Строение поршня двигателя: Что такое поршень двигателя? Основное назначение

Содержание

Строение двигателей / Хабр

Недавно наткнулся на прекрасный сайт (англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде 🙂

А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.

Под четырьма тактами подразумеваются:

впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск.

Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki

Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема). Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.

Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.

В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
меньшее на 35-40 % число деталей

Недостатки:
Быстрый износ
Склонности к перегреву
Сложность в производстве
Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.

На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Источники:
www.animatedengines.com

Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994

Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
Toyota Web site Prius specifications
Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996

An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Устройство двигателя автомобиля

Для того, чтобы понять принцип работы двигателя, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении.

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

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

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

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

Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.

Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Поршень – из чего состоит, как работает, почему прогорает

Прогар поршня – довольно распространенное явление, особенно на современных высокофорсированных дизельных моторах. Случаи прогара поршня случаются и на бензиновых двигателях. Однако такую неисправность почти всегда можно предупредить.

Прогоревший поршень – это всегда следствие неправильной работы одной или нескольких систем двигателя. Если двигатель исправен и работает как надо – поршни в нем не прогорают.

Читайте также: Двигатель внутреннего сгорания может быть экологически чистым: инженеры

Строение

Несмотря на довольно простой вид, поршни имеют сложное строение и очень точные размеры. Самое сложное строение в современных поршнях дизельных моторов, ведь они содержат в себе и камеру сгорания, и масляную галерею для охлаждения.

Мы не будем глубоко разбирать строение поршня, отметим лишь, что каждый поршень имеет днище – часть, которая непосредственно контактирует с рабочими газами, и юбку – которая по сути является направляющим элементом, трущуюся о стенки цилиндра.

Поршневые кольца устанавливаются ближе к верхней части поршня, то есть ближе к днищу. Именно в районе поршневых колец чаще всего прогорают поршни, ведь эта часть имеет наибольшие тепловые нагрузки.

Как работает

Условия работы поршня очень непростые из-за высоких температур, значительных нагрузок, а также больших скоростей передвижения. Более того, поршни является одним из основных элементов, которые ограничивают производительность двигателя – ведь их нужно постоянно разгонять и останавливать в цилиндрах. Следовательно, их вес стремятся сделать как наименьшей.

Одной из задач поршня является принятие на днище огромной температуры и отдача ее через юбку на стенки цилиндра. В подавляющем большинстве высоконагруженных двигателей существует дополнительная система охлаждения поршней моторным маслом. С помощью форсунок оно подается снизу и охлаждает поршень.

Почему прогорает

Прогоревший поршень – всегда следствие неисправности какой-то из систем. Чаще всего причину стоит искать в системе подачи смазки для охлаждения днища поршня. Но бывают и другие. Наиболее распространенная, особенно у дизельных и высокофорсированных бензиновых турбодвигателей – попадание масла во впускной тракт (например, из-за неисправного турбонагнетателя или из-за системы вентиляции картера). В таком случае температура горения горючего значительно возрастает и это может привести к прогару поршня.

Также к прогару может привести тюнинг, который связан с повышением давления турбонагнетателя. Нередко приводят к прогару поршня и проблемы со смесью и зажиганием. Даже горючее неподходящего качества может нанести вред поршням.

Перегрев двигателя почти всегда приводит к проблемам с поршнями. Чаще всего из-за перегрева они сильно расширяются и прикипают к стенкам цилиндра. На поршнях возникают задиры, а поршневые кольца теряют упругость и подвижность.

Что делать, чтобы не прогорел

Во-первых, нужно вовремя и правильно обслуживать двигатель. Не стоит сводить плановые ТО к одной лишь замене масла. При каждом ТО специалист должен осмотреть двигатель, ведь очень часто опытный мастер способен найти и устранить небольшую проблему еще до того, пока она приведет к серьезным последствиям. Если вам показалось, что в работе двигателя произошли какие-то изменения, – не медлите, обращайтесь к специалистам.

Во-вторых, если хотите, чтобы ресурс двигателя не пострадал, не стоит увлекаться тюнингом, целью которого является увеличение мощности. Даже лучшие тюнговые центры не имеют такого опыта, как инженеры на заводе-изготовителе. В огромных конструкторских бюро, которые занимаются разработкой двигателей, работают лучшие инженеры мира. Вряд ли специалисты по тюнингу смогут показать лучшие результаты при условии сохранения ресурса двигателя.

В-третьих, используйте только качественные горюче-смазочные материалы. Не стоит экспериментировать с моторным маслом, заливая малоизвестные бренды и тем более подделку. Также не стоит заправляться на заправках сомнительного качества.

Резюме Авто24:

Прогар поршня – очень серьезная неисправность, устранение которой стоит дорого. Но хорошая новость в том, что поршня не прогорают врасплох, о наступлении такой поломки двигатель обычно предупреждает изменениями в работе. Хороший специалист, в подавляющем большинстве случаев, сможет распознать такую неисправность на ранних стадиях. Поэтому даже для прохождения обычного ТО стоит обращаться только в проверенный автосервис.

Устройство и принцип работы поршневого компрессора

Поршневой компрессор является одним из первых видов компрессорных установок, который широко используется и на сегодняшний день. Его высокие рабочие показатели и возможность интенсивной эксплуатации при больших объемах производительности позволяют использовать поршневой компрессор в промышленном назначении и на небольших производствах.

Устройство и принцип работы поршневых компрессоров зависит от типа данных установок, которые могут быть различны:

по количеству в оборудовании цилиндров – бывают одно-, двух- и многоцилиндровые;
по виду расположения в установке цилиндров – W, V-образные, а также рядные;
в зависимости от количества ступеней для сжатия воздуха в поршневом компрессорном оборудовании – многоступенчатые, одноступенчатые.

Однако, вне зависимости от своего типа, установки поршневые имеют базовое оснащение, характерное всем типам данных установок.

Поршневые компрессоры и их устройство

Устройство поршневых компрессоров является наиболее простым в одноцилиндровых установках. В состав данного оборудования входят такие элементы, как поршень, цилиндр, два клапана — для нагнетания и всасывания воздуха, которые находятся в крышке цилиндра. При работе установки, шатун, соединенный с вращающимся коленчатым валом, передает на поршень ограниченные движения по камере сжатия. В данном процессе происходит увеличение объема, находящегося между клапанами и нижней части поршня, что приводит к разрежению.

Здесь Вы можете ознакомиться с каталогом поршневых компрессоров, реализуемых ООО ГК «ТехМаш».

Превышая сопротивление пружины, которая закрывает клапан, выполняющий всасывающие функции, атмосферный воздух открывает его и поступает в цилиндр по всасывающему патрубку.

Возвратное действие поршня приводит к сжиманию воздуха и возрастанию его давления. Нагнетательный клапан, который также удерживается пружиной, открывается потоком воздуха, находящегося под высоким давлением, после чего сжатый воздух попадает в нагнетательный патрубок. При этом питание оборудование может осуществляться от электродвигателя или же автономного двигателя, который может быть дизельным или бензиновым.

При этом принцип работы поршневых компрессоров позволяет получить максимально эффективную работу оборудования. Однако есть и один незначительный минус – сжатый воздух, подаваемый данной установкой, поступает в виде импульсов, а не ровным потоком. Для выравнивания давления сжатого воздуха и его пульсации, поршневые компрессоры используются преимущественно с ресиверами, позволяющими исключить возможность перебоев, как в давлении подаваемого воздуха, так и в работе всего оборудования.

Также необходимо рассмотреть особенности конструкции и действия двухцилиндровых установок поршневого типа. В данном случае установка является одноступенчатой и оснащенной двумя одинаковыми по размеру цилиндрами. Работа цилиндров происходит в противофазе, в результате чего они всасывают воздух поочередно. Далее воздух сжимается до максимального уровня давления и вытесняется в нагнетающую часть оборудования.

В случае с двухступенчатыми двухцилиндровыми установками, оборудование оснащено цилиндрами различных размеров. Сжатие воздуха до определенного значения происходит в цилиндре первой ступени. Далее он переходит в межступенчатый охладитель, где охлаждается до необходимого уровня. Затем, попадая в цилиндр второй ступени, воздух дожимается, что позволяет получить максимально высокий уровень давления воздуха.

В качестве межступенчатого охладителя используется медная трубка, обеспечивающая охлаждение находящегося под давлением воздуха на промежутке между цилиндрами двух ступеней. Охлаждение воздуха позволяет оптимизировать процесс его сжатия и значительно повысить КПД всей установки. При этом специальным образом подбираются размеры обоих цилиндров – так, чтобы одинаковая работа проводилась на всех ступенях сжатия воздуха.

Двухступенчатые поршневые компрессоры, устройство которых позволяет получить более эффективный уровень работы оборудования, в сравнении с одноступенчатыми установками, имеют большое количество важных преимуществ. В первую очередь – это затрачивание минимального количества энергии при одинаковой мощности двигателя. Так при одноступенчатом сжатии воздуха требуется большее количество энергии, чем для сжатия этого же объема воздуха двухступенчатым оборудованием.

