Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания

Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания преобразование тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу происходит внутри цилиндра двигателя.

В двигателе с внешним смесеобразованием в замкнутое пространство, образованное стенками цилиндра, его головкой и днищем поршня, через впускной клапан при перемещении поршня вниз всасывается горючая смесь, состоящая из жидкого топлива или горючего газа, смешанного в Определенной пропорции с воздухом. При перемещении поршня вверх смесь сжимается и воспламеняется от постороннего источника тепла. При сгорании смеси выделяется большое количество тепла, вследствие чего газы, получившиеся при сгорании, нагреваются и давление их сильно возрастает. Под действием давления газов поршень перемещается в цилиндре вниз и посредством шатуна вращает коленчатый вал, совершая при этом полезную работу. При обратном ходе поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра через выпускной клапан.

Рассмотренный процесс непрерывно повторяется, чем обеспечивается работа двигателя и получение на коленчатом валу необходимого для движения автомобиля усилия.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

При вращении коленчатого вала его шатунная шейка вместе с нижней головкой шатуна описывает окружность (рис. 1). Верхняя головка шатуна вместе с поршнем при этом перемещается в цилиндре прямолинейно вверх и вниз (возвратно-поступательно). При одном обороте колена (кривошипа) вала поршень делает один ход вниз и один ход вверх.

Изменение направления движения поршня происходит в нижней и верхней мертвых точках.

Верхней мертвой точкой (в. м. т.) называют самое верхнее положение поршня и кривошипа (рис. 1, а).

Нижней мертвой точкой (н. м. т.) называют самое нижнее положение поршня и кривошипа (рис. 1, б).

При положении поршня в мертвых точках давление газов на поршень не может вызвать поворота коленчатого вала, так как шатун и кривошип коленчатого вала располагаются в одну линию.

Ходом поршня называется расстояние между крайними положениями поршня (от в. м. т. до н. м. т.). По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа.

Двигатели, у которых длина хода поршня меньше диаметра цилиндра, называются короткоходными. Такие двигатели получают все большее распространение, так как при больших числах оборотов коленчатого вала скорость поршня получается невысокой, что обеспечивает большую износостойкость двигателя.

При повороте кривошипа от мертвых точек на одинаковые углы поршень проходит различные расстояния. Это означает, что при равномерном вращении коленчатого вала поршень в цилиндре двигается неравномерно с ускорениями и замедлениями, вследствие чего в работающем двигателе появляются силы инерции.

Тактом называют процесс, происходящий в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки к другой.

Рис. 1. Основные положения кривопшпно-шатунного механизма

При перемещении поршня вниз от в. м. т. до п. м. т. (рис. 16, б) объем внутренней полости цилиндра над поршнем изменяется от минимального значения (объем камеры сгорания) до максимального (полный объем цилиндра).

Камерой сгорания называется пространство в цилиндре над поршнем при положении его в в. м. т.

Рабочим объемом цилиндра называется объем цилиндра, заключенный между верхней и нижней мертвыми точками.

Рабочим объемом, или литражом двигателя, называется рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах.

Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания.

Степенью сжатия двигателя называется отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр смесь (заряд) при перемещении поршня из н. м. т. в в. м. т. Чем выше степень сжатия двигателя, тем большую экономичность по расходу топлива имеет двигатель.

История и причины появления поршневых двигателей внутреннего сгорания

Первые поршневые двигатели внутреннего сгорания, получившие довольно широкое распространение в шестидесятых годах XIX века, работали на светильном газе. Их конструктором был Э.Ленуар, двигатели работали без предварительного сжатия рабочей смеси. Появившиеся вслед за ними двигатели, построенные немецким изобретателем Н. Отто в 1867-1872 гг., также работали на светильном газе, были четырехтактными, имели предварительное сжатие рабочей смеси и искровое зажигание. Теоретические основы рабочих процессов этих двигателей были разработаны значительно раньше появления реальных машин французскими учеными С. Карно (1721 г.) и Бо-де Роша (1854 г.).

 С появлением дизельных двигателей (кстати, впервые электростанции Energo (Франция) стали использовать данный тип оборудования), экономично работающих на тяжелом нефтяном топливе, и бензиновых двигателей, газ как топливо был практически полностью вытеснен жидкими нефтяными продуктами. Своим успехом последние обязаны высокой концентрации энергии в единице объема, простоте перевозки и хранения. Газовые двигатели продолжали применять только на крупных металлургических предприятиях, где они работали на местном доменном, коксовом или угольном газах.

