
Активная фаза работ по внутритрубной диагностике закончена. Далее снаряд отдают специалистам подрядной организации, которые снимут информацию с прибора и в течение 4–5 часов выдадут предварительную информацию о состоянии трубы. Через 15 дней будет готов экспресс-анализ, а подробный отчет, из которого с точностью до миллиметра будет известно, где и какой дефект находится в газопроводе, будет готов через 45 дней.

Служба по связям с общественностью и СМИ ООО «Газпром трансгаз Краснодар»
Контактный телефон: (+7 861) 213-15-66
E-mail: [email protected]

Принцип работы двигателя со встречным движением поршней

Уникальные двигатели с поршнями напротив друг друга: Видео

 

Двигатели с расположенными напротив друг друга горизонтально лежащими поршнями имеют два распространенных в мире названия. У нас их называют оппозитными моторами. На английский же манер их название звучит как «boxer engine», поскольку движение их противолежащих цилиндров напоминает боксерскую пробивку. Но на самом деле, не тому двигателю американцы дали «боксерское» название. Уж, если кто и был достоин носить такой титул, так это герой нашей сегодняшней небольшой статьи, у которого поршни и в самом деле летят на встречу друг другу, в большом едином для них цилиндре. Это силовые агрегаты со встречным движением поршней (ПДП, двигатель с противоположно-движущимися поршнями) или как их еще называют: противоположено-поршневые двигатели. Их работа действительно завораживает:

 

 

Эти силовые агрегаты насчитывают историю протяженностью более 117 лет (паровые аналоги схожей по концепции конструкции были замечены уже в конце 1800-х годов). Причем самое поразительное, что с момента появления первого экземпляра карбюраторного двигателя подобной конструкции во Франции (концепцию и рабочий прототип был разработан компанией Gobron-Brillie), до последних наработок до 2015 года включительно, компанией «Achates Power» занимающейся проблемой внедрения оппозитно-поршневых силовых агрегатов, этот тип двигателей непрерывно улучшался и множество раз попадал в поле зрения как гражданских (редко), так и военных производителей (чаще всего, разработки для военных ведутся по сей день). Но реальной популярности уникальный поршневой двигатель внутреннего сгорания так и не добился.

 

Интересно, что большой вклад в такую необычную конструкцию ДВС внес инженер Коломенского завода, Раймонд Александрович Корейво, построивший первый в мире дизельный прототип подобного двигателя. Модель оказалась настолько удачной, что немецкая компания Junkers не смогла устоять от соблазна перенять конструкцию. Не остановил немцев даже патент, дальновидно полученный русским инженером во Франции. Патентное право в те времена в будущем ЕС работало не очень хорошо.

 

Далее и параллельно с этим конструкция двигателей развивалась в США, Англии, Германии. Позднее, работы по модернизации и применению моторов на военной технике, в том числе на самолетах, судах и танках проводились в СССР.

 

По своей конструктивной сути, двигатель внутреннего сгорания с движущимися навстречу друг другу поршнями, это двухтактный мотор без головки блока цилиндров у которого установлены два отдельных коленчатых вала, на которых две пары поршней соединены с поршнями, работающими в одном цилиндре.

 

Поршни встречаются (зазор при работе получается настолько минимальный, что они буквально касаются друг друга) в центре цилиндра. Там расположена верхняя мертвая точка (ВМТ) обоих поршней. Топливовоздушная смесь подается через отверстия по бокам цилиндра. Через них же, выпускаются отработавшиеся газы, толкаемые движением поршней.

 

Вот упрощенная схема работы данного типа ДВС:

 

Поскольку эти двигатели двухтактные, они редко использовались в автомобильной промышленности, поскольку не соответствовали элементарным экологическим допускам и подходили только для дешевых автомобилей низшего класса в прошлом. Они много дымили, надрывно рычали, но ехали посредственно.

 

К минусам также можно было отнести повышенный расход топлива и сложность конструкции с двумя кривошипами двухпоршневой системы. Это сделало конструкцию прошлых лет неоправданно дорогой и сложной в изготовлении по сравнению с небольшими компактными двухтактными моторами.

 

Однако, со современными материалами и опытом доводки более чем столетней конструкции у подобных поршневых ДВС есть и неоспоримые преимущества. Так, прототипы дизельных двигателей с вертикально ориентированными цилиндрами от компании Achates Power имеют крайне высокую степень тепловой эффективности, от 40 до 50%, в основном за счет меньшей площади стенок цилиндров. При условии, что обычный четырехтактный дизельный мотор обладает лишь 35 процентной эффективностью, прибавка в 5 или даже 15% является значительной.

 

Плюс к этому, конструкция облегчается и несколько упрощается за счет отсутствия головки блока цилиндров, коромысел распредвала, клапанов, пружин клапанов и т.д.

 

У мотора также лучшее соотношение внутреннего диаметра цилиндра к ходу поршня, что позволяет совершать максимально большое количество полезной работы. Смешивание и возгорание смеси здесь происходит быстрее.

 

Achates Power в настоящее время разрабатывает двигатели для военных автомобилей, но они выпустили видеоролики, которые свидетельствуют о том, что массовое производство дизельных двигателей также может быть не за горами:

 

У 2.7-литрового дизельного ДВС 270 л. с. (!) и 650 Нм крутящего момента.

 

В общем, интересно, как современные инженеры решат давние проблемы концепции у истоков которой стояли французы и русские изобретатели и каким образом двухтактные движки смогут быть использованы на гражданских транспортных средствах, при том условии, что экологические нормы постоянно ужесточаются, а экология этих ДВС никогда не была на высоте.

Как работает двигатель автомобиля?