Кроме того, температура в цилиндрах двухступенчатых установок имеет значительно более низкий показатель, чем в компрессорах одноступенчатого класса. Низкая температура обеспечивает надежность и эффективность работы всего оборудования, а также повышает ресурс поршневой группы. При этом двухступенчатые установки имеют производительность на 20% выше, нежели компрессоры других типов.

Особенности конструкции и принцип действия компрессоров поршневого типа отличаются своей сравнительной простотой в сочетании с высокой эффективностью работы оборудования, его практичностью и длительным сроком эксплуатации при интенсивном использовании. Эти преимущества сделали установки данного типа одними из наиболее популярных, как в быту, так в полупромышленном и промышленном использовании.

Устройство двигателя ЗИЛ-130 opex.ru

Array ( [DATE_ACTIVE_FROM] => 29.01.2021 05:01:00 [~DATE_ACTIVE_FROM] => 29.01.2021 05:01:00 [ID] => 511400390 [~ID] => 511400390 [NAME] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [~NAME] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [IBLOCK_ID] => 33 [~IBLOCK_ID] => 33 [IBLOCK_SECTION_ID] => [~IBLOCK_SECTION_ID] => [DETAIL_TEXT] =>

Двигатель ЗИЛ-130 — один из первых моторов старейшего автомобильного российского завода имени Лихачева. Это устройство, которое стало образцом надежности, выносливости и неприхотливости на трех с половиной миллионов автомобилей, выпущенных за 30 лет существования завода. Силовой агрегат, который позволил одноименному автомобилю занять лидирующее место на рынке среднетоннажной техники.

Технические характеристики

Для лучшего понимания устройства мотора ЗИЛ-130, необходимо изучить его технические характеристики. Мотор выпускался в течение 30 лет на заводе АМО ЗИЛ до 1994-го года. Питается он от четырехтактного карбюратора. Имеет агрегат восемь камер объемного вытеснения, шестнадцать клапанов.

Рассчитан мотор на 6 литров топлива. Работают цилиндры устройства в следующем порядке: 1, 5, 4, 2, 6, 3, 7 и 8. Создаются цилиндры из высокопрочного чугуна, в диаметр достигают 101,5 миллиметров, а их опорные расточки коленчатого вала — 79,5 миллиметров, в среднем.

Камера его объемного вытеснения с поперечником составляет 100 миллиметров в длину, а расстояние крайних поршневых положений составляет 95 миллиметров. Отношение пространства поршня равно 6,5. Разгоняется двигатель машины до 150 лошадиных сил. При этом его вращающийся крутящийся момент равен 401 Ньютон на метр. Конструкция двигательной установки не соответствует экологическим европейским нормам. Весит движок 440 килограммов.

Устройство

Устройство ЗИЛ-130 считается мотором, имеющим восемь цилиндров, который выполняет четыре такта во время одного рабочего цикла. Подача горючего в него осуществляется через карбюратор. Он обеспечивает постоянную подачу комбинированной смазки. Его цилиндры располагаются под углом в 90 градусов, работают благодаря мощной системе нагрева и охлаждаются с помощью специальной охлаждающей жидкости. Во время работы цилиндров движка, масло подается под напором и обеспечивает лучшую живучесть системы.

Силовая конструкция двигателя ЗИЛ-130 напоминает модель ЗИЛ-111, но имеет маленькую взаимозаменяемость деталей. К авто модели детали, имеющие маркировку АГЭ и БЭ, не подходят. Силовая конструкция включает в себя несколько составных частей, имеющих свои особенности. Двигатель ЗИЛ-130 — устройство, состоящее из блока, головки, детали, соединяющей поршень и шатун, кольца, шатуна, коленчатого вала, махового кольца и распределительного вала. Также в нем есть толкатель агрегатного клапана и патрубок подвода топлива к движку.

Блок мотора создается из высокопрочного чугуна, в который вмонтированы гильзы. Верх поршневой втулки удерживает 7,5 миллиметровые гильзы от перемещения. Низ направляющих фиксирован резиновыми кольцами. Для увеличения жесткости блока, в моторном блоке предусмотрены водяные полости и встроенные разделители. Головка двигательного блока выполняется из алюминия. Внутри нее находятся стальные седла и направляющие механизмы клапана. Головка блока прикрепляется к нему за счет семнадцати болтов. Каждый из них одновременно крепится к рокерной оси. Регулировка болтовой затяжки осуществляется, в зависимости от температуры окружающей среды. Для максимально плотного прилегания затягивание болтов осуществляется дважды.

Конструктивные особенности

На двигателе ЗИЛ-130 находится четыре поршневых хромированных кольца. Три из них обеспечивают компрессию, а последнее нужно для снятия масла. Последнее поршневое кольцо имеет составную структуру. Шатун движка делается из стали и представляет собой букву Н по сечению. Поскольку через шатун проходит поршневое давление, передающееся к коленчатому валу, в нем находятся тонкостенные вкладыши стального и алюминиевого типа. В него входит стальной двутавровый по сечению стержень, верхняя неразъемная и нижняя разъемная головка. Для максимального трения на его верхнюю головку, изготовитель запресовал втулки, а внизу поместил стальные ленточные вкладыши из антифрикционного сплава, закрепив детали с помощью болтов.

Коленчатый с распределительным валом работают в строгой согласованности друг с другом. От распределительного вала через толкатель со штангой движение создается с помощью коромысел. Они открывают клапаны и к гнездам прижимаются с помощью пружины. В процессе своей работы их детали смазываются и охлаждаются, а рабочие механизмы питаются от горючей смеси. Механизмы и системы образуют единое мощное, стойкое силовое устройство двигателя ЗИЛ-130.

Коленчатый вал движка автомобиля ЗИЛ-130 имеет пять опор с каналом для смазки, центробежным фильтром для улавливания масляных примесей. Его коренные шейки достигают диаметром 74,5 миллиметров, а шатунные шейки - 65,5 миллиметров. Они находятся в разных плоскостях для равномерного рабочего чередования в различных цилиндрах. Шейки располагаются в вале под прямым углом, дополняются грязеуловительными механизмами и соединяются между собой с помощью щек.

Распределительный двигательный вал создается из чугуна, имеет запрессованную зубчатую форму по контуру. Фиксируется крепежом шестью болтами. Работает механизм на шестерне, фиксируется на пяти опорах, укомплектовывается с помощью двойных металлических втулок. Клапаны распределительного вала располагаются наверху под наклоном, блок остова находится в головке. Клапаны работают благодаря штангам, толкателям и рокерам.

Устройство регулировки потока в агрегате создается из стали, выдерживает повышенные температуры. Для увеличения срока службы его впускной клапан проворачивается при работе с помощью специального механизма. Толкатель двигательного клапана выполняется из стали. Внутри имеет полую структуру. На толкательном торце представляется высокопрочная чугунная наплавка, предотвращающая преждевременное изнашивание. Для отвода толкателя масла внизу предусматривается отверстие.

Патрубки подвода топлива к двигателю создаются из алюминиевого сплава. По конструкции они обладают общим каналом. Размещаются среди головок остова двигателя с подогревом рабочей смеси. Патрубки выпуска создаются из чугуна. Они располагаются с двух сторон двигателя.

Модернизация

Первоначально на советском движке были установлены штатные характеристики. Мотор нужен был для выполнения стандартных целей. После наступления 2000 года силовая установка стала модернизироваться. После доработки ЗИЛ-130 поменял поршневые параметры. Его штатная головка была демонтирована и заменена ЗИЛ-130 БЭ. Его двигательные клапаны были полностью заменены, как и система зажигания современного бесконтактного механизма. Агрегатные шкивы были полностью заменены с использованием зубчатого ремня. Кроме того, были заменены механизмы подачи горючего, демонтированы детали карбюратора и поставлены инжекторы, рассчитанные на один точечный впрыск.

Свойства

Двигатель ЗИЛ-130 с момента первого запуска на рынок смог завоевать любовь автовладельцев благодаря своей выносливости. Расчетный пробег до капитального ремонта составит 300 000 километров пути. Интересно, что в 1973-ем году были проведены масштабные испытания ЗИЛ-130 на полигоне. Машина с надежным двигателем смогла проехать 25000 километров за 12 дней без поломок. Благодаря хорошей энерговооруженности, мощности и надежности, машина превратилась в кроссмена. Несмотря на то, что выпуск машины с указанным двигателем был завершен, грузовик нередко можно встретить на автомобильном кроссе.

Обслуживание

Для обслуживания мотора не нужно прилагать особых усилий. Сервисное обслуживание составляет 10-15000 километров. В ходе сервисного посещения у двигателя происходит замена моторного масла с центробежным масляным фильтром. Каждое техническое обслуживание представляет собой операции, которые направлены на то, чтобы автомобиль сохранял свое техническое состояние. Поэтому список процедур обслуживания может быть увеличен за счет регулировки клапанного механизма и других операций на силовом оборудовании.

