В цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) происходит один из основных процессов, благодаря чему двигатель внутреннего сгорания функционирует: выделение энергии в результате сжигания топливовоздушной смеси, которая впоследствии преобразуется в механическое действие – вращение коленвала. Основной рабочий компонент ЦПГ - поршень. Благодаря ему создаются необходимые для сгорания смеси условия. Поршень - первый компонент, участвующий в преобразовании получаемой энергии.

Поршень двигателя цилиндрической формы. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения, из-за чего поршень выполняет две функции.

1. При поступательном движении поршень уменьшает объем камеры сгорания, сжимая топливную смесь, что необходимо для процесса сгорания (в дизельных моторах воспламенение смеси и вовсе происходит от ее сильного сжатия).
2. После воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания резко возрастает давление. Стремясь увеличить объем, оно выталкивает поршень обратно, и он совершает возвратное движение, передающееся через шатун коленвалу.

КОНСТРУКЦИЯ

Устройство детали включает в себя три составляющие:

1. Днище.
2. Уплотняющая часть.
3. Юбка.

Указанные составляющие имеются как в цельнолитых поршнях (самый распространенный вариант), так и в составных деталях.

ДНИЩЕ

Днище - основная рабочая поверхность, поскольку она, стенки гильзы и головка блока формируют камеру сгорания, в которой и происходит сжигание топливной смеси.

Главный параметр днища - форма, которая зависит от типа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его конструктивных особенностей.

В двухтактных двигателях применяются поршни, у которых днище сферической формы – выступ днища, это повышает эффективность наполнения камеры сгорания смесью и отвод отработанных газов.

В четырехтактных бензиновых моторах днище плоское или вогнутое. Дополнительно на поверхности проделываются технические углубления – выемки под клапанные тарелки (устраняют вероятность столкновения поршня с клапаном), углубления для улучшения смесеобразования.

В дизельных моторах углубления в днище наиболее габаритны и имеют разную форму. Такие выемки называются поршневой камерой сгорания и предназначены они для создания завихрений при подаче воздуха и топлива в цилиндр, чтобы обеспечить лучшее смешивание.

Уплотняющая часть предназначена для установки специальных колец (компрессионных и маслосъемных), задача которых - устранять зазор между поршнем и стенкой гильзы, препятствуя прорыву рабочих газов в подпоршневое пространство и смазки – в камеру сгорания (эти факторы снижают КПД мотора). Это обеспечивает отвод тепла от поршня к гильзе.

УПЛОТНЯЮЩАЯ ЧАСТЬ

Уплотняющая часть включает в себя проточки в цилиндрической поверхности поршня - канавки, расположенные за днищем, и перемычки между канавками. В двухтактных двигателях в проточки дополнительно помещены специальные вставки, в которые упираются замки колец. Эти вставки необходимы для исключения вероятности проворачивания колец и попадания их замков во впускные и выпускные окна, что может стать причиной их разрушения.


Перемычка от кромки днища и до первого кольца именуется жаровым поясом. Этот пояс воспринимает на себя наибольшее температурное воздействие, поэтому высота его подбирается, исходя из рабочих условий, создаваемых внутри камеры сгорания, и материала изготовления поршня.

Число канавок, проделанных на уплотняющей части, соответствует количеству поршневых колец (а их может использоваться 2 - 6). Наиболее же распространена конструкция с тремя кольцами - двумя компрессионными и одним маслосъемным.

В канавке под маслосъемное кольцо проделываются отверстия для стека масла, которое снимается кольцом со стенки гильзы.

Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.

ЮБКА

Юбка выполняет роль направляющей для поршня, не давая ему изменить положение относительно цилиндра и обеспечивая только возвратно-поступательное движение детали. Благодаря этой составляющей осуществляется подвижное соединение поршня с шатуном.

Для соединения в юбке проделаны отверстия для установки поршневого пальца. Чтобы повысить прочность в месте контакта пальца, с внутренней стороны юбки изготовлены специальные массивные наплывы, именуемые бобышками.

Для фиксации поршневого пальца в поршне в установочных отверстиях под него предусмотрены проточки для стопорных колец.

ТИПЫ ПОРШНЕЙ

В двигателях внутреннего сгорания применяется два типа поршней, различающихся по конструктивному устройству – цельные и составные.

Цельные детали изготавливаются путем литья с последующей механической обработкой. В процессе литья из металла создается заготовка, которой придается общая форма детали. Далее на металлообрабатывающих станках в полученной заготовке обрабатываются рабочие поверхности, нарезаются канавки под кольца, проделываются технологические отверстия и углубления.

В составных элементах головка и юбка разделены, и в единую конструкцию они собираются в процессе установки на двигатель. Причем сборка в одну деталь осуществляется при соединении поршня с шатуном. Для этого, помимо отверстий под поршневой палец в юбке, на головке имеются специальные проушины.

Достоинство составных поршней - возможность комбинирования материалов изготовления, что повышает эксплуатационные качества детали.

МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

• обеспечивает передачу механических усилий на шатун;
• отвечает за герметизацию камеры сгорания топлива;
• обеспечивает своевременный отвод избытка тепла из камеры сгорания

Работа поршня проходит в сложных и во многом опасных условиях - при повышенных температурных режимах и усиленных нагрузках, поэтому особенно важно, чтобы поршни для двигателей отличались эффективностью, надежностью и износостойкостью. Именно поэтому для их производства используются легкие, но сверхпрочные материалы - термостойкие алюминиевые или стальные сплавы. Поршни изготавливаются двумя методами - литьем или штамповкой.

