Поршень двигуна внутрішнього згоряння складається з. Поршневі двигуни внутрішнього згоряння

У циліндро-поршневій групі (ЦПГ) відбувається один з основних процесів, завдяки чому двигун внутрішнього згоряння функціонує: виділення енергії в результаті спалювання паливоповітряної суміші, яка згодом перетворюється на механічну дію - обертання коленвала. Основний робочий компонент ЦПГ – поршень. Завдяки йому створюються необхідні згоряння суміші умови. Поршень - перший компонент, що бере участь у перетворенні отримуваної енергії.

Поршень двигуна має циліндричну форму. Розташовується він у гільзі циліндра двигуна, це рухливий елемент – у процесі роботи він здійснює зворотно-поступальні рухи та виконує дві функції.

1. При поступальному русі поршень зменшує об'єм камери згоряння, стискаючи паливну суміш, що необхідно для процесу згоряння (у дизельних моторах займання суміші взагалі походить від її сильного стиснення).
2. Після запалення паливоповітряної суміші в камері згоряння різко зростає тиск. Прагнучи збільшити об'єм, воно виштовхує поршень назад, і він здійснює зворотний рух, що передається через коленваловий шатун.

Що таке поршень двигуна внутрішнього згоряння автомобіля?

Пристрій деталі включає три складові:

1. Днище.
2. Ущільнююча частина.
3. Спідниця.

Зазначені складові є як у цільнолитих поршнях (найпоширеніший варіант), так і в складових деталях.

Днище

Днище - основна робоча поверхня, оскільки вона, стінки гільзи та головка блоку формують камеру згоряння, в якій відбувається спалювання паливної суміші.

Головний параметр днища - форма, яка залежить від типу двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) та його конструктивних особливостей.

У двотактних двигунах застосовуються поршні, у яких днище сферичної форми – виступ днища, це підвищує ефективність наповнення камери згоряння сумішшю та відведення відпрацьованих газів.

У чотиритактних бензинових моторах днище плоске або увігнуте. Додатково на поверхні робляться технічні поглиблення - виїмки під клапанні тарілки (усувають можливість зіткнення поршня з клапаном), заглиблення для поліпшення сумішоутворення.

У дизельних моторах заглиблення в днищі найбільш габаритні і мають різну форму. Такі виїмки називаються поршневою камерою згоряння і призначені для створення завихрень при подачі повітря і палива в циліндр, щоб забезпечити краще змішування.

Ущільнююча частина призначена для установки спеціальних кілець (компресійних та маслознімних), завдання яких – усувати зазор між поршнем і стінкою гільзи, перешкоджаючи прориву робочих газів у підпоршневий простір та мастила – в камеру згоряння (ці фактори знижують ККД двигуна). Це забезпечує відведення тепла від поршня до гільзи.

Ущільнююча частина

Ущільнююча частина включає проточки в циліндричній поверхні поршня - канавки, розташовані за днищем, і перемички між канавками. У двотактних двигунах у проточки додатково вміщені спеціальні вставки, в які впираються замки кілець. Ці вставки необхідні для виключення ймовірності прокручування кілець і попадання їх замків у впускні та випускні вікна, що може стати причиною їхнього руйнування.


Перемичка від кромки днища і до першого кільця називається жаровим поясом. Цей пояс сприймає на себе найбільшу температурну дію, тому висота його підбирається, виходячи з робочих умов, створюваних усередині камери згоряння, та матеріалу виготовлення поршня.

Число канавок, виконаних на ущільнюючій частині, відповідає кількості поршневих кілець (а їх може використовуватися 2 - 6). Найбільш поширена конструкція з трьома кільцями — двома компресійними і одним маслознімним.

У канавці під маслознімне кільце роблять отвори для стека масла, яке знімається кільцем зі стінки гільзи.

Разом із днищем ущільнювальна частина формує головку поршня.

Вас також зацікавить:

Спідниця

Спідниця виконує роль напрямної для поршня, не даючи йому змінити положення щодо циліндра та забезпечуючи лише зворотно-поступальний рух деталі. Завдяки цій складовій здійснюється рухоме з'єднання поршня з шатуном.

Для з'єднання у спідниці виконані отвори для встановлення поршневого пальця. Щоб підвищити міцність у місці контакту пальця, з внутрішньої сторони спідниці виготовлені спеціальні потужні напливи, які називають бобишками.

Для фіксації пальця в поршні в настановних отворах під нього передбачені проточки для стопорних кілець.

Типи поршнів

У двигунах внутрішнього згоряння застосовується два типи поршнів, що розрізняються по конструктивному устрою – цілісні та складові.

Цілісні деталі виготовляються шляхом лиття з подальшою механічною обробкою. У процесі лиття з металу створюється заготівля, якій надається загальна форма деталі. Далі на металообробних верстатах в отриманій заготовці обробляються робочі поверхні, нарізаються канавки під кільця, проробляються технологічні отвори та поглиблення.

У складових елементах головка та спідниця розділені, і в єдину конструкцію вони збираються у процесі встановлення на двигун. Причому складання в одну деталь здійснюється при з'єднанні поршня з шатуном. Для цього, окрім отворів під палець у спідниці, на головці є спеціальні вуха.

