Для чего выемки на поршнях
Для чего выемки на поршнях
Этим он кардинально отличается от поршня «обычного» двигателя.
Давайте попробуем разобраться, для чего нужна такая «выемка» и какую роль она играет или может играть.
Топливо впрыскивается во впускной коллектор и там, непосредственно перед клапанами начинает перемешиваться с поступившим через дроссельную заслонку свежим воздухом и после открытия соответствующего клапана смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр.
Состав смеси, в конечном итоге, получается гомогенным и стехиометрическим.
Двигатель системы GDI работает (может работать) совсем по-другому, он имеет несколько режимов работы и составы смеси при этом могут быть совершенно разными, «лямбда» может быть равна еденице, больше ее или меньше.
Здесь мы должны коснуться такого понятия, как «Коэффициент избытка воздуха».
Теоретическим и экспериментальным путем было выяснено, что для полного сгорания рабочей смеси требуется определенное и точное соотношение компонентов этой смеси – воздуха и топлива.
Они должны находиться между собой в стехиометрическом соотношении, когда для полного и качественного сгорания 1 кг топлива требуется 14.7 кг воздуха.
Коэффициент избытка воздуха – l (лямбда) показывает, насколько реально имеющееся количество воздуха в камере сгорания отличается от теоретически необходимого, то есть:
Реально имеющаяся в камере сгорания масса воздуха
Теоретически необходимая масса воздуха
(лямбда равняется еденице)
При нарушении пропорций стехиометрического состава ТВС коэффициент l также меняется:
Богатая смесь: «много топлива, мало воздуха» – l
Бедная смесь: «мало топлива, много воздуха» – l >1
Двигатель системы GDI ( в дальнейшем: «Двигатель GDI »), вследствии своих конструктивных особенностей и применения новых технологий может работать на ТВС при таких соотношениях:
Двигатель системы GDI при своей работе может использовать три вида впрыска топлива:
Все эти три вида впрыска топлива придуманы и используются для того, что бы:
— уменьшить выбросы вредных веществ сгорания в атмосферу
— повысить мощность двигателя
— добиться экономии топлива
Когда жидкость или газ движутся в каком-то объеме с относительно небольшой скоростью, то это перемещение происходит послойно, один слой «плывет» около другого и слои не смешиваются.
Такое перемещение называется ламинарным.
Но в двигателе внутреннего сгорания, внутри камеры сгорания скорость движения газо-воздушного потока весьма большая и перемешивание топливо-воздушной смеси происходит за счет явления, которое называется турбулентность.
— давления в камере сгорания
— температуры в камере сгорания
— скорости и направления движения впускаемых воздуха и топлива
— плотности воздуха и топлива
,- происходит хаотическое и мгновенное изменение (колебание) неких средних первоначальных значений топливо-воздушной смеси за счет мгновенных возникновений, взаимодействий между собой и исчезновений неопределенно-множественного
« n » числа вихревых движений.
Все это можно определить коротким словом: «хаос».
Изучением этого понятия – «турбулентность», занимался ученый О.Рейнольдс, который установил, что переход от ламинарного движения к турбулентному происходит в том случае, когда некое безразмерное соотношение скорости жидкости ( читай: «топливо-воздушная смесь»), ее вязкости, температуры и давления внутри или около того места, где происходит это движение, достигает одного и того же значения, что можно выразить относительной формулой:
Число Re называется «числом Рейнольдса» и его численное значение определяет характер движения жидкости или газа.
Небольшое число Re будет означать, что движение ламинарное.
Большое число Re будет означать турбулентное движение.
Когда число Re находится в пределах от 1 до 15, то движение еще ламинарное.
Если больше 20 и растет, то начинается переход от ламинарного к турбулентному.
Когда мы визуально можем определить, что движение уже хаотично и невозможно проследить движение струй, то тогда число Re приближается к 1.000.
Итак, из своих теоретических рассуждений мы узнали, что перемешивание топливо-воздушной смеси в камере сгорания происходит за счет турбулентности.
В камере сгорания, за счет повышенного давления, температуры и других факторов число Re будет составлять несколько тысяч.
То есть, это не что иное, как «развитая турбулентность».
Но ранее мы говорили, что «турбулентность – это Хаос».
