Основные конструктивные элементы поршневого ДВС. Классификация поршневых двигателей. Компоновочные схемы поршневых двигателей. Комбинированные ДВС.
Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала. Он состоит из двух групп деталей: неподвижных и подвижных. К неподвижным деталям относятся: блок цилиндров, головки блока цилиндров, гильзы, крышка и картер маховика. К подвижным – поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленвал и маховик. Кривошипно-шатунный механизм может быть центральным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в одной плоскости, или смещенным, когда оси коленвала и цилиндров лежат в разных плоскостях.
Механизм газораспределения предназначен для своевременного впуска в цилиндр горючей смеси и выпуска отработавших газов. Выполняются по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением коленвалов. Основные детали механизма газораспределения: впускные и выпускные клапана, коромысло, штанга, толкатель, распредвал.
Классификация поршневых двигателей.
1) По способу преобразования энергии давления газов во вращательное движение
a) поршневые двигатели с КШМ
b) РПД
c) кулисные
2) По роду применяемого топлива:
a) на жидком топливе
b) газовые
c) комбинированные
3) По способу осуществления рабочего цикла
a) 2-х тактные
b) 4-х тактные
4) По способу воспламенения рабочей смеси:
a) с воспламенением от сжатия
b) с принудительным воспламенением
5) По способу охлаждения цилиндра
a) жидкостного охл.
b) воздушного
6) По способу смесеобразования:
a) с внешним смесеобразованием
b) с внутренним смесеобразованием
7) По способу наполнения рабочего цилиндра:
a) без наддува
b) с наддувом
Наддув – увеличение наполнения цилиндра двигателя воздухом путем увеличения давления на впуске.
Комбинированные двигатели – это двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных машин, а также из устройств подвода и отвода тепла, объединенных общим рабочим телом.
Комбинированные двигатели бывают:
- с механической связью (рисунок а)
- с газовой связью (рисунок б)
Для схемы а) «+» мощность турбины и компрессора могут быть различны.
Поршневая группа. Состав функции. Основные требования к конструкции поршня. Конструктивная реализация указанных требований. Обоснование формы поршня.
Состав поршневой группы:
1. поршень
2. уплотнительные, маслосъемные кольца
3. палец (поршневой)
4. ограничитель осевого перемещения поршневого пальца.
Функции поршневой группы:
1. воспринимать усилия от давления газов и сил инерции и передает их на шатун.
2. передает боковое давление от нормальной силы на стенку цилиндра.
3. обеспечивает герметичность внутри цилиндра.
4. выполняет роль золотникового устройства.
Основные требования к конструкции поршня:
1) Обеспечение герметичности от пропуска газов.
2) Эффективный отвод тепла от днища поршня в стенку цилиндра.
3) Минимальная тепловосприимчивость во внешней поверхности днища.
4) Повышенная износостойкость.
5) Обеспечение минимального расхода масла.
6) Минимальная масса при достаточной жёсткости и прочности.
7) Макс. Срок работы до первой переборки.
Поршни бывают:
- цельные
- составные
по охлаждению:
- с охлаждающей головкой
- без охлаждающей головки
В составных поршнях отъёмная головка изготовлена из жаропрочного материала. Форма поршня и его основные размеры определяются в 1-ю очередь условиями отвода воспринимаемого им тепла. Часть тепла отводится на подогревание рабочей смеси.
Форма поршня.
Поршень должен иметь наиболее простую (цилиндрическую) форму и по возможности симметричную относительно оси.
Форма днища определяется способом смесеобразования:
1. Плоское днище – наиболее распространено в двигателях с внешнем смесеобразованием.
«+» простота изготовления (min площадь соприкосновения с горячими газами)
2. Вогнутое – имеет благоприятную форму камеры сгорания, приближенную к сферической, при
непосредственном впрыске.
3. Выпуклое днище – придает повышенную жесткость, менее склонен к образованию масленого нагара (используют в 2-х тактных двигателях) придает необходимое направление течения газов при продувке.
4. Клиновое днище – на ДВС с верхними клапанами
- Фигурное днище – с внутреннем смесеобразованием и центральным расположением форсунки; эта форма согласована с конфигурацией топливных факелов. Топливо не попадает на стенку цилиндра: ¯ расход, ¯ разжижение масла в цил.
- Камера сгорания выполнена в поршне – это обеспечивает
пленочное и объемно-пленочное смесеобразование.
- Камера сгорания прикрытого типа – теплонапряженность самая высокая
А 4 5
6 7
RMAX необходим для: теплоотвода, ¯напряжений
Распределение температуры в поршне. Анализ распределения температуры. Доли отвода тепла отдельными элементами поршня. Материалы поршней. Дефекты поршней. Конструктивные мероприятия по предотвращению указанных дефектов.
Тепловое состояние.
- Участок с мах Т в центре днища представляет собой эллипс, вытянутый перпендикулярно оси поршневого пальца.
- Основной теплоперепад имеет место между днищем и нижнем поршневым кольцом.
- Падение Т в днище относительно невелико.
- Юбка поршня имеет одинаковую температуру.
Алюминиевый поршень имеет меньшую температуру, чем чугунный при прочих равных условиях. Температура поршня с воздушным охлаждением на 30 -50% выше чем с водным.
Для изготовления поршней используют следующие материалы:
1. Серый ковкий чугун СЧ 24-44; СЧ28-48
для напряженных конструкций – ВЧ45 – высокопрочный чугун, обладает высокой износостойкостью и прочностью, низкий коэффициент линейного расширения.