Гідність складових поршнів – можливість комбінування матеріалів виготовлення, що підвищує експлуатаційні якості деталі.

Матеріали виготовлення

Як матеріал виготовлення для цільнолитих поршнів використовуються алюмінієві сплави. Деталі з таких сплавів характеризуються малою вагою та гарною теплопровідністю. Але при цьому алюміній не є високоміцним та жаростійким матеріалом, що обмежує використання поршнів з нього.

Литі поршні виготовляються і з чавуну. Цей матеріал міцний та стійкий до високих температур. Недоліком їх є значна маса та слабка теплопровідність, що призводить до сильного нагрівання поршнів у процесі роботи двигуна. Через це їх не використовують на бензинових моторах, оскільки висока температура стає причиною виникнення калільного запалення (паливоповітряна суміш спалахує від контакту з розігрітими поверхнями, а не від іскри свічки запалювання).

Конструкція складених поршнів дозволяє комбінувати між собою зазначені матеріали. У таких елементах спідниця виготовляється з алюмінієвих сплавів, що забезпечує хорошу теплопровідність, а головка – із жароміцної сталі чи чавуну.

Але й у елементів складеного типу є недоліки, серед яких:

• можливість використання лише у дизельних двигунах;
• більша вага порівняно з литими алюмінієвими;
• необхідність використання поршневих кілець із жаростійких матеріалів;
• вища ціна;

Через ці особливості сфера використання складових поршнів обмежена, їх застосовують лише на великорозмірних дизельних двигунах.

Відео: Принцип роботи поршня двигуна. Пристрій

Роторно-поршневий двигун (РПД) або двигун Ванкеля. Двигун внутрішнього згоряння, розроблений Феліксом Ванкелем у 1957 році у співавторстві з Вальтером Фройде. У РПД функцію поршня виконує тривершинний (тригранний) ротор, що здійснює обертальні рухи всередині порожнини складної форми. Після хвилі експериментальних моделей автомобілів і мотоциклів, що припала на 60-ті та 70-ті роки ХХ століття, інтерес до РПД знизився, хоча низка компаній, як і раніше, працює над удосконаленням конструкції двигуна Ванкеля. В даний час РПД оснащуються легкові автомобілі Mazda. Роторно-поршневий двигун знаходить застосування у моделізмі.

Принцип роботи

Сила тиску газів від паливно-повітряної суміші, що згоріла, приводить в рух ротор, насаджений через підшипники на ексцентриковий вал. Рух ротора щодо корпусу двигуна (статора) проводиться через пару шестерень, одна з яких, більшого розміру, закріплена на внутрішній поверхні ротора, друга, опорна, меншого розміру, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Взаємодія шестерень призводить до того, що ротор здійснює кругові ексцентричні рухи, торкаючись гранями із внутрішньою поверхнею камери згоряння. В результаті між ротором і корпусом двигуна утворюються три ізольовані камери змінного об'єму, в яких відбуваються процеси стиснення паливо-повітряної суміші, її згоряння, розширення газів, що надають тиск на робочу поверхню ротора та очищення камери згоряння від відпрацьованих газів. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передає крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином у РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і що складається з пари шестерень; і друга - перетворює кругове рух ротора обертання ексцентрикового валу. Передатне співвідношення шестерень ротора та статора 2:3, тому за один повний оборот ексцентрикового валу ротор встигає повернутися на 120 градусів. У свою чергу, за один повний оборот ротора в кожній із трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.
схема РПД
1 - впускне вікно; 2 випускне вікно; 3 – корпус; 4 – камера згоряння; 5 – нерухома шестерня; 6 – ротор; 7 – зубчасте колесо; 8 – вал; 9 – свічка запалювання

Переваги РПД

Головною перевагою роторно-поршневого двигуна є простота конструкції. У РПД на 35-40 відсотків менше деталей, ніж у поршневому чотиритактному двигуні. У РПД відсутні поршні, шатуни, колінчастий вал. У "класичному" варіанті РПД немає і газорозподільного механізму. Паливо-повітряна суміш надходить у робочу порожнину двигуна через впускне вікно, яке відкриває грань ротора. Відпрацьовані гази викидаються через випускне вікно, яке перетинає, знову ж таки, грань ротора (це нагадує пристрій газорозподілу двотактного поршневого двигуна).
На окрему згадку заслуговує система мастила, яка в найпростішому варіанті РПД практично відсутня. Масло додається до палива - як при експлуатації двотактних мотоциклетних моторів. Змащування пар тертя (передусім ротора і робочої поверхні камери згоряння) виробляється самою паливо-повітряною сумішшю.
Оскільки маса ротора невелика і легко врівноважується масою противаг ексцентрикового валу, РПД відрізняється невеликим рівнем вібрацій та хорошою рівномірністю роботи. У автомобілях з РПД легше врівноважити двигун, досягши мінімального рівня вібрацій, що добре позначається на комфортабельності машини загалом. Особливою плавністю ходу відрізняються двороторні двигуни, в яких ротори самі є балансирами, що знижують рівень вібрацій.
Ще одна приваблива якість РПД – висока питома потужність при високих оборотах ексцентрикового валу. Це дозволяє досягти від автомобіля з РПД відмінних швидкісних характеристик при відносно невеликій витраті палива. Мала інерційність ротора та підвищена порівняно з поршневими двигунами внутрішнього згоряння питома потужність дозволяють покращити динаміку автомобіля.
Нарешті, важливою перевагою РПД є невеликі розміри. Роторний двигун менший за поршневий чотиритактний мотор тієї ж потужності приблизно вдвічі. І це дозволяє раціональніше використовувати простір моторного відсіку, більш точно розраховувати розташування вузлів трансмісії та навантаження на передню та задню вісь.