Конструкция поршня

Поршень двигателя имеет достаточно простую конструкцию, которая состоит из следующих деталей:

Volkswagen AG

1. Головка поршня ДВС
2. Поршневой палец
3. Кольцо стопорное
4. Бобышка
5. Шатун
6. Стальная вставка
7. Компрессионное кольцо первое
8. Компрессионное кольцо второе
9. Маслосъемное кольцо

Конструктивные особенности поршня в большинстве случаев зависят от типа двигателя, формы его камеры сгорания и типа топлива , которое используется.

Днище

Днище может иметь различную форму в зависимости от выполняемых им функций - плоскую, вогнутую и выпуклую. Вогнутая форма днища обеспечивает более эффективную работу камеры сгорания, однако это способствует большему образованию отложений при сгорании топлива. Выпуклая форма днища улучшает производительность поршня, но при этом снижает эффективность процесса сгорания топливной смеси в камере.

Поршневые кольца

Ниже днища расположены специальные канавки (борозды) для установки поршневых колец. Расстояние от днища до первого компрессионного кольца носит название огневого пояса.

Поршневые кольца отвечают за надежное соединение цилиндра и поршня. Они обеспечивают надежную герметичность за счет плотного прилегания к стенкам цилиндра, что сопровождается напряженным процессом трения. Для снижения трения используется моторное масло . Для изготовления поршневых колец применяется чугунный сплав.

Количество поршневых колец, которое может быть установлено в поршне зависит от типа используемого двигателя и его назначения. Зачастую устанавливаются системы с одним маслосъемным кольцом и двумя компрессионными кольцами (первым и вторым).

Маслосъемное кольцо и компрессионные кольца

Маслосъемное кольцо обеспечивает своевременное устранение излишков масла с внутренних стенок цилиндра, а компрессионные кольца - предотвращают попадания газов в картер.

Компрессионное кольцо, расположенное первым, принимает большую часть инерционных нагрузок при работе поршня.

Для уменьшения нагрузок во многих двигателях в кольцевой канавке устанавливается стальная вставка, увеличивающая прочность и степень сжатия кольца. Кольца компрессионного типа могут быть выполнены в форме трапеции, бочки, конуса, с вырезом.

Маслосъемное кольцо в большинстве случаев оснащено множеством отверстий для дренажа масла, иногда - пружинным расширителем.

Поршневой палец

Это трубчатая деталь, которая отвечает за надежное соединение поршня с шатуном. Изготавливается из стального сплава. При установке поршневого пальца в бобышках, он плотно закрепляется специальными стопорными кольцами.

Поршень, поршневой палец и кольца вместе создают так называемую поршневую группу двигателя.

Юбка

Направляющая часть поршневого устройства, которая может быть выполнена в форме конуса или бочки. Юбка поршня оснащается двумя бобышками для соединения с поршневым пальцем.

Для уменьшения потерь при трении, на поверхность юбки наносится тонкий слой антифрикционного вещества (зачастую используется графит или дисульфид молибдена). Нижняя часть юбки оснащена маслосъемным кольцом.

Обязательный процесс работы поршневого устройства - это его охлаждение, которое может быть осуществлено следующими методами:

• разбрызгиванием масла через отверстия в шатуне или форсункой;
• движением масла по змеевику в поршневой головке;
• подачей масла в область колец через кольцевой канал;
• масляным туманом

Уплотняющая часть

Уплотняющая часть и днище соединяются в форме головки поршня. В этой части устройства расположены кольца поршня - маслосъемное и компрессионные. Каналы для колец имеют небольшие отверстия, через которые отработанное масло попадает на поршень, а затем стекает в картер двигателя.

В целом поршень двигателя внутреннего сгорания является одной из самых тяжело нагруженных деталей, который подвергается сильным динамическим и одновременно тепловым воздействиям. Это накладывает повышенные требования как к материалам, используемым в производстве поршней, так и к качеству их изготовления.

Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля представляет собой мотор, где главным рабочим элементом осуществляются планетарные круговые движения. Это принципиально другой вид двигателя, отличный от поршневых собратьев в семействе ДВС.

В конструкции такого агрегата используется ротор (поршень) с тремя гранями, внешне образующим треугольник Рело, осуществляющий круговые движения в цилиндре особого профиля. Чаще всего поверхность цилиндра исполнена по эпитрохоиде (плоской кривой, полученной точкой, которая жестко связана с окружностью, осуществляющей движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор иных форм.

Составные элементы и принцип работы

Устройство двигателя типа РПД предельно проста и компактна. На ось агрегата устанавливается ротор, который крепко соединяется с шестерней. Последняя сцепляется со статором. Ротор, имеющий три грани, двигается по эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чего сменяющиеся объемы рабочих камер цилиндра отсекаются с помощью трех клапанов. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру под действием газа и за счет действия центростремительных сил и ленточных пружин. Получаются 3 изолированные камеры разные по объемным размерам. Здесь осуществляются процессы сжимания поступившей смеси горючего и воздуха, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора и очищающих камеру сгорания от газов. На эксцентриковую ось передается круговое движение ротора. Сама ось находится на подшипниках и передает момент вращения на механизмы трансмиссии. В этих моторах осуществляется одновременная работа двух механических пар. Одна, которая состоит из шестерен, регулирует движение самого ротора. Другая — преобразует вращающиеся движение поршня во вращающиеся движения эксцентриковой оси.