2. Легкие литейные сплавы: Al 1, Al 10, Al 19 – хорошие литейные свойства, низкий коэффициент линейного расширения.
Деформируемые алюминиевые сплавы (ковкие сплавы) – АК2, АК4 (уменьшенная масса, высокая теплопроводность, высокая степень сжатия)
«+» алюминиевые сплавы менее склонны к нагарообразованию
«–» плохая работа на холодном двигателе, плохие механические качества, низкая теплостойкость, высокая стоимость.
3. Стали. Используются жаропрочные сплавы.
4. Титан. Сложно обрабатывать.
Дефекты поршней:
- перегрев поршня, сопровождается отпуском материала, ¯ механических свойств, ¯ твердости. Развиваются микротрещины, приводящие к выкрашиванию материала.
Выход: использовать материалы с высокой теплостойкостью.
- эрозия и коррозия поршня (днища) под действием горячих газов.
Выход: механическая обработка днища поршня, оксидирование, хромирование, никелирование.
- износ боковой поверхности (зависит от качества масла)
Поршневые кольца. Назначение, требования, классификация. Формы уплотнительных колец. Материалы поршневых колец. Влияние выбора материала на конструкцию кольца и поршневой группы.
Поршневые кольца предназначены для предотвращения прорыва газов между поршнем и стенкой цилиндра, а также для удаления лишнего масла со стенок цилиндра, препятствуя проникновению его в камеру сгорания. Кроме того, поршневые кольца отводят тепло от головки поршня к стенкам цилиндра.
По назначению подразделяются на:
- компрессионные
- маслосъемные
Около 50% механических потерь осуществляется через кольца.
Верхнее поршневое кольцо нагревается до 350-400 º, через него отводится самое большое количество тепла, оно работает в условиях плохой смазки.
Маслосъемные кольца: устанавливаются на поршне за компрессионными.
Они делятся на:
- однокромочные - двухкромочные - составные кольца
Однокромочные: «+» кромка, соскабливающая масло со стенок цилиндра, излишки масла через отверстия уйдут на смазку поршневого пальца.
Двухкромочные: «+» также содержит канал для удаления избытка масла.
Составные кольца: «+» при деформации ведут себя более гибко, сохраняют уплотняющие функции при перекосах.
Требования к поршневым кольцам:
1. плотное прилегание к поверхности цилиндра и опорным поверхностям канавок поршня (геом. услов.).
2. небольшое начальное давление (0,5-20 кг/см2) на стенку цилиндра (силовые условия).
-площадь контакта уменьшается, давление на стенку цилиндра увеличивается.
- «скребковый вид»
- «минутные кольца» быстрей прирабатываются
скручивающиеся кольца. деформации косого изгиба
- они во время работы скручиваются, больше ресурс, хуже уплотняющие свойства
- трапециевидные кольца, удаляет излишки масла со стенок цилиндра; зазор постоянно меняется по величине.
Уплотняющее действие поршневых колец
Уплотняющие действия достигаются:
1. прижатием колец к поверхности цилиндра.
2. в результате образования системы поршневых каналов и зазоров сложного лабиринта.
При сжатии поршневого кольца:
- за счет собственной силы упругости колец (0,5 - 30) кг/см2
- за счет давления газов проникающих через зазоры в канавку (30 - 40) кг/см2
Материалы поршневых колец: чугун, сталь.
Требования:
1. Механическая прочность при высоких температурах.
2. Износостойкость.
3. Низкий коэффициент трения при высоких температурах.
Чугун: серый (Ч), высокопрочный (ВЧ)
СЧ18-36; СЧ24-44…
Покрытие стальных колец:
-покрытие молибденом (очень дорого), азотирование (большая вредность), титановое покрытие + азотирование = нитрид титана (высокая твердость).
Сталь: Х12М; 65Г
Насосное действие уплотнительных колец. Мероприятия по предотвращению насосного эффекта. Уплотняющее действие поршневых колец. Замки поршневых колец. Назначение зазора в замке.
Насосные действия уплотнительных колец.
Компрессионные кольца не препятствуют попаданию масла в камеру сгорания и при сгорании выделять вредные вещества.
а) поршень движется от ВМТ к НМТ, кольца за счет силы инерции прижаты к верхним поверхностям каналов(происходит впуск). Масло соскабливается нижним кольцом со стенки цилиндра. За счет гидравлического подпора давление масла ‹
б) поршень дошел до НМТ и пошел вверх. Направление сил инерции изменилось и изменилось положение колец. Масло вытеснилось в область меньшего давления
в) поршень пришел в ВМТ и пошел вниз.
Т.о. масло постепенно попадает в камеру сгорания. Для предупреждения этого устанавливаются маслосъемные кольца.
Замки поршневых колец.
Зазоры в замке выбираются следующим образом: ∆ = ∆` + ∆``
∆`` - гарантированный зазор; ∆`` = 0,1-0,2 мм он нужен для гарантированной работы кольца, в противном случае оно ломается. При нагреве до опр. Тº, внешняя окружность кольца удлиняется на πD·αК·∆tК
αК – коэффициент линейного расширения, диаметр цилиндра при этом увеличивается на πD·αЦ·∆tЦ, при этом зазор в замке уменьшается на
∆` = πD·(αК·∆tК - αЦ·∆tЦ)
∆ - холодный зазор; ∆` - горячий зазор.
Эффективным средством увеличения сил, прижимающих кольцо к цилиндру - применение расширителя.
Расширитель: они увеличивают срок службы поршневых
колец. Их ставят под последние или 2-3 кольца, маслосъемные
кольца.