03.02.2019 Автомобильный двигатель: большой, грозный, но не такой уж сложный

Если бы кто-то сказал заглянуть под капот и найти там мотор, у большинства из нас не было бы больших проблем с ним. Вы просто показываете на самую большую деталь, здесь сомнений нет – силовой агрегат – самая огромная часть автомобиля. Но что на самом деле скрыто под этим чугунным или алюминиевым корпусом? Достижение поколений — это точно. Говорят, что двигатель — это сердце автомобиля — и это правильно — без него машина не поедет.

Так как же это работает и почему? Что заставляет автомобиль воспроизводить приятную симфонию звуков после поворота ключа в замке зажигания? Как получилось, что двигатель способен привести в движение колеса? Было бы сложно описать последовательно все существующие типы двигателей в мире. Однако существует схема, которая, за исключением нескольких случаев, остается неизменной и на которой проще всего объяснить, как работает двигатель автомобиля, то есть тот тип моторов, который сжигает бензин, дизельное топливо или масло.

Поршень: отсюда начинается всё

Вообще всю работу в двигателе выполняет поршень. Именно он движется в цилиндре по принципу «скольжения» — прямолинейно и поступательно. Последовательно — один раз вверх, один раз вниз. Задача поршня, как следует из названия, заключается в нажатии. Если не один, то другой путь.

Чтобы выполнить работу, привести к появлению полезной энергии (КПД больше нуля), поршень должен немного поработать и сделать четыре движения в цилиндре — первоначально он всасывает воздух или смесь через открытый всасывающий клапан, скользя вниз до самого дна цилиндра. Когда он располагается на дне цилиндра, наполненного воздухом, клапан закрывается. Когда цилиндр наполняется воздухом «до зубов», поршень крепко сжимает его, поднимаясь вверх. Специально для такого сжатого воздуха топливо впрыскивается сверху (в дизельном двигателе) или возникает искра (вариант с бензиновым вариантом), которая вызывает взрыв. Независимо от силы взрыва (бывает, что из-за простоя автомобиля, первая искра недостаточно сильна) поршень отправляется вниз. Когда поршень заканчивает свой путь, цикл может считаться оконченным, затем он совершает еще один ход — вверх. Его уже ждет открытый выпускной клапан, через который поршень выталкивает весь этот ненужный мусор (выхлопной газ) наружу.

Поршневой цикл: схема

Это тот самый дым, который в конечном итоге выходит из выхлопной трубы под вашей машиной. И так продолжается снова и снова: всасывание воздуха — поршень опускается, сжатие воздуха – поршень уходит вверх. Взрыв — поршень опущен, выталкивание выхлопа — поршень вверх. И все время снова и снова.

Таким образом, энергия взрыва превращается в работу, потому что движение поршня, соединенного с шатуном, вызывает вращение коленчатого вала, что приводит в движение силовой агрегат, который перемещает колесо автомобиля. Конечно, двигатель обычно имеет несколько поршней и цилиндров. В целом, чем они больше, тем больше работа двигателя и чем больше мощность этих цилиндров, тем больше потенциал двигателя и, следовательно, — лучшее ускорение, лучшая динамика, но также и большая потребность в топливе.

Предлагаем вам посмотреть занимательное видео, в котором подробно рассказывается и показывается каким именно образом работаем двигатель внутреннего сгорания автомобиля:

Например, когда указатель тахометра в вашей машине приближается к 2000 об./мин. (2 тысячи оборотов коленвала), это означает, что поршень совершает 4000 ходов в это время, и смесь попадает в цилиндр 1000 раз! Все это за минуту. И всего на один цилиндр. Теперь подумайте, сколько топлива нужно двигателю, если вы «стреляете» в него все время, разгоняя до 6000 оборотов при нажатой педали газа в пол!

Важность моторного масла

Чтобы двигатель работал исправно, очень важно наличие в картере масла. Каждый из нас отлично знает, что, чем лучше скольжение, тем более плавным является движение (вспомните фигурное катание). В принципе, там, где есть движение в двигателе, где одна деталь соприкасается с другой, туда и попадает масло. Его путь начинается с масляного поддона, который расположен под двигателем, масло всасывается специальным насосом, затем масляный насос вдавливает его в трубчатую сборку, которая направляет смазочный растовр в множество мест двигателя.

Представьте, что случилось бы, если бы в течение длительного времени все компоненты двигателя двигались «всухую». Теперь вы, наверное, понимаете, почему так важно время от времени проверять уровень масла в двигателе.

Бензиновый и дизельный моторы: в чем принципиальные отличия?

В чем главное отличие бензинового двигателя от дизельного? Речь идет о принципе зажигания. Бензиновые двигатели имеют искровое зажигание, дизель является самоходным. Что означают эти слова?

Бензиновые двигатели для взрыва в цилиндре используют искру, генерируемую на свече зажигания. В дизельных двигателях всё совсем иначе. В дизельном моторе воздух в цилиндре сжимается поршнем гораздо сильнее. Настолько, что внутри создается высокая температура, достаточная для взрыва смеси в цилиндре без искры. Бензин не возгорается из-за большого давления, соляра (дизельное топливо), наоборот, не горит при нормальных условиях от обычной искры.

Двигатели также различаются по расположению и количеству цилиндров. В Европе наиболее популярными являются рядные двигатели — как можно заключить из названия, цилиндры, в которых движутся поршни, в них расположены в ряд. Рядный четырехцилиндровый двигатель будет отмечается символом R4, шестицилиндровый R6 и т. д. Теперь представьте, что Lamborghini собирается смонтировать большой 12-цилиндровый двигатель под капотом своей модели. Если бы производитель хотел установить все цилиндры в один ряд, двигатель занял бы много места. Таким образом, было изобретено другое решение — разветвленное расположение цилиндров в два ряда, под углом 60, 90 и даже 180 градусов (оппозитный мотор). Все двигатели этого типа обозначены буквой V, в данном случае это будет двигатель V12. Однако более популярными являются установки V6 и V8. Такие автомобили изготавливались в середине прошлого века в США, после финансового кризиса их посчитали недостаточно оправданными.

