Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания двигателя автомобиля
Принцип действия поршневого двигателя внутреннего сгорания двигателя автомобиля
При вращении кривошипа коленчатого вала поршень вместе с шатуном перемещается в цилиндре прямолинейно вверх и вниз. При движении вниз в цилиндре создается разрежение, за счет которого через впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью. При перемещении поршня вверх смесь сжимается и воспламеняется от постороннего источника тепла. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество тепла, вследствие чего газы, образовавшиеся при сгорании, нагреваются и давление их сильно возрастает. Под действием давления газов поршень в цилиндре перемещается вниз, совершая полезную работу. При обратном ходе поршня вверх отработавшие газы удаляются из цилиндра.
При одном обороте кривошипа (коленчатого вала) поршень делает один ход вниз и один ход вверх. Изменение направления движения поршня происходит в нижней и верхней мертвых точках.
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — положение поршня, наиболее удаленное от оси коленчатого вала, а нижняя мертвая точка (НМТ) — положение поршня, наименее удаленное от оси коленчатого вала.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Ход поршня — это расстояние от верхней до нижней мертвой точки. По величине ход поршня равен двум радиусам кривошипа.
Камерой сгорания называется пространство в цилиндре над поршнем при положении его в ВМТ.
Рис. 1. Схема и основные положения кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания:
1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — кривошип
Рабочий объем цилиндра — объем, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ к НМТ.
Полный объем цилиндра — сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания.
Рабочим объемом или литражом двигателя называется рабочий объем всех цилиндров двигателя, выраженный в литрах.
Степень сжатия двигателя — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Такты и их характеристика
В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала, или четыре хода поршня, и состоит из тактов: впуска, сжатия, расширения (рабочий ход) и выпуска.
Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при движении поршня от одной мертвой точки к другой.
Такт впуска. Во время такта впуска поршень перемещается от ВМТ до НМТ и цилиндр заполняется горючей смесью; впускной клапан открыт, выпускной закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается и в цилиндре создается разрежение, вследствие чего в цилиндр поступает горючая смесь, которая смешивается с отработавшими газами. Получившаяся смесь называется рабочей. Давление в конце такта впуска равно примерно 0,7—0,8 кгс/см2 (ниже атмосферного вследствие сопротивления впускной системы), температура смеси 100—130 °С.
Такт сжатия. При этом такте происходит сжатие рабочей смеси, что способствует более быстрому сгоранию и получению большого давления газов в цилиндре. При сжатии поршень перемещается от НМТ до ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. В конце такта сжатия смесь занимает объем камеры сгорания. Чем больше сжимается рабочая смесь (выше степень сжатия), тем выше при сгорании давление газов на поршень и экономичнее работа двигателя.
Однако предельные значения степени сжатия для карбюраторных двигателей ограничиваются свойствами применяемого топлива и в основном его антидетонационной стойкостью. Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к нарушению нормального процесса ее сгорания (детонации). В результате этого при работе двигателя появляются резкие металлические стуки, снижаются его мощность и экономичность. Поэтому степень сжатия карбюраторных двигателей не может быть выше 8—11. К концу такта сжатия давление в цилиндре составляет 8—12 кгс/см2, а температура смеси 450—500 °С.
Такт расширения (рабочий ход). При рабочем ходе поршень перемещается вниз под действием давления газов, приводя через шатун во вращение коленчатый вал.
В конце такта сжатия в цилиндр проскакивает электрическая искра, воспламеняющая сжатую рабочую смесь. Смесь очень быстро сгорает и выделяет большое количество тепла. В результате сильного нагревания газов, образовавшихся при сгорании, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень под действием этого давления перемещается от ВМТ до НМТ, совершая рабочий ход. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.
Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 — впускной клапан, 2 — свеча зажигания; 3 — выпускной клапан; 4— поршень
В момент сгорания рабочей смеси температура газов в цилиндре составляет 1800—2000 °С, а давление 25—30 кгс/см2. В конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 3— 4 кгс/см2, а температура до 1100—800° С.
Такт выпуска. При этом такте происходит очистка цилиндра от отработавших газов.