Детали Роторно-поршневого двигателя

Принцип работы двигателя Ванкеля

На примере двигателей, установленных на автомобилях ВАЗ, можно назвать следующие технические характеристики:
— 1,308 см3 – рабочий объем камеры РПД;
— 103 кВт/6000 мин-1 – номинальная мощность;
— 130 кг масса двигателя;
— 125000 км – ресурс двигателя до первого полного его ремонта.

Смесеобразование

В теории в РПД применяют несколько разновидностей смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидких, твердых, газообразных видов топлива.
Касательно твердых видов топлива стоит отметить, что их первоначально газифицируют в газогенераторах, так как они приводят к повышенному золообразованию в цилиндрах. Поэтому большее распространение на практике получили газообразные и жидкие топлива.
Сам механизм образования смеси в двигателях Ванкеля будет зависеть от вида применяемого топлива.
При использовании газообразного топлива его смешение с воздухом происходит в специальном отсеке на входе в двигатель. Горючая смесь в цилиндры поступает в готовом виде.

Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:

1. Воздух смешивается с жидким топливом перед поступлением в цилиндры, куда поступает горючая смесь.
2. В цилиндры двигателя жидкое топливо и воздух поступают по отдельности, и уже внутри цилиндра происходит их смешивание. Рабочая смесь получается при соприкосновении их с остаточными газами.

Соответственно, топливно-воздушная смесь может готовиться вне цилиндров или внутри их. От этого идет разделение двигателей с внутренним или внешним образованием смеси.

Особенности РПД

Преимущества

Преимущества двигателей роторно-поршневого типа по сравнению со стандартными бензиновыми двигателями:

— Низкие показатели уровня вибрации.
В моторах типа РПД отсутствует преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, что позволяет агрегату выдержать высокие обороты с меньшими вибрациями.

— Хорошие динамические характеристики.
Благодаря своему устройству такой мотор, установленный в машине, позволяет ее разогнать выше 100 км/ч на высоких оборотах без избыточной нагрузки.

— Хорошие показатели удельной мощности при малой массе.
Из-за отсутствия в конструкции двигателя коленчатого вала и шатунов достигается небольшая масса движущихся частей в РПД.

— В двигателях такого типа практически отсутствует система смазки.
Непосредственно в топливо добавляется масло. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазывание пар трения.

— Мотор роторно-поршневого типа имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой мотор позволяет максимально использовать полезное пространство моторного отсека автомобиля, равномерно распределить нагрузку на оси автомашины и лучше рассчитать расположение элементов коробки передач и узлов. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности будет в два раза больше роторного двигателя.

Недостатки двигателя Ванкеля

— Качество моторного масла.
При эксплуатации такого типа двигателей необходимо уделять должное внимание к качественному составу масла, применяемого в двигателях Ванкеля. Ротор и находящаяся внутри камера двигателя имеют большую площадь соприкосновения, соответственно, износ двигателя происходит быстрее, а также такой двигатель постоянно перегревается. Нерегулярная смена масла наносит огромный урон двигателю. Износ мотора возрастает в разы из-за наличия абразивных частиц в отработанном масле.

— Качество свечей зажигания.
Эксплуатантам таких двигателей приходится быть особо требовательным к качественному составу свечей. В камере сгорания из-за ее небольшого объема, протяженной формы и высокой температуры затруднен процесс зажигания смеси. Следствием является повышенная рабочая температура и периодическая детонация камеры сгорания.

— Материалы уплотнительных элементов.
Существенной недоработкой мотора типа РПД можно назвать ненадежную организацию уплотнений промежутков между камерой, где сгорает топливо, и ротором. Устройство ротора такого мотора достаточно сложное, поэтому уплотнения требуются и по граням ротора, и по боковой поверхности, имеющей соприкосновение с крышками двигателя. Поверхности, которые подвергаются трению, необходимо постоянно смазывать, что выливается в повышенный расход масла. Практика показывает, что мотор типа РПД может потребить от 400 гр до 1 кг масла на каждые 1000 км. Снижаются экологичные показатели работы двигателя, так как горючее сгорает вместе с маслом, в результате в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ.

Из-за своих недоработок такие моторы не получили широкого распространения в автомобилестроении и в изготовлении мотоциклов. Но на базе РПД изготавливаются компрессоры и насосы. Авиамоделисты часто используют такие двигатели для конструирования своих моделей. Из-за невысоких требований к экономичности и надежности конструкторы не применяют сложную систему уплотнений в таких моторах, что значительно снижает его себестоимость. Простота его конструкции позволяет без проблем встроить в авиамодель.

КПД роторно-поршневой конструкции

Не смотря на ряд недоработок, проведенные исследования показали, что общий КПД двигателя Ванкеля довольно-таки высокий по современным меркам. Его значение составляет 40 – 45%. Для сравнения, у поршневых двигателей внутреннего сгорания КПД составляет 25%, у современных турбодизелей – около 40%. Самый высокий КПД у поршневых дизельных двигателей составляет 50%. До настоящего времени ученые продолжают работу по изысканию резервов для повышения КПД двигателей.