Недоліки РПД

Головний недолік роторно-поршневого двигуна – невисока ефективність ущільнень зазору між ротором та камерою згоряння. Ротор РПД, що має складну форму, вимагає надійних ущільнень не тільки по гранях (а їх чотири біля кожної поверхні - дві по вершинних, дві по бокових гранях), але і по бічній поверхні, що стикається з кришками двигуна. При цьому ущільнення виконані у вигляді пружних смужок з високолегованої сталі з особливо точною обробкою як робочих поверхонь, так і торців. Закладені в конструкцію ущільнень допуски на розширення металу від нагрівання погіршують їх характеристики - уникнути прориву газів у торцевих ділянок ущільнювальних пластин практично неможливо (у поршневих двигунах використовують лабіринтовий ефект, встановлюючи кільця ущільнювача зазорами в різні боки).
Останніми роками надійність ущільнень різко зросла. Конструктори знайшли нові матеріали для ущільнень. Проте говорити про якийсь прорив поки що не доводиться. Ущільнення досі залишаються вузьким місцем РПД.
Складна система ущільнень ротора вимагає ефективного мастила поверхонь, що труться. РПД споживає більше олії, ніж чотиритактний поршневий двигун (від 400 г до 1 кг на 1000 км). При цьому масло згоряє разом із паливом, що погано позначається на екологічності двигунів. У вихлопних газах РПД небезпечних здоров'ю людей речовин більше, ніж у вихлопних газах поршневих двигунів.
Особливі вимоги пред'являються і до якості олій, які у РПД. Це пов'язано, по-перше, зі схильністю до підвищеного зносу (через велику площу дотичних деталей - ротора і внутрішньої камери двигуна), по-друге, до перегріву (знову ж таки через підвищене тертя і через невеликі розміри самого двигуна) ). Для РПД смертельно небезпечні нерегулярна зміна масла - оскільки абразивні частинки в старій олії різко збільшують знос двигуна і переохолодження мотора. Запуск холодного двигуна та недостатній його прогрів призводять до того, що в зоні контакту ущільнень ротора з поверхнею камери згоряння та бічними кришками виявляється мало мастила. Якщо поршневий двигун заклинює при перегріві, то РПД найчастіше - під час запуску холодного двигуна (або під час руху в холодну погоду, коли охолодження виявляється надлишковим).
У цілому нині робоча температура РПД вище, ніж в поршневих двигунів. Найбільш термонапружена область - камера згоряння, яка має невеликий об'єм і, відповідно, підвищену температуру, що ускладнює процес підпалу паливо-повітряної суміші (РПД через протяжну форму камери згоряння схильні до детонації, що також можна віднести до недоліків цього типу двигунів). Звідси вимогливість РПД до якості свічок. Зазвичай їх встановлюють ці двигуни попарно.
Роторно-поршневі двигуни при чудових потужних і швидкісних характеристиках виявляються менш гнучкими (або менш еластичними), ніж поршневі. Вони видають оптимальну потужність тільки на досить високих оборотах, що змушує конструкторів використовувати РПД у парі з багатоступеневими КП та ускладнює конструкцію автоматичних коробок передач. Зрештою РПД виявляються не такими економічними, якими мають бути в теорії.

Практичне застосування в автопромисловості

Найбільшого поширення РПД набули наприкінці 60-х і на початку 70-х років минулого століття, коли патент на двигун Ванкеля був куплений 11 провідними автовиробниками світу.
У 1967 році німецька компанія NSU випустила серійний легковий автомобіль бізнес-класу NSU Ro 80. Ця модель випускалася протягом 10 років і розійшлася у світі в кількості 37204 екземплярів. Автомобіль користувався популярністю, але недоліки встановленого в ньому РПД зіпсували репутацію цієї чудової машини. На тлі довговічних конкурентів модель NSU Ro 80 виглядала "блідо" - пробіг до капітального ремонту двигуна при заявлених 100 тисяч кілометрів не перевищував 50 тисяч.
З РПД експериментували концерн Citroen, Mazda, ВАЗ. Найбільших успіхів досягла Mazda, яка випустила свій легковий автомобіль із РПД ще в 1963 році, на чотири роки раніше появи NSU Ro 80. Сьогодні концерн Mazda оснащує РПД спорткари серії RX. Сучасні автомобілі Mazda RX-8 позбавлені багатьох недоліків РПД Фелікса Ванкеля. Вони цілком екологічні та надійні, хоча серед автовласників та фахівців з ремонту вважаються «примхливими».