Если ничего не менять в камере сгорания, не изменять условий впрыска топлива, не изменять «геометрию» камеры сгорания, то мы получим все тот же «обычный» двигатель внутреннего сгорания и никогда не сможем добиться того, что бы l (лямбда) была меньше или больше еденицы и при этом двигатель работал не только «нормально», но еще мог «выдавать» хороший крутящий момент и экономить топливо.
После многолетних исследований и математического моделирования, инженеры фирмы Mitsubishi пришли к выводу, что для выполнения заявленных требований по экономичности, повышения мощностной отдачи, сохранения и улучшения норм экологической безопасности им нужно:
— изменить форму камеры сгорания
— повысить давление впрыска
— повысить давление в камере сгорания
— изменить направление входящих потоков воздуха в камеру сгорания
— изменить направление движения впрыскиваемого топлива
Что и было сделано.
Но самой основной и трудной была задача под названием «Упорядочить Хаос».
Вспомним что такое «турбулентность».
С одной стороны именно турбулентность нужна в камере сгорания для того, что бы максимально «перемешать» топливо-воздушную смесь, то есть – «гомогенезировать» ее.
Тогда и «поджигание» ее и сгорание будут намного стабильнее и эффективнее.
Но с другой стороны, нельзя было «отпускать» турбулентность, надо было «приручить» ее, выполнить на первый взгляд невыполнимое:
«заставить турубулентность играть по предложенным правилам».
Рассмотрим работу двигателя в режиме
Ultra – Lean Combustion Mode
Это режим работы двигателя на сверх-обедненной ТВС.
В этом случае «лямбда» больше еденицы («мало топлива, много воздуха»).
— поршень начинает свое движение вниз
— открывается впускной клапан и в камеру сгорания поступает воздух.
— так как геометрия впускного коллектора изменена, то протекающий через него воздух к началу поступления в камеру сгорания уже достаточно турубулизирован и имеет число Re около 1,000
— благодаря все той же измененной геометрии впускного коллектора, турбулизированный заряд воздуха имеет еще и свое направление. Он не просто «поступил» в камеру сгорания. Он «ворвался» в нее с такой силой, что достиг достиг поверхности поршня и начал от нее «отражаться».
— «закручивание и отражение» заряда воздуха
Тем самым число Re стало быстро увеличиваться.
— впускной клапан закрылся и поршень начинает свое движение вверх.
— турбулизация воздушного заряда ( число Re ) продолжает увеличиваться вследствии увеличения давления и температуры внутри камеры сгорания
— в конце такта сжатия в камеру сгорания впрыскивается заряд топлива:
— стрелка на фото: поступившее в камеру сгорания топливо, которое (что хорошо заметно), так же «закручено».
А теперь посмотрим другую кинограмму, где разберем этом вопрос более детальнее:
Этап 1: «Заряд топлива поступает в камеру сгорания»
В этот момент в камере сгорания имеется:
— максимально возможное на данный момент число Re (максимальная турбулентность воздушного заряда)
Этап 2: «Топливо «ударяется» о поверхность пошня»
Если бы впрыск топлива происходил при «обычном» давлении, как на «обычном» двигателе, то перемешивание (гомогенизация) топливо-воздушной смеси была бы неполной.
Давление предопределяет скорость.
Как мы знаем, впрыск топлива в двигателе системы GDI происходит при высоком давлении, около 50 Бар (около 50 кг\см2).
Именно такое первоначальное давление + особая форма форсунки (см. статью в этом же разделе) когда топливо после нее становится «закрученным», позволило добиться того, что заряд топлива до удара о поршень остался практически неизменной формы и состава.
Этап 3: «Изгибание струи топлива»
Топливо – это та же «жидкость», только обладающая специфическими свойствами.
Кроме того, она имеет еще и «вязкость».
Поступившее в камеру сгорания топливо состоит из «слоев».
Попадая на поршень, один из слоев (нижний, по отношению к поршню) «прилипает» к поверхности поршня (на атомном уровне).
Между слоями возникают силы вязкого трения.
Около поверхности поршня формируется пограничный слой, скорость течения в котором меньше, чем в набегающем потоке топлива, а непосредственно на границе «поршень-топливо» равна нулю.
Так как скорость движения топлива в первом, прилегающем к поршню потоке намного меньше, чем в другом, расположенном «выше», то вследствии сил «вязкостного трения» происходит «отрыв» основного потока топлива от «пограничного» слоя.
Основной поток как бы «скользит» по пограничному слою и, следуя по нему, «повторяет» его форму и «загибается» вверх.
Этап 4: «Топливо отрывается» от поршня»
Надо отметить, что непосредственно внутри «выемки» число Re намного меньше, чем в остальном объеме камеры сгорания.
Это обусловлено особой формой «выемки» и созданными условиями (температура, давление).
Именно по этой причине «выстреленное в выемку» топливо может относительно полно следовать физическим законам и не терять своих «закрученных» свойств до того момента, как оно «оторвется» от поверхности поршня.
Кроме того, при отрыве основного потока топлива от поверхности тела, возрастает его скорость и оно начинает обладать «вращающим моментом».
Вспомним, что заряд топлива, который поступил в камеру сгорания, тоже был «закручен» благодаря особой конструкции самой форсунки.
По тем же законам физики, после «отрыва» основного потока топлива от поверности поршня, даже несмотря на его «закрученность», происходит «дробление» потока: более мелкие, обладающие невысокой скоростью и массой струи «отрываются» от основного потока и начинают «расходиться» по сторонам.
1 – зона обедненной топливо-воздушной смеси
2 – зона стехиометрического состава смеси
Все остальное пространство занято инертными газами и остатками ОГ.
Именно в зоне №2 состав топливо-воздушной смеси является стехиометрическим, где «лямбда» приблизительно равняется еденице, то есть, именно в этой зоне есть все условия для нормального воспламенения смеси.
Говоря немного по-другому, «Зона №2 является следствием того, что удалось хоть немного, но «приручить турбулентность».
Далее все развивается таким образом:
Искровой заряд свечи зажигания «поджигает» топливо-воздушную смесь, которая начинает гореть послойно – «layer-by-layer» ( позиции 1-2-3-4-5 на нижних рисунках):
Примечание 1: Действительно, сколько раз приходилось «запутывать голову», пытаясь с первого раза расшифровать написанные аббревиатуры: «ДМРВ», «ДВ», ДПКВ» и так далее.
Хотя проще всего (и правильнее, наверное?) сказать просто и понятно: » MAF-sensor «, » MAP-sensor » и так далее. Не мы, не наша страна Россия, к сожалению, стала первой в массовом производстве систем управления двигателем и не нам внедрять и переламывать сознание и память тех Диагностов, которые были «взрощены» в начале 90-х годов прошлого века на крохах информации на английском языке.
Это режим работы двигателя на сверх-обедненной ТВС.
В этом случае «лямбда» больше еденицы («мало топлива, много воздуха»).
Устройство современного двигателя
Устройство поршня
Поршень является основной деталью поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поршень служит для восприятия и преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения. Поршень, как правило, имеет цилиндрическую форму. Во врем я работы двигател я поршень совершает возвратно поступательное движение внутри цилиндра.
Основные функции поршн я :
Поршень двигателя состоит из трех основных частей:
Днище поршня (воспринимает газовые силы и тепловую нагрузку);
Уплотняющая часть поршня (поршневые кольца, которые препятствуют прорыву газов в картер и передают большую часть тепла от поршня цилиндру двигателя);
Направляющая частьпоршня (юбка) — поддерживает положение поршня и передаёт боковую силу на стенку цилиндра.
В обиходе автомобилистов часто встречается такое название, как головка поршня. Головкой поршня называют днище поршня с его уплотняющей частью.
Днище поршня
Основная рабочая поверхность детали, которая вместе со стенками гильзы цилиндров и головкой блока формирует камеру сгорания, в которой и происходит сгорание горючей смеси. Днище поршня может иметь различную конструкцию в зависимости от типа и особенностей двигателя.
Виды поршней
В двухтактных двигателях применяются поршни со сферической формой днища, что приводит к повышению эффективности наполнения камеры сгорания горючей смесью и улучшает отвод отработанных газов.
В четырехтактных бензиновых двигателях днище имеет плоскую или вогнутую форму. Углубления – выемки служат для улучшения смесеобразования и уменьшают вероятность столкновения поршня с клапаном.
В дизельных моторах углубления в днище более габаритные и имеют различные формы. Такие выемки называют поршневой камерой сгорания. В процессе работы в поршневых камерах сгорания создаются завихрения, которые способствуют улучшению качества смешивания топлива с воздухом.