Впускной клапан закрыт, выпускной открыт. Поршень перемещается от НМТ до ВМТ и вытесняет отработавшие газы через выпускной клапан в атмосферу. Давление в конце такта выпуска составляет 1,05—1,15 кгс/см2, а температура 300—400 °С.
Таким образом, в четырехтактном двигателе коленчатый вал вращается под действием давления газов только при рабочем ходе. При совершении вспомогательных тактов (впуска, сжатия, вьипуска) противодавление действующих на поршень газов создает сопротивление вращению вала, для преодоления которого к валу необходимо приложить внешний момент. Для повышения равномерности вращения коленчатого вала и осуществления вспомогательных тактов на коленчатом валу устанавливают маховик.
В двигателе внутреннего сгорания газы совершают полезную работу, т. е. определенную мощность.
Мощность — работа, производимая в единицу времени (в 1 с). Мощность, равная 75 кгс • м/с, называется лошадиной силой (л. с.).
Мощность, развиваемая газами внутри цилиндров двигателя, называется индикаторной мощностью.
Мощность, снимаемая с коленчатого вала двигателя, называется эффективной мощностью.
Эффективная мощность всегда меньше индикаторной на величину потерь (потери на трение, потери на привод ряда агрегатов, механизмов). Величина этих потерь оценивается механическим коэффициентом полезного действия (КПД), представляющим собой отношение эффективной мощности двигателя к индикаторной. Для современных карбюраторных двигателей значение этого коэффициента равно 0,75—0,85.
Такт работы двигателя
В нижней мертвой точке (НМТ) у поршня происходит «перекладка» т. е. изменение опоры поршня на цилиндр с левой стороны юбки на правую.
Чем больше зазор между юбкой поршня и цилиндром, тем интенсивнее перекладка, а значит шумность двигателя, дальнейший износ юбки поршня и нижней части цилиндра, по которой «бьет» правая сторона юбки поршня.
После прохода поршнем нижней мертвой точки начинается второй такт работы двигателя — сжатие топливо-воздушной смеси.
Непосредственно сжатие (повышение давления в цилиндре) начинается не сразу после начала движения поршня вверх. Дело в том, что топливо-воздушная смесь при открытом впускном клапане некоторое время продолжает поступать в цилиндр, несмотря на начало повышения давления. Поэтому закрытие впускного клапана должно быть согласовано с характером течения смеси у его тарелки.
С точки зрения наилучшего наполнения цилиндра (и, соответственно, наибольшей мощности) в момент закрытия впускного клапана смесь у клапана должна остановиться, т. е. в этот момент через клапан нет ни прямого — в цилиндр, ни обратного — из цилиндра, течения. Здесь на процесс очень сильно влияет конструкция впускной системы, частота вращения, положение дроссельной заслонки. В общем случае, чем больше частота вращения и открытие дроссельной заслонки, тем больше при неизменной длине впускного канала должен запаздывать с закрытием впускной клапан.
На практике, как правило, выбирают компромиссный вариант, однако существуют конструкции с переменными фазами газораспределения (при которых изменяется запаздывание закрытия впускного клапана) и с переменной длиной каналов впускной системы, улучшающих наполнение цилиндров и параметры двигателя в широком диапазоне режимов. Компромиссные решения обычно приводят к ухудшению параметров двигателя за счет обратного выброса смеси на низких частотах вращения и « недозарядки» цилиндра (т. е. снижения количества поступающей смеси относительно максимально возможного) на высоких оборотах. Меньшее по сравнению с традиционными конструкциями запаздывание закрытия клапана имеют двигатели с многоклапанными головками (с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр).
При движении поршня вверх при закрытых клапанах происходит сжатие топливо-воздушной смеси. При этом давление в цилиндре зависит от утечек смеси через поршневые кольца и клапаны.
Их износ или повреждения, а также царапины и риски на поверхности цилиндра также увеличивают утечки смеси через поршневые кольца. Поршневые кольца под действием трения и давления в цилиндре прижимаются к нижним поверхностям канавок, а уплотнение полости цилиндра над поршнем достигается с одной стороны по стыку колец с поверхностью цилиндров, а с другой — по нижним торцевым поверхностям колец и канавок.