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

1. Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование горючего в моторе).

Исследования в этой области показывают, что только 75% горючего сгорает в полном объеме. Есть мнение, что данная проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газов. Необходимо предусмотреть обустройство специальных камер при оптимальных условиях. Горение должно происходить в замкнутом объеме, при условии нарастания температурных показателей и давления, расширительный процесс должен происходить при невысоких показателях температур.

1. КПД механический (характеризует работу, результатом которой стало образование переданного потребителю крутящего момента главной оси).

Порядка 10% работы мотора расходуется на приведение в движение вспомогательных узлов и механизмов. Исправить данную недоработку можно путем внесения изменений в устройство двигателя: когда главный движущийся рабочий элемент не прикасается к неподвижному корпусу. Постоянное плечо крутящего момента должно присутствовать на всем пути следования основного рабочего элемента.

1. Термическая эффективность (показатель, отражающий количество тепловой энергии, образованной от сжигания горючего, преобразующейся в полезную работу).

На практике 65% полученной тепловой энергии улетучивается с отработанными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что можно добиться повышения показателей термической эффективности в том случае, когда конструкция мотора позволяла бы осуществлять сгорание горючего в теплоизолированной камере, чтобы с самого начала достигались максимальные показатели температуры, а в конце эта температура понижалась до минимальных значений путем включения паровой фазы.

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

На пути массового применения двигателя встали значительные технические трудности:
— отработка качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечение герметичности уплотнения рабочих объемов;
— проектировка и создания конструкции корпусных деталей, которые надежно прослужат весь жизненный цикл работы двигателя без коробления при неравномерном нагрева этих деталей.
В результате огромной проделанной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы этим фирмам удалось решить почти все наиболее сложные технические задачи на пути создания РПД и выйти на этап их промышленного производства.

Первый массовый автомобиль NSU Spider с РПД начала выпускать фирма NSU Motorenwerke. Вследствие частых переборок двигателей из-за выше сказанных технических проблем на раннем этапе развития конструкции двигателя Ванкеля, взятые NSU гарантийные обязательства привели ее к финансовому краху и банкротству и последовавшему слиянию с Audi в 1969 году.
Между 1964 и 1967 годом произведено 2375 автомобилей. В 1967 году Spider был снят с производства и заменён на NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 выпущено 37398 машин.

Наиболее успешно с данными проблемами справились инженеры фирмы Mazda. Она и остается единственным массовым производителем машин с роторно-поршневыми двигателями. Доработанный мотор серийно начался ставить на автомобиль Mazda RX-7 с 1978 года. С 2003 преемственность приняла модель Mazda RX-8, она и является на данный момент массовой и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.

Российские РПД

Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 60-м годам. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 году, соответствующим постановлением Минавтопрома и Минсельхозмаша СССР. Промышленное же изучение с дальнейшем выводом на производство данной конструкции началось в 1974 году на ВАЗе. специально для этого было создано Специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (СКБ РПД). Поскольку лицензию купить не было возможности, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе разработали и собрали двигатель Ваз-311, а произошло это знаменательное событие в 1976 году. На ВАЗе разрабатывали целую линейку РПД от 40 до 200 сильных двигателей. Доработка конструкции тянулась почти шесть лет. Удалось решить целый ряд технических проблем связанные с работоспособностью газовых и маслосъемных уплотнений, подшипников, отладить эффективный рабочий процесс в камере неблагоприятной формы. Свой первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом представил публике в 1982 году, это был Ваз-21018. Машина внешне и конструктивно была как и все модели данной линейки, за одним исключением, а именно, под капотом стоял односекционный роторный двигатель мощностью 70 л.с. Длительность разработки не помешала случиться конфузу: на всех 50 опытных машинах при эксплуатации возникли поломки мотора, заставившие завод установить на его место обычный поршневой.

Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем

Установив, что причиной неполадок являлись вибрации механизмов и ненадёжность уплотнений, конструкторы предприняли спасти проект. Уже в 83-ем появились двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (мощностью, соответственно, 120 и 140 л.с.). Несмотря на низкую экономичность и малый ресурс, сфера применения роторного двигателя всё-таки нашлась – ГАИ, КГБ и МВД требовались мощные и незаметные машины. Оснащённые роторными двигателями «Жигули» и «Волги» легко догоняли иномарки.

С 80-ых годов 20 века СКБ был увлечён новой темой – применение роторных двигателей в смежной отрасли — авиационной. Отход от основной отрасли применения РПД привело к тому, что для переднеприводных машин роторный двигатель Ваз-414 создаётся лишь к 1992 году, да ещё три года доводится. В 1995 году Ваз-415 был представлен к сертификации. В отличие от предшественников он универсален, и может устанавливаться под капотом как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных машин (ВАЗ, Москвич). Двухсекционный «Ванкель» имеет рабочий объём 1308 см 3 и развивает мощность 135 л.с. при 6000об/мин. «Девяносто девятую» он ускоряет до сотни за 9 секунд.

Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414

На данный момент проект по разработке и внедрения отечественного РПД заморожен.

Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.

При сжигании топлива выделяется тепловая энергия. Двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра и энергия получающихся при этом газов воспринимается движущимся в цилиндре поршнем, именуют поршневым.

Итак, как уже указывалось ранее, двигатель этого типа является основным для современных автомобилей.