Эти «демонические», действительно мощные, производительные моторы, встречаются реже, их можно обнаружить, чаще всего, в Subaru или Porsche. Здесь поршни расположены с обеих сторон коленчатого вала, лицом друг к другу, что делает весь двигатель, по сравнению с другими, очень плоским, но не менее объемным.

Рядный двигатель

Когда дело доходит до поршневого устройства, существует еще один тип двигателя, который сильно отличается от остальных. Это двигатель с одним вихревым поршнем, так называемый Двигатель Ванкеля. Также существуют специальные роторные моторы (цилиндры расположены по кругу), сферические моторы (поршень двигается не поступательно, а описывает сферу) и многие другие изобретения.

Основы работы поршневого двигателя

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

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

Преимущества понимания вашего двигателя

Есть много причин иметь фундаментальное представление о том, как работает двигатель вашего автомобиля. Во-первых, это даст вам преимущество при покупке автомобиля, потому что вы сможете сравнивать разные автомобили в зависимости от того, что находится под капотом. Когда у вас есть собственный автомобиль, знание двигателя поможет облегчить обслуживание автомобиля и устранение механических неисправностей.

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

Основные узлы двигателя внутреннего сгорания

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

Четырехтактный цикл

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

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

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

Чтобы узнать больше о своей машине и получить навыки вождения, которые помогут вам и другим в безопасности на дороге, запишитесь на занятия в Western Slope Driving School в Литтлтоне. Мы являемся лучшим в регионе институтом вождения как для начинающих, так и для опытных водителей.

Очевидное и не очень очевидное, EPI, Inc.

Ход, скорость, ускорение, вибрация

ПРИМЕЧАНИЕ: Все наши продукты, конструкции и услуги ЯВЛЯЮТСЯ ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗ ГЛЮТЕНА, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не нарушат чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА.

Коленчатый вал, шатуны, пальцы и поршни в двигателе представляют собой механизм, который улавливает часть энергии, выделяемой при сгорании, и преобразует эту энергию в полезное вращательное движение, способное совершать работу.На этой странице описаны характеристики возвратно-поступательного движения, которое коленчатый вал и шатун в сборе сообщают поршням.

Коленчатый вал содержит две или более центрально расположенных коаксиальных цилиндрических («основных») шейки и одну или несколько смещенных цилиндрических шейок кривошипа («шатуна»). Коленчатый вал V8, изображенный на , рис. 1 , имеет пять коренных шейок и четыре шейки шатуна.

Рисунок 1

Коренные шейки коленчатого вала вращаются в наборе опорных подшипников («основные подшипники»), в результате чего шейки смещенных стержней вращаются по круговой траектории вокруг центров основных шейок, диаметр которых в два раза превышает смещение шейки стержней.Диаметр этого пути — это «ход» двигателя, то есть расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца до другого конца своего цилиндра. Большие концы шатунов («шатуны») содержат подшипники («подшипники шатунов»), которые перемещаются на шейках смещенных шатунов. (Для получения подробной информации о работе подшипников коленчатого вала нажмите здесь; для получения подробной информации о конструкции и реализации коленчатого вала нажмите здесь)

Маленький конец шатуна прикреплен к поршню с помощью плавающего цилиндрического штифта («штифт», или, по-английски, «поршневой штифт»).Вращение большого конца шатуна на шейке штока заставляет малый конец, который ограничивается поршнем, чтобы он совпадал с осью цилиндра, перемещал поршень вверх и вниз по оси цилиндра.

Рисунок 2: TDC

Следующее описание объясняет не столь очевидные характеристики движения, которое коленчатый вал / шатунный механизм сообщает поршню.

На Рисунке 2 показан вид с торца в разрезе механизма коленчатого вала, шатуна и поршня (CCP), когда поршень находится на самом дальнем расстоянии от своего восходящего (от коленчатого вала) хода, который известен как с верхним упором. центральное положение (ВМТ) (даже в перевернутых и горизонтальных двигателях).

Самый дальний ход поршня вниз (к коленчатому валу) известен как положение нижней мертвой точки (НМТ).

В показанном механизме CCP коленчатый вал имеет ход 4.000 дюймов, а межцентровая длина шатуна составляет 6.100 дюймов. Отношение штока к ходу (R / S) — это расстояние между центром шатуна, деленное на ход. В этом примере R / S составляет 6,100 / 4,000 = 1,525.

Это соотношение важно, поскольку оно оказывает большое влияние на асимметрию движения поршня (поясняется ниже), а также на результирующие характеристики вибрации и баланса, а также некоторые рабочие характеристики.

Для целей этого обсуждения удлиненная осевая линия отверстия цилиндра пересекает центр коренного подшипника коленчатого вала, а штифт совпадает с центральной линией цилиндра (определяется как нулевое смещение штифта ) . Хотя следующие описания относятся строго к конфигурациям с нулевым смещением шпильки, общие наблюдения применимы и к конфигурациям с ненулевым смещением.

Рисунок 3: 90 ° после ВМТ

Важно понимать, что движение поршня в пределах 90 ° до и после ВМТ не является симметричным с движением на 90 ° до и после НМТ.Вращение коленчатого вала, когда шейка кривошипа находится в пределах 90 ° от ВМТ, перемещает поршень существенно больше, чем на половину значения хода. И наоборот, вращение коленчатого вала, когда шейка кривошипа находится в пределах 90 ° от НМТ, перемещает поршень существенно меньше, чем на половину значения хода. Эта асимметрия движения важна, потому что она является источником нескольких интересных свойств, связанных с работой, производительностью и долговечностью поршневого двигателя.

На рис. 3 показана рассматриваемая ГПУ с шатунной шейкой, повернутой на 90 ° после ВМТ.Обратите внимание, что поршень переместился более чем на 58% от своего общего хода (2,337 дюйма). Это связано с тем, что в дополнение к движению шатунной шейки вниз на 2.000 дюймов (полуход) (движение, спроецированное на вертикальную плоскость), шатунная шейка также сместилась горизонтально наружу на 2.000 дюймов, поместив шатун под углом к ​​вертикальной плоскости.

Эффект косинуса этого угла шатуна функционально сокращает проецируемую длину шатуна в вертикальной плоскости на 0,337 дюйма, с 6,100 дюйма до 5,763 дюйма, показанных на рисунке.Это динамическое «укорачивание» шатуна приводит к добавлению 0,337 дюйма к 2 000 дюймов движения вниз, передаваемого вращением шатунной шейки, как показано двумя вертикальными синими линиями на , рис. 3 .

Рисунок 4: 180 ° после ВМТ

Теперь, поскольку поршень уже переместился примерно на 58% хода во время первых 90 ° поворота кривошипа, очевидно, что во время следующих 90 ° поворота кривошипа (до НМТ) поршню нужно будет пройти только оставшийся 42% хода для достижения BDC, как показано на Рисунок 4 .

Причина в том, что когда кривошип вращается в направлении НМТ, шатунная шейка также перемещается горизонтально назад к центру цилиндра и «восстанавливает» эффективную длину штока. Это косинусоидальное «удлинение» шатуна противодействует движению поршня вниз, вычитая 0,337 из половины хода вертикального движения, производимого от 90 ° до НМТ. Этот эффект иллюстрируется двумя нижними вертикальными синими линиями на рис. 4 .

Очевидно, что когда коленчатый вал находится в любом положении, кроме ВМТ или НМТ, ось шатуна больше не параллельна центральной линии цилиндра (линии, вдоль которой ограничиваются поршень, штифт и малый конец штока. двигаться).Следовательно, «эффективная длина» шатуна в любой точке, кроме ВМТ или НМТ, представляет собой фактическую межцентровую длину шатуна, умноженную на косинус угла между стержнем и осевой линией цилиндра. Ясно, что динамическое изменение эффективной длины шатуна добавляет и вычитает чисто синусоидальное движение, вызванное вращением шатунной шейки.

Рисунок 5: Половина хода

На рисунке 5 показано, что R / S в этом примере CCP (1.525), положение поршня на половину хода происходит при повороте кривошипа примерно на 81 ° после ВМТ. Быстрое изменение объема камеры сгорания после положения ВМТ имеет несколько интересных ответвлений в отношении диаграммы P-V и теплового КПД (обсуждаемых на другой странице).

(Примечание: если вы считаете, что установка более длинных шатунов увеличит ход двигателя, вам не нужно углубляться в эту страницу или весь сайт, если на то пошло.)

СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Скорость — это, по определению, мгновенная скорость изменения положения относительно опорной переменной. Скорость поршня — это просто измерение того, насколько быстро положение поршня изменяется по отношению к опорной переменной. Эта скорость изменения положения обычно известна как « первая производная кривой положения ». (Для более подробного объяснения скорости, ускорения и производных см. Нашу страницу «Скорость и ускорение» или любой основной текст по расчетам, например ref-1: 2: 39).)

Рисунок 6: Максимальная скорость

Для простоты объяснения я выбрал вращения кривошипа в качестве эталона для этих графиков. Обычно интересует скорость изменения положения поршня относительно времени , что дает скорость в дюймах или футах в секунду, и значение будет зависеть от скорости вращения коленчатого вала.

Очевидно, что когда поршень перемещается из ВМТ в НМТ и обратно, скорость постоянно изменяется, и что скорость поршня равна нулю в ВМТ и НМТ.На значение и положение максимальной скорости относительно вращения кривошипа (максимальный наклон кривой положения) сильно влияет соотношение R / S.

На рисунке 6 показано положение точки максимальной скорости поршня в градусах коленчатого вала до и после ВМТ для конфигурации, используемой в этом примере (ход 4 дюйма, длина штока 6,100 дюйма, R / S = 1,525). в этом положении (73,9 ° до и после ВМТ) поршень прошел только 43,9% (1,756 дюйма) от общего хода (4.000 «). Для этой конфигурации (R / S = 1,525) при 4000 об / мин пиковая скорость поршня составляет 4390 футов в минуту. Для более длинного хода с тем же R / S положение пиковой скорости поршня будет таким же , но реальное значение этой скорости будет выше (конечно, при тех же оборотах).

На рисунке 7 показаны графики положения поршня и мгновенной скорости в зависимости от вращения коленчатого вала. Синяя линия («положение») показывает положение поршня (в% хода) в любой точке во время одного оборота коленчатого вала.Синяя линия искусственно ориентирована, чтобы показать положение в интуитивном смысле (вверху, внизу), поэтому знаки «-» в отношении положения следует игнорировать. Зеленая линия скорости показывает относительную скорость поршня (в% от максимума) в любой точке. Скорость со знаком «плюс» — это движение НАД коленвалом; Скорость со знаком «минус» — это движение В ОТЕЛЕ от коленчатого вала.

Еще раз обратите внимание, что в ВМТ и снова в НМТ скорость поршня равна нулю, потому что поршень меняет направление в этих точках, и для изменения направления поршень должен быть остановлен в какой-то момент.

Обратите также внимание на то, что график положения (синий) показывает, что для этого отношения R / S (1,525) положения хода 50% происходят приблизительно под 81 ° до и после ВМТ (как показано на Рис. 5 выше). График скорости (зеленая линия) показывает, что максимальные скорости поршня достигаются примерно при 74 ° до и после ВМТ (как показано на , рис. 6, выше). Линия скорости также показывает, что скорость поршня в любой точке вращения от ВМТ до максимальной скорости больше, чем в том же количестве градусов до НМТ.Например, сравните скорость при 30 ° после ВМТ (62%) со скоростью при 30 ° перед НМТ (34%).

Рисунок 7

На профиль кривой скорости и, следовательно, на положение максимальной скорости влияет соотношение R / S. По мере того, как шток становится короче по отношению к ходу (меньшее соотношение R / S), происходят две интересные вещи, которые могут иметь важное влияние на наполнение цилиндра: (1) точка максимальной скорости поршня перемещается ближе к ВМТ и (2) поршень уходит от ВМТ быстрее, создавая более сильный впускной импульс.Расположение максимальной скорости поршня влияет на конструкцию профилей кулачков распределительного вала (особенно впускных) с целью оптимизации впуска в конкретном диапазоне скоростей и может влиять на характеристики впуска в отношении силы и формы впускного импульса. для тюнинга ползуна.

СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Есть еще одна скорость поршня, которая используется больше как «практическое правило» при оценке двигателя. Это называется «средней скоростью поршня», которая представляет собой расчетное значение, показывающее среднюю скорость поршня при известных оборотах в минуту в двигателе с известной длиной хода.

Принимая во внимание, что каждый оборот коленчатого вала поршень проходит расстояние, равное удвоенной длине хода, тогда средняя скорость поршня ( MPS ) рассчитывается по формуле:

MPS (футов в минуту) = об / мин x 2 x ход (дюймы) / 12 (дюймов на фут) = об / мин x ход / 6

Средняя скорость поршня при 4000 об / мин для примера двигателя с ходом 4 000 дюймов составляет:

MPS (футов в минуту) = 4000 x 4/6 = 2667 футов в минуту.

Для практических целей принято считать, что для двигателя, эксплуатируемого на воздушном судне, скорость 3000 футов в минуту является комфортным максимальным MPS, и опыт показал, что двигатели, у которых MPS значительно превышает это значение, испытывают проблемы с надежностью. Обратите внимание, что R / S не влияет на MPS, хотя сильно влияет на пиковую скорость поршня (4390 фут / мин для примера двигателя {R / S = 1,525} при 4000 об / мин).

УСКОРЕНИЕ ПОРШНЯ

Сила, необходимая для ускорения объекта, пропорциональна весу объекта, умноженному на ускорение.Отсюда ясно, что ускорение поршня важно, потому что многие значительные силы, действующие на поршни, пальцы, шатуны, коленчатый вал, подшипники и блок, напрямую связаны с ускорением поршня. Ускорение поршня также является основным источником внешней вибрации, создаваемой двигателем. (Крутильные колебания обсуждаются отдельно на другой странице.)

Ускорение — это, по определению, первая производная кривой скорости и вторая производная кривой положения.Другими словами, ускорение — это (мгновенный) наклон кривой скорости в любой заданной точке вдоль исходной оси. Проще говоря, это мера того, насколько быстро изменяется скорость, обычно выражаемая в зависимости от времени. Если скорость не изменяется по отношению к заданию, ускорение отсутствует. И наоборот, если скорость изменяется очень быстро относительно эталона, происходит большое ускорение. (Более подробное объяснение см. В разделе «Скорость и ускорение».)

Из Рисунок 7 видно, что скорость поршня постоянно изменяется по отношению к постоянному изменению углового положения (вращения) коленчатого вала.Следовательно, чтобы перейти от точки нулевой скорости (ВМТ) к точке максимальной скорости, поршень должен подвергаться большой функции ускорения, которая изменяется в зависимости от углового поворота коленчатого вала.

На рис. 8 показаны графики ускорения, скорости и положения для обсуждаемого примера CCP. (Все числовые значения в этом примере приведены для 1,525 R / S.)

Рисунок 8

Максимальное положительное значение ускорения (100%) происходит в ВМТ.Между ВМТ и максимальной скоростью поршня (в данном случае 74 °) ускорение положительное, но уменьшается до нуля (скорость поршня все еще увеличивается, но менее быстро). При максимальной скорости поршня (74 ° при этом R / S) поршень перестает ускоряться и начинает замедляться. В этот момент ускорение меняет направление (с числа «плюс» на число «минус») и при этом на мгновение проходит через ноль.

При этом R / S максимальное отрицательное ускорение происходит не в BDC, а примерно на 40 ° по обе стороны от BDC.Значение этого максимального отрицательного ускорения составляет всего около 53% от максимального положительного ускорения, наблюдаемого в ВМТ. Ускорение в BDC составляет всего 49% от максимальной ВМТ. Ускорение от максимальной скорости поршня (74 °) до НМТ отрицательно, и это ускорение замедляет поршень до нулевой скорости. Следовательно, это может быть (неправильно) названо замедлением. Однако такое же отрицательное ускорение применяется к поршню после НМТ и вызывает увеличение его скорости.

Точка нулевого ускорения возникает (по определению) в точке максимальной скорости поршня (74 ° B / A ВМТ), где скорость является изменением направления, но скорость изменения скорости (наклон кривой) равна нулю.

Несколько странная форма внизу кривой общего ускорения поршня (пурпурный) является результатом того факта, что полное ускорение поршня является суммой нескольких порядков ускорения, причем первые два являются наиболее значительными. Два основных заказа, которые объединяются для создания этого общего профиля ускорения, важны, потому что они могут создать серьезные проблемы с вибрацией для конструктора двигателя (описанные в разделе «Коленчатые валы»).

Рисунок 8 показывает ту же кривую общего ускорения поршня (пурпурная линия), показанную на Рисунок 7 , вместе с двумя значительными порядками ускорений поршня, которые в совокупности образуют эту кривую.Кривая общего ускорения поршня (пурпурный) представляет собой сумму двух отдельных порядков ускорения: первичного (синий) и вторичного (зеленый).