Под действием сил давления и трения торцевые поверхности колец и канавок изнашиваются, а торцевой зазор в канавках увеличивается. При большом зазоре кольца вблизи мертвых точек (ВМТ и НМТ) передвигаются от одного торца канавки к другому. Возникает так называемый «насосный» эффект, характерный для изношенных двигателей, из-за которого значительно увеличивается расход масла. Возрастает также прорыв газов в картер из камеры сгорания. Кроме того, при большом торцевом зазоре кольца достаточно быстро разбивают края канавок, вследствие чего «насосный» эффект и прорыв газов быстро прогрессируют.
Когда поршень находится вблизи ВМТ, не доходя до нее обычно 5-30° по углу поворота коленчатого вала (ПКВ), происходит искровой разряд на свече зажигания. Этот угол, называемый углом опережения зажигания, при работе двигателя обязательно регулируется. Дело в том, что процесс горения смеси происходит с некоторым запаздыванием с момента искрового разряда на величину так называемого времени формирования фронта пламени. В двигателях с искровым зажиганием это величина условная и равна времени с момента искрового разряда до начала «видимого» сгорания (начала повышения давления свыше давления в цилиндре без сгорания). В дизелях процесс видимого сгорания также происходит с задержкой. При этом время задержки воспламенения в дизелях имеет физический смысл как время, необходимое для нагрева и испарения топпива, впрыскиваемого в цилиндр.
Поскольку горение смеси — химическая реакция, времена формирования фронта пламени
Открытие дроссельной заслонки приводит к увеличению давления и плотности смеси во впускном коллекторе, увеличиваются давление и температура в цилиндре на такте всасывания и, соответственно, в конце такта сжатия, улучшается перемешивание смеси. Эти факторы определяют уменьшение времени горения и формирования фронта пламени. При увеличении частоты вращения эти времена уменьшаются не так быстро, как время цикла (время, за которое коленчатый вал делает 2 оборота). Поэтому при неизменном моменте зажигания процесс сгорания с увеличением частоты сдвигается далеко в область рабочего хода и «растягивается» по циклу, что приводит к ухудшению параметров двигателя. Чтобы этого не происходило, угол опережения зажигания приходится увеличивать на 25-30° с ростом частоты вращения. Зависимость угла опережения от нагрузки более слабая — при открытии дроссельной заслонки обычно требуется уменьшать угол опережения зажигания в среднем на 8.Непосредственно перед воспламенением смеси давление в цилиндре достаточно высоко — свыше 1,0-И ,2 МПа.
Это давление несколько ниже максимального давления, которое было бы в цилиндре при проверке компрессии, т. к. воспламенение начинается до прихода поршня в ВМТ. Максимальное давление в цилиндре (без сгорания) зависит от степени сжатия б = Vh/VKC, где Vh — рабочий объем цилиндра (Vh = Fn.S), Fn — площадь поршня; S — ход поршня; VKc — объем камеры сгорания.Степень сжатия — величина чисто геометрическая. По этой весьма приближенной зависимости давление измеряемое компрессометром, численно должно быть существенно выше степени сжатия. Однако в действительности из-за задержки закрытия впускного клапана, возможного некоторого разрежения в цилиндре и начале сжатия, потерь тепла и т. д. максимальное давление (компрессия) существенно ниже — порядка 1,1-1 ,5 МПа.
При приближении поршня к ВМТ начинают «работать» так называемые вытеснители. Вытеснители образуются поверхностями днища поршня и головки, которые при положении поршня в ВМТ подходят друг к другу наиболее близко обычно зазор между поршнем и головкой в таких местах 0,5-5-1,0 мм.
При подходе поршня к ВМТ смесь, расположенная между вытеснительными поверхностями, как бы «вытесняется» в зону камеры сгорания, образуя потоки определенного направления.Чем ближе подходят друг к другу поршень и головка, тем сильнее эффект вытеснения, т. е. больше скорость вытеснения потока. Вытеснители выполняют весьма важную задачу — турбупизируют (т. е. интенсивно перемешивают) смесь в момент воспламенения, а это повышает скорость и полноту сгорания. Турбулизация смеси препятствует также распространению детонации.