 Однако по основным техническим показателям, характеризующим эффективность использования топлива в двигателе, жидкие нефтяные топлива уступают газам. Так, при применении газового топлива в 1,5–2 раза уменьшается износ основных деталей цилиндро-поршневой группы, существенно снижается токсичность выпускных газов, увеличивается срок службы и уменьшается расход смазки, а также снижаются расходы на топливо. Поэтому, как только добыча и производство природного газа и сжиженных бутано-пропановых смесей достигли большого объема, применение газовых двигателей, выполненных к тому же на новом, более высоком техническом уровне, стало технически и экономически оправданным.

 Основные факторы, которые обусловили возрождение газовых двигателей, сводятся к следующему:

• бурное развитие газовой промышленности;
• 
  технико-экономическое и экологическое преимущества газа как топлива;
• 
  технический прогресс газовых двигателей, обеспечивающий полное использование выгодных свойств газа как топлива для двигателей.

Коэффициент полезного действия (КПД) газовых двигателей практически равен КПД дизелей такого же класса (обратите внимание, что этими показателями не могут похвастаться дизельные генераторы). Как правило, газовые двигатели строят на базе дизелей, с которыми они конструктивно и технологически хорошо унифицируются. Именно этим объясняется то, что большинство фирм, выпускающих дизели, предлагают потребителю их газовые модификации.

Двигатели, работающие на природном газе, широко используют для привода электрогенераторов, насосов, компрессоров. Их единичная мощность достигает десятков мегаватт, а электростанций с газовыми двигателями — сотен мегаватт.

 Сжиженные газы применяют для двигателей малой и средней мощности, предназначенных, главным образом, для установки на тракторы, бурильные установки, автобусы и легковые автомобили. Кроме того, сжиженные газы применяют для отопления жилых домов, теплиц и бытовых установок.

Основными требованиями, предъявляемыми к газовым двигателям и агрегатам на их базе, являются надежность, оптимальный режим работы, ориентированный на получение максимального технического эффекта (в частности, высокого КПД), оптимальный объем автоматизации, простота обслуживания, ремонтопригодность и, возможно, низкая стоимость.

Руководство для начинающих: что такое поршень (и что он делает)?

Поршни составляют основу поршневого двигателя внутреннего сгорания, поэтому их часто называют «поршневым двигателем». В своей основе поршень представляет собой просто сплошной металлический цилиндр, который движется вверх и вниз в полом цилиндре блока цилиндров . Сам поршень немного меньше отверстия, в котором он перемещается, но поршневые кольца в нем находятся под напряжением, чтобы обеспечить (почти) герметичное уплотнение после его установки в цилиндре двигателя. Поршень прикреплен через поршневой палец к шатуну, который, в свою очередь, соединен с коленчатым валом, и вместе они превращают движение вверх и вниз (возвратно-поступательное) в круговое и круговое (вращательное) движение для привода колес.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать только с одним цилиндром и, следовательно, с одним поршнем (мотоциклы и газонокосилки) или с двенадцатью, но в большинстве автомобилей их четыре, шесть или восемь.

Поршни также используются в двигателях внешнего сгорания, также известных как паровые двигатели, в которых вода нагревается в котле, а образующийся пар используется для приведения в движение поршней во внешних цилиндрах, которые затем приводят в движение колеса.

В роторном двигателе нет поршней, цилиндров или клапанов, только вращающиеся роторы треугольной формы. Но в настоящее время роторные двигатели Ванкеля не производятся, последним из них является Mazda RX-8 2012 года9.0005

В каждом четырехтактном (бензиновом или дизельном) двигателе впуск, сжатие, сгорание и выхлоп происходят над головкой поршня, что заставляет поршень двигаться вверх и вниз (или из стороны в сторону в горизонтально противоположных двигателей, таких как Porsche или Subaru) внутри цилиндра. Поршень толкает вверх, сжимая топливо и воздух в гораздо меньшее пространство в головке цилиндра, где оно затем воспламеняется свечой зажигания. В результате взрыва поршень движется вниз, создавая выхлопные газы. Гораздо более полное объяснение можно найти здесь или на анимации ниже.

Компоненты двигателя сегодня должны быть прочными для долговечности и легкими для повышения эффективности, что означает, что все поршни изготовлены из алюминиевого сплава. Но еще на заре эры безлошадных повозок поршни были сделаны из чугуна, потому что они были очень долговечными и устойчивыми к теплу, который мог быстро расплавить алюминий. По мере развития металлургии и лучшего контроля температуры за счет более эффективной конструкции легкость алюминия быстро победила и позволила достичь гораздо более высоких оборотов.

Поршневые кольца по-прежнему изготавливались из чугуна и стальных сплавов из-за их более высокой жесткости. Пакет колец обычно состоит из компрессионного кольца, грязесъемного кольца и маслосъемного кольца, расположенных сверху вниз, из чугуна или стали.

Компрессионное кольцо уплотняет зазор между поршнем и цилиндром. Второе, грязесъемное кольцо, способствует сжатию, а также стиранию лишнего масла со стенок цилиндра при движении поршня вниз. Маслосъемное кольцо на самом деле состоит из 2 колец и распределителя в большинстве двигателей, а также вытирает масло со стенки цилиндра, а затем позволяет ему стекать обратно через небольшие отверстия в кольце. Но со временем кольца могут изнашиваться и терять эластичность, позволяя маслу из картера перемещаться в камеру сгорания. Чрезмерный расход масла и голубоватый дым из выхлопных труб обычно свидетельствует об износе поршневых колец.

Поршень: определение, детали, функции, материалы, выпуск, работа

В двигателе внутреннего сгорания поршень является одним из важнейших компонентов, помогающих работе цикла сгорания. Часть двигателя заключена в блок цилиндров, в котором используется поршневое кольцо, не оставляющее места для утечки газа.

Поршни помогают в преобразовании тепловой энергии в механическую работу и наоборот. Он движется вверх и вниз внутри цилиндра, расширяя и сжимая топливовоздушную смесь. По этой причине поршень в двигателе внутреннего сгорания неизбежен.

Сегодня мы рассмотрим определение, функции, работу, типы, детали, материалы и схему автомобильного поршня.

Read: Components of an automobile engine

Contents

What is a piston?

Поршень представляет собой механическое устройство, которое перемещается вверх для сжатия газа и вниз за счет взрыва в цилиндре для преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Поршень следует циклическому процессу для продолжения процесса преобразования тепла. процесс достигается тремя способами:

• Обеспечение тепла газу внутри цилиндра для полезной работы
• Отвод тепла от цилиндра для снижения давления, чтобы газ можно было легко сжать.
• Приложение работы к поршню, когда он находится в исходном состоянии, готовом к повторному выполнению цикла.

Функции поршня в двигателях внутреннего сгорания

Поршни играют жизненно важную роль в автомобильных двигателях, включая бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия. Процесс этих двух двигателей внутреннего сгорания отличается, но они используют поршень для своих процессов. Ниже приведены функции поршня в автомобильном двигателе:

• Основная функция поршня заключается в передаче усилия небольшого взрыва газа в цилиндре на коленчатый вал. Это обеспечивает вращательный момент маховику.
• Он движется вперед, так что газы могут сжиматься и может произойти взрыв при обратном движении.
• Поршень содержит штифт, называемый поршневым пальцем, который позволяет газу в камере не выходить.
• Шатун, прикрепленный к днищу поршня, позволяет передавать механическую работу.
• Поршни помогают переносить топливно-воздушную смесь в период цикла сгорания.
• Поршни помогают контролировать поток масла в стенках цилиндра с помощью маслосъемного кольца.

Как работает поршень?

Как работает поршень

Включите JavaScript

Как работает поршень

Спросив, как работает поршень, вы узнаете весь принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это связано с тем, что поршень выполняет основную работу во время четырехтактного цикла.

Как упоминалось ранее, двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов, и они работают по-разному. Один из них работает со свечой зажигания, поэтому он называется «двигатель с искровым зажиганием», а другой — «двигатель с воспламенением от сжатия». Работа у них совсем другая. Что ж, работа этого двигателя была описана в другой статье.

Читать: Применение дизельного двигателя

В видео ниже показана работа поршня в двигателе внутреннего сгорания en gine:

Материал поршня

Чугун – это самый ранний материал, из которого изготавливали поршень. Однако современный двигатель выигрывает от более легких материалов для балансировки двигателя. Хорошие поршни должны выдерживать температуру сгорания двигателя. Сплавы, такие как Y-сплавы и гидуминий, специально используются для получения таких свойств.