В таких двигателях камера сгорания размещена в цилиндре, в котором тепловая энергия от сгорания топливовоздушной смеси преобразуется в механическую энергию поршня движущегося поступательно и затем специальным механизмом, который называется кривошипно-шатунным, превращается во вращательную энергию коленчатого вала.

По месту образования смеси, состоящей из воздуха и топлива (горючей) поршневые ДВС разделяются на двигатели с внешним и внутренним преобразованием.

При этом, двигатели с внешним смесеобразованием по роду применяемого топлива разделяются на карбюраторные и инжекторные, работающие на легком жидком топливе (бензине) и газовые, работающие на газе (газогенераторный, светильный, природный газ и т.д.). Двигатели с воспламенением от сжатия это дизельные двигатели (дизели). Они работают на тяжелом жидком топливе (дизельном топливе). В целом конструкция самих двигателей практически одинакова.

Рабочий цикл четырехтактных двигателей в поршневом исполнении совершается когда коленчатый вал совершает два оборота. По определению он состоит из четырех отдельных процессов (или тактов): впуска (1 такт), сжатия топливовоздушной смеси (2 такт), рабочего хода (3 такт) и выпуска отработавших газов (4 такт).

Смена тактов работы двигателя обеспечивается при помощи газораспределительного механизма, состоящего из распределительного вала, передаточной системы толкателей и клапанов, изолирующих рабочее пространство цилиндра от внешней среды и главным образом обеспечивающими смену фаз газораспределения. Ввиду инерционности газов (особенностей процессов газодинамики) такты впуска и выпуска для реального двигателя перекрываются, что означает их совместное действие. На высоких оборотах перекрытие фаз сказывается положительно на работу двигателя. Напротив, чем оно больше на низких оборотах, тем меньше крутящий момент двигателя. В работе современных двигателей учитывается это явление. Создают устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Существуют различные конструкции таких устройств, наиболее пригодными из которых являются электромагнитные устройства регулировки фаз газораспределительных механизмов (BMW, Mazda).

Карбюраторные ДВС

В карбюраторных двигателях топливовоздушная смесь готовится до ее поступления в цилиндры двигателя, в специальном устройстве - в карбюраторе. В таких двигателях горючая смесь (смесь топлива и воздуха), поступившая в цилиндры и смешавшаяся с остатками отработавших газов (рабочей смеси) воспламеняется от постороннего источника энергии - электрической искры системы зажигания.

Инжекторные ДВС

В таких двигателях благодаря наличию распыляющих форсунок, осуществляющих впрыск бензина во впускной коллектор, происходит смесеобразование с воздухом.

Газовые ДВС

В этих двигателях давление газа после выхода из газового редуктора сильно снижается и доводится до близкого атмосферному, после чего при помощи воздушно-газового смесителя всасывается, посредством электрических форсунок впрыскивается (аналогично инжекторным двигателям) во впускной коллектор двигателя.

Зажигание, как и в предыдущих типах двигателей, осуществляется от искры свечи, проскакивающей между ее электродами.

Дизельные ДВС

В дизельных двигателях смесеобразование происходит непосредственно внутри цилиндров двигателя. Воздух и топливо поступают в цилиндры раздельно.

При этом, вначале в цилиндры поступает только воздух, он сжимается, и в момент его максимального сжатия, струя мелкораспыленного топлива через специальную форсунку впрыскивается в цилиндр (давление внутри цилиндров таких двигателей достигает гораздо больших значений, чем в двигателях предыдущего типа), происходит воспламенение образованной смеси.

При этом поджигание смеси происходит в результате повышения температуры воздуха при сильном его сжатии в цилиндре.

Среди недостатков дизельных двигателей можно выделить более высокий, по сравнению с предыдущими типами поршневых двигателей - механическая напряженность его деталей, в особенности кривошипно-шатунного механизма, требующий улучшенных прочностных качеств и, как следствие, больших габаритов, веса и стоимости. Она повышается за счет усложненной конструкции двигателей и применения более качественных материалов.

Кроме этого, такие двигатели характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах за счет гетерогенного горения рабочей смеси внутри цилиндров.

Газодизельные ДВС

Принцип работы такого двигателя аналогичен работе любого из разновидностей газовых двигателей.

Топливовоздушная смесь готовится по аналогичному принципу, путем подачи газа в воздушно-газовый смеситель или во впускной коллектор.

Однако, поджигается смесь запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр по аналогии с работой дизельных двигателей, а не с использованием электрической свечи.

Роторно-поршневые ДВС

Кроме устоявшегося названия, этот двигатель имеет наименование по имени создавшего его ученого-изобретателя и называется двигателем Ванкеля. Предложен в начале XX века. В настоящее время такими двигателями занимаются производители Mazda RX-8.

Основную часть двигателя образует треугольный ротор (аналог поршня), вращающийся в камере специфической формы, по конструкции внутренней поверхности, напоминающей цифру «8». Этот ротор исполняет функцию поршня коленчатого вала и газораспределительного механизма, таким образом, позволяет отказаться от системы газораспределения, обязательной для поршневых двигателей. Он выполняет три полных рабочих цикла за один свой оборот, что позволяет одним таким двигателем заменить шестицилиндровый поршневой двигатель.Несмотря на много положительных качеств, среди которых также и принципиальная простота его конструкции, имеет, недостатки, препятствующие его широкому использованию. Они связаны с созданием долговечных надежных уплотнений камеры с ротором и построением необходимой системы смазки двигателя. Рабочий цикл роторно-поршневых двигателей состоит из четырех тактов: впуска топливовоздушной смеси (1 такт), сжатия смеси (2 такт), расширения сгорающей смеси (3 такт), выпуска (4 такт).