При движении поршня к ВМТ во время такта работы двигателя давление в цилиндре быстро растет. Увеличивается и давление в зазоре между верхней частью боковой поверхности поршня (огневым поясом) и цилиндром. Рост давления при сгорании приводит к существенному увеличению усилия прижатия компрессионных колец к поверхности цилиндра и нижним поверхностям канавок поршня. Наибольшие усилия испытывает верхнее кольцо, поскольку давление в канавке верхнего кольца значительно выше, чем среднего.
Под действием силы давления газов и силы трения кольца о цилиндр верхнее кольцо разворачивается (закручивается) в канавке. После непродолжительной работы кольцо приобретает характерный профиль поперечного сечения с несимметричной бочкообразностью наружной поверхности и небольшой вогнутостью на нижнем торце, а нижняя поверхность канавки становится конической со скругленным краем. От формы наружной поверхности кольца сильно зависят износ цилиндра и расход масла. В частности, при сжатии в цилиндре закручивание кольца может привести к его маслосъемному действию при движении поршня вверх, т. е. к вытеснению части масла со стенок цилиндра в камеру сгорания. В этом случае скребковая верхняя кромка кольца уменьшает и без того тонкую масляную пленку между кольцом и цилиндром, в результате чего возможно образование прижогов на кольце и задиров на поверхности цилиндра.При движении поршня вверх по мере роста давления толщина масляной пленки уменьшается, а вблизи ВМТ становится очень малой.
Чтобы недостаток смазки не приводил к повышенному износу, очень важное значение имеют материалы трущихся деталей, состояние их поверхностей, а также упругость колец.Стойкую к износу пару трения «кольцо-цилиндр» образуют обычно твердые гладкие покрытия колец и, как правило, более мягкий материал цилиндра, на поверхности которого создается шероховатость в виде наклонных рисок определенной глубины. Чем глубже риски, тем больше масла в них находится, тем лучше смазка колец и цилиндра.
При подходе поршня к ВМТ на поршень действует сила давления газов. Поршень опирается на поршневой палец и чем больше сила давления поршня на палец, тем выше трение в отверстии бобышек поршня и тем труднее поршню повернуться на неподвижном пальце. На практике это выглядит как поворот поршня вместе с шатуном вблизи ВМТ, т. е. как уже упомянутая выше «перекладка», но с гораздо большими усилиями. Для уменьшения этих усилий и снижения возможного стука поршня при повышенном зазоре в цилиндре ось пальца на поршне обычно смещают на 0,05 мм влево, если смотреть на поршень спереди.
Тогда, как это видно на схеме, момент сил, поворачивающих поршень вблизи ВМТ, компенсируется моментом от сил давления газов на поршень.Силы давления газов и силы инерции, действующие на поршень, передаются через поршневой палец и шатун на шейку коленчатого вала.
Вблизи ВМТ суммарные силы от давления газов и инерции вызывают большие напряжения в шатуне и бобышках поршня. В эксплуатации представляют большую опасность случаи значительного (во много раз) увеличения давления в ВМТ. Обычно это связано с попаданием в камеру сгорания различных жидкостей, например, воды через входной патрубок воздушного фильтра, топлива, масла или охлаждающей жидкости при возникновении соответствующих неисправностей. В таких случаях происходит деформация стержня шатуна — так называемая потеря устойчивости, а также поломки шатуна и поршня, опасные серьезными повреждениями в двигателе. Далее поговорим о такте впуска двигателя.
Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов: Такт впуска, такт сжатия, такт расширения, такт выпуска.
Работа
РаботаРабота
| Определение работы | Тепло и работа | Сохранение энергии | Внутренняя энергия |
| Взаимное превращение тепла и работы | Функции состояния | Калориметр | |
Определение работы
Работа может быть определена как произведение силы, используемой для перемещения объект, умноженный на расстояние, на которое перемещается объект.
w = F x d
Представьте себе систему, состоящую из образца аммиака, запертого в поршне и цилиндре,
как показано на рисунке ниже.
Предположим, что давление газа, давит на поршень
просто уравновешивает вес поршня, так что объем газа остается постоянным. Сейчас
считать, что газ разлагается с образованием азота и водорода, увеличивая количество газа
частицы в контейнере. Если температура и давление газа остаются постоянными,
это означает, что объем газа должен увеличиться.
