Плунжерный двигатель. Поршневые типы двигателей внутреннего сгорания. Современное состояние роторно-поршневого двигателя

Поршневые ДВС нашли самое широкое распространение в качестве источников энергии на автомобильном, железнодорожном и морском транспорте, в сельскохозяйственном и строительном производствах (тракторы, бульдозеры), в системах аварийного энергообеспечения специальных объектов (больницы, линии связи и т.п.) и во многих других областях человеческой деятельности. В последние годы особое распространение получают мини-ТЭЦ на основе газопоршневых ДВС, с помощью которых эффективно решаются задачи энергоснабжения небольших жилых районов или производств. Независимость таких ТЭЦ от централизованных систем (типа РАО ЕЭС) повышает надежность и устойчивость их функционирования.

Весьма разнообразные по конструктивному выполнению поршневые ДВС способны обеспечивать очень широкий интервал мощностей - от очень малых (двигатель для авиамоделей) до очень больших (двигатель для океанских танкеров).

С основами устройства и принципом действия поршневых ДВС мы неоднократно знакомились, начиная от школьного курса физики и кончая курсом «Техническая термодинамика». И все же, чтобы закрепить и углубить знания, рассмотрим очень кратко еще раз этот вопрос.

На рис. 6.1 приведена схема устройства двигателя. Как известно, сжигание топлива в ДВС осуществляется непосредственно в рабочем теле. В поршневых ДВС такое сжигание проводится в рабочем цилиндре 1 с движущимся в нем поршнем 6. Образующиеся в результате сгорания дымовые газы толкают поршень, заставляя его совершать полезную работу. Поступательное движение поршня с помощью шатуна 7 и коленчатого вала 9 преобразуется во вращательное, более удобное для использования. Коленчатый вал располагается в картере, а цилиндры двигателя - в другой корпусной детали, называемой блоком (или рубашкой) цилиндров 2. В крышке цилиндра 5 находятся впускной 3 и выпускной 4 клапаны с принудительным кулачковым приводом от специального распределитель-ного вала, кинематически связанного с коленчатым валом машины.

Рис. 6.1.

Чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо периодически удалять из цилиндра продукты сгорания и заполнять его новыми порциями топлива и окислителя (воздуха), что и осуществляется благодаря перемещениям поршня и работе клапанов.

Поршневые ДВС принято классифицировать по различным общим признакам.

• 1. По способу смесеобразования, зажигания и подвода тепла двигатели делят на машины с принудительным зажиганием и с самовоспламенением (карбюраторные или инжекторные и дизельные).
• 2. По организации рабочего процесса - на четырехтактные и двухтактные. В последних рабочий процесс совершается не за четыре, а за два хода поршня. В свою очередь, двухтактные ДВС подразделяются на машины с прямоточной клапанно-щелевой продувкой, с кривошипно-камерной продувкой, с прямоточной продувкой и противоположно движущимися поршнями и др.
• 3. По назначению - на стационарные, судовые, тепловозные, автомобильные, автотракторные и др.
• 4. По числу оборотов - на малооборотные (до 200 об/мин) и высокооборотные.
• 5. По средней скорости поршня й> п = ? п / 30 - на тихоходные и быстроходные (й?„ > 9 м/с).
• 6. По давлению воздуха в начале сжатия - на обычные и с наддувом при помощи приводных воздуходувок.
• 7. По использованию тепла выхлопных газов - на обычные (без использования этого тепла), с турбонаддувом и комбинированные. У машин с турбонаддувом выпускные клапаны открываются несколько раньше обычного и дымовые газы с более высоким давлением, чем обычно, направляются в импульсную турбину, которая приводит в действие турбокомпрессор, подающий воздух в цилиндры. Это позволяет сжигать в цилиндре больше топлива, улучшая и КПД, и технические характеристики машины. У комбинированных ДВС поршневая часть служит во многом генератором газа и вырабатывает только ~ 50-60% мощности машины. Остальную часть общей мощности получают от газовой турбины, работающей на дымовых газах. Для этого дымовые газы при высоком давлении р и температуре / направляются в турбину, вал которой с помощью зубчатой передачи или гидромуфты передает получаемую мощность главному валу установки.
• 8. По числу и расположению цилиндров двигатели бывают: одно-, двух- и многоцилиндровые, рядные, К-образные, .Т-образные.