Роторно-лопасные ДВС

Это тот самый двигатель, который применен в Ё-мобиле.

Газотурбинные ДВС

Уже сегодня эти двигатели с успехом способны заменить поршневые ДВС в автомобилях. И хотя той степени совершенства конструкция этих двигателей достигла только в последние несколько лет, идея применить в автомобилях газотурбинные двигатели возникла давно. Реальную возможность создания надежных газотурбинных двигателей теперь обеспечивают теория лопаточных двигателей, достигшая высокого уровня развития, металлургия и техника их производства.

Что же газотурбинный двигатель собой представляет? Для этого давайте рассмотрим его принципиальную схему.

Компрессор (поз9) и газовая турбина (поз.7) находятся на одном валу (поз.8). Вал газовой турбины вращается в подшипниках (поз.10). Компрессор забирает воздух из атмосферы, сжимает его и направляет в камеру сгорания (поз.3). Топливный насос (поз.1), также приводится в движение от вала турбины. Он подает топливо в форсунку (поз.2), которая установлена в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат (поз.4) газовой турбины на лопатки ее рабочего колеса (поз.5) и заставляют его вращаться в заданном направлении. Отработавшие газы выпускаются в атмосферу через патрубок (поз.6).

И хотя этот двигатель полон недостатков, они по мере развития конструкции постепенно ликвидируются. При этом, по сравнению с поршневыми ДВС, газотурбинный ДВС имеет ряд существенных преимуществ. Прежде всего следует отметить, что как и паровая турбина, газовая может развивать большие обороты. Что позволяет получать большую мощность от меньших по размерам двигателей и более легких по весу (почти в 10 раз). Кроме того, единственным видом движения в газовой турбине является вращательное. У поршневого двигателя помимо вращательного, имеются возвратно-поступательные движения поршней и сложные движения шатунов. Также газотурбинные двигатели не требуют специальных систем охлаждения, смазки. Отсутствие значительных поверхностей трения при минимальном количестве подшипников обеспечивают продолжительную работу и высокую надежность газотурбинного двигателя. Наконец, важно отметить, что питание их осуществляется с применением керосина либо дизельного топлива, т.е. более дешевых видов, чем бензин. Сдерживающей развитие автомобильных газотурбинных двигателей причиной является необходимость искусственного ограничивания температуры поступающих на лопатки турбины газов, поскольку еще очень дороги высокопожарочные металлы. Что в результате снижает полезное использование (КПД) двигателя и увеличивает удельный расход топлива (количество топлива на 1 л.с.). Для пассажирских и грузовых автомобильных двигателей температуру газа приходится ограничивать а пределах 700°С, а в авиационных двигателях до 900°С.Однако уже сегодня существуют некоторые способы повышения КПД этих двигателей за счет отвода теплоты отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха. Решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя во многом зависит от успеха работ в этой области.

Комбинированные ДВС

Большой вклад в теоретические аспекты работы и создания комбинированных двигателей внес инженер СССР, профессор А.Н.Шелест.

Алексей Нестерович Шелест

Эти двигатели представляют собой комбинацию из двух машин: поршневой и лопаточной, в качестве которой может выступать турбина или компрессор. Обе эти машины являются важными элементами рабочего процесса. В качестве примера такого двигателя с газотурбинным наддувом. При этом в обычном поршневом двигателе с помощью турбокомпрессора происходит принудительная подача воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить мощность двигателя. В основе лежит использование энергии потока отработавших газов. Он воздействует на крыльчатку турбины, закрепленной на валу с одной стороны. И раскручивает ее. На том же валу с другой стороны расположены лопасти компрессора. Таким образом, с помощью компрессора нагнетается воздух в цилиндры двигателя за счет разрежения в камере с одной стороны и принудительной подачи воздуха, с другой стороны в двигатель поступает большое количество смеси воздуха и топлива. В результате, объем сгораемого топлива увеличивается и образующийся в результате этого сгорания газ занимает больший объем, что и создает большую силу на поршне.

Двухтактные ДВС

Так именуется ДВС с необычной системой газораспределения. Она реализована в процессе прохождения поршнем, совершающим возвратно-поступательные движения, двух патрубков: впускной и выпускного. Можно встретить его иностранное обозначение «RCV».

Рабочие процессы двигателя совершаются в течение одного оборота коленчатого вала и двух ходов поршня. Принцип работы заключается с следующем. Сначала происходит продувка цилиндра, что означает впуск горючей смеси с одновременным впуском отработавших газов. Затем происходит сжатие рабочей смеси, в момент поворота коленчатого вала на 20--30 градусов от положения соответствующего НМТ при перемещении к ВМТ. И рабочий ход, по протяженности составляющий ход поршня от верхней мёртвой точки (ВМТ) не доходя до нижней мёртвой точки (НМТ) на 20--30 градусов по оборотам коленчатого вала.