2 NH 3 ( г ) N 2 ( г ) + 3 H 2 ( г )
Объем газа можно увеличить, частично вытолкнув поршень из цилиндра. Совершаемая работа равна произведению силы, действующей на поршень, на расстояние, на которое перемещается поршень.
ш = F x г
Давление ( P ), которое газ оказывает на поршень, равно силе (F) с которой он давит на поршень, деленную на площадь поверхности ( A )
поршень.
Таким образом, сила, действующая на газ, равна произведению его давления на площадь поверхности поршня.
F = P x A
Подстановка этого выражения в уравнение, определяющее работу, дает следующее результат.
w = ( P x A ) x d
Произведение площади поршня на расстояние, на которое перемещается поршень, равно изменение объема системы при расширении газа. Условно, изменение объема представлено символом В .
В = А х г
Таким образом, величина работы, совершаемой при расширении газа, равна произведению давление газа, умноженное на изменение объема газа.
| с | = П В
Джоуль – измерение теплоты и работы
По определению, один джоуль — это работа, совершаемая при приложении силы в один ньютон для перемещения
объект один метр.
1 Дж = 1 Н·м
Поскольку работа может быть преобразована в теплоту и наоборот, система СИ использует джоуль для измерять энергию в виде теплоты и работы.
Первый закон термодинамики: сохранение Энергия
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожен. Система может получать или терять энергию. Но любое изменение энергии системы должно сопровождаться эквивалентным изменением энергии его окружения, потому что полная энергия Вселенной постоянна. Первый закон термодинамики можно описать следующим уравнением.
E унив = E сис + E доп. = 0
(Индексы univ , sys и surr обозначают вселенную, системы и ее окружения.)
Внутренняя энергия
Энергию системы часто называют ее внутренней энергией , потому что она
представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий частиц, образующих систему.
Потому что
отсутствие взаимодействия между частицами, единственный вклад во внутреннюю энергию идеального
газа есть кинетическая энергия частиц. Внутренняя энергия идеального газа равна
следовательно, прямо пропорциональна температуре газа.
(В этом уравнении R — постоянная идеального газа, а T — температура газа в единицах Кельвина.)
Хотя трудно, если не невозможно, написать уравнение для более сложных системы, внутренняя энергия системы по-прежнему прямо пропорциональна ее температура. Поэтому мы можем использовать изменения температуры системы для мониторинга. изменение его внутренней энергии.
Величина изменения внутренней энергии системы определяется как разница между начальным и конечным значениями этой величины.
Е сис = E окончательный — E начальный
Поскольку внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре, E
положительна при повышении температуры системы.
Первый закон термодинамики: взаимопревращение тепла и работы
Энергия может передаваться между системой и ее окружением до тех пор, пока энергия энергия, полученная одним из этих компонентов Вселенной, равна энергии, потерянной другой.
Е сис = — E исп.
Энергия может передаваться между системой и ее окружением в виде либо тепло ( q ) или рабочий ( w ).
Е сис = ч + ш
Когда тепло поступает в систему, это может привести к повышению температуры системы или работа.
q = E сис — с
Правило знаков для отношения между внутренней энергией системы и
задано теплоты , пересекающей границу между системой и ее окружением.
на рисунке ниже.
- Когда тепло, поступающее в систему, увеличивает температуру системы, внутренний энергия системы увеличивается, и E положительный.
- Когда температура системы снижается из-за выхода тепла из системы, E отрицательно.
Соглашение о знаках для связи между работой и внутренней энергией система показана в левой части рисунка ниже.
- Когда система воздействует на окружающую среду, энергия теряется, и E отрицательно.
- Когда окружающая среда совершает работу над системой, внутренняя энергия системы становится равной больше, поэтому E положительный.
Соотношение между величиной работы, совершаемой системой при ее расширении, и изменение объема системы ранее описывалось следующим уравнением.
| с | = П В
На приведенном выше рисунке показано, что можно включить соглашение о знаках для работы расширения.