Уплотняющая часть поршня
Уплотняющая часть поршня предназначена для установки компрессионных и маслосъемных колец, которые предназначены для устранения зазора между поршнем и стенкой гильзы цилиндров.
Юбка поршн я
Юбка я в л я етс я направл я ющей поршня, обеспечива ет только возвратно-поступательное движение детали.
Для чего выемки на поршнях
Чтобы клапан открылся или же закрылся при самой верхней точке достига ВМТ. Макси используя объем цилиндра. Не смог достаточно точно перевести на научн слова.
В ВМТ оба клапана закрыты распредвалом.
Всё ж просто..Для достижении высокой степени сжатия,нужно максимально приблизить
поршень к камере сгорания.Но мешают клапана.Делают выемки в поршнях под клапана. Усё 🙂
ВМТ пропустил.. пневмодинамика думаю
ВМТ пропустил.. пневмодинамика думаю
Доктор. ВЫ абсолютно веррррно заметили.
Выемки именно для клапанов, а не для воздуха или чего прочего. Соответственно если взять четырёх поршневой ДВС (для удобства обьяснения) то получится, в первом прошел такт сжатия и начинается рабочий ход, и как верно ВЫ подметили оба клапана закрыты. В четвёртом же закончился такт выпуска, начинается такт впуска. Вот давайте поподробней и остановимся на четвёртом цилиндре. Дело в том, что на низкооборотистых ДВС такт выпуска закончится и клапан соответственно закроется за 3. 7 градусов не доходя до ВМТ, впускной клапан начнёт открываться 3. 10 градусов после ВМТ. Соответственннно оба клапана будут закрыты при ВМТ и выемку в поршнях ВЫ не обнаружите. А вот если взять форсированные или оборотистые ДВС то ВЫ обнаружите следующее: впускной клапан открывается за 5. 7 градусов ДО. ВМТ а выпускной закрывается 3. 15градусов ПОСЛЕ. ВМТ. Для чего это сделано? Вспомните про принудительную продувку цилиндров, которая требует настройки выпускного тракта, при которой выхлопными газами создаётся разряжение облегчающее поступление свежей смеси через впускной тракт. ну и соответственно увеличение мощности ***на верхах*** и её потеря ***на низах***.
Спасибо за подробный ответ.
Ключевая фраза:»впускной клапан открывается за 5. 7 градусов ДО. ВМТ а выпускной закрывается 3. 15градусов ПОСЛЕ. ВМТ..»
В принципе понятно для чего выемки,а то ломал голову:Первый поршень в ВМТ ему без разницы выемки,думал про шестой(или четвёртый)он тоже в ВМТ,но клапана должны на продувку,как-то стоять,значит какой-то клапан должен быть приоткрытым,вот тут и нужна выемка оказывается,чтобы не было МЕХАНИЧЕСКОЙ встречи поршня с клапаном.А я думал,что они тоже оба закрыты будут,но сомневался.
Ещё раз спасибо,за утверждение догадки))
моя версия не покатила? 🙂
Нормальная версия).Просто ответ был нужен более популярно-доступный для мышления,что-ли,а не теория
скажем ВЫ более поверхностно ответили :))))
ну хоть верно ответил )))
/me поставил в зачотку «пять» =))
для этого есть системы
изменяемых фаз газораспределения, например VVT-i
Другой вопрос, который я никак не могу понять, почему количество клапанов открываемых последовательно увеличивают мощность. понятно, что чем больше клапанов, тем больше площадь впуска-выпуска, тем выше качество, но как клапаны могут повысить мощность на 20-30% непонятно.
Только если допустить, что более управляемый впуск и выпуск позволяет повысить максимальные обороты снижая неблагоприятные явления, типа детонации
придётся развить тему продувки цилиндров.
Как работает поршень двигателя внутреннего сгорания?
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 имеет цилиндрическую форму. Располагается он в гильзе цилиндра двигателя, это подвижный элемент – в процессе работы он совершает возвратно-поступательные движения и выполняет две функции.
Что такое поршень двигателя внутреннего сгорания автомобиля?
Устройство детали включает в себя три составляющие:
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.
Вас также заинтересует:
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 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 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:
Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.