Существуют явные недостатки двухтактных двигателей. Во-первых слабым звеном двухтактного цикла является продувка двигателя (опять же с т. з. газодинамики). Это происходит с одной стороны из-за того, что, отделение свежего заряда от выхлопных газов обеспечить невозможно, т.е. неизбежны потери по сути вылетающей в выхлопную трубу свежей смеси, (либо воздух если речь о дизеле). С другой же стороны рабочий ход длится меньше половины оборота, что уже говорит о снижении КПД двигателя. Наконец длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена.

Двухтактные двигатели сложнее и дороже за счёт обязательного применения системы продувки или системы наддува. Несомненно, что повышенная тепловая напряженность деталей цилиндропоршневой группы требует применения более дорогих материалов отдельных деталей: поршней, колец, втулок цилиндров. Также выполнение поршнем газораспределительных функций накладывает ограничение на размер его высоты, состоящий из высоты хода поршня и высоты окон для продувки. Это не так критично в мопеде, но значительно утяжеляет поршень при установки его на автомобилях требующих значительных затрат мощности. Таким образом, когда мощность измеряется десятками, а то и сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня бывает очень заметно.

Тем не менее проводились определенные работы в направлении совершенствования таких двигателей. В двигателях Рикардо вводили специальные распределительные гильзы с вертикальным ходом, что было некоторой попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась довольно сложной и очень дорогой в исполнении, поэтому такие двигатели использовались только в авиации. Необходимо дополнительно заметить, что имеют вдвое большую теплонапряжённость выпускные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) в сравнении с клапанами четырёхтактных двигателей. Кроме того сёдла имеют более длительный прямой контакт с отработавшими газами, а следовательно худший теплоотвод.

Шеститактные ДВС

В основе работы положен принцип действия четырёхтактного двигателя. Дополнительно в его конструкции имеются элементы, которые с одной стороны повышают его КПД, в то время как с другой стороны снижают его потери. Существует два разных типа таких двигателей.

В двигателях работающих на основе циклов Отто и Дизеля существуют значительные потери тепла при сгорании топлива. Эти потери используются в двигателе первой конструкции в качестве дополнительной мощности. В конструкциях таких двигателей дополнительно топливовоздушной смеси в качестве рабочей среды для добавочного хода поршня используется пар или воздух, в результате чего повышается мощность. В таких двигателях после каждого впрыска топлива поршни движутся три раза в обоих направлениях. В этом случае имеется два рабочих хода -- один с топливом, а другой с паром или воздухом.

В этой области созданы следующие двигатели:

двигатель Баюласа (с англ. Bajulaz). Был создан компанией Баюлас (Швейцария);

двигатель Кроуэра (с англ. Crower). Изобретен Брюсом Кроуэром (США);

Брюс Кроуэр

Двигатель Велозета (с англ. Velozeta) Был построен в инженерном колледже (Индия).

Принцип действия второго типа двигателя основан на использовании в его конструкции дополнительного поршня на каждом цилиндре и расположенного напротив основного. Дополнительный поршень движется с уменьшенной в два раза по отношению к основному поршню частотой, что и обеспечивает на каждый цикл шесть ходов поршней. Дополнительный поршень по своему основному назначению заменяет традиционный газораспределительный механизм двигателя. Вторая его функция заключается в увеличении степени сжатия.

Основных, независимо созданных друг от друга конструкций таких двигателей две:

двигатель Бир Хэд (с англ. Beare Head). Изобретён Малькольмом Биром (Австралия);

двигатель с названием «Заряжающийся насос» (с англ. German Charge pump). Изобретён Хельмутом Котманном (Германия).

Что же будет в недалеком будущем с двигателем внутреннего сгорания?

Кроме указанных в начале статьи недостатков ДВС существует и еще один принципиальный недостаток не позволяющий использовать ДВС отдельно от трансмиссии автомобиля. Силовой агрегат автомобиля образован двигателем в совокупности с трансмиссией автомобиля. Он позволяет двигаться автомобилю на всех необходимых скоростях движения. А вот отдельно взятый ДВС развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Вот собственно почему и необходима трансмиссия. Только в исключительных случаях обходятся без трансмиссии. Например в некоторых конструкциях самолетов.

Поршень двигателя представляет собой деталь, имеющую цилиндрическую форму и совершающую возвратно-поступательные движения внутри цилиндра. Он принадлежит к числу наиболее характерных для двигателя деталей, поскольку реализация термодинамического процесса, происходящего в ДВС, происходит именно при его помощи. Поршень:

• воспринимая давление газов, передает возникающее усилие на ;
• герметизирует камеру сгорания;
• отводит от неё излишек тепла.

На фотографии выше продемонстрированы четыре такта работы поршня двигателя.

Экстремальные условия обуславливают материал изготовления поршней

Поршень эксплуатируется в экстремальных условиях, характерными чертами которых являются высокие: давление, инерционные нагрузки и температуры. Именно поэтому к основным требованиям, предъявляемым материалам для его изготовления относят:

• высокую механическую прочность;
• хорошую теплопроводность;
• малую плотность;
• незначительный коэффициент линейного расширения, антифрикционные свойства;
• хорошую коррозионную устойчивость.

Требуемым параметрам соответствуют специальные алюминиевые сплавы, отличающиеся прочностью, термостойкостью и легкостью. Реже в изготовлении поршней используются серые чугуны и сплавы стали.

Поршни могут быть:

• литыми;
• коваными.