записав это уравнение следующим образом.
w = — P В
Функции состояния
Когда уравнения связывают два или более свойств, описывающих состояние системы, они называются уравнениями состояния . Например, закон идеального газа уравнение состояния.
PV = нРТ
Функция состояния с зависит только от состояния системы, а не от путь, используемый для достижения этого состояния.
Температура является функцией состояния. Сколько бы раз мы ни нагревали, ни охлаждали, ни расширяли, сжать или иным образом изменить систему, чистое изменение температуры зависит только от на начальное и конечное состояния системы.
Т = T окончательный — T начальный
То же самое можно сказать об объеме, давлении и количестве молей газа в
образец.
Все эти величины являются функциями состояния.
Теплота и работа — это , а не функции состояния. Работа не может быть функцией государства, потому что она пропорциональна расстоянию, на которое перемещается объект, которое зависит от пути, по которому он двигался от начального до конечного состояния. Если работа не является функцией состояния, то теплота не может быть государственная функция либо. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренняя энергия системы равна сумме переданной теплоты и работы между системой и ее окружением.
Е сис = ч + ш
Если Е зависит не от пути перехода от начального состояния к конечному, а от количества работы зависит от используемого пути, количество отдаваемой или поглощаемой теплоты должно зависеть на пути.
Термодинамические свойства системы, являющиеся функциями состояния
обычно обозначаются заглавными буквами ( T , V , P , E и так далее
на).
Термодинамические свойства, не являющиеся функциями состояния, часто описываются формулой
строчные буквы ( q и w ).
| Практическая задача 3: Что из следующего свойства газа являются функциями состояния? (а) Температура, T (б) Объем, В (с) Давление, P (d) Количество молей газа, n (e) Внутренняя энергия, E Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на практическое задание 3 |
Измерение тепла с помощью калориметра
Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в ходе химической реакции, можно измерить с помощью
калориметр, как показано на рисунке ниже.
Поскольку реакция происходит в герметичном контейнере при постоянном объеме, никакая работа расширение происходит во время реакции. Теплота, выделяемая или поглощаемая в результате реакции, равна равно изменению внутренней энергии системы за время реакция:
Е сис = q V .
Количество теплоты, отдаваемое или поглощаемое водой в калориметре, может быть рассчитывается исходя из теплоемкости воды.
| Практическая задача 4: Природный газ в метан реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. CH 4 ( г ) + 2 O 2 ( г ) CO 2 ( г ) + 2 H 2 5 г Рассчитайте теплоту, выделяемую при взаимодействии 0,160 г метана с избытком кислорода в
бомбовый калориметр, если температура 1000 кг воды в ванне, окружающей
бомба увеличивается на 1,918 или С. Нажмите здесь, чтобы проверить свой ответ на практическое задание 4 Нажмите здесь, чтобы увидеть решение практической задачи 4 |
Тепло — это большое количество . Наиболее распространенный способ преобразования Измерение теплоты в интенсивную величину заключается в вычислении теплоты реакции в единиц килоджоулей на моль. Результатом этого расчета является величина, известная как молярный теплота реакции . По определению, молярная теплота реакции – это теплота, выделяемая или поглощается реакцией, выраженной в килоджоулях на моль одного из реагентов в реакции.
Поршень: конструкция, функции, материалы и качество
Поршень является основной частью двигателей внутреннего сгорания. Он совершает возвратно-поступательное движение и преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
Он перемещается вверх и вниз внутри цилиндра, когда двигатель вырабатывает мощность. Назначение поршня — выдерживать расширение газов и направлять его на коленчатый вал. Он передает силу взрыва на коленчатый вал и, в свою очередь, вращает его. Поршень поставляется с кольцами, которые уплотняют его и стенку цилиндра. Это довольно сложно с точки зрения дизайна.
Эффективность и экономичность двигателя в первую очередь зависят от плавной работы поршня. Он должен работать в цилиндре с минимальным трением и выдерживать высокие взрывные силы в цилиндре. Кроме того, он также должен выдерживать очень высокую температуру более 2000⁰C во время работы. Он должен быть как можно прочнее, а его вес должен быть как можно меньше.
Функции поршня:
- Для получения тяги от взрыва и передачи усилия на коленчатый вал через шатун.