Рисунок 8

Как объяснено в разделе «Движение поршня» выше, движение поршня при первых 90 ° поворота складывается из суммы эффекта движения на половине хода шатунной шейки, проецируемого на вертикальную плоскость (2.000 дюймов), и эффекта кажущегося 0,337 «укорачивание» длины стержня в проекции на вертикальную плоскость. Второе вращение на 90 ° также вызывает движение на половину хода в вертикальной плоскости, но удлинение шатуна в вертикальной плоскости за счет косинусного эффекта дает 0.Движение 337 дюймов, которое вычитается из полухода.

Первичное ускорение (синяя линия) является результатом движения поршня, создаваемого составляющей движения шатунной шейки, спроецированной на вертикальную плоскость. Эта кривая представляет собой синусоиду, которая повторяется один раз за один оборот коленчатого вала (первый порядок) и составляет большую часть ускорения. Обратите внимание, что кривая первичного ускорения пересекает ноль в точках поворота на 90 ° и достигает максимума в ВМТ и НМТ.

Вторичное ускорение (зеленая линия) является результатом дополнительного движения поршня, вызванного косинусным эффектом динамического изменения длины шатуна.Это движение складывается с движением поршня между ВМТ и точкой максимальной скорости и вычитается из движения поршня между точкой максимальной скорости и НМТ. Эта кривая также является синусоидальной и повторяется дважды за один оборот коленчатого вала (второй порядок) и пересекает ноль в точках поворота 45 °, 135 °, 225 ° и 315 °. Общее ускорение поршня в любой точке представляет собой сумму значений первичной и вторичной кривых ускорения.

Современные поршневые двигатели обычно имеют передаточное отношение R / S в диапазоне приблизительно 1.5 до 2.0. Обратите внимание, что соотношение шток / ход менее 1,3 для практических приложений невозможно из-за физических ограничений, таких как необходимость в поршневых кольцах и штифте, достаточной длине юбки поршня и неудобстве контакта поршня с противовесом коленчатого вала. не говоря уже о чрезмерной боковой нагрузке, которую может вызвать такое маленькое соотношение.

Вот два практических примера, сравнивающих влияние R / S на ускорение и скорость (проиллюстрировано на Рис. 9 ниже).В Lycoming IO-360 (и IO-540) длина штанги составляет 6,75 дюйма, а ход — 4,375 дюйма, что соответствует соотношению 1,543, что близко к нижнему пределу диапазона в современном дизайне. С другой стороны, шатун типичного (примерно 2007 г.) 2,4-литрового двигателя V8 Формулы-1 имеет длину около 4,010 дюйма, что средний механик гоночного двигателя назвал бы «очень коротким стержнем». ход двигателя F1 составляет около 1,566 дюйма, что дает очень большое соотношение R / S, равное 2.56.

Рисунок 9

График , рис. 9 ясно показывает влияние большого и малого отношения R / S. Совершенно очевидно, что двигатель с очень маленьким отношением R / S 1,543 ( «длинный» шатун 6,75 дюйма, синие кривые скорости и ускорения) имеет существенно более высокое пиковое ускорение (10%), более высокое вторичное ускорение. , более высокая (3%) пиковая скорость, более раннее (5 градусов кривошипа) пиковое положение скорости и очень четкое изменение ускорения в районе НМТ, что подтверждает существенную вторичную составляющую вибрации.

Сравните это с большими пурпурными кривыми с соотношением 2,56 R / S («короткий» шатун 4,01 дюйма), показывающими существенно более низкое (10%) пиковое ускорение, более низкое вторичное ускорение, более позднюю и немного более низкую (3%) пиковую скорость. , и кривая общего ускорения, которая ближе к симметричной, подтверждая существенно уменьшенную вторичную составляющую вибрации. Рисунок 9 также ясно демонстрирует абсурдность обсуждения длины шатуна как абсолютной.

Рисунок 10 — это диаграмма, в которой перечислены основные эффекты отношения R / S, отличного от 1.40 до 2,55. Я выбрал R / S = 2,0 в качестве точки отсчета для этих сравнений Vmax% , PPA max-positive% и PPA max-negative% , потому что это соотношение является самым низким, при котором происходит максимальное отрицательное ускорение. в BDC. Обратите внимание, что при соотношении R / S выше 2,00 кривая ускорения становится более симметричной, но пиковая скорость практически не меняется.

Рисунок 10
Влияние отношения R / S

ПРИМЕЧАНИЕ: Все расчеты и пояснения на этой и следующей страницах предполагают нулевое смещение поршневого пальца.Ненулевое смещение немного изменит вычисления, НЕМНОГО является рабочим словом.

Автомобиль — Двигатель — Цилиндр, Поршень, Мощность и Цилиндры

Двигатель работает от внутреннего сгорания ; то есть топливо, используемое для его мощности, сжигается внутри двигателя. Это горение происходит внутри цилиндров. Внутри цилиндра находится поршень. Когда топливо сгорает, оно создает взрывную силу, которая заставляет поршень двигаться вверх и вниз. Поршень прикреплен через шатун к коленчатому валу, где движение поршня вверх и вниз преобразуется в круговое движение.При езде на велосипеде верхняя часть ноги человека похожа на поршень. Мощность от ноги передается через педаль, чтобы повернуть кривошип.

Бензин — наиболее распространенное автомобильное топливо. Он втягивается в цилиндр вакуумом , создаваемым, когда поршень движется вниз через цилиндр. Затем бензин сжимается в цилиндр следующим движением поршня. Искра вводится через свечу зажигания, расположенную в конце цилиндра. Искра вызывает взрыв бензина, и при взрыве поршень снова попадает в цилиндр.Это движение, называемое рабочим ходом, поворачивает коленчатый вал. Заключительное движение поршня вверх снова вытесняет выхлопные газы, побочные продукты сгорания топлива, из цилиндра. Эти четыре движения — впуск, сжатие, мощность и выпуск — называются тактами. Четырехтактный двигатель — самый распространенный тип автомобильного двигателя.

Большинство автомобилей имеют от четырех до восьми цилиндров, хотя есть также двух- и 12-цилиндровые автомобили. Цилиндры работают вместе в определенной последовательности, чтобы поворачивать коленчатый вал, так что, пока один цилиндр находится на такте впуска, другой — на такте сжатия, и так далее.Как правило, чем больше цилиндров, тем более плавно работает двигатель. Размер автомобиля влияет на количество цилиндров, используемых в двигателе. Меньшие автомобили обычно имеют меньший четырехцилиндровый двигатель. Автомобили среднего размера обычно требуют шестицилиндрового двигателя, в то время как более крупным автомобилям требуется мощность восьмицилиндрового двигателя.

Число цилиндров, однако, менее важно для уровня мощности двигателя, чем его рабочий объем. Смещение — это мера общего объема топливной смеси, перемещаемой всеми поршнями, работающими вместе.Чем больше топлива сожжено за один раз, тем больше будет взрывная сила, а значит, и мощность. Рабочий объем часто выражается в кубических сантиметрах (куб.см) или литрах. Двигатель меньшего размера будет иметь объем 1200 куб. См (1,2 л) для получения 60 лошадиных сил, в то время как более крупный двигатель может иметь объем до 4 000 куб. См (4 л), вырабатывая более 100 лошадиных сил. Мощность в лошадиных силах — это мера способности двигателя выполнять работу. Размер и вес автомобиля также влияют на его мощность. Чтобы привести более легкий автомобиль в движение, требуется меньше усилий, чем для более тяжелого автомобиля, даже если у них один и тот же двигатель, точно так же, как лошадь с одним всадником может двигаться быстрее с меньшими усилиями, чем лошадь, тянущая телегу.

Поршень и цилиндр | машиностроение

Поршень и цилиндр , в машиностроении, цилиндр скольжения с закрытой головкой (поршнем), который возвратно-поступательно перемещается в цилиндрической камере немного большего размера (цилиндре) под действием давления жидкости или против него, как в двигателе или насос. Цилиндр паровой машины ( qv ) закрыт пластинами на обоих концах, при этом шток поршня, жестко прикрепленный к поршню, проходит через одну из торцевых крышек с помощью сальника и набивки. коробка (паронепроницаемое соединение).

Цилиндр двигателя внутреннего сгорания закрыт на одном конце пластиной, называемой головкой, и открыт на другом конце, чтобы обеспечить свободное колебание шатуна, который соединяет поршень с коленчатым валом. Головка блока цилиндров содержит свечи зажигания в двигателях с искровым зажиганием (бензиновых) и обычно топливную форсунку в двигателях с воспламенением от сжатия (дизельных); на большинстве двигателей клапаны, контролирующие подачу свежих топливовоздушных смесей и отвод сгоревшего топлива, также расположены в головке.

Подробнее по этой теме

Бензиновый двигатель

: Двигатели поршневые

Большинство бензиновых двигателей относятся к поршнево-поршневому типу. Основными элементами поршнево-цилиндрового двигателя являются …

На большинстве двигателей цилиндры представляют собой гладко обработанные отверстия в главном конструктивном элементе двигателя, известном как блок, который обычно изготавливается из чугуна или алюминия.На некоторых двигателях цилиндры имеют гильзы (гильзы), которые можно заменить в случае их износа. В алюминиевых блоках используются вкладыши из центробежного чугуна, которые помещаются в форму при литье алюминия; Эти вкладыши не подлежат замене, но их можно переточить.

Поршни обычно снабжены поршневыми кольцами. Это круглые металлические кольца, которые входят в канавки на стенках поршня и обеспечивают плотную посадку поршня внутри цилиндра. Они помогают обеспечить уплотнение для предотвращения утечки сжатых газов вокруг поршня и предотвращения попадания смазочного масла в камеру сгорания.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Важной характеристикой двигателя внутреннего сгорания является его степень сжатия, определяемая как общий объем камеры сгорания с полностью выдвинутым поршнем (максимальный объем), деленный на общий объем с полностью сжатым поршнем (минимальный объем). Фактическая степень сжатия на практике несколько меньше. Более высокая степень сжатия обычно обеспечивает лучшую производительность двигателя, но для этого требуется топливо с лучшими антидетонационными характеристиками.

Тесно связана со степенью сжатия характеристика, известная как смещение — , т. Е. изменение объема (измеряемого в кубических дюймах или кубических сантиметрах) камеры сгорания, которое происходит при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое. . Смещение связано с номинальной мощностью двигателя.

4-тактный цикл сгорания

Автомобильные двигатели — одно из величайших чудес современной инженерии, они способны перемещать транспортные средства массой в несколько тонн на огромные расстояния.Тем не менее, основные принципы, лежащие в основе двигателя, остаются загадкой для многих автовладельцев. К сожалению, из-за отсутствия механических знаний владельцам автомобилей часто становится труднее обнаруживать проблемы с двигателем.

Двигатель вырабатывает мощность внутри цилиндров. Там под экстремальным давлением горит смесь бензина и воздуха. Каждый цикл сгорания состоит из четырех различных тактов, которые соответствуют движению поршня. В этой статье мы более подробно рассмотрим каждый из четырех тактов цикла двигателя.

1. Впускной

Прежде чем углубляться в детали такта впуска, вы должны понять два ключевых термина, используемых для описания положения поршня. Верхняя мертвая точка — часто сокращенно ВМТ — относится к поршню, находящемуся на максимальном расстоянии от коленчатого вала. Нижняя мертвая точка, или НМТ, относится к поршню в его самой близкой точке к коленчатому валу.

В ВМТ пространство внутри цилиндра минимально. В BDC это самое большое пространство. Во время такта впуска поршень внутри цилиндра перемещается из ВМТ в НМТ.Это движение снижает давление в цилиндре за счет увеличения его объема. Разница давлений внутри и снаружи цилиндра заставляет воздушно-топливную смесь течь из впускного коллектора в цилиндр.

Топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан с соответствующим названием. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается. Это эффективно удерживает смесь воздуха и топлива внутри цилиндра. Цилиндр также содержит выпускной клапан, который также остается закрытым в течение всего такта впуска.

2. Сжатие

Когда поршень достигает НМТ, он плавно меняет курс. Это изменение направления отмечает начало фазы сжатия. Во время фазы сжатия поршень возвращается в ВМТ. При этом он выталкивает топливовоздушную смесь во все меньшее и меньшее пространство. Это сжатие увеличивает давление смеси, а также ее температуру.

Тепло, генерируемое во время такта сжатия, заставляет часть топлива в смеси испаряться, превращаясь из жидкости в газ.За счет более равномерного распределения топлива с воздухом это испарение помогает увеличить количество энергии, генерируемой во время сгорания. Чем лучше распределено топливо, тем полнее оно сгорит.

Возгорание происходит в результате искры, зажженной свечой зажигания. Многие люди предполагают, что свеча зажигания загорается, когда поршень достигает ВМТ. Тем не менее, свеча зажигания срабатывает за доли секунды до того, как поршень достигает максимального сжатия. Этот зазор учитывает время, необходимое искре для воспламенения топливовоздушной смеси.

3. Сгорание

В идеале, если время зажигания правильное, топливовоздушная смесь должна сгорать, как только поршень достигает ВМТ. Сила, создаваемая сгоранием, затем работает в тандеме с естественным движением поршня обратно в НМТ. Этот ход называется тактом сгорания или рабочим ходом.

Повышенная скорость поршня во время такта сгорания создает крутящий момент в коленчатом валу двигателя. Этот крутящий момент приводит в действие трансмиссию, которая, в свою очередь, приводит в движение ваши колеса.Впускной и выпускной клапаны цилиндра остаются закрытыми во время такта сгорания.

4. Выпуск

Во время такта выпуска поршень снова возвращается в ВМТ. Однако в этот момент открывается выпускной клапан. Таким образом, когда поршень уменьшает объем внутри цилиндра, он выталкивает выхлопные газы, образовавшиеся в результате сгорания, из двигателя. К тому времени, как поршень достигнет ВМТ, все выхлопные газы должны уйти. Затем цикл может начаться снова.

Для получения дополнительной информации о том, как работает ваш двигатель, свяжитесь с автомобильными экспертами Pinole в Letcher Bros. Auto Repair.

Измерение вторичного движения поршня с помощью нового цифрового телеметра на JSTOR

Абстрактный

РЕФЕРАТ Авторы разработали методику измерения с использованием нового цифрового телеметра, который измеряет вторичное движение поршня, обеспечивая высокую точность во время работы. Мы применили этот новый цифровой телеметр для нескольких измерений и анализа вторичного движения поршня, которое может вызывать шум поршня, и вот некоторые из результатов наших измерений.Мы подтвердили, что эти движения поршня различаются лишь на несколько десятых миллиметра при изменении характеристик поршня, таких как смещение поршневого пальца и центр тяжести поршня. Как и в других случаях, мы обнаружили, что простое изменение давления в картере или количество смазочного масла, подаваемого в канал цилиндра, изменяет движение поршня, что может влиять на шум поршня.

Информация о журнале

Международный журнал двигателей внутреннего сгорания (SAE International Journal of Engines) — это научный рецензируемый исследовательский журнал, посвященный науке и технике по двигателям внутреннего сгорания.Журнал освещает инновационные и архивные технические отчеты по всем аспектам разработки двигателей внутреннего сгорания, включая исследования, проектирование, анализ, контроль и выбросы. Стремясь стать всемирно признанным исчерпывающим источником для исследователей и инженеров в области исследований и разработок двигателей, журнал публикует только те технические отчеты, которые считаются имеющими значительное и долгосрочное влияние на разработку и конструкцию двигателей

Информация об издателе

SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности.Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

Диаметр цилиндра и ход поршня

Диаметр цилиндра и ход поршня

Гленн Исследовательский центр Центр

На этой странице мы представляем некоторые технические определения, которые используются описать двигатель внутреннего сгорания.На рисунке показана компьютерная анимация одного цилиндра братьев Райт. Авиадвигатель 1903 года. Небольшой раздел коленчатый вал показан красным цветом, поршень и шток показаны серым цветом, а цилиндр, в котором находится поршень, показан синим цветом. Мы сократили цилиндр, чтобы мы могли заметить движение поршня.

Коленчатый вал делает один оборот при движении поршня. сверху цилиндра (внизу слева на рисунке) вниз (вверху справа) и обратно вверх.Поскольку поршень соединен с коленчатым валом, можно отметить движение поршня по углу поворота коленчатого вала.

Нулевые градусы возникают, когда поршень находится в верхней части цилиндра. С тех пор составляют 360 градусов за один оборот, поршень находится внизу, когда угол поворота коленвала составляет 180 градусов. Расстояние, пройденное поршнем от нуля градусов до 180 градусов называется ходом — S поршня. Это объясняет, почему двигатель Райта и современные автомобильные двигатели называют четырехтактные двигатели.2/4

Этот объем называется объемом рабочего тела , потому что Работа выполняется движущимся газом под давлением, равным давлению газа, умноженному на объем перемещаемого газа. Для своего двигателя 1903 года братья Райт выбрали диаметр цилиндра 4 дюйма и диаметр цилиндра.

No related posts.