[~DETAIL_TEXT] =>

Технические характеристики

Устройство

Конструктивные особенности

Модернизация

Свойства

Обслуживание

[DETAIL_TEXT_TYPE] => html [~DETAIL_TEXT_TYPE] => html [PREVIEW_TEXT] =>

[~PREVIEW_TEXT] =>

[PREVIEW_TEXT_TYPE] => html [~PREVIEW_TEXT_TYPE] => html [DETAIL_PICTURE] => [~DETAIL_PICTURE] => [TIMESTAMP_X] => 01.02.2021 13:10:43 [~TIMESTAMP_X] => 01.02.2021 13:10:43 [ACTIVE_FROM] => 29.01.2021 05:01:00 [~ACTIVE_FROM] => 29.

01.2021 05:01:00 [LIST_PAGE_URL] => /press/articles/ [~LIST_PAGE_URL] => /press/articles/ [DETAIL_PAGE_URL] => /press/articles/ustroystvo-dvigatelya-zil-130/ [~DETAIL_PAGE_URL] => /press/articles/ustroystvo-dvigatelya-zil-130/ [LANG_DIR] => / [~LANG_DIR] => / [CODE] => ustroystvo-dvigatelya-zil-130 [~CODE] => ustroystvo-dvigatelya-zil-130 [EXTERNAL_ID] => 511400390 [~EXTERNAL_ID] => 511400390 [IBLOCK_TYPE_ID] => content [~IBLOCK_TYPE_ID] => content [IBLOCK_CODE] => articles [~IBLOCK_CODE] => articles [IBLOCK_EXTERNAL_ID] => [~IBLOCK_EXTERNAL_ID] => [LID] => s1 [~LID] => s1 [NAV_RESULT] => [DISPLAY_ACTIVE_FROM] => 29.01.2021 [IPROPERTY_VALUES] => Array ( [SECTION_META_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_META_KEYWORDS] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_META_DESCRIPTION] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_PAGE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_META_KEYWORDS] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_PAGE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_PICTURE_FILE_ALT] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_PICTURE_FILE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [SECTION_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_ALT] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_PREVIEW_PICTURE_FILE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_ALT] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_DETAIL_PICTURE_FILE_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_META_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 | Opex.

opex.ru [~SERVER_NAME] => www.opex.ru ) [SECTION] => Array ( [PATH] => Array ( ) ) [SECTION_URL] => [META_TAGS] => Array ( [TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [ELEMENT_CHAIN] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [BROWSER_TITLE] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 | Opex.ru [KEYWORDS] => Устройство двигателя ЗИЛ-130 [DESCRIPTION] => Устройство двигателя на ЗИЛ-130 — консультации специалистов по ремонту и выбору запчастей. Широкий ассортимент запчастей для грузовых автомобилей любых марок, тракторной и спецтехники. Осуществляем доставку по Москве, области и в регионы. ) [IMAGES] => Array ( ) [FILES] => Array ( ) [VIDEO] => Array ( ) [LINKS] => Array ( ) [BUTTON] => Array ( [SHOW_BUTTON] => [BUTTON_ACTION] => [BUTTON_LINK] => [BUTTON_TARGET] => [BUTTON_JS_CLASS] => [BUTTON_TITLE] => ) )

Коленчатый вал движка автомобиля ЗИЛ-130 имеет пять опор с каналом для смазки, центробежным фильтром для улавливания масляных примесей. Его коренные шейки достигают диаметром 74,5 миллиметров, а шатунные шейки — 65,5 миллиметров. Они находятся в разных плоскостях для равномерного рабочего чередования в различных цилиндрах. Шейки располагаются в вале под прямым углом, дополняются грязеуловительными механизмами и соединяются между собой с помощью щек.

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
Солнечные электростанции. Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
Аккумуляторы тепла. С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
Автомобилестроение. Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Поршневой авиационный двигатель | АВИАЦИЯ, ПОНЯТНАЯ ВСЕМ.

Работа радиального поршневого двигателя.

Привет, друзья!

Сегодня начинаем серию статей о конкретных типах авиационных двигателей. Первый движок, который удостоится нашего внимания – это поршневой авиационный двигатель. Он имеет полное право быть первым, потому что он – ровесник современной авиации. Один из первых самолетов, поднявшихся в воздух был Флайер-1 братьев Райт (я думаю вы читали об этом здесь :-)). И на нем стоял поршневой двигатель авторской разработки, работавший на бензине.

Долгое время этот тип движка оставался единственным, и только в 40-е годы 20-го века началось внедрение двигателя совсем иного принципа действия. Это был турбореактивный двигатель. Из-за чего это произошло читайте тут. Однако поршневой движок, хоть и утратил свои позиции, но со сцены не сошел, и теперь в связи с достаточно интенсивным развитием так называемой малой авиации (или же авиации общего назначения) он просто получил второе рождение. Что же из себя представляет авиационный поршневой двигатель?

Работа двигателя внутреннего сгорания (тот же рядный поршневой двигатель).

Как всегда :-)… В принципиальном плане ничего сложного (ТРД значительно сложнее :-)). По сути дела – это обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), такой же, как на наших с вами автомобилях. Кто забыл, что такое ДВС, в двух словах напомню. Это, попросту говоря, полый цилиндр, в который вставлен цилиндр сплошной, меньший по высоте (это и есть поршень). В пространство над поршнем в нужный момент подается смесь из топлива (обычно это бензин) и воздуха. Эта смесь воспламеняется от искры (от специальной электрической свечи) и сгорает. Добавлю, что воспламенение может происходить и без искры, в результате сжатия. Так работает всем известный дизельный двигатель. В результате сгорания получаются газы высокого давления и температуры, которые давят на поршень и заставляют его двигаться. Вот это самое движение и есть суть всего вопроса. Далее оно передается через специальные механизмы в нужное нам место. Если это автомобиль, значит на его колеса, а если это самолет, то на его воздушный винт. Таких цилиндров может быть несколько, точнее даже много :-). От 4-х до 24-х. Такое количество цилиндров обеспечивает достаточную мощность и устойчивость работы двигателя.

Еще одна схема работы одного ряда цилиндров.

Конечно авиационный поршневой двигатель только принципиально похож на обычный ДВС. На самом деле здесь обязательно присутствует авиационная специфика. Двигатель самолета выполнен из более совершенных и качественных материалов, более надежен. При той же массе, он значительно мощнее автомобильного. Обычно может работать в перевернутом положении, ведь для самолета (особенно истребителя или спортивного) пилотаж – обычное дело, а автомобилю это, естественно, не нужно.

Двигатель М-17, поршневой, рядный, V-образный. Устанавливался на самолеты ТБ-3 (конец30-хгодов 20 в.)

Двигатель М-17 на крыле ТБ-3.

Поршневые двигатели могут различаться как по количеству цилиндров, так и по их расположению. Бывают рядные двигатели (цилиндры в ряд) и радиальные (звездообразные). Рядные двигатели могут быть однорядные, двухрядные, V-образные и т.д. В звездообразных цилиндры расположены по окружности (в виде звезды) и бывает их обычно от пяти до девяти (в ряду). Эти двигатели, кстати, тоже могут быть многорядными, когда цилиндры блоками стоят друг за другом. Рядные двигатели обычно имеют жидкостное охлаждение (как в автомашине :-), они и по виду больше похожи на автомобильные), а радиальные – воздушное. Они обдуваются набегающим потоком воздуха и цилиндры, как правило, имеют ребра для лучшего теплосъема.

Двигатель АШ-82, радиальный, двухрядный. Устанавливался на самолеты ЛА-5, ПЕ-2.

Самолет ЛА-5 с двигателем АШ-82.

Авиационные поршневые двигатели часто имеют такую особенность, как высотность. То есть с увеличением высоты, когда плотность и давление воздуха падают, они могут работать без потери мощности. Подвод топливно-воздушной смеси может осуществляться двумя способами. Здесь полная аналогия с автомашиной. Либо смесь готовится в специальном агрегате, называемом карбюратором и потом подается в цилиндры (карбюраторные двигатели), либо топливо непосредственно впрыскивается в каждый цилиндр в соответствии с количеством поступающего туда же воздуха. На автомобилях такого типа двигатели часто обзывают «инжекторными».

Современный поршневой радиальный двигатель ROTEC R2800.

Более мощный R3600 (большее количество цилиндров).

В отличие от обычного автомобильного ДВС, для самолетного поршневого движка не нужны громоздкие (ну и, естественно, тяжелые :-)) передаточные механизмы от поршней к колесам. Все эти оси, мосты, шестерни. Для самолета ведь вес очень важен. Здесь движение от поршня сразу через шатун передается на главный коленчатый вал, а на нем уже стоит вторая важная часть самолета с поршневым двигателем – воздушный винт. Винт – это, так сказать, самостоятельная (и очень важная) единица. В нашем случае он является «движителем» самолета, и от его корректной работы зависит качество полета. Винт – это не часть двигателя, но работают они в тесном сотрудничестве :-). Винт всегда подбирается или проектируется и рассчитывается под конкретный двигатель, либо же они создаются одновременно, так сказать комплектом :-).

Радиальный двигатель М-14П. Устанавливается на спортивные СУ-26, ЯК-55.

СУ-26 с двигателем М-14П.

Принцип работы винта – это достаточно серьезный ( и не менее интересный :-)) вопрос, поэтому я решил выделить его в отдельную статью, а сейчас пока вернемся к «железу».

Я уже говорил, что сейчас поршневой авиационный двигатель опять «набирает обороты». Правда состав авиации использующей эти двигатели теперь другой. Соответственно изменился и состав применяемых двигателей. Тяжелые и громоздкие рядные движки практически отошли в прошлое. Современный поршневой двигатель (чаще всего) – радиальный с количеством цилиндров 7-9, с хорошей топливной автоматикой с электронным управлением. Один из типичных представителей этого класса, например, двигатель ROTEC 2800 для легких самолетов, создан и производится в Австралии (между прочим выходцами из России :-)). Однако о рядных двигателях тоже не забывают. Таков, например, ROTAX-912. Так же хорошо известен двигатель отечественного производства М-14П, который устанавливается на спортивные самолеты ЯК-55 и СУ-26.

Двигатель Rotax-912, рядный. Устанавливается на легкие спортивные самолеты Sports-Star Max

Спортивный самолет Sport-Star Max c двигателем Rotax-912.

Существует практика применения дизельных двигателей ( как разновидность поршневых) в авиации, еще со времен войны. Однако широко этот двигатель пока не применяется из-за существующих проблем в разработке, в частности в области надежности. Но работы все равно ведутся, особенно в свете грядущего дефицита нефтепродуктов.

Поршневой авиационный двигатель вообще еще рано списывать со счетов :-). Ведь, как известно, новое – это хорошо забытое старое… Время покажет…

Двигатель внутреннего сгорания и поршневая конструкция, следовательно (Патент)

Falero, A. Двигатель внутреннего сгорания и поршневая конструкция, следовательно, . США: Н. П., 1989. Интернет.

Falero, A. Двигатель внутреннего сгорания и поршневая конструкция, следовательно, . Соединенные Штаты.

Фалеро, А. Вт. «Двигатель внутреннего сгорания и поршневая конструкция поэтому». Соединенные Штаты.

@article {osti_5370783, title = {Двигатель внутреннего сгорания и конструкция поршня}, author = {Falero, A}, abstractNote = {В этом патенте описан поршневой двигатель внутреннего сгорания.В его состав входят: блок двигателя; по меньшей мере, одну пару соосно выровненных цилиндров в блоке цилиндров; корпус поршня с двумя головками, содержащий первую и вторую головки поршня, прикрепленные к противоположным концам центральной конструкции ярма. Головки первого и второго поршней выполнены с возможностью совершать возвратно-поступательное движение в соответствующих цилиндрах пары цилиндров; Роликовая шестерня, установленная внутри конструкции ярма для прямолинейного движения по отношению к конструкции ярма. Роликовая шестерня входит в зацепление с ведущей шестерней коленчатого вала; средство управления и средство привода для обеспечения синхронизированного движения роликовой шестерни внутри конструкции вилки для поддержания постоянного зацепления роликовой шестерни с ведущей шестерней коленчатого вала, когда корпус поршня с двумя головками совершает возвратно-поступательное движение в соответствующих цилиндрах пары цилиндров.}, doi = {}, url = {https://www.osti.gov/biblio/5370783}, журнал = {}, номер =, объем =, place = {United States}, год = {1989}, месяц = {9} }

границ | Моделирование для оптимизации конструкции геометрии днища поршня посредством анализа корреляции прочности конструкции и характеристик смазки

Введение

Automotive, являясь крупнейшим потребительским товаром длительного пользования, в настоящее время незаменим для мобильных устройств.Только ремонт и модернизация запрещены для повышения производительности и комфорта (Holmberg et al., 2012). Двигатель, являющийся жизненно важным компонентом автомобиля из-за присущего ему принципа неправильной конструкции, обеспечивает только <25% потребляемой энергии топлива в качестве выходной мощности при торможении (Akalin and Newaz et al., 2001a; Mishra et al., 2009; Morris et al., 2009; Morris et al. др., 2013; Мишра, 2015). Остальная часть этой топливной энергии тратится впустую из-за трения, выбросов или откачки (Smedley, 2004). Из-за множества соединительных и контактных действий в двигателе паразитные потери из-за трения значительны (Dursunkaya et al., 1994; Prata et al., 2000). Наряду с силами трения, возникающими из-за контакта кольца с гильзой, юбкой с гильзой, контакта с контактными площадками канавки и кольца, силы газа сгорания, силы инерции, вторичных динамических сил поршня и пальца, сила шатуна действует на подсистему поршня, совершающего возвратно-поступательное движение. двигатель (Akalin, Newaz et al., 2001a; Mishra et al., 2008; Chong et al., 2012; Shahmohamadi et al., 2013). Для оценки срока службы и исследования долговечности поршня необходимо подсчитать влияние таких сил на поршень, состоящий из серого чугуна, сплава алюминия и Si-C (композит с металлической матрицей), вплоть до изменяемой геометрии головки.

Силы, возникающие из-за мокрого контактного трения в случае контакта юбка-вкладыш и кольцо-вкладыш, являются циклическими и имеют быстрое действие (Park and Lee, 2014; Usman and Park, 2016). Контактное соединение относительно движущейся подсистемы поршня включает в себя контакт кольцо-гильза, юбка-гильза и кольцевая канавка (верхняя и нижняя). Такие относительно движущиеся поверхности поршней подвергаются более быстрому скольжению и одновременному осевому колебанию (Karamangil et al., 2004; Usman et al., 2015). Во всех случаях поток смазочного масла обеспечивается соответствующим механизмом смазки для сохранения приемлемого срока службы двигателя (Abou-Ziyan, 2004).Соединение кольцо-вкладыш из-за влияния переменного давления газа в задней части кольца выполняет уплотняющее и расслабляющее действие при увеличении и уменьшении значения давления в камере (Bolander et al., 2005). Это приводит к уменьшению или увеличению зазора в соединении, инициируя переход в режим смазки (Ma et al., 1995, 1997). Без давления газа в середине хода толщина пленки иногда достигает 5 мкм, что приводит к гидродинамическому режиму (Froelund et al., 2001). Но в зоне более высокого давления цикла двигателя (цикл 300–400 °), где давление газа является доминирующим, а толщина пленки уменьшается до такой же низкой, как высота шероховатости поверхности, но все же нет взаимодействия неровностей, которое приводит к смешанному характер переходного режима смазки (Rahmani et al., 2012). В этом случае влияние высоты шероховатости ощущается в потоке смазки (Tripp, Greenwood, 1970; Qasim et al., 2012; Mishra, 2013).

Вблизи верхней мертвой точки (355–365 °) мгновенное прекращение движения поршня из-за реверса приводит к незначительной доле скольжения такого контакта. Если бы не было износа контактов металл-металл, это было бы из-за гидродинамического воздействия из-за эффекта сжатия пленки (Mishra et al., 2008). Остаточная пленка намного меньше высоты неровностей и гарантированного граничного трения (Akalin and Newaz et al., 2001b; Боландер и др., 2005). Чтобы избежать такой возможности быстрого износа, микроконъюнкции создаются намеренно путем гравировки поверхности кольца или гильзы путем создания небольших луж смазки (Ryk et al., 2002). Benajes et al. (2016) изучали влияние геометрии барабана на потери при сгорании при различной нагрузке.

Кроме того, корпус поршня из-за его эксцентричного положения и одновременного первичного и вторичного движения наклоняется к гильзе и от нее на верхнем и нижнем конце соответственно. Подход к футеровке уменьшает толщину пленки и способствует положению юбки и нижней коронки для работы в смешанном режиме смазки (Mishra et al., 2015). Эксцентричное расположение поршня и боковой угол наклона приводят к возникновению осевого и противодействующего усилия, а также к потере трения в верхней и нижней части юбки. Циклическое изменение трения и повторяющийся характер активных и реактивных сил в подсистеме поршня определяет срок службы поршня. Учитывая все эти силы, целью данной исследовательской работы является анализ прочности поршня с изменяемой геометрией заводной головки.

Теория модели

Для моделирования поршневой подсистемы необходимо более подробно разбираться в динамике подсистемы, условиях контакта, взаимодействии неровностей и анализе методом конечных элементов.На рис. 1 показаны схемы свободного тела корпуса поршня и кольца соответственно. Он показывает, что существует комбинированный эффект первичной силы, такой как сила давления газа, сила инерции и вторичная сила, такая как трение, сила на шатуне и сила массы поршня, действующая эксцентрично по отношению к вертикальной оси. Действуют два момента: один вокруг пальца кисти, а другой — вокруг центра тяжести поршня. Если они похожи или непохожи, зависит от величины переменных сил.

Рисунок 1.(A) Схема свободного тела поршневой подсистемы (Mishra, 2015). (B) Схема свободного тела поршневого кольца с покрытием в поршневом поршне (Mishra et al., 2015).

Кроме того, силы, развивающиеся на кольце, включают силы давления газа с трех сторон и разной величины. Сила (а) отвечает за прилегание кольца к поверхности канавки, в то время как (б) сила газа или натяжение кольца помогают герметизировать зазор кольца и гильзы для оптимального удара по условиям. Сила типа (d) — сила трения или сила реакции опоры, возникающая из-за быстрого сдвига смазки.

Кроме того, одновременное уплотнение и скольжение также оставляет возможность износа кольца или гильзы при таком более быстро движущемся возвратно-поступательном контакте. Хорошая пара кольцевых вкладышей должна иметь более высокую степень соответствия и в то же время лучшую устойчивость к износу. Для достижения более длительного срока службы компонентов рассматривается изменение геометрии с точки зрения обеспечения параболического профиля корпуса поршня, а также торца кольца. Наряду с такой макромодификацией, эволюция микроповерхности, такая как текстурирование кольца и лайнер, штрихуется для намеренного создания шероховатой поверхности, что помогает достичь лучших характеристик.Также обнаружено, что покрытие поверхности кольца для повышения прочности помогает минимизировать износ.

Силовая конфигурация поршня и кольца

Поршень — жесткая система, на которую действуют сложные динамические, но изменяющиеся силы в течение цикла двигателя (Mishra, 2015). Схема свободного тела динамического поршня представлена на рисунке 1.

Здесь направление возвратно-поступательного движения — по оси x, окружность развернутого цилиндра берется по оси y, а толщина пленки — по оси z. Сила « F _g» представляет собой силу циклического давления газа, которая является более доминирующей в положении кривошипа (300–400) ° в цикле двигателя (Mishra et al., 2015). Эта сила не только отвечает за первичное движение поршня, но также помогает в достижении уплотнения компрессионного кольца из-за его радиального воздействия на заднюю часть кольца (Ma et al., 1995; Mishra, 2013). Кроме того, F _gs и F _ps действовали, как показано, это сила инерции, вызванная первичным возвратно-поступательным движением пальца и поршневого узла, соответственно. Они являются произведением соответствующей массы и первичного возвратно-поступательного ускорения и даны в уравнениях (1, 2).

Поршень подвергается вторичному перемещению из-за его эксцентричного положения относительно оси отверстия. Для которых м _пальца и м _pis — масса пальца и масса поршня, соответственно. Вторичные силы и вторичные моменты даны в уравнениях (3–5) соответственно.

Fgp = -mpin [ξt + HL (ξb-ξt)] (3) Fip = -mpis [ξt + h2L (ξb-ξt)] (4) Mpp = -Ipis (ξt-ξb) L (5)

ξ _t и ξ _b в приведенных выше уравнениях являются вторичными ускорениями, которые получаются путем дифференцирования эксцентрического позиционирования e _t и e _b для двух раз относительно времени. e _t и e _b — это верхний и нижний эксцентриситеты, указанные в уравнениях (6, 7), соответственно (Liu et al., 1998).

В дополнение к этому анализу силы и момент из-за гидродинамического воздействия и равны F, F _f, M и M _f, соответственно (Liu et al., 1998) . Эти силы представлены на рисунке в уравнениях (8–11).Как указывалось ранее, скольжение происходит в направлении «x», тогда как «y» — это направление окружности (боковая утечка), а «z» — направление по толщине пленки.

F = ∫∫phcosφ.dxdy (8) Ff = ∫∫τdxdy (9) M = ∫∫ph (H-z) cosφ.dxdy (10) Mf = ∫∫τRcosφ.dxdy (11)

« F» и « M» обусловлены демпфирующим действием смазочного материала, в то время как « F _f» и «M _f» обусловлены комбинированной жидкостью и неровностями, вызванными сдвигом. трение соответственно.Кроме того, давление пленки p _h представляет собой гидродинамическое / эластогидродинамическое давление из-за увлечения смазки поршнем-гильзой или соединением кольцевой гильзы. Гидродинамическое давление / давление ЭДЖ оценивается в этом анализе путем численного решения двумерного уравнения Рейнольдса, сформулированного в уравнении (12) (Liu et al., 1998; Mishra et al., 2009).

∂∂x [ρlhT312η∂ph∂x] + ∂∂y [ρlhT312η∂ph∂y] = U2∂ (ρlhT) ∂x + ∂ (ρlhT) ∂t (12)

В уравнении (12) общая толщина пленки составляет h _T, что получается за счет конечного интегрирования от отрицательной до положительной бесконечности произведения функции плотности вероятности f (ψ) и сумма номинальной толщины пленки ( х ) и шероховатости поверхности композита (ψ).

hT = ∫-∞∞ (h + ψ) f (ψ) dψ

Кроме того, функция плотности вероятности f (ψ) является составной шероховатостью (ψ), которая является суммой шероховатостей поршневого кольца и гильзы или юбки-гильзы. На Фигуре 3С представлена соблюдаемая шероховатая поверхность соединения гильзы с кольцом или гильзы юбки. На следующем рисунке 3D показано давление сгорания, первое и второе межкольцевое давление соответственно. Предполагая (ψ) с распределением Гаусса. h _T выражается уравнением (13). erf () — это функция ошибок по Гауссу или дополнительная функция ошибок (Usman and Park, 2016), которая используется для оценки общей толщины пленки.

hT = h3 (1 + erf (h3σ) + σ2πe (h32σ2)) (13)

Где,

В уравнении (13) ( h ) — толщина пленки между шероховатой гильзой цилиндра и установленным кольцом. Такой увеличенный интерфейс представлен на рисунке 2. Несимметричный состав толщины пленки включает осевую параболическую вариацию ( h _x), вариацию радиальной деформации отверстия ( h _y).Кроме того, ψ ₁ и ψ ₂ — это микроскопическая шероховатость поверхности. За счет сочетания упругой деформации, теплового расширения и повышенной температуры зазор между торцами кольца уменьшается и лучше согласовывается (Усман и Парк, 2016).

Рисунок 2 . Компиляция одномерных шероховатых поверхностей соединения кольцо-вкладыш / юбка-вкладыш (увеличено для определения пика и впадины).

Математически толщина пленки между двумя шероховатостями поверхности задается уравнением (14).

hT (x, y, t) = hx + hy + ψ1 + ψ2 (14)

Толщина пленки для соединения юбки и подкладки определена количественно и представлена в уравнении (15)

h = C + εtcosφ︸ (a) + (εb-εt) yLcosφ︸ (b) + Sk (y) (15)

Где «C» — номинальный зазор / минимальный зазор между профилем юбки и вкладыша, а Sk (y) — это профиль юбки. Компонент (a) уравнения (15) обусловлен расположением верхнего эксцентрика, а компонент (b) — расположением нижнего эксцентрика. Сумма номинальной пленки, наклонного зазора и профиля юбки (Liu et al., 1998) приводит к толщине пленки стыка юбки и лайнера. Кроме того, пленка кольцевой футеровки определяется количественно в соответствии с уравнением (16). h ₀ — это минимальный зазор между гибкими кольцами после согласования с поверхностью отверстия (Ma et al., 1995, 1997). В качестве функции формы используется параболический профиль типа единственного минимума (Mishra et al., 2009). Δ _{i, j} — это общая деформация кольца из-за пружинящего действия внутрь и наружу, возникающая из-за комбинированного действия различных сил, показанных на рисунке 1B.Аналогично, δ _{i, j} — это локальная упругая деформация, которая в данном случае не учитывается из-за ее малого порядка [10 ⁻⁸ м или 10 нм] (Mishra et al., 2009).

h = h0 + Si, j + Δi, j + δi, j (16)

Таким образом, толщина такой чувствительной к регистру пленки уменьшается до

h = h0 + Si, j + Δi, j (16a)

В случае компонентов поршневой подсистемы контактное давление / трение возникает из-за вязкого действия, инициированного гидродинамическими / эластогидродинамическими свойствами. Вблизи мертвой точки добавляется давление / трение из-за контакта с неровностями.В любой момент времени работы двигателя баланс приложенной силы, действующей на соединение кольцевое отверстие / юбка-гильза, и соответствующие силы реакции получают с помощью уравнения (17).

Где, F _h — сила, обусловленная гидродинамическим / смешанным смазывающим действием в соединении кольцо-вкладыш или юбка-вкладыш (Ma et al., 1995, 1997; Mishra, 2015). Оно получено путем пространственного / двойного интегрирования давления пленки, как представлено в уравнении (18). В дополнение к этому объяснению, контактная сила неровностей W _a, инициированная из-за граничного трения, скорее всего, возникает вблизи мертвых точек [ВМТ / НМТ] из-за мгновенного прекращения движения увлечения смазки (Hu et al. ., 2011; Chong et al., 2012).

Fh = ∫∫phdxdy (18) Wa = {8152σβ′π (N′β′σ) E′A (Ca (Ω − λ) Z); λ≤Ω0; λ> Ω (19)

В уравнении (19) β ‘- радиус неровностей, N, ′ — количество неровностей на единицу реальной площади контакта, E ′ — модуль упругости композита.

Где λ = hT / σ, Ω = 4,0, Ca = 4,4068 × 10-5 и Z = 6,804

Суммарные потери на трение ( F _t = F _v + F _b).Следовательно, полное трение может быть представлено в уравнении (20) как сумма вязкого трения и граничного трения. Вязкое трение является интегралом площади сдвига жидкости, в то время как граничное трение является функцией предельного напряжения сдвига Эйринга, радиуса вершины неровностей, плотности неровностей на единицу реальной площади контакта и функции шероховатости F ₂.

∫∫A0A (hT2∂p∂x-μUh) dA︸ вязкое трение + τ0 (π2 (N′β′σ) σβ′F2) ︸граничное трение + ςWa (20)

При значении предельного напряжения сдвига (τ ₀) 2.0 МПа и с коэффициентом граничной прочности (= 0,17) неровности более твердой поверхности при контакте с более мягкой. Кроме того, F ₂ — это функция, связанная с распределением вероятности высоты неровностей. Это основной параметр для оценки граничного трения (Эйринг, 1936). F ₂ с шероховатостью поверхности с неровностями, распределенными по Гауссу (Abou-Ziyan, 2004), выражается в уравнении (21).

F2 = -0,0018λ5 + 0,0281λ4-0,1728λ3 + 0,5258λ2 -0,8043λ + 0,5003 (21)

Здесь F ₂ — один из важных параметров для оценки граничного трения.

Соответствие кольцевым отверстиям

Как обсуждалось ранее, пленка между кольцом-вкладышем / юбкой-вкладышем является важным параметром, который контролирует контактные силы подсистемы поршня (Shahmohamadi et al., 2013). Кроме того, статический зазор между кольцевым отверстием сильно зависит от овальности отверстия. Следовательно, важно знать радиальную разность ствола, которая представляет собой разницу между измеренным внутренним радиусом хвостовика и номинальным радиусом ствола (Δ R (θ _c) = R _м — R ₀) вдоль 180 узлов, рассматриваемых в окружном направлении.Измерение проводится с помощью координатно-измерительной машины для 1000 окружных точек и БПФ интерполируется на 180 узлов сетки 180 × 16. Минимальная пленка, изменяющаяся по окружности, представляет собой чистую радиальную разность отверстий и коэффициент соответствия ξ _n (θ _c) и представлен в уравнении (22) согласно (Ma et al., 1995, 1997). .

{h0 (θc) = ΔR (θc) −ξn (θc), если ΔR (θc)> ξn (θc) h0 (θc) = 0, если ΔR (θc) ≤ξn (θc) (22)

Где,

ξn (θc) = 3 [Fe + Fg (θc)] Rb2 (D-a) 2Eba3 (n2-1) 2 (23)

А,

ξn (θc) = 3 [Fe + Fg (θc)] Rb2 (D-a) 2Eba3 (n2-1) 2 (24)

Далее,

А,

Pgf (θ) = Pt + (Pl-Pt) xin (θ) + xc (θ) 2b (25)

Здесь P _gf (θ _c) — давление газа от передней части кольца, P _gb — давление газа от задней части кольца (Mishra и другие., 2009). Давление газа спереди является функцией давления газа на переднем и заднем концах, положения профиля, положения кавитации и ширины торца кольца. Давление на передней кромке ( P _л) — это давление в камере сгорания во время хода поршня вверх (сжатие / выпуск) и давление в картере во время хода вниз (мощность / всасывание). Аналогично, для хода поршня вверх давление задней кромки ( P _t) является давлением в картере, а во время хода вниз — давлением сгорания.В уравнении (24) сила упругости является функцией давления упругости кольца и ширины поверхности ( F _e = P _gb b ) (Hill and Newman, 1984).

Шероховатость композита отверстия кольца, юбки-гильзы вместе с овальностью отверстия контролирует смазывающий эффект масла. На рис. 3а показаны измерения профиля свободного кольца и профиля установленного кольца. Измерение выполняется с помощью координатно-измерительной машины (КИМ), которая использует щуп роликового типа для определения трехмерного местоположения дискретных точек внешней и внутренней кромки кольца, когда они свободны и установлены внутри отверстия.Диаметр отверстия также измеряется с помощью сферического щупа. Соответствующий зазор между кольцом и гильзой рассчитывается как разница радиуса отверстия и внешнего радиуса установленного кольца.

Рис. 3. (a) Измерение овальности отверстия и кольца с помощью КИМ (Mishra, 2008). (b) полярный график измерения диаметра отверстия и кольца для 180 окружных узлов. (c) Составление шероховатых поверхностей соединения кольцо-гильза / юбка-гильза и (d) Циклическое изменение упругого давления камеры сгорания / межкольца / кольца.

Реология смазочного материала

На давление EHL / гидродинамической пленки в значительной степени влияют реологические свойства смазочного масла. К таким свойствам относятся вязкость, плотность, давление и температура, а также их взаимосвязь (Vogel, 1921). В случае контактных соединений, таких как юбка-гильза, кольцо-гильза, необходимо оценить динамическую вязкость при каждом угле поворота коленчатого вала для всего цикла двигателя (Houpert, 1985). Для этого необходимо подробно обсудить взаимосвязь вязкость-температура-давление и взаимосвязь плотности-давления-температуры.

Реакция вязкости на изменение температуры и давления

Влияние изменения температуры и давления на вязкость показано в уравнении (26).

η = η0exp {(ln η0 + 9,67) [(Θ-138Θ0-138) -S0 (1 + p-Patm1,98 × 108) Z-1]} (26)

, где: Θ = θ + 273 и Θ ₀ = θ ₀ + 273, и:

Где Z и S ₀ — характеристики конкретных смазочных материалов

Z = α05,1 × 10-9 [ln η0 + 9,67] и S0 = β0 (Θ0-138) ln η0 + 9,67 (27)

Где α ₀ и β ₀ — пьезовязкие и термовязкие коэффициенты (Dowson, Higginson, 1959; Cross, 1965; Larsson et al., 2000).

Отклик плотности на изменение температуры и давления

Хотя создаваемое гидродинамическое давление / давление EHL недостаточно велико для изменения плотности (ρ ₀ = 1800 кг / м ³), мы хотим испытать то же самое при максимально возможных давлении и температуре в соединении кольцевой гильзы и юбки-гильзы. .

θ = ρ0 (1-0,65 × 10-3Δθ) [1 + 6 × 10-10 (p-Patm) 1 + 1,7 × 10-9 (p-Patm)] (28)

В дополнение к этому анализу, в этом более быстро движущемся возвратно-поступательном контакте вязкость, отличная от температуры и давления, также сильно зависит от скорости сдвига масла (Dowson and Higginson, 1959; Larsson et al., 2000). Требуется рассчитать скорость сдвига по приведенному рисунку. В таком более быстро движущемся возвратно-поступательном контакте вторая ньютоновская вязкость более важна, чем первая во время высокой скорости сдвига в период разогрева, за исключением непосредственной близости мертвых центров (Usman and Park, 2016). В таком случае вязкость, зависящая от сдвига, задается как в уравнении (28).

μ = μ2 + (μ1-μ2) 1 + β (γ *) k (29)

Где β и k — параметры подгонки, зависящие от масла, а γ * = | u | hT.

Соотношение вязкости с учетом первичного и вторичного сдвига представлено в уравнении (29a)

μr = μ1-μ2 μ-μ2 = 1 + β (γ *) κ (29a)

В таблице 1 приведены параметры зависимости вязкости в контактах поршень-гильза.Представлено процентное отклонение того же самого при разном угле поворота коленчатого вала.

Таблица 1 . Параметры зависимости вязкости в контактах поршня и гильзы (в выбранном положении кривошипа).

Граничные условия

Решение задачи поршневой подсистемы требует учета движущихся границ. Здесь для давления и температуры крайнее положение системы работает при большой разнице температуры и давления. С одной стороны поршневой подсистемы находится камера сгорания с циклическими максимальными температурой и давлением, достигающими 450 ° C и 12 МПа соответственно.С другой стороны, давление и температура в зоне картера приняты за нижнюю границу. Граничные условия текущего анализа указаны как:

• Из-за частой смены направления скольжения направление впуска изменяется из-за частого реверсирования передней кромки и задней кромки в частом интервале (Mishra et al., 2009).

• Поток смазочного материала рассматривается в направлении оси x, а входное отверстие потока масла считается полностью затопленным (Morris et al., 2013).

• Граничные условия давления зависят от давления на верхней и нижней поверхности кольца, которое зависит от места нахождения кольца (Mishra et al., 2009; Morris et al., 2013).

• Кольцо находится на поверхности верхней канавки, в то время как поршень настроен на движение вниз (всасывающий / рабочий ход), как показано на Рисунке 4A. Когда поршень движется вверх (сжатие / выпуск), он находится на нижней поверхности канавки, рис. 4В. В таблице 2 подробно представлены силы, указанные на рисунках 3a, b.

• Верхнее давление — это переменное давление сгорания, а нижнее — давление в картере / атмосферное давление.

• Из-за преобладающего влияния других сил во всем поршневом узле вклад кавитации в настоящее время игнорируется.

• Предполагается, что граничные условия контактного выхода соответствуют условиям Свифта – Штибера, таким образом: p _h ( x _c, y ) = p _c и (∂ _{p _h / ∂ x ) x = x _c} = 0.Эти граничные условия определяют место разрыва смазочной пленки (Rahmani et al., 2012).

• Считается, что поршень зафиксирован в отверстии поршневого пальца с помощью поршневого пальца.

• Для анализа методом конечных элементов рассматриваются четыре различных геометрии коронки. Их геометрия создается с помощью инструмента САПР. Чашечки создаются путем удаления материала, а гибель создается путем бритья короны.

• Верхнее кольцо поршня считается покрытым никацилом (Harshavardhan and Mallikarjuna, 2015).

• Другое контактное трение, например, из-за контакта канавки с контактным кольцом, контакт отверстия поршня поршня считается незначительным по сравнению с трением контакта кольцо-гильза, юбка-гильза.

Рисунок 4 . Конфигурация силы кольца-вкладыша при возвратно-поступательном движении. (A) Движение поршня вниз (всасывание / мощность). (B) Движение поршня вверх (сжатие / выпуск).

Таблица 2 . Описание силы для движения поршня вверх / вниз.

Таблица 2 представляет описание силы для движения поршня вверх / вниз. Все силы, действующие на поршневую подсистему, отмечены некоторыми обозначениями.

Общий баланс сил и моментов для анализа Fem

Этот анализ приводит к вычислению F, F _f, M и Mf . Уравнения равновесия для силы и моментов приведены в уравнениях (29–31) согласно (Liu et al., 1998).

Fg + Ff + Fgs + Fps + Fcrcosϕ = 0 (30) F + Fgp + Fpp-Fcrsinϕ = 0 (31) M + Mpp + Fpp (a-b) -FpsCg + FgCp + Mf = 0 (32)

После исключения F _cr из уравнений (30–32)

-Fgp-Fpp = Fs + F + Fftgϕ (33) -Mpp-Fpp (a-b) = Ms + M + Mf (34)

Где,

Fs = (Fg + Fgs + Fps) tgϕMs = FgCp-FpsCg ϕ = tg-1 [B (lc2-B2)] 0.5 B = rsinθ

Таким образом, конфигурация силы, показанная на рисунке 1, вычисляется и используется в качестве входной силы в формулировке МКЭ. В таблице 2 показано описание силы для поршня при движении вверх / вниз.

Конечный элемент поршня и гильзы

Модель конечных элементов, разработанная в этой статье, предназначена для моделирования поршня, состоящего из серого CI, сплава Al и SI-C с четырьмя переменными коронками и компрессионным кольцом с покрытием из никацила. Обычно в качестве инструмента моделирования используется коммерчески доступный программный пакет FE (ANSYS).Все компоненты моделируются с учетом каждого элемента как трехмерной балки. Метод моделирования состоит из этапов предварительной и последующей обработки. Этапы предварительной обработки включают создание геометрии в программном обеспечении САПР и ее импорт в ANSYS. Позже свойства материала определяются, а сетка отдельных компонентов выполняется с использованием автоматизированного программного обеспечения. Поршень закреплен на конце поршня, при этом предполагается, что кольцо опирается на нижнюю площадку во время движения вверх и на верхнюю площадку во время движения вниз.

Анализ результатов

Для обеспечения взаимосвязи характеристик и прочности связи крайне необходимо согласовать геометрию поршневого кольца, гильзы, юбки со всеми возможными приложенными силами. Используемый входной параметр имеет широкий диапазон и представлен в таблице 3. В этом анализе учитываются две модификации геометрии поршня, а именно: осевой профиль юбки поршня и конструкция изменяемой головки поршня. На рис. 5А представлены все четыре различных профиля юбки параболической формы, которые полезны при наличии одноточечных минимумов.Для юбки поршня рассматриваются четыре профиля с четырьмя различными высотами профиля (0–20 мкм). Решение этой модели разделено на две подпрограммы. Сначала рассматривается минимальный зазор на основе экспериментально доступного переменного зазора, как показано на рисунке 3b из анализа соответствия. Позже рассчитывается гидродинамическое давление / давление ЭДЖ. Несмотря на подходящие критерии сходимости нагрузки, релаксация пленки выполняется для ее точного определения.

Рисунок 5. (A) Изменение геометрии профиля. (B) Циклическое изменение угла наклона для различных профилей. (C) Циклическое изменение верхнего эксцентриситета. (D) Циклическое изменение эксцентриситета днища.

Кроме того, все контактные и первичные, а также вторичные силы оцениваются и используются в качестве входных сил / нагрузок на поршень с различной геометрией головки. Из-за нескольких сил, действующих в нескольких плоскостях поршня, происходит боковой наклон. На Фигуре 5B показан наклон поршня с циклическим изменением в цикле двигателя.Максимальный наклон 0,022 градуса происходит при положении кривошипа 540 °. На рисунках 5C, D показано изменение E _t и E _b при разных оборотах (1000, 2000, 3000).

E _т / E _b увеличивается с увеличением частоты вращения. На рисунках 6A, B показано циклическое изменение силы трения и потерь мощности на трение для юбки поршня по сравнению с подсистемой поршня.Оба эти параметра значимы при расположении кривошипа на 180–540 °. Наибольшее значение трения между юбкой и вкладышем составляет 18% от общей силы трения. Опять же, сила трения значительна во время рабочего хода и составляет около 43% от общего трения поршневого узла, теряемого во время рабочего хода. Кроме того, 25% общего трения составляет трение юбки. На рисунках 6C, D показано циклическое изменение E _t и E _b для изменяемого профиля юбки. Профиль с большим смещением имеет большее значение E _t / E _b .E _b больше по сравнению с E _t, причина в том, что длина юбки (снизу) больше, чем сверху. На Фигуре 6E показано циклическое изменение наклона поршня для различных профилей поршня.

Рис. 6. (A) Юбка в зависимости от силы трения системы. (B) Юбка в зависимости от силы трения системы. (C) Циклическое изменение верхнего эксцентриситета. (D) Циклическое изменение эксцентриситета днища. (E) Изменение угла наклона из-за изменения геометрического профиля.

Сила трения из-за срока службы компонентов контактного контроля. Тщательный мониторинг его причины и количества может помочь изменить компонент для увеличения срока службы от потерь на трение. На рисунках 7A – D показано циклическое изменение силы трения кольца 1 (компрессионное кольцо), кольца 2 (скребкового кольца), кольца 3 (масляного регулирующего кольца) и общего трения поршневой подсистемы. Среди колец сила трения кольца 1 составляет максимум 65 Н при рабочем ходе.Это происходит из-за сильного противодавления в течение этого периода, которое приводит к большему давлению демпфирующего действия. У кольца 2 сила трения на 83% меньше, чем у кольца 1, а у кольца 3 на 75% меньше, чем у кольца 1. На кольцо1 приходится 65% общего трения поршневой подсистемы. Согласно такому анализу, циклическое изменение трения увеличивается с увеличением числа оборотов в минуту. Такая разница сил трения заметна в сторону мертвых точек. Это может быть связано с дополнительным контактным трением неровностей. Трение подсистемы поршня необходимо для оценки потерь мощности из-за трения и является произведением силы трения и скорости скольжения.

Рис. 7. (A) Сила трения компрессионного кольца. (B) Сила трения скребкового кольца. (C) Сила трения масляного кольца. (D) Полное трение поршневой подсистемы.

Потери энергии из-за трения могут быть рассчитаны как E _потери = т _цикл * P _ср., где P _ср. — средняя мощность потери в цикле двигателя и t _цикл — общее количество циклов.Потери мощности ( P = F _T · u ) являются произведением мгновенной скорости и силы трения (Mishra et al., 2009).

На рисунках 8A – D показано циклическое изменение потери мощности при трех различных оборотах в минуту (3000, 5000, 8000) для кольца 1, кольца 2, кольца 3 и полного трения соответственно. Максимальная мощность трения в кольце 1 составляет 0,34, 0,68, 1,25 кВт при 3000, 5000, 8000 об / мин соответственно. Аналогично для кольца 2 это 0,04, 0,12, 0,34 кВт.Аналогично для третьего кольца это 0,2, 0,32 и 0,5 кВт. Суммарная мощность трения составляет 1,8, 1,1 и 0,56 кВт соответственно. Подводя итог мощности трения, кольцо 1 имеет самые высокие потери мощности на трение среди колец, которые составляют 60% от общих потерь на трение. В то время как потери мощности на трение являются вторыми по величине в кольце 2, что составляет около 16% от общего трения подсистемы. В итоге кольцо 3 теряет 14% общего трения.

Рисунок 8 . Циклическое изменение силы трения с изменяемой частотой вращения (A) Мощность трения компрессионного кольца. (B) Сила трения скребкового кольца. (C) Сила трения масляного кольца. (D) Суммарная сила трения поршневой подсистемы.

При возвратно-поступательном движении поршня кольца меняют положение посадки с верхней канавки на нижнюю. Такое циклическое нагружение в условиях высоких температур приводит к термомеханическим напряжениям и усталостному разрушению. Чтобы предотвратить такое повреждение, термобарьерное покрытие, такое как Nickasil, толщиной в несколько микрометров, покрывается PVD-покрытием.Необходимо знать прочность такого покрытия в такой сильно нелинейно-динамической среде.

Кроме того, экспериментально узнать такую силу практически невозможно. Следовательно, рекомендуется выполнять конечно-элементное моделирование кольца с покрытием с помощью инструмента FEM, такого как ANSYS. На рис. 9А показана силовая конфигурация верхнего кольца с покрытием. Определенный таким образом тип элемента берется из массы конструкции и SOLID-TET 4 NODE 285, как показано на рисунке 9C. Следующим шагом в этом методе является преобразование всего кольца в количество элементов, и эти элементы соединяются через узлы.Выбранные таким образом элементы являются тетраэдрическими твердыми элементами. Следующий шаг — загрузка и установка граничных условий. Наконец, решение и постобработка для просмотра результатов. Из-за того, что пара возникает из-за несовпадающих сил и сил вне плоскости, возникает осевое скручивание до 3 °, как показано на рисунке 9B. Основной результат постобработки показывает выделенную бахрому фон Миссеса на границе раздела покрытия и подложки. На рис. 9D показана выделенная полоса напряжений по фону пропуска на границе раздела покрытия и подложки.

Рис. 9. (A) Условия нагружения на кольце с покрытием. (B) Кольцо скручивается под действием приложенных сил. (C) Тип элемента FEM. (D) Выделено по фону Пропускает полосу напряжения на границе раздела покрытия и подложки.

Принимая во внимание все эти силы, напряжения и характер прогиба, мы решили перейти к анализу прочности поршней с четырьмя различными конструкциями заводной головки. Каждая конструкция снова считается изготовленной из трех различных материалов, таких как алюминиевый сплав, серый чугун и композит с металлической матрицей SiC.На рисунках 10A – D представлена сплошная модель с четырьмя различными конструкциями коронки, обозначенными как тип A, тип B, тип C и тип D соответственно. У поршня типа А заводная головка считается конической с высотой головки 0,5 см. При этом заводная головка типа B с небольшим бассейном для облегчения с большим зазором по сравнению с поршнем с плоской коронкой. Кроме того, головка поршня типа C рассматривается как небольшая лужа по центру и большая плоская поверхность по краю. Наконец, головка поршня типа D с двумя чашками на одной стороне, как показано на рисунке 10D.Все эти поршни моделируются с канавкой под кольцо и канавкой под палец до импорта в ANSYS (Harshavardhan and Mallikarjuna, 2015).

Рис. 10. (A) Твердая модель поршня типа А. (B) Твердая модель поршня типа B. (C) Твердая модель поршня типа C. (D) Твердая модель поршня типа D.

Следующим за анализом методом конечных элементов является преобразование твердотельной конструкции в сеточную модель. В ANSYS предусмотрен протокол автоматического выбора элементов сетки, который позволяет выбрать соответствующее количество элементов, узлов, граней, минимальный размер кромки и тип элемента.На рисунках 11A – D показана сеточная модель четырех различных конструкций коронок [38–39]. В каждом случае автоматически выбирается элемент тетраэдрического типа. В таблице 4 показаны детали сетки различной конструкции. После этого анализа нагрузка и граничные условия устанавливаются в соответствии с предыдущими выходными силами.

Рис. 11. (A) Сетчатая модель поршня типа А. (B) Сетчатая модель поршня типа B. (C) Сетчатая модель поршня типа C. (D) Сетчатая модель поршня типа D.

Таблица 4 . Деталь сетки для различного дизайна.

В таблицах 5–7 показана сходимость сетки для ключевых параметров производительности, таких как von-Misses и общая деформация. При таком тесте сходимости выбирается размер элемента. На Рисунке 12 показана полная упругая деформация поршня типа А. Наибольшая упругая деформация при указанных нагрузках и граничных условиях происходит в случае композиционного материала с металлической матрицей Si-C. Наименьшая деформация в случае серого чугуна.Но некоторые другие механические / термические свойства делают серый чугун менее подходящим по сравнению с алюминиевым сплавом. Кроме того, критерии фон-Миссеса являются наиболее важными критериями для понимания подхода к режиму отказа, который основан на энергии искажения / энергии деформации сдвига (Dobrucal, 2016).

Таблица 5 . Отклик сходимости сетки на ключевые параметры (для сплава Al).

Таблица 6 . Отклик сходимости сетки на ключевые параметры (для серого чугуна).

Таблица 7 .Реакция сходимости сетки на ключевые параметры (для SiC).

Рисунок 12 . Полная деформация для разных материалов.

На рисунке 13 показано напряжение фон-Миссеса для металлической матрицы Gray-CI, Al-сплава и SiC. При заявленных нагрузках и граничных условиях алюминиевый сплав имеет самое высокое напряжение по фон-Миссису среди выбранных материалов. По этой причине это наиболее широко используемый материал для изготовления поршней.

Рисунок 13 . Тотал фон-мисс по разным материалам.

Аналогичным образом, на рисунках 14–16 показано сравнение максимального главного напряжения, минимального главного напряжения и максимального напряжения сдвига для различных заданных материалов. В дополнение к этому, на рисунках 17A – F показаны зацепление, расположение сил, граница напряжения на границе раздела покрытие-подложка, скручивание вне плоскости и объемная деформация при движении вверх и вниз.

Рисунок 14 . Максимальное главное напряжение для различных материалов.

Рисунок 15 .Минимальное главное напряжение для различных материалов.

Рисунок 16 . Максимальное напряжение сдвига для поршней из различных материалов.

Рисунок 17 . Результаты вывода МКЭ для кольца с покрытием (A) Зацепление кольца. (B) Схема свободного тела кольца. (C) Граница деформации границы раздела во время хода вниз. (D) Граница границы раздела во время движения вверх. (E) Скручивание кольца вне плоскости.(F) Объемная деформация кольца из-за движений вверх / вниз.

В таблице 8 представлены сводные результаты комбинированного анализа прочности конструкции и смазочных характеристик. Подробная информация о прочностных параметрах и их максимальных и минимальных значениях отмечена в таблице. Максимальные значения заштрихованы красным, а отметка минимума заштрихована красным.

Таблица 8 . Сводка результатов.

Заключение

Для устойчивого развития технологии двигателей необходимо соотносить параметры смазки с прочностью поршня.Принцип работы и, с другой стороны, ожидаемая продолжительность жизни очень сложны, они тщательно сформулированы с учетом конкретных явлений и их общего вклада в основную задачу анализа прочности. Сделаны следующие выводы.

• Максимальное главное напряжение является максимальным в случае поршня из алюминиевого сплава с конструкцией коронки типа D, в то время как оно минимально в случае коронки типа А, изготовленной из композитного материала с металлической матрицей SiC.

• Установлено, что минимальное главное напряжение является максимальным для поршня с корончатой головкой типа C, изготовленного из сплава алюминия, в то время как минимальное главное напряжение указано в случае композитного материала с металлической матрицей SiC конструкции коронки A-типа.

• Максимальное напряжение сдвига — еще один параметр, который жизненно важен для оценки срока службы, основанного на прочности. Коронка типа D из алюминиевого сплава имеет максимальную прочность на сдвиг, в то время как коронка типа B из композита с металлической матрицей SiC имеет минимальную прочность на сдвиг.

• Напряжение Von-Misses является максимальным для коронки из алюминиевого сплава типа D (5 382 МПа), а напряжение на коронку из алюминиевого сплава типа B составляет 5 119 МПа. Минимум в случае металлической матрицы SiC типа C.

• Наконец, поршни GCI и металлической матрицы SiC типа B подвергаются минимальной упругой деформации при указанной нагрузке и граничных условиях, в то время как металлическая матрица SiC типа C демонстрирует максимальную упругую деформацию.

Авторские взносы

PM провела анализ смазки, написала и направила документ. SK выполнил моделирование методом конечных элементов.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы очень благодарны Всеиндийскому совету по техническому образованию и обучению (AICTE), Нью-Дели, за финансирование этого исследования.Признается финансирование AICTE через грант RPS для выполнения нашего исследовательского проекта под названием «Передовые технологии двигателей для устойчивого развития автомобильной промышленности» с грантом № 20 / AICTE / RIFD / RPS (POLICY-III) 43 / 2012-13. .

Список литературы

Абу-Зиян, Х. З. (2004). Характеристики теплопередачи некоторых масел, используемых для охлаждения двигателя. Energy Conv. Управлять. 45, 2553–2569. DOI: 10.1016 / j.enconman.2003.10.005