Практичне застосування у мотопромисловості

У 70-ті та 80-ті роки з РПД експериментували деякі виробники мотоциклів - Hercules, Suzuki та інші. В даний час дрібносерійне виробництво «роторних» мотоциклів налагоджено тільки в компанії Norton, що випускає модель NRV588 та готує до серійного випуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащений двороторним двигуном загальним обсягом 588 кубічних сантиметрів і розвиваючим потужність 170 кінських сил. При сухій вазі мотоцикла в 130 кг енергоозброєність спортбайка виглядає в буквальному значенні позамежною. Двигун цієї машини оснащений системами впускного тракту змінної величини та електронного упорскування палива. Про модель NRV700 відомо лише те, що потужність РПД у цього спортбайка досягатиме 210 к.с.

Поршень двигуна являє собою деталь, що має циліндричну форму і здійснює зворотно-поступальні рухи всередині циліндра. Він належить до найбільш характерних для двигуна деталей, оскільки реалізація термодинамічного процесу, що відбувається в ДВС, відбувається саме за його допомогою. Поршень:

• сприймаючи тиск газів, передає зусилля на ;
• герметизує камеру згоряння;
• відводить від неї надлишок тепла.

На фотографії вище продемонстровано чотири такти роботи поршня двигуна.

Екстремальні умови зумовлюють матеріал виготовлення поршнів

Поршень експлуатується в екстремальних умовах, характерними рисами яких є високі: тиск, інерційні навантаження та температури. Саме тому до основних вимог, що висуваються матеріалам для його виготовлення, відносять:

• високу механічну міцність;
• гарну теплопровідність;
• малу густину;
• незначний коефіцієнт лінійного розширення; антифрикційні властивості;
• хорошу корозійну стійкість.

Необхідним параметрам відповідають спеціальні алюмінієві сплави, що відрізняються міцністю, термостійкістю та легкістю. Рідше у виготовленні поршнів використовуються сірі чавуни та сплави сталі.

Поршні можуть бути:

• литими;
• кованими.

У першому варіанті їх виготовляють шляхом лиття під тиском. Ковані виготовляються методом штампування з алюмінієвого сплаву з невеликим додаванням кремнію (в середньому близько 15 %), що значно збільшує їх міцність і знижує ступінь розширення поршня в діапазоні робочих температур.

Конструктивні особливості поршня визначаються його призначенням

Основними умовами, що визначають конструкцію поршня, є тип двигуна та форма камери згоряння, особливості процесу згоряння, що проходить у ній. Конструктивно поршень є цілісним елементом, що складається з:

• голівки (днища);
• ущільнюючої частини;
• спідниці (напрямної частини).

Чи відрізняється поршень бензинового двигуна від дизельного?Поверхні головок поршнів двигунів бензинового та дизельного конструктивно відрізняються. У бензиновому двигуні поверхня головки – плоска чи близька до неї. Іноді у ній виконуються канавки, що сприяють повному відкриттю клапанів. Для поршнів двигунів, обладнаних системою безпосереднього впорскування палива (СНВТ), властива складніша форма. Головка поршня в дизельному двигуні значно відрізняється від бензинового, - завдяки виконанню в ній камери згоряння заданої форми, забезпечується краще завихрення та сумішоутворення.

На фото схема поршня двигуна.

Поршневі кільця: види та склад

Ущільнююча частина поршня включає поршневі кільця, що забезпечують щільність з'єднання поршня з циліндром. Технічний стан двигуна визначається його здатністю, що ущільнює. Залежно від типу та призначення двигуна вибирається кількість кілець та їх розташування. Найбільш поширеною схемою є схема з двох компресійних та одного маслознімного кілець.

Виготовляються поршневі кільця, в основному, із спеціального сірого високоміцного чавуну, що має:

• високі стабільні показники міцності та пружності в умовах робочих температур протягом усього періоду служби кільця;
• високу зносостійкість за умов інтенсивного тертя;
• добрі антифрикційні властивості;
• здатність швидкого та ефективного опрацювання до поверхні циліндра.

Завдяки легуючим добавкам хрому, молібдену, нікелю та вольфраму, термостійкість кілець значно підвищується. Шляхом нанесення спеціальних покриттів з пористого хрому та молібдену, лудіння або фосфатування робочих поверхонь кілець покращують їхню оброблюваність, збільшують зносостійкість та захист від корозії.

Основним призначенням компресійного кільця є перешкоджання влученню в картер двигуна газів з камери згоряння. Особливо великі навантаження припадають на перше компресійне кільце. Тому при виготовленні кілець для поршнів деяких форсованих бензинових та всіх дизельних двигунів встановлюють вставку зі сталі, яка підвищує міцність кілець і дозволяє забезпечити максимальний ступінь стиснення. За формою компресійні кільця можуть бути:

• трапецієподібні;
• тбкоподібні;
• тканинні.

При виготовленні деяких кілець виконується поріз (виріз).