- Также в качестве уплотнения, чтобы высокое давление сгорания не попадало в картер.
- Служит направляющей и опорой для малого конца шатуна.
Он также должен обладать следующими необходимыми качествами:
- Жесткость, чтобы выдерживать высокое давление.
- Меньший вес, чтобы свести силы инерции к минимуму и обеспечить более высокие обороты двигателя.
- Бесшумность в работе как при прогреве, так и при нормальной работе.
- Его конструкция должна предотвращать заедание.
- Материал должен иметь хорошую теплопроводность для эффективной теплопередачи. Таким образом, снижается риск детонации и обеспечивается более высокая степень сжатия.
- Материал также должен иметь низкую способность к расширению.
- Обладают стойкостью к коррозии в результате горения.
- Он должен быть как можно короче, чтобы уменьшить общий объем двигателя.
- Должен иметь длительный срок службы.
Модель:
Конструкция поршня зависит от двигателя. Во многом это зависит от конструкции головки блока цилиндров. Верхняя часть поршня называется головкой или короной.
Как правило, недорогие маломощные двигатели имеют поршень с плоской головкой. Однако в некоторых случаях, когда дело доходит до клапанов очень близко, инженеры предусматривают разгрузку клапана в коронке. Поршни в некоторых высокопроизводительных двигателях имеют приподнятый купол, который увеличивает степень сжатия и регулирует сгорание.
В некоторых двигателях используются специальные выпуклые поршни для придания желаемой формы камере сгорания и головке блока цилиндров. В случае, если коронка содержит часть камеры сгорания, можно более точно контролировать степень сжатия. Однако у этой конструкции есть недостаток. В такой конструкции через поршень и кольца проходит большое количество тепла.
Поршни:
В верхней части поршня по окружности прорезаны канавки для установки поршневых колец. Вы знаете полосы между канавками как «площадки». Роль площадок заключается в том, чтобы поддерживать кольца против давления газа. Площадки также направляют кольца, поэтому они свободно вращаются по окружности.
Опорные перемычки передают усилие взрыва непосредственно от головки поршневого пальца к бобышкам поршневого пальца. Таким образом, он снимает большие нагрузки с кольцевых канавок.
Юбка:
Часть под поршневыми кольцами называется «юбкой». Ее роль заключается в формировании направляющей и поглощении боковой нагрузки, создаваемой давлением газа. Юбка имеет выступы на внутренней стороне для поддержки булавки. Он довольно плотно прилегает к цилиндру; однако он отделен от стенок цилиндра смазочным маслом. Силы сгорания передаются от головки к шатуну через ребра внутри поршня. Кроме того, бобышки действуют как опорная поверхность для качательного движения шатуна. Перемычки толстого сечения передают тепло от головки к бобышкам и юбке поршневого пальца.
Раньше в двигателях использовался чугун из-за его износостойкости. Однако в современных двигателях используется алюминиевый сплав, содержащий кремний, для поршней, чтобы уменьшить вес. Он в три раза легче алюминия, поэтому имеет меньшую инерцию.
Кроме того, алюминиевый сплав обладает высокой теплопроводностью, что позволяет ему меньше нагреваться.
Зазор поршня:
Обычно диаметр поршня немного меньше диаметра отверстия цилиндра. Поэтому пространство между ним и стенкой цилиндра называется поршневым зазором. Этот зазор необходим по следующим причинам.
- Обеспечивает место для смазочной пленки, уменьшающей трение между поршнем и стенкой цилиндра.
- Предотвращает судороги. Поршень и блок цилиндров расширяются из-за очень высоких температур. Однако система охлаждает цилиндр лучше, чем поршень. Следовательно, между ними должен быть достаточный зазор, чтобы он мог расширяться.
- Без достаточного зазора поршень не сможет работать в цилиндре, что снизит его эффективность.
Величина зазора зависит от размера отверстия цилиндра и материала поршня. Но, как правило, это от 0,025 мм до 0,100 мм. Во время работы пленка смазочного масла заполняет зазор. Поэтому техники должны поддерживать надлежащий зазор между поршнем и цилиндром при капитальном ремонте двигателя.