Поршни изготавливаются из алюминиевых сплавов методом литья. Некоторые поршни, используемые в гоночных автомобилях, требуют большей прочности и усталостной долговечности, поэтому они кованые.

Поршни из заготовок также используются в гоночных двигателях, потому что они не зависят от размера и архитектуры доступных поковок, что позволяет менять конструкцию в последние минуты. Хотя обычно невооруженным глазом это не видно.

ниже схема поршня:

Основные части поршня и их функции

Ниже приведены пояснения к основным частям поршня:

Юбка поршня:

Юбка поршня представляет собой цилиндрический материал, закрепленный на круглой части поршня. Обычно он изготавливается из чугуна, чтобы противостоять износу и обладает самосмазывающимися свойствами. На юбке имеются канавки, что позволяет идеально сесть поршневым кольцам. Функция юбки поршня заключается в движении вверх и вниз по цилиндру.

Поршневые кольца:

Поршневые кольца представляют собой детали разрезных колец, которые устанавливаются в углублении поршня. В двигателе обычно три поршневых кольца. Иногда кольцо может быть и одно, в зависимости от типа двигателя.

Подшипники поршня:

Подшипники представляют собой большие детали поршня, которые способствуют эффективности движения. Он расположен в точках, где происходит осевое вращение. Эти подшипники обычно представляют собой полукруглые металлические детали, которые входят в отверстия этих точек.

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Поршневой палец:

Поршневой палец — это часть поршня, также известная как поршневой палец или поршневой палец. Этот штифт представляет собой полый или сплошной вал в секции юбки. На этом пальце шарнирно закреплен поршневой шток, удерживаемый во втулке поршневого кольца. Функция поршневого пальца состоит в том, чтобы обеспечивать поддержку подшипника, чтобы поршень мог нормально функционировать.

Головка поршня:

Эта часть поршня, также известная как головка или купол, представляет собой верхнюю поверхность. Это часть, которая контактирует с дымовыми газами, из-за чего она подвергается чрезвычайно высокой температуре. Функция поршня состоит в том, чтобы воспринимать давление, температуру и другие напряжения расширяющегося газа.

Болт шатуна:

Еще одна часть поршня, которую нельзя оставить без внимания, это шатунный болт. Он используется для крепления шатуна к коленчатому валу. На нижнем конце шатунных болтов есть крышки и подшипники. Затем гайка используется для фиксации компонентов вместе с болтом.

Шатун:

Шатун является одной из основных частей поршня, который чаще всего укорачивается как шатун или шток. Он соединяет поршень с коленчатым валом двигателя и обеспечивает движение поршня в камере. Компонент рассчитан на механическую нагрузку, поэтому он достаточно прочен. Детали поршня изготавливаются методом ковки, а иногда и литья.

Читать: Четырехтактный двигатель: все, что вам нужно знать

Типы поршней

Ниже приведены три типа поршней: вверх по внешним краям. Это легко и просто, а также доставляет меньше проблем инженерам. Он часто используется в приложениях с наддувом, которые не требуют высокого подъема распределительного вала или высокой степени сжатия.

Поршни с плоской вершиной: поршень с плоской вершиной имеет плоскую верхнюю часть. У него наименьшая площадь поверхности, что дает возможность создать наибольшую силу. Он идеально подходит для создания эффективного сгорания.

Поршни с плоским верхом создают сильный взрыв в камере, но сжатие может быть слишком сильным для меньших камер сгорания.

Купольные поршни: Концепция тарельчатых поршней полностью противоположна тарельчатому типу. Средний пузырек для увеличения площади поверхности остается на верхней части поршня. Что ж, большая площадь поверхности означает меньшее сжатие, в то время как большее сжатие означает большее создаваемое усилие.

Камера сгорания имеет верхний предел, который она может выдержать, поэтому снижение степени сжатия — лучший способ предотвратить поломку двигателя.

Читать Все, что вам нужно знать о системе трансмиссии

Распространенная проблема с поршнем

Проблема развития поршня не что иное, как трещина. Эта трещина возникает в верхней части головки поршня, известной как головка. Обычно это вызвано чрезмерной компрессией или опережением опережения зажигания из-за давления сгорания в бензиновых двигателях. Головка поршня трескается, потому что она работает за пределами рабочего давления.

В дизельном двигателе поршень выходит из строя из-за состояния, известного как термическая усталость. Термическая усталость возникает, когда двигатель работает под большой нагрузкой наряду с легкой нагрузкой.