На маслознімне кільце покладається функція видалення надлишків олії зі стінок циліндра та перешкоджання його проникненню в камеру згоряння. Воно відрізняється наявністю безлічі дренажних отворів. У конструкціях деяких кілець передбачені пружинні розширювачі.

Форма напрямної частини поршня (інакше, спідниці) може бути конусоподібною або бочкоподібноющо дозволяє компенсувати його розширення при досягненні високих робочих температур. Під їх впливом форма поршня стає циліндричною. Бічна поверхня поршня з метою зниження викликаних тертям втрат покривають шаром антифрикційного матеріалу, з цією метою використовується графіт або дисульфід молібдену. Завдяки отворам із припливами, виконаним у спідниці поршня, здійснюється кріплення поршневого пальця.

Вузол, що складається з поршня, компресійних, маслознімних кілець, а також поршневого пальця прийнято називати поршневою групою. Функція її з'єднання з шатуном покладена на сталевий поршневий палець, що має трубчасту форму. До нього висуваються вимоги:

• мінімальної деформації під час роботи;
• високої міцності при змінному навантаженні та зносостійкості;
• гарної опірності ударному навантаженню;
• малої маси.

За способом встановлення поршневі пальці можуть бути:

• закріплені в бобишках поршня, але обертатися у головці шатуна;
• закріплені в голівці шатуна та обертатися у бобишках поршня;
• вільно обертаються в бобишках поршня та в голівці шатуна.

Пальці, встановлені за третім варіантом, називаються плаваючими. Вони є найбільш популярними, оскільки їх знос по довжині та колу є незначним та рівномірним. У разі їх використання небезпека заїдання зведена до мінімуму. Крім того, вони зручні під час монтажу.

Відведення надлишків тепла від поршня

Поряд зі значними механічними навантаженнями поршень також негативно впливає на екстремально високі температури. Тепло від поршневої групи відводиться:

• системою охолодження стінок циліндра;
• внутрішньою порожниною поршня, далі - поршневим пальцем і шатуном, а також маслом, що циркулює в системі мастила;
• частково холодною паливоповітряною сумішшю, що подається в циліндри.

З внутрішньої поверхні поршня його охолодження здійснюється за допомогою:

• розбризкування масла через спеціальну форсунку або отвір у шатуні;
• масляного туману в порожнині циліндра;
• впорскування олії в зону кілець, спеціальний канал;
• циркуляції олії в головці поршня по трубчастому змійовику.

Відео - робота двигуна внутрішнього згоряння (такти, поршень, суміш, іскра):

Відео про чотиритактний двигун - принцип роботи:

• забезпечує передачу механічних зусиль на шатун;
• відповідає за герметизацію камери згоряння палива;
• забезпечує своєчасне відведення надлишку тепла з камери згоряння.

Робота поршня проходить у складних та багато в чому небезпечних умовах - при підвищених температурних режимах та посилених навантаженнях, тому особливо важливо, щоб поршні для двигунів відрізнялися ефективністю, надійністю та зносостійкістю. Саме тому для їхнього виробництва використовуються легкі, але надміцні матеріали - термостійкі алюмінієві або сталеві сплави. Поршні виготовляються двома методами – литтям або штампуванням.

Конструкція поршня

Поршень двигуна має досить просту конструкцію, що складається з таких деталей:

Volkswagen AG

1. Головка поршня ДВЗ
2. Поршневий палець
3. Кільце стопорне
4. Бобишка
5. Шатун
6. Сталева вставка
7. Компресійне кільце перше
8. Кільце компресійне друге
9. Олійне кільце

Конструктивні особливості поршня в більшості випадків залежать від типу двигуна, форми камери згоряння і типу палива, яке використовується.

Днище

Днище може мати різну форму залежно від виконуваних ним функцій - плоску, увігнуту та опуклу. Увігнута форма днища забезпечує більш ефективну роботу камери згоряння, проте це сприяє більшому утворенню відкладень при згорянні палива. Випукла форма днища покращує продуктивність поршня, але знижує ефективність процесу згоряння паливної суміші в камері.

Поршневі кільця

Нижче днища розташовані спеціальні канавки (борозни) для встановлення поршневих кілець. Відстань від днища до першого компресійного кільця зветься вогневого пояса.

Поршневі кільця відповідають за надійне з'єднання циліндра та поршня. Вони забезпечують надійну герметичність за рахунок щільного прилягання до стінок циліндра, що супроводжується напруженим тертям. Для зниження тертя використовується моторне масло. Для виготовлення поршневих кілець застосовується чавунний метал.

Кількість поршневих кілець, яке може бути встановлене в поршні залежить від типу двигуна, що використовується і його призначення. Найчастіше встановлюються системи з одним маслознімним кільцем і двома компресійними кільцями (першим та другим).

Олійне кільце і компресійні кільця

Маслознімне кільце забезпечує своєчасне усунення надлишків олії з внутрішніх стінок циліндра, а компресійні кільця - запобігають попаданню газів у картер.

Компресійне кільце, розташоване першим, приймає більшу частину інерційних навантажень під час роботи поршня.

Для зменшення навантажень у багатьох двигунах у кільцевій канавці встановлюється сталева вставка, що збільшує міцність та ступінь стиснення кільця. Кільця компресійного типу можуть бути виконані у формі трапеції, бочки, конуса з вирізом.

Маслознімне кільце в більшості випадків оснащене безліччю отворів для дренажу олії, іноді пружинним розширювачем.

Поршневий палець

Це трубчаста деталь, яка відповідає за надійне з'єднання поршня із шатуном. Виготовляється із сталевого сплаву. При встановленні поршневого пальця в бобишках він щільно закріплюється спеціальними стопорними кільцями.

Поршень, поршневий палець та кільця разом створюють так звану поршневу групу двигуна.

Спідниця

Напрямна частина поршневого пристрою, яка може бути виконана у формі конуса чи бочки. Спідниця поршня оснащується двома бобишками для з'єднання з поршневим пальцем.

Для зменшення втрат при терті на поверхню спідниці наноситься тонкий шар антифрикційної речовини (часто використовується графіт або дисульфід молібдену). Нижня частина спідниці оснащена олійним кільцем.

Обов'язковий процес роботи поршневого пристрою - це його охолодження, яке може бути здійснене такими методами:

• розбризкуванням олії через отвори в шатуні або форсункою;
• рухом олії по змійовику в поршневій головці;
• подачею олії в область кілець через кільцевий канал;
• масляним туманом

Ущільнююча частина

Ущільнююча частина та днище з'єднуються у формі головки поршня. У цій частині пристрою розташовані кільця поршня - маслознімні та компресійні. Канали для кілець мають невеликі отвори, через які відпрацьована олія потрапляє на поршень, а потім стікає в картер двигуна.

В цілому поршень двигуна внутрішнього згоряння є однією з найважче навантажених деталей, який піддається сильним динамічним і одночасно тепловим впливам. Це накладає підвищені вимоги як до матеріалів, що використовуються у виробництві поршнів, так і якості їх виготовлення.

Роторно-поршневий двигун або двигун Ванкеля є мотором, де головним робочим елементом здійснюються планетарні кругові рухи. Це принципово інший вид двигуна, відмінний від поршневих побратимів у сімействі ДВС.

У конструкції такого агрегату використовується ротор (поршень) з трьома гранями, що зовні утворює трикутник Рело, що здійснює кругові рухи в циліндрі особливого профілю. Найчастіше поверхня циліндра виконана по епітрохоїді (плоскою кривою, отриманою точкою, яка жорстко пов'язана з колом, що здійснює рух по зовнішній стороні іншого кола). Насправді можна зустріти циліндр і ротор інших форм.

Складові елементи та принцип роботи

Пристрій двигуна типу РПД гранично проста та компактна. На вісь агрегату встановлюється ротор, який міцно з'єднується із шестернею. Остання зчіплюється зі статором. Ротор, що має три грані, рухається епітрохоїдальної циліндричної площини. В результаті чого об'єми робочих камер циліндра, що змінюються, відсікаються за допомогою трьох клапанів. Ущільнювальні пластини (торцевого та радіального типу) притискаються до циліндра під дією газу та за рахунок дії доцентрових сил та стрічкових пружин. Виходять три ізольовані камери різні за об'ємними розмірами. Тут здійснюються процеси стискання суміші пального і повітря, що надійшла, розширення газів, що надають тиск на робочу поверхню ротора і очищають камеру згоряння від газів. На ексцентрикову вісь передається круговий рух ротора. Сама вісь знаходиться на підшипниках та передає момент обертання на механізми трансмісії. У цих моторах здійснюється одночасна робота двох механічних пар. Одна, яка складається із шестерень, регулює рух самого ротора. Інша - перетворює обертові рух поршня в обертові рухи ексцентрикової осі.

Деталі Роторно-поршневого двигуна

Принцип роботи двигуна Ванкеля

На прикладі двигунів, встановлених на автомобілях ВАЗ, можна назвати такі технічні характеристики:
- 1,308 см3 – робочий об'єм камери РПД;
- 103 кВт/6000 хв-1 - номінальна потужність;
- 130 кг маса двигуна;
- 125000 км - ресурс двигуна до першого повного його ремонту.

Сумішоутворення

Теоретично в РПД застосовують кілька різновидів сумішоутворення: зовнішнє і внутрішнє, з урахуванням рідких, твердих, газоподібних видів палива.
Щодо твердих видів палива варто відзначити, що їх спочатку газифікують у газогенераторах, оскільки вони призводять до підвищеного золоутворення в циліндрах. Тому більшого поширення на практиці набули газоподібні та рідкі палива.
Сам механізм утворення суміші в двигунах Ванкеля залежатиме від виду палива, що застосовується.
При використанні газоподібного палива його змішування з повітрям відбувається у спеціальному відсіку на вході у двигун. Горюча суміш у циліндри надходить у готовому вигляді.

З рідкого палива суміш готується наступним чином:

1. Повітря поєднується з рідким паливом перед надходженням в циліндри, куди надходить горюча суміш.
2. У циліндри двигуна рідке паливо і повітря надходять окремо, і вже всередині циліндра відбувається їхнє змішування. Робоча суміш виходить при зіткненні з залишковими газами.

Відповідно, паливно-повітряна суміш може готуватися поза циліндрами або всередині них. Від цього йде поділ двигунів із внутрішнім або зовнішнім утворенням суміші.

Особливості РПД

Переваги

Переваги двигунів роторно-поршневого типу порівняно із стандартними бензиновими двигунами:

- Низькі показники рівня вібрації.
У моторах типу РПД відсутня перетворення зворотно-поступального руху на обертальний, що дозволяє агрегату витримати високі обороти з меншими вібраціями.

- Гарні динамічні характеристики.
Завдяки своєму пристрою такий мотор, встановлений у машині, дозволяє її розігнати понад 100 км/год на високих обертах без надмірного навантаження.

— Хороші показники питомої потужності за малої маси.
Через відсутність у конструкції двигуна колінчастого валу і шатунів досягається невелика маса частин, що рухаються в РПД.

— У двигунах такого типу практично відсутня система мастила.
Безпосередньо в паливо додається олія. Паливно-повітряна суміш сама здійснює змащування пар тертя.

- Мотор роторно-поршневого типу має невеликі габаритні розміри.
Встановлений роторно-поршневий двигун дозволяє максимально використовувати корисний простір моторного відсіку автомобіля, рівномірно розподілити навантаження на осі автомашини і краще розрахувати розташування елементів коробки передач і вузлів. Наприклад, чотиритактний двигун такої ж потужності буде вдвічі більшим за роторний двигун.

Недоліки двигуна Ванкеля

- Якість моторної олії.
При експлуатації такого типу двигунів необхідно приділяти належну увагу якісному складу масла, що застосовується в двигунах Ванкеля. Ротор і камера двигуна, що знаходиться всередині, мають велику площу зіткнення, відповідно, знос двигуна відбувається швидше, а також такий двигун постійно перегрівається. Нерегулярна зміна масла завдає величезної шкоди двигуну. Зношування мотора зростає в рази через наявність абразивних частинок у відпрацьованому маслі.

- Якість свічок запалювання.
Експлуатантам таких двигунів доводиться бути особливо вимогливим до якісного складу свічок. У камері згоряння через її невеликий об'єм, протяжну форму і високу температуру утруднений процес запалювання суміші. Наслідком є ​​підвищена робоча температура та періодична детонація камери згоряння.

- Матеріали ущільнювальних елементів.
Істотною недоробкою двигуна типу РПД можна назвати ненадійну організацію ущільнень проміжків між камерою, де згоряє паливо, та ротором. Пристрій ротора такого мотора досить складне, тому ущільнення потрібні і по роторах, і по бічній поверхні, що має зіткнення з кришками двигуна. Поверхні, які піддаються тертю, необхідно постійно змащувати, що виливається у підвищену витрату олії. Практика показує, що двигун типу РПД може потребувати від 400 гр до 1 кг масла на кожні 1000 км. Знижуються екологічні показники роботи двигуна, так як пальне згоряє разом з олією, в результаті в довкілля викидається велика кількість шкідливих речовин.

Через свої недоробки такі мотори не набули широкого поширення в автомобілебудуванні та у виготовленні мотоциклів. Але на базі РПД виготовляються компресори та насоси. Авіамоделісти часто використовують такі двигуни для конструювання своїх моделей. Через невисокі вимоги до економічності та надійності конструктори не застосовують складну систему ущільнень у таких моторах, що значно знижує його собівартість. Простота його конструкції дозволяє легко вбудувати в авіамодель.

ККД роторно-поршневої конструкції

Незважаючи на ряд недоробок, проведені дослідження показали, що загальний ККД двигуна Ванкеля досить високий за сучасними мірками. Його значення становить 40 – 45%. Для порівняння, у поршневих двигунів внутрішнього згоряння ККД становить 25%, у сучасних турбодизелів – близько 40%. Найвищий ККД у поршневих дизельних двигунів складає 50%. До цього часу вчені продовжують роботу з пошуку резервів для підвищення ККД двигунів.

Підсумковий ККД роботи двигуна складається з трьох основних частин:

1. Паливна ефективність (показник, що характеризує раціональне використання пального в двигуні).

Дослідження у цій галузі показують, що лише 75% пального згоряє у повному обсязі. Є думка, що ця проблема вирішується шляхом поділу процесів згоряння та розширення газів. Необхідно передбачити облаштування спеціальних камер за оптимальних умов. Горіння має відбуватися у замкнутому обсязі, за умови наростання температурних показників та тиску, розширювальний процес має відбуватися за невисоких показників температур.

1. ККД механічний (характеризує роботу, результатом якої стало утворення переданого споживачеві крутного моменту головної осі).

Близько 10% роботи двигуна витрачається на приведення в рух допоміжних вузлів та механізмів. Виправити цю недоробку можна шляхом внесення змін у пристрій двигуна: коли головний робочий елемент, що рухається, не торкається до нерухомого корпусу. Постійне плече крутного моменту має бути присутнім на всьому шляху проходження основного робочого елемента.

1. Термічна ефективність (показник, що відображає кількість теплової енергії, утвореної від спалювання пального, що перетворюється на корисну роботу).