В первом варианте их изготовляют путем литья под давлением. Кованые изготовляются методом штамповки из алюминиевого сплава с небольшим добавлением кремния (в среднем, порядка 15 %), что значительно увеличивает их прочность и снижает степень расширения поршня в диапазоне рабочих температур.

Конструктивные особенности поршня определяются его предназначением

Основными условиями, определяющими конструкцию поршня, являются тип двигателя и форма камеры сгорания, особенности процесса сгорания, проходящего в ней. Конструктивно поршень представляет собой цельный элемент, состоящий из:

• головки (днища);
• уплотняющей части;
• юбки (направляющей части).

Отличается ли поршень бензинового двигателя от дизельного? Поверхности головок поршней двигателей бензинового и дизельного конструктивно отличаются. В бензиновом двигателе поверхность головки - плоская или близкая к ней. Иногда в ней выполняются канавки, способствующие полному открытию клапанов. Для поршней двигателей, оборудованных системой непосредственного впрыска топлива (СНВТ), свойственна более сложная форма. Головка поршня в дизельном двигателе значительно отличается от бензинового, - благодаря выполнению в ней камеры сгорания заданной формы, обеспечивается лучшее завихрение и смесеобразование.

На фотографии схема поршня двигателя.

Поршневые кольца: виды и состав

Уплотняющая часть поршня включает в себя поршневые кольца, обеспечивающие плотность соединения поршня с цилиндром. Техническое состояние двигателя определяется его уплотняющей способностью. Зависимости от типа и предназначения двигателя выбирается число колец и их расположение. Наиболее распространенной схемой является схема из двух компрессионных и одного маслосъемного колец.

Изготавливаются поршневые кольца, в основном, из специального серого высокопрочного чугуна, имеющего:

• высокие стабильные показатели прочности и упругости в условиях рабочих температур на протяжении всего периода службы кольца;
• высокую износостойкость в условиях интенсивного трения;
• хорошие антифрикционные свойства;
• способность быстрого и эффективного прирабатывания к поверхности цилиндра.

Благодаря легирующим добавкам хрома, молибдена, никеля и вольфрама, термостойкость колец значительно повышается. Путем нанесения специальных покрытий из пористого хрома и молибдена, лужения или фосфатирования рабочих поверхностей колец улучшают их прирабатываемость, увеличивают износостойкость и защиту от коррозии.

Основным предназначением компрессионного кольца является препятствование попаданию в картер двигателя газов из камеры сгорания. Особенно большие нагрузки приходятся на первое компрессионное кольцо. Поэтому при изготовлении колец для поршней некоторых форсированных бензиновых и всех дизельных двигателей устанавливают вставку из стали, которая повышает прочность колец и позволяет обеспечить максимальную степень сжатия. По форме компрессионные кольца могут быть:

• трапециевидные;
• тбочкообразные;
• тконические.

При изготовлении некоторых колец выполняется порез (вырез).

На маслосъемное кольцо возлагается функция удаления излишков масла со стенок цилиндра и препятствование его проникновению в камеру сгорания. Оно отличается наличием множества дренажных отверстий. В конструкциях некоторых колец предусмотрены пружинные расширители.

Форма направляющей части поршня (иначе, юбки) может быть конусообразной или бочкообразной , что позволяет компенсировать его расширение при достижении высоких рабочих температур. Под их воздействием форма поршня становится цилиндрической. Боковую поверхность поршня с целью снижения вызванных трением потерь покрывают слоем антифрикционного материала, в этих целях используется графит или дисульфид молибдена. Благодаря отверстиям с приливами, выполненным в юбке поршня, осуществляется крепление поршневого пальца.

Узел, состоящий из поршня, компрессионных, маслосъемных колец, а также поршневого пальца принято называть поршневой группой. Функция её соединения с шатуном возложена на стальной поршневой палец, имеющий трубчатую форму. К нему предъявляются требования:

• минимальной деформации при работе;
• высокой прочности при переменной нагрузке и износостойкости;
• хорошей сопротивляемости ударной нагрузке;
• малой массы.

По способу установки поршневые пальцы могут быть:

• закреплены в бобышках поршня, но вращаться в головке шатуна;
• закреплены в головке шатуна и вращаться в бобышках поршня;
• свободно вращающимися в бобышках поршня и в головке шатуна.

Пальцы, установленные по третьему варианту, называются плавающими. Они являются наиболее популярными, поскольку их износ по длине и окружности является незначительным и равномерным. При их использовании опасность заедания сведена к минимуму. Кроме того, они удобны при монтаже.

Отвод излишков тепла от поршня

Наряду со значительными механическими нагрузками поршень также подвергается негативному воздействию экстремально высоких температур. Тепло от поршневой группы отводится:

• системой охлаждения от стенок цилиндра;
• внутренней полостью поршня, далее - поршневым пальцем и шатуном, а также маслом, циркулирующим в системе смазки;
• частично холодной топливовоздушной смесью, подаваемой в цилиндры.

С внутренней поверхности поршня его охлаждение осуществляется с помощью:

• разбрызгивания масла через специальную форсунку или отверстие в шатуне;
• масляного тумана в полости цилиндра;
• впрыскивания масла в зону колец, в специальный канал;
• циркуляции масла в головке поршня по трубчатому змеевику.

Видео - работа двигателя внутреннего сгорания (такты, поршень, смесь, искра):

Видео про четырёхтактный двигатель - принцип работы: