Поршневой двигатель внутреннего сгорания: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Изображение: Оси поршневого пальца и юбки

Изображение: Детали главного поршня
Кредит: [3]

Изображение: зазора поршня (коническая форма)

Изображение: термопроизводство поршня (IF Cylindrical Form свободы, 1 первичная и 2 вторичная:

• по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, ось y)
• вокруг оси пальца (второстепенная, угол α)
• вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, это желательно с механической точки зрения. Второстепенные движения происходят из-за сочетания нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (хлопки поршня).

Изображение: Упор поршня и смещение штифта

Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется упорной стороной (TS) , а противоположная сторона известна как противодействующая сторона (ATS) . Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Стук поршня возбуждает блок двигателя и проявляется в виде поверхностных вибраций, которые со временем излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одним неудобством является то, что при движении поршня через ВМТ и ВТЦ на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

Смещение поршневого пальца — это несоосность между центром отверстия под поршневой палец и центром коленчатого вала. Имея его в конструкции, он улучшает шумовые характеристики двигателя за счет стука поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шум, вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где это возможно. Вторая причина заключается в повышении мощности двигателя за счет снижения внутреннего трения на ТС и САР.

Смещение штифта уменьшает механическое напряжение, возникающее в шатуне, когда он достигает ВМТ или НМТ, поскольку шатуну не приходится толкать поршень в противоположном направлении в конце хода. Это смещение заставляет стержень двигаться по дуге в ВМТ и НМТ.

Вернуться назад

Механическая нагрузка

Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , которая должна выдерживать наибольшую механическую и тепловую нагрузку. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя первым компонентом (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен представлять собой компромисс между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

Циклическое нагружение поршня за счет [6]:

• силы газа от давления в цилиндре
• силы инерции от колебательного движения поршня и
• боковой силы от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

определяет механическую нагрузку .

Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления , создаваемые расширяющимися газами, и силы инерции , создаваемые собственной массой поршня [10].

\[F_{p}=F_{газ}+F_{инерия}\]

Силы инерции намного меньше, чем силы давления, и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

Приведенные выше усилия поршня рассчитаны с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150–160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления дизельные поршни должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

Чтобы безотказно работать в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей имеют большую массу, большую прочность и большую массу. Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические усилия, поэтому более низкие максимальные обороты двигателя. Одной из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (около 4500 об/мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 6500 об/мин), являются более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. д.).

Назад

Термическая нагрузка

Головка поршня находится в непосредственном контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому она подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам . В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) днище поршня может быть плоским или содержать чашу .

Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на стороне камеры сгорания поршня. В остальных тактах, в зависимости от принципа действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающее действие при газообмене. Как правило, теплопередача от горячих продуктов сгорания к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь незначительная часть возникает за счет излучения.

Изображение: Рабочая температура поршня
Авторы и права: [3]

Тепло, выделяющееся при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через кольцевую часть поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается поршневому пальцу, шатуну и маслу. Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами горения. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что происходит большее сгорание воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

По отношению к такту расширения продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала. Поэтому лишь очень небольшая часть массы поршня вблизи поверхности со стороны сгорания подвергается циклическим колебаниям температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные колебания.

Назад

Охлаждение

По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому для обеспечения эксплуатационной безопасности чаще требуется эффективное охлаждение поршня.

Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
Предоставлено: GM

Температура поршня может быть снижена путем циркуляции масла через среднюю часть поршня. Этого можно добиться с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке цилиндров, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметизированной на весь срок» камерой охлаждающей жидкости в днище, что позволяет поршням безопасно работать при температурах днища более чем на 100°C выше существующих ограничений.

Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
Предоставлено: Tenneco

Для формирования короны EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно герметизирована приваренной пробкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

Назад

Типы

Геометрия поршня ограничена кубатурой ДВС. Поэтому основным путем повышения механической и термической стойкости поршня является увеличение его массы. Это не рекомендуется, поскольку поршень с большой массой имеет большую инерцию, что приводит к большим динамическим усилиям, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

Условные обозначения:

1. диаметр камеры сгорания
2. днище поршня
3. камера сгорания (чаша)
4. кромка днища поршня
5. Поршневая верхняя земля
6. Compression Ring Cring Gnate
7. Кольцевая земля
8. Основание Groove
9. Утопленное кольцо
10. Сторонные боковые стороны
11. Нефтяное скребок Groove
12. Отвлавание масла
13. Piston PIN канавка для стопорного кольца
14. расстояние между бобышками поршня
15. расстояние между бобышками поршня
16. ступенчатая кромка
17. диаметр поршня 90 °C относительно отверстия поршневого пальца
18. Поршневой штифт
19. Глубина чаши
20. Юбка
21. Кольцевая зона
22. Высота сжатия поршня
23. Длина поршня
24. Проворок для охлаждения масла

99. DIAMER

30. 9. Диаметр. Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

    Поршни дизельных двигателей должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, объемнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

    Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей легче, рассчитаны на более высокие обороты двигателя. Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, чтобы направлять поток топлива в кувыркающемся движении.

    Ниже вы можете увидеть фотографии дизельных и бензиновых двигателей в высоком разрешении.

    Изображение: LS9 6,2 л V-8 поршень SC (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непрямым впрыском) Кредит: GM

    Изображение: Поршень Ecotec 2. 0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) (алюминий, бензиновый/бензиновый двигатель с непосредственным впрыском) с кольцами (алюминий, дизель) Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) Кредит: Tenneco

    Вернуться назад

    Большинство материалов изготавливаются из поршней

    3 от алюминиевые сплавы . Это связано с тем, что алюминий легкий, имеет достаточную механическую прочность и хорошую теплопроводность. В грузовых автомобилях для тяжелых условий эксплуатации используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

    Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Существует три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12%Si, содержащий дополнительно прибл. по 1% Cu, Ni и Mg [3].

    Основные алюминиевые сплавы для поршней [3]:

    • эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
    • заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый алюминиевый сплав имеет меньшую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не реализуются все преимущества легкого веса этого материала. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения для алюминиевых поршней должны быть предусмотрены большие рабочие зазоры. С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной применяемых профилей, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 °С ниже, чем чугунных [8].

      В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:

      • в качестве местного армирования, вставки из черного металла (например, держатели колец)
      • в качестве удлиненных частей композитных поршней (например, днище поршня, болты)
      • поршни, полностью изготовленные из чугун или кованая сталь

      Изображение: Композитный поршень для двигателя большой мощности – сечение Авторы: [8]

      70030 : Warstila

      Существует два типа черных металлов, используемых для поршней или компонентов поршней [6]:

      • чугун :
        • аустенитный чугун для держателей колец
        • cast iron with spheroidal graphite for pistons and piston skirts
      • steel
        • chromium-molybdenum alloy (42CrMo4)
        • chromium-molybdenum-nickel alloy (34CrNiMo6)
        • molibden-vanadium alloy (38MnVS6)

      Чугунные материалы обычно имеют содержание углерода > 2%. Поршни высоконагруженных дизелей и другие высоконагруженные детали двигателей и конструкций машин изготавливают преимущественно из сферолитного чугуна марки М-С70. Этот материал используется, например, для цельных поршней и юбок поршней в составных поршнях [6].

      Сплавы железа, обозначаемые как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью переходят в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

      Изображение: стальной поршень по сравнению с алюминиевым поршнем
      Авторы и права: Kolbenschmidt

      По сравнению с алюминиевыми поршнями стальные поршни имеют большую механическую прочность при гораздо меньших размерах. По этой причине они в основном предпочтительны для дизельных двигателей, которыми оснащаются грузовые автомобили.

      Назад

      Технологии

      Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых предназначена для повышения механической и/или термической стойкости, снижения коэффициента трения или снижения общей массы (сохраняя при этом механические и термические свойства ).

      Ниже вы можете найти примеры современных поршней, изготовленных компанией Kolbenschmidt , каждый из которых использует свои уникальные технологии.

      66633

      933

      PAJ

      33366666666633.

      Гидротрансформатор innas ключ к общей гидростатической рампе давления

       

      [10]

      Kaario

      О

      .

      ‘Сравнение одноступенчатой ​​и двухступенчатой ​​химии в поршневом двигателе без воспламенения от сжатия , 

      Основы двигателя внутреннего сгорания

      , 

      1988

      McGraw-Hill

      [12]

      Blair

      Gordon P.

      . , 

      Проектирование и моделирование двухтактных двигателей

      , 

      1996

      SAE International

      © Автор, 2009 г. Опубликовано Oxford University Press. Все права защищены. Для получения разрешений обращайтесь по электронной почте: [email protected]

      © Автор, 2009 г. Опубликовано Oxford University Press. Все права защищены. Для получения разрешений обращайтесь по электронной почте: [email protected]

      Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с оппозитным расположением поршней

      Следующие одновременно находящиеся на рассмотрении заявки, все из которых обычно передаются правопреемнику этой заявки, содержат предмет, связанный с предметом вопроса. этого приложения:

      РСТ-заявка US05/020553, поданная 10 июня 2005 г. на «Улучшенный двухтактный двигатель внутреннего сгорания с оппозитными поршнями», опубликованная 29 декабря 2005 г. как WO2005/124124A1;

      Заявка на патент США Сер. № 11/095,250, поданный 31 марта 2005 г., на «Двигатель с однородным зарядом и запальным зажиганием с оппозитным поршнем»;

      РСТ-заявка US06/011886, поданная 30 марта 2006 г., на «Двигатель с однородным зарядом с оппозитным поршнем и пилотным зажиганием»;

      Заявка на патент США Сер. №11/097,909, поданной 1 апреля 2005 г. для «Системы впрыска топлива Common Rail с аккумуляторными форсунками»;

      Заявка РСТ US06/012353, поданная 30 марта 2006 г., «Система впрыска топлива Common Rail с аккумуляторными форсунками»; и

      заявка на патент США сер. № 11/378,959, поданный 17 марта 2006 г. на «Двигатель с оппозитным поршнем».

      Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания. Более конкретно, изобретение относится к двухтактному двигателю с противоположным расположением поршней.

      Двигатель с оппозитными поршнями был изобретен Хьюго Юнкерсом примерно в конце девятнадцатого века. Базовая конфигурация Юнкерса, показанная на фиг. 1, использует два поршня P 1 и P 2 расположены короной к головке в общем цилиндре C, имеющем впускные и выпускные отверстия I и E вблизи нижней мертвой точки каждого поршня, при этом поршни служат клапанами для отверстий. Перемычки B обеспечивают прохождение поршневых колец через отверстия I и E. Двигатель имеет два коленчатых вала C 1 и C 2 , по одному на каждом конце цилиндра. Коленчатые валы, вращающиеся в одном направлении, соединены тягами R 1 и R 2 к соответствующим поршням. Штифты W 1 и W 2 соединяют штоки с поршнями. Коленчатые валы соединены вместе для управления фазировкой портов и обеспечения выходной мощности двигателя. Как правило, турбонагнетатель приводится в действие от выпускного отверстия, а связанный с ним компрессор используется для продувки цилиндров и подачи свежего воздуха при каждом обороте двигателя. Преимущества двигателя Junkers с оппозитными поршнями по сравнению с традиционными двухтактными и четырехтактными двигателями включают улучшенную продувку, меньшее количество деталей и повышенную надежность, высокий тепловой КПД и высокую удельную мощность. В 1936, авиационные двигатели Junkers Jumo, самые успешные дизельные двигатели на тот момент, смогли достичь удельной мощности и топливной экономичности, с которыми не мог сравниться ни один дизельный двигатель с тех пор. Согласно C. F. Taylor ( The Internal — Engine Combustion in Theory and Practice: Volume II, исправленное издание ; MIT Press, Cambridge, Mass., 1985): мощность дизельных двигателей в реальной эксплуатации (том I, рис. 13-11)».

      Тем не менее, базовая конструкция Юнкерса содержит ряд недостатков. Двигатель высокий, его высота охватывает длину четырех поршней и, по крайней мере, диаметр двух коленчатых валов, по одному на каждом конце цилиндров. Длинная зубчатая передача обычно с пятью передачами требуется для соединения выходных валов двух коленчатых валов с выходным валом. Каждый поршень соединен с коленчатым валом штоком, который проходит изнутри поршня. Как следствие, шатуны массивны, чтобы выдерживать высокие сжимающие усилия между поршнями и коленчатыми валами. Эти сжимающие усилия в сочетании с колебательным движением поршневых пальцев и нагревом поршней вызывают преждевременный выход из строя поршневых пальцев, соединяющих штоки с поршнями. Сила сжатия, действующая на каждый поршень со стороны его шатуна под углом к ​​оси поршня, создает радиально направленную силу (боковую силу) между поршнем и отверстием цилиндра. Эта боковая сила увеличивает трение между поршнем и цилиндром, повышая температуру поршня и тем самым ограничивая среднее эффективное тормозное давление (BMEP), достигаемое двигателем. Один коленчатый вал соединен только с поршнями со стороны выпуска, а другой только с поршнями со стороны впуска. В двигателе Jumo на поршни со стороны выпуска приходится до 70% крутящего момента, а на коленчатый вал со стороны выпуска приходится большая нагрузка по крутящему моменту. Сочетание дисбаланса крутящего момента, большого разнесения коленчатых валов и длины зубчатой ​​передачи, соединяющей коленчатые валы, приводит к эффектам крутильного резонанса (вибрации) в зубчатой ​​передаче. Массивный блок двигателя необходим для сдерживания сильно отталкивающих сил, оказываемых поршнями на коленчатые валы во время сгорания, которые буквально пытаются разнести двигатель на части.

      Одно из предложенных усовершенствований базового двигателя с оппозитными поршнями, описанное в патенте Великобритании Берда 558,115, заключается в расположении коленчатых валов рядом с цилиндрами таким образом, чтобы их оси вращения лежали в плоскости, пересекающей цилиндры и перпендикулярной осям цилиндров. отверстия цилиндров. Такие боковые коленчатые валы расположены ближе друг к другу, чем в двигателях Jumo, и соединены более короткой зубчатой ​​передачей. Поршни и коленчатые валы соединены шатунами, отходящими от каждого поршня по сторонам цилиндров, под острыми углами к сторонам цилиндров, с каждым из коленчатых валов. При таком расположении шатуны находятся в основном под действием растягивающей силы, что устраняет силы отталкивания на коленчатых валах и дает существенное снижение веса, поскольку для шатуна, нагруженного главным образом растягивающей силой, требуется менее массивная конструкция стержня, чем для шатуна, находящегося в основном под действием растягивающей силы. сжимающая нагрузка одинаковой величины. Пальцы, соединяющие шатуны с поршнями, расположены снаружи поршней на седлах, закрепленных на наружных юбках поршней. Предлагаемый Бердом двигатель имеет крутильную балансировку, обеспечиваемую соединением каждого поршня с обоими коленчатыми валами. Этот баланс, близость коленчатых валов и уменьшенная длина зубчатой ​​передачи обеспечивают хорошую устойчивость к кручению. Для уравновешивания динамических сил двигателя каждый поршень соединен одним набором шатунов с одним коленчатым валом, а другим набором шатунов — с другим коленчатым валом. Эта балансировка нагрузки по существу устраняет боковые силы, которые в противном случае действовали бы между поршнями и внутренними отверстиями цилиндров. Профиль двигателя также уменьшен за счет перемещения коленчатых валов по бокам цилиндров, а более короткая зубчатая передача требует меньше передач (четыре), чем двигатель Jumo. Однако даже с этими улучшениями ряд проблем не позволяет предложенному Бердом двигателю полностью реализовать свой потенциал упрощения и отношения мощности к весу («PWR», который измеряется в лошадиных силах на фунт, л.с. / фунт).

      Благоприятная PWR двигателей с оппозитными поршнями по сравнению с другими двух- и четырехтактными двигателями обусловлена, главным образом, простой конструкцией этих двигателей, в которой отсутствуют головки цилиндров, клапанные механизмы и другие детали. Однако само по себе снижение веса имеет лишь ограниченную возможность увеличить PWR, потому что при любом заданном весе любое увеличение BMEP для увеличения мощности ограничивается ограниченной способностью двигателей охлаждать поршни.

      Существенное тепло камеры сгорания поглощается поршнями и цилиндрами. На самом деле головка поршня является одним из самых горячих мест в двухтактном двигателе с воспламенением от сжатия с оппозитными поршнями. Чрезмерный нагрев поршня вызовет заедание поршня. Поршень должен охлаждаться, чтобы уменьшить эту угрозу. Во всех высокопроизводительных двигателях поршни охлаждаются главным образом кольцами, установленными на внешних поверхностях поршней, вблизи их днищ. Кольца поршня контактируют с отверстием цилиндра и передают тепло от поршня к цилиндру, а через него к охлаждающей жидкости, протекающей через рубашку охлаждения или охлаждающие ребра на узле цилиндра двигателя. Для эффективного охлаждения поршня необходим тесный контакт между кольцами и отверстием цилиндра. Но поршневые кольца должны быть слегка нагружены в двухтактных двигателях с отверстиями, чтобы выдержать переход через перемычки отверстий цилиндров, где возникают очень сложные нагрузки. Поэтому кольца имеют ограниченную способность охлаждать поршни, что ограничивает максимальную температуру камеры сгорания, достижимую до того, как двигатель выйдет из строя. Ясно, что без более эффективного охлаждения поршня нельзя увеличить BMEP в двигателе с оппозитными поршнями, не подвергая опасности работу двигателя.

      Двигатели Prior включают блок цилиндров, в котором цилиндры и подшипники двигателя отлиты в большом пассивном блоке, который служит основным структурным и архитектурным элементом двигателя. Хотя в двигателе Берда устранен дисбаланс крутящего момента, устранены сжимающие силы на штоках и боковые силы на канале цилиндра, в нем по-прежнему используется блок цилиндров в качестве основного конструктивного элемента, обеспечивающего опору для цилиндров, коллекторы для портов цилиндров и рубашки охлаждения для цилиндров и для удержания подшипников двигателя. Но термические и механические нагрузки, передаваемые через блок цилиндров, вызывают неравномерную деформацию цилиндров и поршней, что требует использования поршневых колец для поддержки уплотнения поршень/цилиндр.

      В одном аспекте увеличенный BMEP реализуется в двухтактном двигателе с оппозитными поршнями, боковыми коленчатыми валами и оптимизированным охлаждением поршня. В этом двигателе поршни, по существу, выдвигаются из цилиндра во время работы двигателя для охлаждения снаружи цилиндра путем непосредственного нанесения хладагента на наружные поверхности поршней.

      В другом аспекте, вместо того, чтобы образовывать архитектурный или конструктивный компонент двигателя, цилиндр действует главным образом как сосуд под давлением, который содержит силы сгорания.

      В еще одном аспекте цилиндр и поршни являются по существу радиально симметричными и не подвержены неравномерному радиальному термическому и механическому напряжению вдоль их осевой длины. В сочетании с улучшенным охлаждением поршня эта характеристика позволяет опционально работать без колец. Конструкция впускного и выпускного отверстий без колец может быть упрощена за счет исключения перемычек. В результате большие площади портов и отсутствие конструкций, препятствующих потоку, обеспечивают высокую эффективность объемного потока и поддерживают отличную продувку, дополнительно повышая выходную мощность.

      Эти усовершенствования, а также другие усовершенствования и преимущества, описанные в нижеследующей спецификации, обеспечивают очень простой двухтактный двигатель с оппозитными поршнями, способный значительно увеличить BMEP, и с уменьшенным весом, что приводит к двигателю, способному и PWR намного выше, чем у сопоставимых двигателей предшествующего уровня техники с такой же скоростью.

      Описанные ниже чертежи предназначены для иллюстрации принципов и примеров, обсуждаемых в следующем подробном описании. Они не обязательно масштабируются.

      РИС. 1 представляет собой частичную схематическую иллюстрацию части известного дизельного двигателя с оппозитными поршнями.

      РИС. 2А и 2В представляют собой виды сбоку в разрезе цилиндра с расположенными напротив друг друга поршнями, соединенными нагруженными на растяжение шатунами с двумя коленчатыми валами. ИНЖИР. 2А показаны поршни во внутренней или верхней мертвой точке. ИНЖИР. 2В показаны поршни в наружной или нижней мертвой точке.

      РИС. 3A-3F представляют собой схематические изображения в разрезе цилиндра и поршней, показанных на фиг. 2А и 2В, иллюстрирующие полный цикл поршней.

      РИС. 4 представляет собой график, показывающий относительную фазировку двух противоположных поршней, показанных на фиг. 3А–3F.

      РИС. 5А представляет собой вид сбоку в разрезе цилиндра с противолежащими поршнями по фиг. 2А и 2В повернуты на 90° вокруг своей оси. ИНЖИР. 5В — тот же вид цилиндра на фиг. 5А, показывающий альтернативный вариант охлаждения цилиндра.

      РИС. 6А и 6В представляют собой виды сбоку в перспективе, показывающие постепенно завершающиеся этапы сборки одноцилиндрового механизма для двигателя с оппозитными поршнями.

      РИС. 7A-7C представляют собой виды в перспективе модуля одноцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями, показывающие детали сборки на все более полных стадиях сборки. ИНЖИР. 7D представляет собой вид сбоку модуля одноцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями, показывающий открытую коробку передач с частично срезанной одной шестерней.

      РИС. 8A-8C представляют собой виды в перспективе модуля многоцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями, показывающие детали сборки на все более полных стадиях сборки.

      РИС. 9A представляет собой схематическое изображение системы подачи для двигателя с оппозитными поршнями, которая обеспечивает подачу жидкого хладагента в двигатель. ИНЖИР. 9Б представляет собой принципиальную схему комбинированной системы подачи топлива и охлаждающей жидкости для двигателя с оппозитным расположением поршней. ИНЖИР. 9C представляет собой схематическое изображение другой системы подачи для двигателя с оппозитным расположением поршней, которая обеспечивает подачу жидкого хладагента в двигатель.

      РИС. 10 представляет собой схематическую диаграмму потока газа в двигателе с оппозитными поршнями.

      РИС. 11A-11F иллюстрируют применение двигателя с оппозитными поршнями.

      Компоненты нашего нового двигателя с оппозитными поршнями показаны на РИС. 2А и 2В. На этих рисунках показан цилиндр 10 с расположенными в нем противоположными поршнями 12 и 14 . Поршни 12 и 14 движутся соосно в цилиндре 10 в противоположных направлениях, навстречу и друг другу. ИНЖИР. 2А показаны поршни 12 и 14 в верхней (или внутренней) мертвой точке, где они находятся на пике своего такта сжатия, около момента зажигания. ИНЖИР. 2В показаны поршни вблизи нижней (или внешней) мертвой точки, где они находятся в конце своего такта расширения или рабочего хода. Эти и промежуточные положения будут описаны более подробно ниже.

      Следующее объяснение предполагает двигатель с воспламенением от сжатия только для иллюстрации и примера. Специалистам в данной области техники понятно, что описанные элементы, модули и узлы также могут быть адаптированы для двигателя с искровым зажиганием.

      Как показано на ФИГ. 2А и 2В, цилиндр 10 представляет собой трубку с расположенными в ней противолежащими поршнями 12 и 14 для совершения возвратно-поступательного движения в противоположных направлениях друг к другу и к центру цилиндра 9.0874 10 . Поршни 12 и 14 соединены с первым и вторым расположенными сбоку коленчатыми валами 30 и 32 , вращающимися в противоположных направлениях, которые, в свою очередь, соединены с общим выходом (не показан на этих рисунках).

      The Pistons 12 и 14 — полые цилиндрические элементы с замкнутыми осевыми концами 12 A и 14 A , которые кончается в коронах 12 A DA

      874 14 d , open axial ends 12 o and 14 o , and skirts 12 s and 14 s which extend from the open axial ends 12 о и 14 о к коронкам 12 д и 14 д . К открытым осевым концам 9 крепятся седла 16 и 18 в виде открытых кольцевых конструкций.0874 12 o и 14 o поршней 12 и 14 соответственно. Каждая из седел 16 , 18 соединяет концы множества шатунов с соответствующим поршнем, на котором она установлена. На этих фигурах в перспективе показаны только два шатуна для каждого поршня, и следует понимать, что один или несколько дополнительных шатунов не видны. Шатуны 20 а и 20 B подключены к седло 16 Рядом с открытым концом поршня 12 , в то время как соединительные стержни 22 A и 22 777 A и 22 BIS 18 возле открытого конца поршня 14 . Поскольку седла 16 и 18 обеспечивают связь между поршнями 12 и 14 и соответствующими штоками, в поршнях отсутствуют внутренние поршневые пальцы. Получающаяся в результате открытая конструкция седел и поршней позволяет распределителям охлаждающей жидкости 24 и 26 , чтобы продлить осевирование в поршням 12 и 14 с открытых концов 12 O и 14 O и 14 o и 14 O и . 12 и 14 соответственно.

      Два боковых коленчатых вала 30 и 32 расположены так, что их оси параллельны друг другу и лежат в общей плоскости, пересекающей цилиндр 10 в его продольном центре или вблизи него и перпендикулярно оси цилиндра. Коленчатые валы вращаются в противоположных направлениях. Связующие шатуны 20 A , 20 B и 22 A , 22 B — это CRAW THROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CROWS на CRAPSFTS B . Каждый шатун расположен под острым углом по отношению к осям (и сторонам) цилиндра 9.0874 10 и поршни 12 и 14 . Шатуны соединены с седлами 16 и 18 с помощью игольчатых подшипников 36 , а с шатунами — с помощью роликовых подшипников 38 . По мере того, как каждый поршень проходит рабочий цикл двигателя, концы шатунов, соединенных с седлом поршня, колеблются по угловой траектории, и между этими концами и элементами седла, с которыми они соединены, нет полного вращения. Игольчатые подшипники с роликами достаточно малого диаметра обеспечивают, по крайней мере, полное вращение роликов при каждом колебании, тем самым уменьшая асимметрию износа и продлевая срок службы подшипника.

      Геометрическое соотношение между шатунами, седлами и коленчатыми валами на ФИГ. 2А и 2В, удерживает шатуны в основном под растягивающим напряжением, когда поршни 12 и 14 перемещаются в цилиндре 10 , с ограниченным уровнем сжимающего напряжения, возникающего из-за сил инерции поршней при высоких оборотах двигателя. Эта геометрия уменьшает или существенно устраняет боковые силы между поршнями и отверстием цилиндра.

      На фиг. 2А и 2В, дополнительные детали и особенности цилиндра 10 и поршни 12 и 14 . Цилиндр 10 включает впускное отверстие 46 , через которое воздух под давлением поступает в цилиндр 10 . Цилиндр также имеет выпускное отверстие 48 , через которое продукты сгорания вытекают из цилиндра 10 . Из-за их расположения относительно этих портов поршни 12 и 14 могут быть соответственно названы «выпускным» и «впускным» поршнями, а концы цилиндра 10 может иметь аналогичное название. Предпочтительная, но не единственно возможная конфигурация портов 46 и 48 описана ниже. Работа выпускных и впускных каналов регулируется движением поршней во время работы двигателя. По крайней мере, одно место впрыска (не показано на этом чертеже), управляемое одной или несколькими топливными форсунками (описанными ниже), впускает топливо в цилиндр 10 .

      Как будет показано на следующих рисунках и в описании, соотношение между длиной поршня, длиной цилиндра и длиной, добавленной к отверстию цилиндра коллекторами цилиндра, в сочетании с разностью фаз между поршнями, когда они проходят через свою нижнюю мертвую точку центральные положения, модулировать операции портов и правильно упорядочивать их с помощью событий поршня. В связи с этим впускной и выпускной порты 46 и 48 смещены в осевом направлении от продольного центра цилиндра, ближе к его концам. Поршни могут быть одинаковой длины. Каждый поршень 12 и 14 удерживает соответствующий порт 46 или 48 цилиндра 10 закрытым до тех пор, пока он не приблизится к своей нижней мертвой точке. Сдвиг фаз между положениями нижней мертвой точки создает последовательность, в которой выпускной канал открывается, когда выпускной поршень приближается к своей нижней мертвой точке, затем впускной канал открывается, когда впускной поршень приближается к своей нижней мертвой точке, после чего выпускное отверстие закрывается после того, как выпускной поршень отходит от своей нижней мертвой точки, а затем впускное отверстие закрывается после того, как впускной поршень отходит от своей нижней мертвой точки.

      РИС. 3A-3F представляют собой схематические изображения цилиндра 10 и поршней 12 и 14 по фиг. 2А и 2В, иллюстрирующие типичный рабочий цикл («рабочий цикл»). В этом примере, когда поршни находятся в верхней мертвой точке, противоположные штоки с каждой стороны цилиндра образуют угол приблизительно 120°, как показано на фиг. 3А. Эта геометрия предназначена только для объяснения операционного цикла; он не предназначен для исключения других возможных геометрий с другими рабочими циклами. Для удобства рабочий цикл можно измерять по вращению, начиная с угла поворота коленчатого вала 0°, когда поршни находятся в верхней мертвой точке, как показано на фиг. 3А и заканчивается на 360°. Со ссылкой на фиг. 3А термин «верхняя мертвая точка» используется для обозначения точки, в которой закрытые концы 12 а и 14 а поршней 12 и 14 расположены ближе всего друг к другу и к коленчатым валам и воздух наиболее сильно сжат в цилиндровом пространстве 72 908. Это вершина такта сжатия обоих поршней. Используя удобное измерение, верхняя мертвая точка возникает при 0° рабочего цикла. Кроме того, со ссылкой на фиг. 3C и 3E, термин «нижняя мертвая точка» относится к точкам, в которых закрытые концы 12 a и 14 a поршней 12 и 14 находятся дальше всего от коленчатых валов 30 и

      72 3. Нижняя мертвая точка поршня 12 наступает непосредственно перед 180° рабочего цикла. Нижняя мертвая точка поршня 14 наступает сразу после 180° рабочего цикла.

      Двухтактный рабочий цикл с воспламенением от сжатия поясняется со ссылкой на фиг. 3А–3F. Это объяснение носит иллюстративный характер и использует 360° для измерения полного цикла. События и действия цикла привязаны к определенным точкам в цикле 360° с пониманием того, что для разных геометрий, хотя последовательность событий и действий будет одинаковой, точки, в которых они происходят в цикле 360°, будут разными. из тех, что в этом объяснении.

      Обратимся теперь к фиг. 3А, до контрольной точки 0° в рабочем цикле, где поршни 12 и 14 будут находиться в верхней мертвой точке, топливо первоначально впрыскивается в цилиндр через, по меньшей мере, одно место впрыска. Впрыск топлива может продолжаться после начала сгорания. Топливо смешивается со сжатым воздухом, и смесь воспламеняется между закрытыми концами 12 a и 14 a , раздвигая поршни в рабочем такте, приводя в движение коленчатые валы 30 и 32 для вращения в противоположных направлениях. Поршни 12 и 14 удерживают впускное и выпускное отверстия 46 и 48 закрытыми во время рабочего такта, блокируя попадание воздуха во впускное отверстие и выпуск отработавших газов через выпускное отверстие. На фиг. 3B, под углом 90° в рабочем цикле поршни 12 и 14 почти в середине рабочего хода продолжают выходить из цилиндра 10 . Впускное и выпускное отверстия 46 и 48 по-прежнему закрыты. На фиг. 3C, при 167° в рабочем цикле, закрытый конец 12 a поршня 12 выдвинулся достаточно далеко из цилиндра 10 , чтобы открыть выпускное отверстие 48 , в то время как впускное отверстие 46 до сих пор закрыт. Продукты сгорания теперь начинают вытекать из выпускного отверстия 48 . Эта часть цикла называется продувкой. На фиг. 3D, при 180° в рабочем цикле, впускной и выпускной порты 46 и 48 открыты и сжатый воздух поступает в цилиндр 10 через впускное отверстие 46 , а выхлопные газы, образующиеся при сгорании, выходят через выпускное отверстие 48 . Теперь продувка происходит по мере того, как остаточные газы сгорания вытесняются сжатым воздухом. На фиг. 3E, при 193° выпускное отверстие 48 закрыто поршнем 12 , в то время как впускное отверстие 46 все еще открыто из-за сдвига фаз, описанного выше и более подробно поясненного ниже. Наддувочный воздух продолжает поступать в цилиндр 9.0874 10 через впускной канал 46 до закрытия этого порта, после чего начинается такт сжатия. При 270° в рабочем цикле, показанном на фиг. 3F, поршни 12 и 14 находятся примерно на половине хода сжатия, а впускное и выпускное отверстия 46 и 48 закрыты. Затем поршни 12 и 14 снова перемещаются к своим верхним мертвым точкам, и цикл постоянно повторяется, пока работает двигатель.

      РИС. 4 представляет собой график, показывающий фазы поршней 12 и 14 во время только что описанного репрезентативного рабочего цикла. Фаза поршня может быть измерена на любом коленчатом валу относительно верхней мертвой точки каждого поршня. На фиг. 4 ось АА представляет собой расстояние от днища поршня до положения его верхней мертвой точки, а ось ВВ представляет собой фазу. Положение поршня 12 указано линией 50 , а положение поршня 14 обозначается строкой 52 . В верхней мертвой точке 60 оба поршня находятся в фазе, а закрытые концы 12 a и 14 a находятся на одинаковом расстоянии от продольного центра цилиндра 10 . По мере продолжения рабочего цикла поршень 12 опережает по фазе все больше и больше, пока не достигнет своей нижней мертвой точки 61 непосредственно перед 180° в рабочем цикле, обозначенном цифрой 9.0874 62 . После точки 180° поршень 14 проходит через свою нижнюю мертвую точку 63 и начинает догонять поршень 12 до тех пор, пока два поршня снова не окажутся в фазе на 360° в цикле.

      Смещение фазы колебаний между поршнями 12 и 14 , показанными на РИС. 4 обеспечивает желаемую последовательность впускных и выпускных отверстий 46 и 48 . В этом отношении линия CC на фиг. 4 представляет положение днища поршня, при котором открывается порт, управляемый поршнем. Таким образом, когда закрытый конец 12 a поршня 12 достигает точки, представленной 64 на CC, выпускное отверстие только начинает открываться. Когда закрытый конец 14 a поршня 14 проходит точку, обозначенную 65 на СС, оба отверстия открываются и происходит продувка. В 67 на CC выпускное отверстие закрывается, и воздух нагнетается в цилиндр до тех пор, пока конец поршня 14 a не достигнет точки, обозначенной цифрой 9.0874 68 на CC, когда оба порта закрыты и начинается сжатие. Этот желательный результат возникает из-за того, что шатуны для соответствующих поршней перемещаются по разным траекториям во время вращения коленчатого вала; в то время как один стержень проходит поверх одного коленчатого вала, другой вращается под днищем того же коленчатого вала.

      Следует отметить, что в отношении фиг. 4 видно, что соответствующие положения открытия выпускного и впускного отверстий могут не обязательно лежать на одной линии и что их относительные фазы открытия и закрытия могут отличаться от показанных.

      Как видно на ФИГ. 2A, 2 B и 5 A, цилиндр 10 включает в себя трубу цилиндра 70 с противоположными осевыми концами и кольцевыми выпускным и впускным коллекторами 72 и 74 , каждый другой или резьбовой, сварной соединен с соответствующим осевым концом трубы цилиндра 70 . Коллекторы 72 и 74 могут называться «выпускной коллектор цилиндра» и «впускной коллектор цилиндра» соответственно. Коллекторы 72 и 74 имеют соответствующие внутренние кольцевые галереи 76 и 78 , которые образуют выпускное и впускное отверстия соответственно. Каждая из галерей , 76, и , 78, предпочтительно имеет форму спирали, чтобы вызвать завихрение газов, протекающих через нее, при одновременном подавлении турбулентного перемешивания. Завихрение сжатого воздуха облегчает продувку и повышает эффективность сгорания. Коллектор цилиндра 72 также имеет кольцевой проход 77 вокруг кольцевой галереи 76 . Кольцевой проход 77 может быть соединен для приема воздушного потока или, альтернативно, он может содержать застойный воздух для охлаждения периферии коллектора 72 . Когда коллекторы цилиндров 72 и 74 соединены с трубой цилиндра 70 , их наружные части продолжают отверстие трубы. Общее отверстие может быть прецизионно обработано, чтобы точно соответствовать диаметру поршней 12 и 14 , а поршни и цилиндр могут быть изготовлены из материалов с совместимыми характеристиками теплового расширения. Если используются поршни без колец (поршни без колец), нет необходимости в перемычках, соединяющих порты, и может быть получен очень жесткий допуск между внешними диаметрами поршней и внутренним диаметром общего отверстия. Например, при работе без колец расстояние между каждым поршнем и отверстием может быть порядка 0,002 дюйма (2 мила или 50 микрон) или меньше. Отсутствие перемычек также облегчает формирование впускного коллектора 74 в завихрение, например, в виде свитка. Если, с другой стороны, поршни снабжены кольцами, необходимо будет сформировать выпускные и впускные отверстия в виде кольцевых каналов с кольцевой последовательностью отверстий в трубе 70 , тем самым обеспечивая перемычки для поддержки прохода колец. мимо портов. Трубы 82 и 84 на коллекторах цилиндров 72 и 74 открываются во внутренние кольцевые галереи 76 и 78 , обеспечивающие соединение между выпускным и впускным отверстиями и соответствующими выпускным и впускным коллекторами.

      РИС. 5A представляет собой увеличенный вид сбоку в разрезе цилиндра 10 с противолежащими поршнями 12 и 14 в их соответствующих положениях, когда рабочий цикл приближается к точке 180°. Как показано на этих рисунках, поршни 12 и 14 поставляются без поршневых колец, хотя они могут быть снабжены кольцами, если это требуется конструкцией и работой. Поршневые кольца в этом двигателе являются необязательными элементами по двум причинам. Во-первых, поршневые кольца компенсируют радиальную деформацию поршней и цилиндров, чтобы помочь контролировать уплотнение цилиндр/поршень во время работы двигателя. Однако цилиндры, проиллюстрированные и описанные в этой спецификации, не отлиты в блоке цилиндров и, следовательно, не подвержены неравномерной деформации от любого термического напряжения или любого механического напряжения, создаваемого другими компонентами двигателя или асимметричными охлаждающими элементами. В результате цилиндры и поршни могут быть обработаны с очень жесткими допусками для очень плотной посадки, тем самым ограничивая сгорание и ограничивая прорыв продуктов сгорания вдоль зазора между каждым поршнем и цилиндром. Во-вторых, поршневые кольца охлаждают поршень во время работы двигателя. Однако во время работы двигателя каждый поршень может охлаждаться с помощью жидкой охлаждающей жидкости, поскольку каждый поршень периодически по существу полностью выдвигается из цилиндра (или выступает из него) по мере того, как он перемещается через положение своей нижней мертвой точки, так что охлаждающая жидкость может подаваться на цилиндр. его внешняя поверхность. См. фиг. 2Б, 3 C и 5 A в этом отношении. По мере того, как поршень выходит из цилиндра и возвращается обратно, он обливается (описываемыми дозаторами) жидким хладагентом на внешней поверхности его юбки. Кроме того, подается жидкий хладагент (дозатором 24 или 26 ) на его внутреннюю поверхность вдоль юбки до венца включительно.

      Например, на ФИГ. 5А и 6А, каждый поршень 12 и 14 практически выведен из цилиндра 9.0874 10 вблизи нижней мертвой точки. Принимая за образец поршень 12 , это означает, что с закрытым концом 12 a поршня 12 вблизи внешнего края кольцевой галереи 76 юбка 12 6 s поршень 12 практически полностью выведен из цилиндра 10 , в то время как только часть днища поршня 12 d между внешним краем 76 o канала 76 и внешнего края 72 o выпускного коллектора 72 остается в выпускном коллекторе 72 72 72

      7 8 установлен на конце цилиндра 10 как описано . Следует отметить, что каждый поршень 12 и 14 впоследствии перемещается обратно в цилиндр 10 до такой степени, что он по существу окружен цилиндром 10 , когда он достигает положения своей верхней мертвой точки.

      Таким образом, в положении нижней мертвой точки практически вся юбка каждого поршня 12 и 14 выступает из цилиндра 10 и открыта для охлаждения. Подробное описание того, как это происходит в этом иллюстративном примере, не предназначено для ограничения объема этой функции; требуется, чтобы достаточная часть наружной поверхности юбки каждого из поршней 12 и 14 периодически находилась снаружи цилиндра 10 во время работы двигателя для достаточного охлаждения путем нанесения охлаждающей жидкости на наружные поверхности юбок снаружи цилиндра. Процент юбки поршня, которая подвергается воздействию в конкретном случае, может варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая, например, требования к охлаждающей жидкости системы, геометрию двигателя и предпочтения конструктора.

      По мере того, как поршень входит и выходит из цилиндра, он охлаждается путем подачи жидкого хладагента (описываемыми дозаторами) на наружную поверхность его юбки. Дополнительно подается жидкий хладагент (дозатором 24 или 26 ) на его внутреннюю поверхность вдоль юбки до венца включительно. Одна и та же жидкая охлаждающая жидкость предпочтительно используется для охлаждения как внутренней, так и внешней части поршней. Со ссылкой на фиг. 5А и 6А, дозаторы охлаждающей жидкости, предпочтительно изготовленные из стальных труб, подают охлаждающую жидкость на поршни 12 и 14 и цилиндр 10 во время работы двигателя. Удлиненный распределительный коллектор 86 проходит, по крайней мере, в основном в осевом направлении вдоль и напротив трубы цилиндра, а также выпускного и впускного коллекторов 9.0874 72 и 74 . Четыре расстояния в осевом углу полукругают 86 A , 86 B , 86 C и 86 C и 86 C и 86 D и 86 D и 86 D и 86 D и 86 7775 D. Дозатор 86 a расположен снаружи от центра выпускного коллектора 72 , у внешнего края 72 или ; два дозатора 86 b и 86 c расположены над цилиндром 10 между коллекторами 72 и 74 , предпочтительно вблизи осевого центра цилиндра 7 74 для более пропорционального подачи охлаждающей жидкости самая горячая область цилиндра, чем другие, более холодные области ближе к коллекторам 72 и 74 ; а дозатор 86 d расположен снаружи от центра впускного коллектора 74 , у внешнего края 74 или . Вторая трубка 88 коллектора дозатора проходит, по меньшей мере, в основном в осевом направлении вдоль и напротив трубы цилиндра и выпускного и впускного коллекторов 72 и 74 . Four axially spaced semicircular dispensers 88 a , 88 b , 88 c , and 88 d extend from the manifold tube 88 halfway around the cylinder 10 . Раздаточная колонка 88 a расположена за пределами центра выпускного коллектора 72 , у внешнего края 72 o ; два дозатора 88 b и 88 c расположены над цилиндром между коллекторами 72 и 74 , предпочтительно вблизи осевого центра цилиндра 10 для более пропорционального распределения жидкости. охлаждающей жидкости в самую горячую область цилиндра, чем в другие, более холодные области ближе к коллекторам 72 и 74 ; и дозатор 88 d расположен за пределами центра впускного коллектора 74 , рядом с внешним краем 74 o . Противоположные диспенсеры соединены друг с другом по номеру 89 для структурной целостности. В качестве альтернативы дозаторы могут быть полностью круглыми и соединяться с одной коллекторной трубой. Кроме того, может быть предусмотрено меньше или больше дозаторов, и они могут быть расположены иначе, чем показано. Кроме того, раздаточные патрубки могут быть заменены несколькими разнесенными по окружности форсунками или распылителями, снабжаемыми жидким хладагентом из общего источника.

      Дозаторы имеют большие отверстия, через которые жидкий хладагент под давлением подается на открытые внешние поверхности юбок поршней 12 и 14 и на внешнюю поверхность трубы цилиндра 70 . Предпочтительно дозаторы расположены вблизи соответствующих внешних краев коллекторов, чтобы гарантировать, что жидкий хладагент подается по существу на всю внешнюю поверхность юбки вдоль осевой длины каждого поршня. В зависимости от таких факторов, как требования к охлаждающей жидкости системы, геометрия двигателя и предпочтения конструктора, дозаторы, форсунки или другие подходящие элементы подачи охлаждающей жидкости могут быть перемещены для дозирования или подачи жидкой охлаждающей жидкости на меньшие проценты площади внешней радиальной периферийной поверхности двигателя. юбки. Например, жидкий хладагент может быть нанесен на наружную или внешнюю поверхность юбки по меньшей мере на 25%, 50% или 75% осевой длины каждого поршня.

      На фиг. 5А и 6А дозаторы жидкого хладагента, которые подают жидкий хладагент на внешние поверхности поршней и цилиндра, показаны как отдельные элементы; однако один или несколько дозаторов также могут быть объединены с коллекторами цилиндров 72 и 74 в дополнение к отдельным элементам, показанным на рисунках, или вместо них.

      В альтернативном варианте, показанном на РИС. 5В, вместо охлаждения трубки цилиндра 70 с помощью дозаторов, трубка цилиндра может быть помещена в рубашку 9.0874 87 для создания охлаждающего канала 90 вокруг цилиндра, по которому может циркулировать охлаждающая жидкость. В этом случае дозаторы по-прежнему будут использоваться для охлаждения поршней.

      Открытая конструкция седел 16 и 18 , а также отсутствие поршневых пальцев в поршнях позволяют улучшить непосредственную подачу охлаждающей жидкости на внутренние поверхности поршней. В этом отношении, как показано на фиг. 2А, 2 Б ​​и 5 А, поршни 12 и 14 непрерывно охлаждаются во время работы двигателя путем подачи жидкой охлаждающей жидкости через дозаторы 24 и 26 на их внутренние поверхности, включая их купола вдоль их юбок к их открытым осевым концам.

      На РИС. 5А поток жидкого хладагента на поршни и цилиндр обозначен ссылочной позицией 91 .

      Продолжая описание фиг. 5А, кольцевые, высокотемпературные полимерные кольца 92 , расположенные в кольцевых канавках у концов коллекторов 72 и 74 , слегка касаются поршней 12 и 14 и вытирают лишнюю смазку с поршней по мере их движения в цилиндр 10 . Наконец, для цилиндра предусмотрены одна или несколько топливных форсунок. Например, топливная форсунка 94 соединена по меньшей мере с одним местом 95 впрыска.

      Далее описан механизм двухтактного двигателя с оппозитным расположением поршней, в котором рабочие элементы (цилиндры, поршни, рычажные механизмы, коленчатые валы и т. д.) размещены на конструктивном узле в виде рамы из пассивных конструктивных элементов, подогнанных друг к другу для поддержки рабочих элементов. Рама предназначена для того, чтобы воспринимать напряжения и силы, возникающие при работе двигателя, например силы сжатия между коленчатыми валами. В отличие от многих двухтактных двигателей с оппозитными поршнями предшествующего уровня техники, цилиндры не отлиты в виде блока и не образованы с другими пассивными конструктивными элементами. Следовательно, цилиндры не являются пассивными конструктивными элементами двигателя. Каждый цилиндр поддерживается в корпусе двигателя главным образом парой расположенных в нем поршней. Таким образом, за исключением сил камеры сгорания, цилиндры развязаны от механических напряжений, создаваемых функциональными элементами, а также от механических и термических напряжений блока цилиндров. Следовательно, баллоны — это, по сути, только сосуды под давлением. Такая конструкция двигателя устраняет неравномерную радиальную деформацию поршней и цилиндров, обеспечивает очень плотную посадку поверхности цилиндр-поршень, а также близкое соответствие тепловых характеристик материалов, из которых изготовлены цилиндры и поршни. Преимущественно, с улучшенным охлаждением поршня эта характеристика дает возможность конструкции двигателя, в которой не используются поршневые кольца.

      РИС. 6A и 6B представляют собой виды сбоку в перспективе, показывающие более полную сборку механизма одноцилиндрового двигателя , 100, для двигателя с оппозитными поршнями и боковыми коленчатыми валами на основе расположения цилиндр/поршень, показанного на предыдущих фигурах. Механизм двигателя 100 можно масштабировать для двигателей любого размера и двигателей, имеющих от одного до нескольких цилиндров. На фиг. 6А, механизм 100 включает в себя единственный цилиндр 10 , имеющий конструкцию, показанную на ФИГ. 5А, с противоположными поршнями 12 и 14 расположены в нем. На рисунке видны седла 16 и 18 оппозитных поршней. The connecting rods 20 a and 20 c couple the saddle 16 to the crankshaft 30 , and the connecting rod pair 20 b couples the saddle 16 to the crankshaft 32 . Шатунная пара 22 и соединяет седло 18 к коленчатому валу 30 , а шатуны 22 б и 22 в пара седла 7 7

      90 к коленчатому валу Трубка коллектора дозатора 88 и дозатор 24 соединены с коллектором охлаждающей жидкости 96 . Трубка коллектора 86 и дозатор 26 соединены с другим коллектором охлаждающей жидкости 98 . Два радиально противоположных установочных штифта (один из которых обозначен ссылочной позицией 9).0874 99 ) формируются на цилиндре 10 для стабилизации цилиндра при работе двигателя. Две балки , 110, и , 112, показаны на фиг. 6А для справки. Балка 110 имеет отверстие 113 , через которое трубку коллектора 84 можно соединить с впускным коллектором воздуха (не показан), и отверстие 115 для трубки, соединяющей топливную форсунку 94 с топливной коллектор (не показан). Балка 112 имеет отверстие 117 , через которое трубку коллектора 82 можно соединить с выпускным коллектором (не показано), и отверстие 119 , через которое трубку можно соединить с другой топливной форсункой (не показано) с топливным коллектором ( не показаны).

      На РИС. 6В, рама для механизма двигателя 100 включает две опорные переборки 120 , расположенные на соответствующих сторонах цилиндра 10 , вместе с балками 110 и 112 . Переборки 120 принимают и поддерживают коленчатые валы 30 и 32 . Каждая переборка 120 включает двутавровую балку 122 и поперечную секцию 124 . Секции двутавровой балки обеспечивают основную поддержку коленчатых валов во время работы двигателя. Балки 110 и 112 крепятся к концам поперечных профилей 124 . Коленчатые валы поддерживаются с возможностью вращения в двутавровых сечениях 122 с подшипниками 128 . Каждая переборка имеет центральное отверстие с коротким эластомерным цилиндром 132 , в который входят установочные штифты 99 соседних цилиндров. В каждой опорной переборке предусмотрены резьбовые отверстия 134 для крепления дополнительных компонентов, например, редуктора.

      Сборка модуля одноцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями из механизма двигателя 100 по фиг. 6А и 6В показано на фиг. 7А–7D. В модуле одноцилиндрового двигателя торцевые пластины из легкого алюминия 160 и 162 крепятся к соответствующим переборкам 120 и к каждой из балок 110 и 112 . Торцевая пластина 160 имеет отверстия 163 и 164 для приема коллекторов жидкого хладагента 96 и 98 для линий подачи (не показаны). ФИГ. 7A–7D показан редуктор 170 , установленный на переборке (не показана на этих рисунках) через наружную поверхность торцевой пластины 160 . Коробка передач 170 содержит выходную зубчатую передачу, через которую противоположные вращательные движения коленчатых валов связаны с выходным приводным валом. Концы коленчатых валов 30 и 32 входят в коробку передач 170 . Шестерня 172 с зубчатым наружным ободом закреплена на конце коленчатого вала 30 , а шестерня 173 с зубчатым наружным ободом закреплена на конце коленчатого вала 32 . Выходная шестерня 175 имеет кольцо 176 с зубчатой ​​внутренней окружностью 177 и зубчатой ​​внешней окружностью 178 . Как видно на этих рисунках, внешний обод зубчатого колеса 172 входит в зацепление с внутренней окружностью 177 вторичной шестерни 175 в одном месте, а внешний обод шестерни 173 входит в зацепление с внешней окружностью . 178 выходного зубчатого колеса 175 в другом месте, диаметрально противоположном первому. Передаточное отношение между внутренней шестерней 172 и внутренняя окружность 177 могут быть 33/65 с MOD 4 зубьев на внутренней шестерне и внутренней окружности, в то время как передаточное число между внешней шестерней 173 и внешней окружностью 178 может быть 33/65 с MOD 5 зубьев на внешней шестерне и по внешней окружности. Такое расположение шестерен позволяет преобразовать противоположные вращения коленчатых валов 30 и 32 в непрерывное вращение выходного зубчатого колеса 9.0874 175 с нечетным числом передач (в данном случае три), с нецелым передаточным числом и без промежуточных ремней, цепей и других элементов передачи крутящего момента. В результате получается простая короткая выходная зубчатая передача.

      Сборка модуля одноцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями завершена, как показано на РИС. 7A–7D путем крепления легких алюминиевых панелей обшивки 180 к шпангоуту, состоящему из собранных переборок и бимсов. Крышка 182 крепится к редуктору 170 . Крышка 182 включает выходной подшипник 185 , который принимает ось 186 вторичного зубчатого колеса 175 , что позволяет раме поддерживать выходное зубчатое колесо 175 для вращения. Полученный в результате собранный модуль одноцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями обозначен ссылочной позицией 190 на фиг. 7С. Ось 186 представляет собой выходной привод модуля двигателя 190 . Он может быть соединен с промежуточной передачей или непосредственно с ведомым компонентом с помощью одной или нескольких шестерен, ремней, цепей, кулачков или другого подходящего элемента или системы передачи крутящего момента (не показаны).

      РИС. 8A-8C иллюстрируют сборку модуля многоцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями и тремя механизмами двигателя , 100, , расположенными в ряд. Обратите внимание, что передняя и задняя перегородки сняты с РИС. 8А для ясности. Механизмы , 100, имеют структуру, уже показанную на фиг. 6А и 6В, и обсуждались в отношении предшествующих фигур. В раме этого модуля двигателя предусмотрены четыре переборки 120 , каждая из которых поддерживает коленчатые валы в соответствующих подшипниках. Рама также включает в себя удлиненные балки 110 и 112 крепятся к поперечным секциям переборок 120 . Торцевые пластины 160 и 162 закрывают концы модуля двигателя. Трехступенчатая трансмиссия поддерживается для вращения в коробке передач 170 . Коллекторы жидкостного хладагента 96 и 98 имеют удлиненную форму, охватывая три механизма двигателя 100 . Сборка модуля многоцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями завершается креплением легких алюминиевых панелей корпуса 180 к раме. Крышка 182 крепится к коробке передач 170 . Крышка 182 включает выходной подшипник 185 , который принимает ось 186 выходного зубчатого колеса 175 , что позволяет раме поддерживать выходное зубчатое колесо 175 для вращения. Полученный собранный модуль многоцилиндрового двигателя с оппозитными поршнями обозначен ссылочной позицией , 290, на фиг. 8С. Ось 186 представляет собой выходной вал модуля двигателя 290 .

      Наилучший способ реализации двигателя внутреннего сгорания с оппозитными поршнями в соответствии с ранее описанными и проиллюстрированными принципами включает использование четырех одинаковых шатунов для каждого поршня. Этот способ практики лучше всего виден на фиг. 6А. С точки зрения фиг. 6A, со стороны выпускного отверстия цилиндра 10 , два шатуна 20 a и 20 c разнесены и каждый соединен одним концом с седлом 16 , а другим концом с коленчатым валом 30 . Пара шатунов 20 b состоит из двух упорных стержней, каждая из которых по форме и конструкции идентична стержням 20 a и 20 c . Шатунная пара 20 б соединена одним концом с седлом 16 , а другим концом с коленчатым валом 32 . Со стороны входного порта цилиндра 10 два шатуна 22 b и 22 c разнесены друг от друга и соединены одним концом с седлом 18 , а другим концом к коленчатому валу 32 с обеих сторон шатунной пары 20 b . Пара шатунов 22 a состоит из двух упорных стержней, идентичных по форме и конструкции стержням 9.0874 22 б и 22 в . Шатунная пара 22 а соединена одним концом с седлом 18 , а другим концом с коленчатым валом 30 , между шатунами 20 а 7 8

      8 7 . Таким образом, на каждом из коленчатых валов шатунные пары поршней на одном конце цилиндров чередуются с двумя шатунными парами поршней на другом конце цилиндров, как показано на фиг. 6А. Это обеспечивает оптимальный баланс сил на поршнях, а также уменьшает количество типов деталей для двигателя. Идентичные стержни также помогают поддерживать равномерное тепловое расширение стержней во время работы двигателя.

      Наилучший вариант включает также шатуны из кованой стали или титана, цилиндры и поршни из алюминиево-кремниевого сплава с хромированными стенками цилиндров, элементы, проводящие жидкий хладагент, из стальных труб, коленчатые валы из кованой обработанной стали. Детали рамы двигателя могут быть изготовлены из легких сплавов, таких как алюминий. На фиг. 9A. Жидкая охлаждающая жидкость может быть любой жидкостью, которую можно наносить на поршни и охлаждать их в достаточной степени для желаемого применения. Смазочное масло и дизельное топливо — две возможности. На этом рисунке источник жидкого хладагента 310 соединен с высокообъемным насосом низкого давления 312 . Насос 312 может включать, например, центробежный насос, обеспечивающий подачу жидкого хладагента в диапазоне от 3 до 10 галлонов/мин для двигателя мощностью 100 л.с. который перекачивает жидкий хладагент через распределительную магистраль 313 к коллекторам 96 и 98 . Эти коллекторы подают большой объем жидкого хладагента под низким давлением в дозаторы 24 и 26 и в раздаточные коллекторы 86 и 88 одного или нескольких модулей 100 . Жидкая охлаждающая жидкость собирается в поддоне 315 в двигателе с оппозитными поршнями. Насос 317 , подключенный к поддону, перекачивает собранную жидкую охлаждающую жидкость через фильтр 318 и радиатор 319 обратно к источнику 310 . Как видно на фиг. 9A линия 320 может быть предусмотрена параллельно радиатору 319 . В этом случае клапан 321 будет регулировать поток жидкого хладагента через радиатор 319 , а клапан 322 будет регулировать поток жидкого хладагента по линии 320 . При нормальной работе только клапан 321 будет открыт, позволяя охлаждающей жидкости течь через радиатор 319 , тем самым отводя тепло от поршней и цилиндров через радиатор 319 . Для краткосрочной работы с наддувом оба клапана 321 и 322 будут открыты, тем самым рассеивая тепло поршней и цилиндров через радиатор 319 и поглощая часть тепла в резервуаре с жидкой охлаждающей жидкостью в источник 310 . Наконец, в аварийном режиме при выходе из строя радиатора клапан 321 будет закрыт, а клапан 322 будет открыт, тем самым временно отводя тепло поршней и цилиндров в бачок с жидкой охлаждающей жидкостью.

      Если двигатель с оппозитными поршнями работает как двигатель с воспламенением от сжатия, то впрыск топлива является методом подачи дизельного топлива в цилиндры для сгорания. В этом случае дизельное топливо также предпочтительно служит охлаждающей жидкостью и смазкой для поршней. Таким образом, можно комбинировать источники топлива и охлаждающей жидкости, устраняя необходимость в нескольких источниках. Ссылаясь на фиг. 9B проиллюстрирована система 400 для подачи дизельного топлива, которое должно распределяться по поршням и цилиндрам и подаваться к топливным форсункам в двигателе с оппозитными поршнями одного или нескольких цилиндров. На этом рисунке источник дизельного топлива 410 соединен с высокообъемным насосом низкого давления 412 (например, центробежным насосом), который перекачивает жидкий хладагент через распределительную линию 413 к коллекторам . 96 и 98 . Эти коллекторы подают большой объем жидкого хладагента при низком давлении к дозаторам 9.0874 24 и 26 и к раздаточным коллекторам 86 и 88 одного или нескольких механизмов двигателя 100 . Дизельное топливо собирается в поддоне 415 в двигателе с оппозитными поршнями. Насос 417 , соединенный с отстойником, перекачивает собранное дизельное топливо через фильтр 418 и радиатор 419 обратно в источник 410 . Предусмотрена обратка 420 , параллельная радиатору 419 . Клапаны 421 и 422 управляют использованием радиатора 419 и обратной линии 420 , как описано выше в связи с клапанами 321 и 322 на РИС. 9А. Предварительный насос 423 , подключенный к источнику 410 , перекачивает дизельное топливо через фильтр 424 и к насосу высокого давления 426 , который повышает давление топлива, подаваемого к форсункам. Например, насос 426 может подавать дизельное топливо под давлением 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Топливо от насоса 426 подается через входной топливопровод 427 , соединенный с общей топливной рампой 429 и входными портами одной или нескольких топливных форсунок 94 . Возвратные порты одной или нескольких топливных форсунок возвращаются по линии 430 к источнику 410 . Электронный блок управления (ECU) 431 управляет работой одной или нескольких топливных форсунок 94 .

      Еще одним преимуществом двигателя, созданного в соответствии с этой спецификацией, является то, что все подшипники, используемые для поддержки коленчатых валов и шатунов, могут быть роликовыми подшипниками. Эти подшипники можно смазывать распылением дизельного топлива, смазывающая способность и вязкость которого при рабочих температурах двигателя с оппозитными поршнями полностью соответствуют их смазке.

      Таким образом, с помощью насоса 412 система 400 может подавать дизельное топливо в качестве смазки для всех подшипников двигателя, за исключением подшипников коробки передач 170 . В связи с этим дизельное топливо, подаваемое из раздаточных колонок, взбивается в виде тумана внутри двигателя, который распространяется по всему двигателю и проникает между движущимися частями двигателя и в подшипники качения, содержащиеся в двигателе. Затем можно использовать один источник для подачи такой охлаждающей жидкости и смазки в двигатель. 9На фиг. 9С. Эта система может использоваться только для дозирования жидкого хладагента, как система 300 на фиг. 9А, или он может быть объединен с другими элементами системы подачи дизельного топлива для охлаждения, смазки и подачи топлива в двигатель, как показано на ФИГ. 9Б. Жидкий хладагент может представлять собой любую жидкость, которую можно наносить на поршни и охлаждать их в достаточной степени для желаемого применения. Смазочное масло и дизельное топливо — две возможности. На этом рисунке кожух двигателя 352 , заключающий в себе один или несколько механизмов двигателя 100 , содержит область поддона 357 , где собирается жидкая охлаждающая жидкость, выбрасываемая вышеописанными дозаторами. Жидкая охлаждающая жидкость, собранная в области поддона 357 , имеет номинальный уровень рабочей жидкости 358 . Клапан источника 359 установлен в корпусе двигателя. Датчик уровня 360 , находящийся в контакте с охлаждающей жидкостью, собранной в области поддона 357 , управляет рычажным механизмом 361 , который выбирает состояние исходного клапана 359 . Клапан источника 359 имеет выход, соединенный с высокообъемным насосом низкого давления 362 . Насос 362 может представлять собой, например, центробежный насос. Клапан источника 359 имеет два входа: первый соединен с линией подачи 363 из области 358 поддона, а второй соединен с линией подачи 364 из питающего резервуара 366 , содержащего жидкий хладагент. . Насос 362 перекачивает охлаждающую жидкость через подводящий трубопровод 367 к фильтру 368 и через него к радиатору 369 . От радиатора 369 жидкая охлаждающая жидкость поступает по подводящему трубопроводу 370 к коллекторам 96 и 98 . Эти коллекторы подают большой объем жидкого хладагента под низким давлением в дозаторы 24 и 26 , а также в раздаточные коллекторы 86 и 88 одного или нескольких модулей 100 . Например, жидкий хладагент может быть обеспечен в диапазоне от 3 до 10 галлонов/мин для двигателя мощностью 100 л.с. Как видно на фиг. 9C, термоклапан 372 подключен параллельно радиатору 369 между выходом фильтра 368 и линией подачи 370 . Состояние термоклапана 372 контролируется по температуре жидкого теплоносителя или аварийным контуром 373 . Аварийный контур 373 также подключен к клапану источника 359 . Клапан уровня 375 имеет вход, соединенный совместно с выходом фильтра 368 , входом радиатора 369 и входом термоклапана 372 . Выход клапана уровня 375 соединен через линию подачи 377 с расходным баком 366 . Тяга управления 361 также подключена для контроля состояния клапана уровня 9. 0874 375 .

      С дополнительной ссылкой на фиг. 9С, в нормальном режиме работы датчик уровня 360 определяет уровень охлаждающей жидкости в области поддона 357 и выбирает в качестве источника для насоса 362 либо область поддона 357 , либо питающий бак 366 . При достижении рабочего уровня датчик уровня устанавливает регулирующую тягу 361 для перевода клапана источника в состояние, при котором он всасывает жидкий хладагент только из области поддона 357 . Нагретая жидкая охлаждающая жидкость подается насосом 362 через фильтр 368 в радиатор 369 и термоклапан 372 . При достижении расчетной рабочей температуры жидкого хладагента термоклапан частично или полностью закроется, чтобы модулировать поток жидкого хладагента через радиатор 369 , тем самым регулируя температуру двигателя. Поток жидкого хладагента продолжается по линии подачи 370 к дозаторам, где охлаждающая жидкость подается для отвода тепла от компонентов двигателя. Если уровень охлаждающей жидкости в области поддона становится слишком высоким, датчик уровня 360 заставляет рычаг управления 361 частично открывать клапан уровня 375 для возврата части охлаждающей жидкости в расширительный бачок 366. после фильтрации по 368 . В аварийной ситуации, когда необходимо временно перекрыть радиатор 369 , аварийный контур 373 полностью открывает термоклапан 372 , тем самым шунтируя радиатор 369 , и принудительно запускает исходный клапан 359 для первоначального отбора жидкого хладагента из расходного бачка 870366 9. Избыток жидкого хладагента, скапливающийся в области поддона 357 , будет удаляться клапаном уровня по сигналу датчика уровня 360 . Для временной максимальной производительности термоклапан 372 закрыт, тем самым используя полную емкость радиатора 369 , в то время как состояние клапана источника 359 настроено на забор жидкости только из расходного бака 366 .

      На ФИГ. 10. Система может масштабироваться для обслуживания одного или нескольких цилиндров 10 . В системе 500 линия воздухозаборного коллектора 534 и линия выпускного выпускного коллектора 532 , соответственно, соединены с трубками впускных отверстий 84 и трубками выпускных отверстий 82 одного или нескольких модулей. Эти коллекторные линии предпочтительно монтируются вне кожуха двигателя. Двигатель, схематически показанный на фиг. 10 — двигатель с турбонаддувом или наддувом. Таким образом, линии коллектора соединены с турбонагнетателем 536 . В частности, выхлопные газы, проходящие по линии 9 выпускного коллектора0874 532 привод турбины 540 на пути к выходной линии 538 для механического привода компрессора 542 . Компрессор 542 всасывает воздух по линии впуска воздуха 537 и повышает давление всасываемого воздуха перед направлением воздуха во впускную линию коллектора 534 через промежуточный охладитель 539 .

      Другие элементы двигателя, не показанные на иллюстрациях, предоставляются в зависимости от конкретных обстоятельств каждого применения этого двигателя с оппозитными поршнями. В связи с этим редуктор 170 может быть герметизирован и самосмазываться маслом или может смазываться отдельно от остальной части двигателя. В качестве альтернативы, его можно оставить открытым и смазывать охлаждающей жидкостью/смазкой, используемой для охлаждения и смазки поршней, при условии, что используется подходящая смазка.

      В предшествующих двигателях по мере увеличения BMEP увеличивается трение на поверхности раздела поршневое кольцо/цилиндр и повышается температура поверхности раздела. Повышение температуры поверхности раздела в конечном итоге приводит к тому, что тепло возвращается обратно в поршень от поверхности раздела, а не от поршня к поверхности раздела. Как следствие, кольца больше не охлаждают поршень. При максимальном потоке охлаждающей жидкости к внутренним поверхностям юбки и днища поршня единственными оставшимися охлаждаемыми поверхностями поршня являются внешние поверхности юбки и днища. Внешняя поверхность короны является составной частью камеры сгорания и лишь незначительно охлаждается за счет расширения дымовых газов и продувочного воздушного потока; иначе эта поверхность недоступна для внешнего охлаждения. В двигателях предшествующего уровня техники внешняя поверхность юбки поршня также недоступна для охлаждения поршня, поскольку поршень заключен в цилиндр. Однако при периодическом обнажении внешней поверхности юбки поршня путем существенного выведения поршня из отверстия цилиндра эта поверхность становится доступной для охлаждения. В результате достигается вдвое большая теплоотдача по сравнению с охлаждением только внутренних поверхностей юбки и днища поршня. Таким образом, реализуются улучшенные рабочие характеристики двигателя, в результате чего двигатели с оппозитными поршнями, сконструированные в соответствии с этой спецификацией, способны достигать улучшенных BMEP, удельной мощности и PWR по сравнению с двигателями с оппозитными поршнями предшествующего уровня техники. Например, двигатель с оппозитными поршнями, сконструированный в соответствии с этой спецификацией, будет выдерживать BMEP не менее 200 фунтов на квадратный дюйм, не менее 250 фунтов на квадратный дюйм или не менее 300 фунтов на квадратный дюйм благодаря улучшенному охлаждению. Такой двигатель с оппозитными поршнями способен обеспечить удельную удельную мощность (УЗП) не менее 11,0 л.с./дюйм 9.1668 2 , не менее 12,0 л.с./дюйм ² или не менее 13,0 л.с./дюйм ² . Эти усовершенствования позволяют этому двигателю с оппозитными поршнями достигать PWR не менее 0,5 л.с./фунт, не менее 0,667 л.с./фунт или не менее 1,0 л.с./фунт.

      Применение этого двигателя с оппозитными поршнями разнообразно. Его можно масштабировать для любого применения с использованием двухтактных двигателей, включая двухтактные дизельные двигатели. Двигатель может быть установлен или установлен на различных транспортных средствах, инструментах, устройствах или другом оборудовании, требующем подачи вращательной энергии. См. фиг. 11A-11D для примеров в этом отношении. На фиг. 11А, это двухтактный двигатель 9 с оппозитными поршнями.0874 1100 устанавливается на надводное транспортное средство, которое может включать колесную или гусеничную технику, такую ​​как автомобили, мотоциклы, мотороллеры, грузовики, танки, бронированные военные машины, снегоходы и все равнозначные и подобные экземпляры. На фиг. 11В, этот двигатель установлен на плавучем транспортном средстве, таком как лодка, судно на воздушной подушке, подводная лодка, личное водное транспортное средство и все эквивалентные и подобные транспортные средства. На фиг. 11С, этот двигатель установлен на самолете с неподвижным или винтокрылым крылом. На фиг. 11D, этот двигатель устанавливается в механизированное орудие, такое как газонокосилка, кромкообрезная машина, триммер, воздуходувка, снегоочиститель, цепная пила и все аналогичные и подобные устройства. На фиг. 11E, этот двигатель установлен в устройстве для выработки электроэнергии. На фиг. 11F двигатель установлен в насосном устройстве.

      Хотя изобретение было описано со ссылкой на конкретные иллюстрации и примеры, следует понимать, что могут быть сделаны различные модификации, не отступая от духа принципов нашего двигателя. Соответственно, изобретение ограничено только следующей формулой изобретения.

      5 Альтернативные архитектуры двигателей — как заменить двигатель внутреннего сгорания

      Команда разработчиков мультимедийных платформ

      С первых дней появления автомобиля в конце 1920-го века доминирующей силовой установкой была поршневая поршневая с искровым зажиганием по циклу Отто, за которой последовал дизель с воспламенением от сжатия. Эти двигатели все еще находятся в стадии разработки, и в ближайшие несколько лет их топливная экономичность значительно улучшится благодаря прямому впрыску, турбонаддуву и, в дальнейшем, воспламенению от сжатия с однородным зарядом (HCCI). Однако все эти двигатели имеют одинаковую архитектуру поршень-шатун-коленвал. По мере того, как инженеры стремятся к еще большей эффективности, исследуются новые архитектуры и пересматриваются старые менее успешные типы.

      Команда разработчиков мультимедийных платформ

      1 из 5

      Stirling

      Каждая из обсуждаемых здесь альтернативных архитектур двигателя имеет одну важную общую черту со стандартными поршневыми двигателями, которые доминировали в автомобилестроении более века: топливо сгорает внутри. камера для преобразования химической энергии в механическую для движения. Однако для этого необходимо подавать воздух и топливо в камеру сгорания, а выхлопные газы выводить из нее, что усложняет работу и снижает эффективность.

      В 1816 году шотландский изобретатель Роберт Стирлинг задумал двигатель замкнутого цикла, в котором рабочая жидкость (в данном случае воздух) остается внутри устройства. Источником тепла, которым может быть что угодно, включая горение, является внешний по отношению к двигателю. Подобно Ecomotors OPOC и Scuderi, пары поршней работают вместе, чтобы обеспечить полный цикл. Воздух в одной камере нагревается за счет теплопередачи через стенку цилиндра, отталкивающего поршень вытеснителя, который соединен со вторым силовым поршнем в расширительной камере. Поскольку нагретый воздух продолжает расширяться, он смещает силовой поршень, который приводит в движение коленчатый вал, создающий крутящий момент. По мере охлаждения воздуха оба поршня возвращаются в исходное положение, и процесс повторяется.

      До недавнего времени двигатели Стирлинга в основном использовались для стационарных применений, отчасти потому, что они не подходили для типичных переходных режимов, когда отдача мощности значительно менялась с течением времени. Тем не менее, новые конфигурации и возможность использовать альтернативные виды топлива возродили интерес, особенно для приложений, увеличивающих запас хода, где выгодны работа с постоянной скоростью и низкий уровень шума (из-за непрерывного внешнего сгорания).

      Группа разработчиков медиаплатформ

      2 из 5

      alt_engines_02

      Архитектура с оппозитными цилиндрами (OPOC) недавно привлекла значительное внимание с появлением новой компании под названием Ecomotors. В состав Ecomotors входят многочисленные ветераны автомобильной промышленности и инженеры, в том числе Дон Ранкл из General Motors и Питер Хофбауэр, ранее работавший в Volkswagen.

      Основным заявленным преимуществом архитектуры OPOC является высокая удельная мощность и повышение эффективности использования топлива на 50 процентов по сравнению с существующими двигателями с искровым зажиганием. Компания «Экомоторс» разработала модульную конфигурацию, в которой каждый модуль состоит из двух цилиндров. Внутри каждого цилиндра находятся два поршня, которые связаны с общим коленчатым валом. Пары поршней колеблются вперед и назад с общей камерой сгорания между ними. Двигатель OPOC работает по двухтактному циклу, при этом каждый поршень открывает только впускные или выпускные каналы, что позволяет лучше управлять тем, какие порты открыты, путем синхронизации каждого поршня.

      Хофбауэр объясняет, что использование двух поршней на цилиндр позволяет поршням перемещаться только на половину расстояния при одинаковой степени сжатия, так что двигатель может работать в два раза быстрее. Как и многие из этих альтернативных архитектур, двигатель OPOC может работать на различных видах топлива, включая бензин, дизельное топливо и биотопливо. Модули из двух цилиндров каждый могут быть соединены вместе, обеспечивая столько мощности, сколько необходимо для данного применения, а муфты с электронным управлением позволяют отключать отдельные модули для снижения расхода топлива при небольших нагрузках.

      Команда разработчиков медиаплатформ

      3 из 5

      Scuderi

      Уже более века практически все двигатели, которые мы использовали, работали либо на двух-, либо на четырехтактном дизельном цикле или цикле Отто с полным сгоранием. цикл, происходящий в пределах любого количества одиночных цилиндров. Каждый цилиндр будет иметь впуск, сжатие, мощность и выхлоп. Идея разделенного цикла, в котором один цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй отвечает за мощность и выпуск, восходит как минимум к концу 19 века.века, но еще никому не удавалось добиться в этом большого успеха.

      Группа Scuderi надеется изменить это с помощью конструкции с разделенным циклом, которую она разрабатывала в течение последних нескольких лет. Каждый модуль двигателя состоит из двух цилиндров и поршней, соединенных между собой коленчатым валом и перепускным каналом высокого давления. Поскольку в первый цилиндр нагнетается только воздух, он имеет степень сжатия 75:1. Выпускной клапан первого цилиндра выпускает воздух под высоким давлением в перепускной канал, где происходит некоторое охлаждение.

      Когда впускное отверстие второго цилиндра открывается, когда этот поршень приближается к верхней точке своего хода, воздух под высоким давлением устремляется из кроссовера. После закрытия клапана впрыскивается топливо и воспламеняется примерно на 15 градусов после верхней мертвой точки. Это время гарантирует, что воздух не подвергается повторному сжатию, что повышает общую термодинамическую эффективность. Scuderi утверждает, что безнаддувная версия ее двигателя может развивать мощность до 135 л. с. на литр, что обеспечивает гораздо лучшую удельную мощность и меньший расход топлива, чем у обычных двигателей. Воздушно-гибридная версия с аккумулятором высокого давления, который заряжается во время движения автомобиля накатом, может повысить эффективность еще на 50 процентов. Концепция Scuderi совместима с искровым зажиганием на бензине и других видах топлива или с воспламенением от сжатия на дизельном топливе. Первый работающий двигатель Scuderi начал испытываться на динамометрическом стенде в середине 2009 года., и компания надеется заключить производственную сделку с автопроизводителем в течение пяти лет.

      Команда разработчиков мультимедийных платформ

      4 из 5

      Свободнопоршневой двигатель

      Свободнопоршневой двигатель имеет некоторое сходство с OPOC, но обычно использует только два поршня на модуль. Поршни прикреплены к каждому концу сплошного шатуна и колеблются взад и вперед в цилиндре, поочередно запуская каждый поршень в двухтактном цикле. Свободнопоршневые двигатели имеют меньшее трение, чем традиционные поршневые двигатели с коленчатым валом, в результате меньшего вращательного движения. Свободнопоршневой двигатель может достигать термодинамического КПД до 50 процентов, что примерно вдвое превышает КПД обычного бензинового двигателя. Однако то же самое отсутствие вращательного движения делает эту конструкцию проблематичной для использования в качестве двигательной установки.

      Одной из архитектурных конфигураций свободнопоршневого двигателя, которая может оказаться полезной в будущем, является использование его в качестве генератора для электромобиля с увеличенным запасом хода. Медные обмотки вокруг центральной секции цилиндра можно было комбинировать с магнитами на шатуне для выработки электроэнергии, которая использовалась бы для зарядки аккумулятора. Компактный размер двигателя и почти полное отсутствие вибраций делают его жизнеспособной альтернативой для этих автомобилей с электрическим приводом.

      Группа разработчиков медиаплатформ

      5 из 5

      Ванкеля

      Роторная конструкция двигателя Феликса Ванкеля не совсем новая архитектура двигателя, она использовалась в различных серийных автомобилях с тех пор, как в 1957 году он создал первый работающий прототип. Преимущество Ванкеля в очень высокой удельной мощности. Нынешний 1,3-литровый безнаддувный двухроторный двигатель, используемый Mazda в спортивном автомобиле RX-8, выдает 238 л.с. К сожалению, у Ванкелей были проблемы с высоким расходом топлива и масла, что ограничивало их использование в последние десятилетия.

      Однако некоторые современные разработки сделали возрождение Ванкеля вполне возможным. Новые процессы механической обработки могут значительно улучшить качество поверхности стенок камеры, а новые материалы уплотнений могут снизить расход масла и повысить срок службы. Добавление непосредственного впрыска топлива будет способствовать снижению расхода топлива и выбросов за счет предотвращения вытекания несгоревшего топлива через отверстия при проносе ротора.

      Появление электромобилей с увеличенным запасом хода (ER-EV), таких как Chevrolet Volt, внезапно стало, казалось бы, идеальным приложением для Ванкельса. Поскольку двигатель в этих транспортных средствах используется только для привода генератора, его можно оптимизировать для работы на определенных фиксированных скоростях, а не для работы в переходном режиме.