На практиці 65% отриманої теплової енергії випаровується з відпрацьованими газами у зовнішнє середовище. Ряд досліджень показав, що можна досягти підвищення показників термічної ефективності в тому випадку, коли конструкція двигуна дозволяла б здійснювати згоряння пального в теплоізольованій камері, щоб від самого початку досягалися максимальні показники температури, а в кінці ця температура знижувалася до мінімальних значень шляхом включення парової фази.

Сучасний стан роторно-поршневого двигуна

На шляху масового застосування двигуна стали значні технічні труднощі:
- Відпрацювання якісного робочого процесу в камері несприятливої ​​форми;
- Забезпечення герметичності ущільнення робочих обсягів;
- Проектування та створення конструкції корпусних деталей, які надійно прослужать весь життєвий цикл роботи двигуна без жолоблення при нерівномірному нагріванні цих деталей.
В результаті величезної виконаної науково-дослідної та дослідно-конструкторської роботи цим фірмам вдалося вирішити майже всі найбільш складні технічні завдання на шляху створення РПД та вийти на етап їхнього промислового виробництва.

Перший масовий автомобіль NSU Spider із РПД почала випускати фірма NSU Motorenwerke. Внаслідок частих перебірок двигунів через вище сказані технічні проблеми на ранньому етапі розвитку конструкції двигуна Ванкеля, взяті NSU гарантійні зобов'язання призвели її до фінансового краху і банкрутства і злиття з Audi в 1969 році.
Між 1964 та 1967 роком вироблено 2375 автомобілів. В 1967 Spider був знятий з виробництва і замінений на NSU Ro80 з роторним двигуном другого покоління; за десять років виробництва Ro80 випущено 37 398 машин.

Найбільш успішно з цими проблемами впоралися інженери фірми Mazda. Вона і залишається єдиним масовим виробником машин із роторно-поршневими двигунами. Дороблений двигун серійно почався ставити на автомобіль Mazda RX-7 з 1978 року. З 2003 наступність прийняла модель Mazda RX-8, вона і є зараз масовою і єдиною версією автомобіля з двигуном Ванкеля.

Російські РПД

Перша згадка про роторний двигун у Радянському Союзі відноситься до 60-х років. Дослідницькі роботи з роторно-поршневих двигунів почалися 1961 року, відповідною постановою Мінавтопрому та Мінсільгоспмашу СРСР. Промислове вивчення з подальшим виведенням на виробництво даної конструкції почалося в 1974 році на ВАЗі. спеціально для цього було створено спеціальне конструкторське бюро роторно-поршневих двигунів (СКБ РПД). Оскільки ліцензію купити не було можливості, було розібрано та скопійовано серійний «ванкель» від NSU Ro80. На цій основі розробили та зібрали двигун Ваз-311, а відбулася ця знаменна подія у 1976 році. На ВАЗі розробляли цілу лінійку РПД від 40 до 200 потужних двигунів. Доопрацювання конструкції тривало майже шість років. Вдалося вирішити цілу низку технічних проблем пов'язані з працездатністю газових та маслознімних ущільнень, підшипників, налагодити ефективний робочий процес у камері несприятливої ​​форми. Свій перший серійний автомобіль ВАЗ із роторним двигуном під капотом представив публіці у 1982 році, це був Ваз-21018. Машина зовні і конструктивно була як і всі моделі цієї лінійки, за одним винятком, зокрема, під капотом стояв односекційний роторний двигун потужністю 70 к.с. Тривалість розробки не завадила статися конфузу: на всіх 50 дослідних машинах при експлуатації виникли поломки мотора, що змусили завод встановити на його місце звичайний поршневий.

Ваз 21018 з роторно-поршневим двигуном.

Встановивши, що причиною неполадок були вібрації механізмів та ненадійність ущільнень, конструктори врятували проект. Вже 83-го з'явилися двосекційні Ваз-411 і Ваз-413 (потужністю, відповідно, 120 і 140 к.с.). Незважаючи на низьку економічність та малий ресурс, сфера застосування роторного двигуна все-таки знайшлася – ДАІ, КДБ та МВС були потрібні потужні та непомітні машини. Оснащені роторними двигунами «Жигулі» та «Волги» легко наздоганяли іномарки.

З 80-х років 20 століття СКБ був захоплений новою темою – застосування роторних двигунів у суміжній галузі авіаційної. Відхід від основної галузі застосування РПД призвело до того, що для передньопривідних машин роторний двигун ВАЗ-414 створюється лише до 1992 року та ще три роки доводиться. 1995 року Ваз-415 був представлений до сертифікації. На відміну від попередників він універсальний, і може встановлюватися під капотом як задньопривідних (класика і ГАЗ), так і передньопривідних машин (ВАЗ, Москвич). Двосекційний «Ванкель» має робочий об'єм 1308 см 3 та розвиває потужність 135 к.с. при 6000об/хв. "Дев'яносто дев'яту" він прискорює до сотні за 9 секунд.

Роторно-поршневий двигун ВАЗ-414

На даний момент проект із розробки та впровадження вітчизняного РПД заморожено.

Нижче представлено відео пристрою та роботи двигуна Ванкеля.