Рассмотрим теперь реальный процесс современного четырехтактного дизеля. Четырехтактным его называют потому, что полный цикл здесь осуществляется за четыре полных хода поршня, хотя, как мы сейчас увидим, за это время осуществляется несколько больше реальных термодинамических процессов. Эти процессы наглядно представлены на рис 6.2.

Рис. 6.2.

I - всасывание; II - сжатие; III - рабочий ход; IV - выталкивание

Во время такта всасывания (1) всасывающий (впускной) клапан открывается за несколько градусов до верхней мертвой точки (ВМТ). Моменту открытия соответствует точка г на р- ^-диаграмме. При этом процесс всасывания происходит при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) и идет при давлении р нс меньше атмосферного /; а (или давления наддува р н). При перемене направления движения поршня (от НМТ к ВМТ) впускной клапан закрывается тоже не сразу, а с определенным запаздыванием (в точке т ). Далее при закрытых клапанах происходит сжатие рабочего тела (до точки с). В дизельных машинах всасывается и сжимается чистый воздух, а в карбюраторных - рабочая смесь воздуха с парами бензина. Этот ход поршня принято называть тактом сжатия (II).

За несколько градусов угла поворота коленчатого вала до ВМТ в цилиндр впрыскивается через форсунку дизельное топливо, происходит его самовоспламенение, сгорание и расширение продуктов сгорания. В карбюраторных машинах рабочая смесь принудительно поджигается с помощью электрического искрового разряда.

При сжатии воздуха и сравнительно малом теплообмене со стенками температура его значительно повышается, превышая температуру самовоспламенения топлива. Поэтому впрыснутое мелко распыленное топливо очень быстро прогревается, испаряется и загорается. В результате сгорания топлива давление в цилиндре сначала резко, а затем, когда поршень начинает свой путь к НМТ, с уменьшающимся темпом увеличивается до максимума, а затем по мере сгорания последних порций топлива, поступившего при впрыскивании, даже начинает уменьшаться (из-за интенсивного роста объема цилиндра). Будем считать условно, что в точке с" процесс горения заканчивается. Далее следует процесс расширения дымовых газов, когда сила их давления перемещает поршень к НМТ. Третий ход поршня, включающий процессы сгорания и расширения, называют рабочим ходом (III), ибо только в это время двигатель совершает полезную работу. Эту работу аккумулируют с помощью маховика и отдают потребителю. Часть аккумулированной работы расходуется при совершении остальных трех тактов.

Когда поршень приближается к НМТ, с некоторым опережением открывается выпускной клапан (точка Ь ) и отработанные дымовые газы устремляются в выхлопную трубу, а давление в цилиндре резко падает почти до атмосферного. При ходе поршня к ВМТ происходит выталкивание дымовых газов из цилиндра (IV - выталкивание). Поскольку выпускной тракт двигателя обладает определенным гидравлическим сопротивлением, давление в цилиндре во время этого процесса остается выше атмосферного. Выпускной клапан закрывается позже прохождения ВМТ (точка п), гак что в каждом цикле возникает ситуация, когда одновременно открыты и впускной, и выпускной клапаны (говорят о перекрытии клапанов). Это позволяет лучше очистить рабочий цилиндр от продуктов сгорания, в результате увеличивается эффективность и полнота сгорания топлива.

По-другому организуется цикл у двухтактных машин (рис. 6.3). Обычно это двигатели с наддувом, и для этого они, как правило, имеют приводную воздуходувку или турбокомпрессор 2 , который во время работы двигателя нагнетает воздух в воздушный ресивер 8.

Рабочий цилиндр двухтактного двигателя всегда имеет продувочные окна 9, через которые воздух из ресивера попадает в цилиндр, когда поршень, проходя к НМТ, начнет открывать их все больше и больше.

За первый ход поршня, который принято называть рабочим ходом, в цилиндре двигателя происходит сгорание впрыснутого топлива и расширение продуктов сгорания. Эти процессы на индикаторной диаграмме (рис. 6.3, а) отражены линией с - I - т. В точке т открываются выпускные клапаны и под действием избыточного давления дымовые газы устремляются в выпускной тракт 6, в резуль-

Рис. 6.3.

1 - всасывающий патрубок; 2 - воздуходувка (или турбокомпрессор); 3 - поршень; 4 - выпускные клапаны; 5 - форсунка; 6 - выпускной тракт; 7 - рабочий

цилиндр; 8 - воздушный ресивер; 9- продувочные окна

тате давление в цилиндре заметно падает (точка п). Когда поршень опускается настолько, что начинают открываться продувочные окна, в цилиндр устремляется сжатый воздух из ресивера 8 , выталкивая из цилиндра остатки дымовых газов. При этом рабочий объем продолжает увеличиваться, а давление в цилиндре уменьшается практически до давления в ресивере.

Когда направление движения поршня меняется на противоположное, процесс продувки цилиндра продолжается до тех пор, пока продувочные окна остаются хотя бы частично открытыми. В точке к (рис. 6.3, б) поршень полностью перекрывает продувочные окна и начинается сжатие очередной порции воздуха, попавшего в цилиндр. За несколько градусов до ВМТ (в точке с") начинается впрыск топлива через форсунку, а далее происходят описанные ранее процессы, приводящие к воспламенению и сгоранию топлива.

На рис. 6.4 приведены схемы, поясняющие конструктивное устройство других типов двухтактных двигателей. В целом рабочий цикл у всех этих машин аналогичен описанному, а конструктивные особенности во многом сказываются только на продолжительности

Рис. 6.4.

а - петлевая щелевая продувка; 6 - прямоточная продувка с противоположно движущимися поршнями; в - кривошипно-камерная продувка

отдельных процессов и, как следствие, на технико-экономических характеристиках двигателя.

В заключение следует отметить, что двухтактные двигатели теоретически позволяют при прочих равных условиях получать вдвое большую мощность, однако в действительности из-за худших условий очистки цилиндра и сравнительно больших внутренних потерь этот выигрыш несколько меньше.

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

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

Составные элементы и принцип работы

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

Детали Роторно-поршневого двигателя

Принцип работы двигателя Ванкеля

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

Смесеобразование

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

Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:

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

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

Особенности РПД

Преимущества

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

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

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

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

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

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

Недостатки двигателя Ванкеля

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

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

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

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

КПД роторно-поршневой конструкции

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

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

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

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

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

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

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

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

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

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

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

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

Российские РПД

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

Ваз 21018 с Роторно-поршневым двигателем

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

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

Роторно-поршневой двигатель ВАЗ-414

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

Ниже представлено видео устройства и работы двигателя Ванкеля.

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

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

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

КОНСТРУКЦИЯ

Устройство детали включает в себя три составляющие:

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

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

ДНИЩЕ

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

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

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

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

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

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

УПЛОТНЯЮЩАЯ ЧАСТЬ

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


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

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

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

Вместе с днищем уплотнительная часть формирует головку поршня.

ЮБКА

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

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

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

ТИПЫ ПОРШНЕЙ

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

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

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

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

МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

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

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

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

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

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

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

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

Основные типы двигателей внутреннего сгорания и паровые машины имеют один общий недостаток. Он состоит в том, что возвратно-поступательное перемещение требует преобразования во вращательное движение. Это, в свою очередь, обуславливает низкую производительность, а также достаточно высокую изнашиваемость деталей механизма, включенных в различные типы двигателей.

Довольно много людей задумывались о том, чтобы создать такой мотор, в котором подвижные элементы только вращались. Однако решить эту задачу удалось только одному человеку. Феликс Ванкель – механик-самоучка — стал изобретателем роторно-поршневого двигателя. За свою жизнь этот человек не получил ни какой-либо специальности, ни высшего образования. Рассмотрим далее подробнее роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

Краткая биография изобретателя

Феликс Г. Ванкель родился в 1902 году, 13 августа, в небольшом городке Лар (Германия). В Первую Мировую отец будущего изобретателя погиб. Из-за этого Ванкелю пришлось бросить учебу в гимназии и устроиться помощником продавца в лавке по продаже книг при издательстве. Благодаря этому он пристрастился к чтению. Феликс изучал технические характеристики двигателей, автомобилестроение, механику самостоятельно. Знания он черпал из книг, которые продавались в лавке. Считается, что реализованная позднее схема двигателя Ванкеля (точнее, идея ее создания) посетила во сне. Неизвестно, правда это или нет, но точно можно сказать, что изобретатель обладал незаурядными способностями, тягой к механике и своеобразным

Плюсы и минусы

Преобразуемое движение возвратно-поступательного характера полностью отсутствует в роторном двигателе. Образование давления происходит в тех камерах, которые создаются с помощью выпуклых поверхностей ротора треугольной формы и различными частями корпуса. Вращательные движения ротор осуществляет помощью сгорания. Это способно привести к снижению вибрации и увеличить скорость вращения. Благодаря повышению эффективности, которое обусловлено таким образом, роторный двигатель имеет размеры намного меньше, чем обычный поршневой двигатель эквивалентной мощности.

Роторный двигатель имеет один главный из всех своих компонентов. Эта важная составляющая называется треугольным ротором, который совершает вращательные движения внутри статора. Все три вершины ротора, благодаря этому вращению, имеют постоянную связь с внутренней стеной корпуса. С помощью этого контакта образуются камеры сгорания, или три объема замкнутого типа с газом. Когда происходят вращательные движения ротора внутри корпуса, то объем всех трех образованных камер сгорания все время меняется, напоминая действия обычного насоса. Все три боковых поверхности ротора работают, как поршень.

Внутри у ротора является шестерня небольшого размера с внешними зубьями, которая прикреплена к корпусу. Шестерня, которая больше по диаметру, соединена с данной неподвижной шестерней, что задает саму траекторию вращательных движений ротора внутри корпуса. Зубы в большей шестерни внутренние.

По той причине, что вместе с выходным валом ротор связан эксцентрично, вращение вала происходит наподобие того, как ручка будет вращать коленвал. Выходной вал станет делать оборот три раза за каждый из оборотов ротора.

Роторный двигатель имеет такое преимущество, как небольшая масса. Самый основной из блоков роторного двигателя обладает небольшими размерами и массой. При этом управляемость и характеристики такого двигателя будут лучше. Меньше масса у него получается за счет того, что необходимость в коленвале, шатунах и поршнях просто отсутствует.

Роторный двигатель обладает такими размерами, которые гораздо меньше обычного двигателя соответствующей мощности. Благодаря меньшим размерам двигателя, управляемость будет гораздо лучше, а также сама машина станет просторнее, как для пассажиров, так и для водителя.

Все из частей роторного двигателя осуществляют непрерывные вращательные движения в одном и том же направлении. Изменение их движения происходит так же, как в поршней традиционного двигателя. Роторные двигатели внутренне сбалансированы. Это ведет к снижению самого уровня вибрации. Мощность роторного двигателя кажется намного более гладким и равномерным образом.

Двигатель Ванкеля имеет выпуклый специальный ротор с тремя гранями, который можно назвать его сердцем. Этот ротор совершает вращательные движения внутри цилиндрической поверхности статора. Роторный двигатель «Мазда» является первым в мире роторным двигателем, который был разработан специально для производства серийного характера. Данной разработке было положено начало еще в 1963 году.

Что это такое РПД?

В классическом четырехтактным двигателем одно и то же цилиндр используется для различных операций — впрыск, сжатие, сжигание и выпуска. В роторном же двигателе каждый процесс выполняется в отдельном отсеке камеры. Эффект мало чем отличается от разделения цилиндра на четыре отсека для каждой из операций.
В поршневом двигателе давление возникает при сгорании смеси заставляет поршни двигаться вперед и назад в своих цилиндрах. Шатуны и коленчатый вал преобразуют этот толкательной движение во вращательное, необходимое для движения автомобиля.
В роторном двигателя нет прямолинейного движения которое надо было бы переводить во вращательное. Давление образуется в одном из отсеков камеры заставляя ротор вращаться, это снижает вибрацию и повышает потенциальную величину оборотов двигателя. В результате всего большая эффективность, и меньшие размеры при той же мощности, что и обычного поршневого двигателя.

Как работает РПД?

Функцию поршня в РПД выполняет трьохвершинний ротор, преобразующий силу давления газов во вращательное движение эксцентрикового вала. Движение ротора относительно статора (наружного корпуса) обеспечивается парой шестерен, одна из которых жестко закреплена на роторе, а вторая на боковой крышке статора. Сама шестерня неподвижно закреплена на корпусе двигателя. С ней в зацеплении находится шестерня ротора из зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг нее.
Вал вращается в подшипниках, размещенных на корпусе, и имеет цилиндрический эксцентрик, на котором вращается ротор. Взаимодействие этих шестерен обеспечивает целесообразное движение ротора относительно корпуса, в результате которого образуются три разобщенных камеры переменного объема. Передаточное отношение шестерен 2: 3, поэтому за один оборот эксцентрикового вала ротор возвращается на 120 градусов, а за полный оборот ротора в каждой из камер происходит полный четырехтактный цикл.

Газообмен регулируется вершиной ротора при прохождении ее через впускной и выпускной окно. Такая конструкция позволяет осуществлять 4-тактный цикла без применения специального механизма газораспределения.

Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаются к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Крутящий момент получается в результате действия газовых сил через ротор на эксцентрик вала Смесеобразование, воспаление, смазка, охлаждение, запуск — принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания

Смесеобразование

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

Из жидкого топлива смесь приготавливается следующим образом:

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

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

Технические характеристики роторно-поршневого двигателя

выпускаются модели

КПД роторно-поршневой конструкции

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

Итоговый КПД работы мотора состоит из трех основных частей:

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

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

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

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

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

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля

Определение.

Поршневой двигатель – один из вариантов двигателя внутреннего сгорания, работающий за счет превращения внутренней энергии сгорающего топлива в механическую работу поступательного движения поршня. Поршень приходит в движение при расширении рабочего тела в цилиндре.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочий цикл двигателя состоит из последовательности тактов односторонних поступательных ходов поршня. Подразделяют двигатели с двумя и четырьмя тактами работы.

Принцип работы двухтактного и четырехтактного поршневых двигателей.

Количество цилиндров в поршневых двигателях может варьироваться в зависимости от конструкции (от 1-го до 24-х). Объем двигателя принято считать равным сумме объемов всех цилиндров, вместимость которых находят по произведению поперечного сечения на ход поршня.

В поршневых двигателях различных конструкций по-разному происходит процесс воспламенения топлива:

Электроискровым разрядом , который образуется на свечах зажигания. Такие двигатели могут работать как на бензине, так и на других видах топлива (природный газ).

Сжатием рабочего тела:

В дизельных двигателях , работающих на дизельном топливе или газе (с 5% добавлением дизтоплива), сжимается воздух, и при достижении поршнем точки максимального сжатия, происходит впрыск топлива, которое воспламеняется от контакта с нагретым воздухом.

Двигатели компрессионной модели . Подача топлива в них точно такая же, как и в бензиновых двигателях. Поэтому, для их работы, необходимы особенный состав топлива (с примесями воздуха и диэтилового эфира), а также точная регулировка степени сжатия. Компрессорные двигатели нашли свое распространение в авиастроении и автомобилестроении.

Калильные двигатели . Принцип их действия во многом схож с двигателями компрессионной модели, однако не обошлось без конструкционной особенности. Роль зажигания в них выполняет – калильная свеча, накал которой поддерживается энергией сгорающего на предыдущем такте топлива. Состав топлива также особенный, за основу берут метанол, нитрометан и касторовое масло. Применяются такие двигатели, как на автомобилях, так и на самолетах.

Калоризаторные двигатели . В этих двигателях воспламенение происходит при контакте топлива с горячими частями двигателя (обычно – днище поршня). В качестве топлива применяется мартеновский газ. Используются они в качестве приводных двигателей на прокатных станах.

Виды топлива, применяющиеся в поршневых двигателях :

Жидкое топливо – дизтопливо, бензин, спирты, биодизель;

Газы – природные и биологические газы, сжиженные газы, водород, газообразные продукты крекинга нефти;

Вырабатываемый в газогенераторе из угля, торфа и древесины, монооксид углерода также используется в качестве топлива.

Работа поршневых двигателей.

Циклы работы двигателей подробно расписаны в технической термодинамике. Различные циклограммы описываются различными термодинамическими циклами: Отто, Дизеля, Аткинсона или Миллера и Тринклера.

Причины поломок поршневых двигателей.

КПД поршневого ДВС.

Максимальный КПД который удалось получить на поршневом двигателе составляет 60%, т.е. чуть меньше половины сгорающего топлива расходуется на нагрев деталей двигателя, а также выходит с теплом выхлопных газов. В связи с чем, приходится оснащать двигатели системами охлаждения.

Классификация систем охлаждения:

Воздушные СО – отдают тепло воздуху за счет ребристой внешней поверхности цилиндров. Применяются ли
бо на слабых двигателях (десятки л.с.), либо на мощных авиационных двигателях, которые охлаждаются быстрым потоком воздуха.

Жидкостные СО – в качестве охладителя используется жидкость (вода, антифриз или масло), которая прокачивается через рубашку охлаждения (каналы в стенках блока цилиндров) и поступает в радиатор охлаждения, в котором она охлаждается воздушными потоками, естественными или от вентиляторов. Редко, но в качестве теплоносителя также используется металлический натрий, который расплавляется от тепла прогревающегося двигателя.

Применение.

Поршневые двигатели, благодаря своему мощностному диапазону, (1 ватт – 75 000 кВт) обрели большую популярность не только в автомобилестроении, но и авиастроении и судостроении. Они также используются для привода боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, водяных насосов, бензопил и прочих машин, как мобильных так и стационарных.