      Изображение: дизельный поршень с каналом охлаждения, втулкой болта и держателем кольца Фото: Kolbenschmidt	Изображение: Поршень дизельного двигателя с шарнирно-сочлененной рамой, верхняя часть из кованой стали и алюминиевая юбка	Изображение: Залитые чугунные кольца-держатели во много раз увеличивают срок службы первой кольцевой канавки дизельных поршней. Kolbenschmidt является лидером в разработке склеивания кольцевых носителей Alfin Фото: Kolbenschmidt
      Изображение: Твердоанодированные кольцевые канавки предотвращают износ и микросваривание в поршнях бензиновых двигателей на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие аварийные характеристики. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам. Их использование минимизирует шум поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия Фото: Kolbenschmidt
      Изображение: Юбки поршня с железным покрытием (Ferrocoat®) гарантируют надежную работу при использовании на алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®) (Hi-SpeKS®) повышают динамическую грузоподъемность ложа поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня.0031 Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждая из которых использует свои уникальные технологии. Изображение: поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых/бензиновых легковых автомобилей) Особенности: – охлаждаемый канал поршня повышает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенного размера – эластотермический канал охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30°C – температура первой кольцевой канавки снижена примерно на 50°C, что снижает нагарообразование и износ канавок и колец для обеспечения длительного срока службы низкий расход масла и продувка на – снижение риска неконтролируемого сгорания, такого как раннее зажигание на низкой скорости. Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul) температура обода камеры сгорания на 10 % ниже – передовые технологии бокового литья значительно улучшают структурную стабильность (даже в случае конструкций с тонкими стенками) – реструктуризация обода камеры сгорания и основания камеры сгорания может обеспечить до 100 % увеличение усталостной долговечности Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). жесткие требования к двигателю на рынке двигателей большой мощности и промышленных двигателей, включая новое поколение давления зажигания двигателя, требуемое для дорожных правил Euro VI и выше. Прочная конструкция из кованых стальных профилей, сваренных инерционной сваркой, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает в себя последние разработки для промышленных двигателей большого диаметра, а также использование тонкостенных легких поковок и литья для дизельных двигателей легковых автомобилей. Особенности продукта: – большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающая деформацию канавки и улучшающая контроль масла и газонепроницаемость – профилированное отверстие под палец без втулки – юбка во всю длину для стабильного поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение кольцевого уплотнения — процесс обеспечивает гибкость материала с вариантами материала короны для снижения коррозии или окисления и/или вариантами материала юбки для повышения технологичности. Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Оно сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8 % по сравнению с обычными покрытиями поршней. Основные преимущества: — совместим с существующими и усовершенствованными покрытиями цилиндров и может быть без проблем внедрен в серийное производство двигателей в качестве рабочей замены — состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычными покрытиями, обеспечивая дополнительную защиту — соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей – запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых условий работы с бензином – снижение трения в блоке силового цилиндра (поршень+кольца) на 10 % по сравнению со стандартными покрытиями, улучшение экономии топлива/CO на 0,4 % 2 снижение в европейских испытаниях ездового цикла прочность в современных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском топлива – EcoTough® представляет собой запатентованное покрытие F-M Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul) служебный автомобиль) Усиление поршня DuraBowl® с частичным переплавлением кромки чаши: – предельное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное путем локального повторного плавления с использованием технологии TIG – повышение долговечности в двигателях с высокой удельной мощностью до 4 раз по сравнению с поршнями без камеры сгорания повторное плавление. Позволяет создавать высоконагруженные формы камеры сгорания – процесс F-M DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в самых сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня Предоставлено: Tenneco Powertrain (Federal Mogul). – наклонные боковые панели – легкая опорная конструкция для штифтов – тонкие стенки 2,5 мм – оптимизированная площадь юбки и гибкость – высокопрочный сплав F-M S2N Особенности и преимущества: – снижение веса на 15 % по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения – удельная мощность до 100 кВт/л – оптимизированные характеристики шума и трения Совместимость с опцией держателя колец Alfin для повышения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации Кредит : Tenneco Powertrain (Federal Mogul) Назад Часто задаваемые вопросы Для чего используются поршни? Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая таким образом крутящий момент двигателя. Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу. Что такое поршень и как он работает? Поршень — это деталь двигателя внутреннего сгорания, изготовленная из алюминия или стали, используемая для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал. Из чего сделан поршень? Поршень может быть изготовлен из цветного металла, алюминия (Al) или черного материала, например, чугуна или стали . Какие существуют два типа поршневых колец? Два типа поршневых колец: компрессионные кольца и маслосъемные кольца . Какие существуют два основных типа поршневых двигателей? Два основных типа поршневых двигателей: дизель поршни двигателя и бензин (бензин) поршни двигателя. Функция материала, два основных типа поршня: поршень из алюминия и поршень из стали . Как долго должны служить поршни? Поршень должен служить в течение всего срока службы автомобиля при нормальных условиях эксплуатации (нормальная смазка, регулярное обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерных нагрузок, отсутствие чрезмерных температур). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300 000 км, а затем 500 000 км и более. Что вызывает появление отверстий в поршнях? Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, а детонация двигателя может привести к растрескиванию поршней. Неисправные форсунки могут подавать в цилиндры чрезмерное количество топлива, что может привести к аномально высоким температурам сгорания и частичному расплавлению поршней. Как узнать, повреждены ли поршни? При повреждении поршня наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери компрессии, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя. Можете ли вы починить сломанный поршень? Сломанный поршень не подлежит ремонту, его необходимо заменить. Поршень имеет очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не могут быть соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшему повреждению. Сломанный поршень может привести к значительному повреждению блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. д. и должен быть немедленно заменен. Можно ли водить машину с неисправным поршнем? Можно ездить с неисправным поршнем, но не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к серьезному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. д. Если поврежденный поршень не заменить, это может привести к полному отказу двигателя. Повредит ли мой двигатель удар поршня? Стук поршня приведет к повреждению двигателя, оставленного без присмотра. Стук поршня в течение длительного времени повреждает гильзу цилиндра и сам поршень. Пропадает ли стук поршня при прогреве? Стук поршня частично исчезнет, ​​когда двигатель прогреется. Стук поршня возникает из-за чрезмерного износа гильзы цилиндра или самого поршня. Когда двигатель нагревается, поршень подвергается тепловому расширению, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению ударов поршня. Можно ли ездить с лязгом поршня? Ездить с лязгом поршня можно, но долго ездить не рекомендуется. Стук поршня приведет к износу самого поршня и гильзы цилиндра. Стук поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если оставить его без присмотра. Что вызывает износ юбки поршня? Износ юбки поршня вызван отсутствием масляной смазки гильзы цилиндра. В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или при недостаточном уровне масла на стенках цилиндров будет недостаточно масла, а юбка поршня будет сильно изнашиваться. Для любых вопросов, замечаний и запросов по этой статье используйте форму комментариев ниже. Не забудьте поставить лайк, поделиться и подписаться! Назад Ссылки [1] Клаус Молленхауэр, Гельмут Чёке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010. [2] Хироси Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Cambridge , England, 2005. [3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011. [4] Heisler, Heinz, Vehicle and Engine Technology, Society of Automotive Engineers, 1999. [5] QinZhaoju et al, Моделирование термомеханического соединения поршня дизельного двигателя и междисциплинарная оптимизация конструкции, Case Studies in Thermal Engineering, Volume 15, Ноябрь 2019 г. [6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012 г. [7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Термическая и механическая нагрузка в области камеры сгорания дизельных поршней AlSiCuNiMg легковых автомобилей; Рассмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и методы инструментального тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, документ SAE 2012-01-1330. [8] Т.К. Garrett et al., The Motor Vehicle, 13th Edition, Butterworth-Heinemann, 2001. [9] N.Dolatabadi et al., Об идентификации ударов поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes 58. –59, июнь 2015 г., страницы 308–324, Elsevier, 2014. [10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чёке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010. Все, что вы хотели знать о поршнях – характеристика — Автомобиль и водитель РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Из октябрьского выпуска Автомобиль и водитель Кусочки алюминия внутри вашего двигателя живут в огненном аду. При полностью открытой дроссельной заслонке и 6000 об/мин поршень бензинового двигателя подвергается воздействию силы почти в 10 тонн каждые 0,02 секунды, поскольку повторяющиеся взрывы нагревают металл до более чем 600 градусов по Фаренгейту. В наши дни этот цилиндрический Аид горячее и интенсивнее, чем когда-либо, и для поршней, скорее всего, станет только хуже. Поскольку автопроизводители стремятся к повышению эффективности, производители поршней готовятся к будущему, в котором самые мощные безнаддувные бензиновые двигатели будут производить 175 лошадиных сил на литр по сравнению со 130 сегодняшними. С турбонаддувом и повышенной мощностью условия становятся еще более жесткими. За последнее десятилетие рабочая температура поршня поднялась на 120 градусов, а пиковое давление в цилиндре увеличилось с 1500 фунтов на квадратный дюйм до 2200 фунтов на квадратный дюйм. Поршень рассказывает историю о двигателе, в котором он находится. Коронка может показать отверстие, количество клапанов и то, впрыскивается ли топливо непосредственно в цилиндр. Тем не менее, конструкция и технология поршня также могут многое сказать о более широких тенденциях и проблемах, стоящих перед автомобильной промышленностью. Выдумывая максиму: как движется автомобиль, так работает и двигатель; и как движется двигатель, так движется и поршень. В поисках лучшей экономии топлива и снижения выбросов автопроизводители требуют более легких поршней с меньшим коэффициентом трения и выносливостью, чтобы выдерживать более жесткие условия эксплуатации. Именно эти три проблемы — долговечность, трение и масса — поглощают рабочие дни поставщиков поршней. Во многих отношениях развитие бензиновых двигателей идет по пути, проложенному дизелями 15 лет назад. Чтобы компенсировать 50-процентное увеличение пикового давления в цилиндре, некоторые алюминиевые поршни теперь имеют вставку из железа или стали для поддержки верхнего кольца. Для самых горячих бензиновых двигателей скоро потребуется охлаждающая галерея или закрытый канал на нижней стороне головки, который более эффективен для отвода тепла, чем сегодняшний метод простого распыления масла на нижнюю часть поршня. Разбрызгиватели стреляют маслом в маленькое отверстие в нижней части поршня, которое питает галерею. Однако кажущаяся простой технология непроста в производстве. Создание полого канала означает отливку поршня из двух частей и их соединение трением или лазерной сваркой. На поршни приходится не менее 60 процентов трения двигателя, и улучшения здесь напрямую влияют на расход топлива. Снижающие трение пропитанные графитом смоляные накладки, нанесенные трафаретной печатью на юбку, теперь почти универсальны. Поставщик поршней Federal-Mogul экспериментирует с конической поверхностью маслосъемного кольца, что позволяет уменьшить натяжение кольца без увеличения расхода масла. Трение нижнего кольца может разблокировать до 0,15 лошадиных сил на цилиндр. Автопроизводители также жаждут новых покрытий, снижающих трение между деталями, которые трутся или вращаются друг о друга. Твердое и скользкое алмазоподобное покрытие, или DLC, перспективно для гильз цилиндров, поршневых колец и поршневых пальцев, где оно может устранить необходимость в подшипниках между пальцем и шатуном. Но это дорого и мало применимо в современных автомобилях. «[Производители] часто обсуждают DLC, но попадут ли они в серийные автомобили — это знак вопроса», — говорит Йоахим Вагенбласт, старший директор по разработке продуктов в Mahle, немецком поставщике автозапчастей. Все более сложное компьютерное моделирование и более точные методы производства также позволяют создавать более сложные формы. В дополнение к чашам, куполам и углублениям клапана, необходимым для обеспечения зазора и достижения определенной степени сжатия, асимметричные юбки имеют меньшую и более жесткую область на упорной стороне поршня для снижения трения и концентрации напряжений. Переверните поршень, и вы увидите конические стенки толщиной едва ли более 0,1 дюйма. Более тонкие стенки требуют более жесткого контроля за допусками, которые уже измеряются в микронах или тысячных долях миллиметра. Тонкие стены также требуют лучшего понимания теплового расширения объекта, который иногда должен нагреваться от нуля до нескольких сотен градусов за считанные секунды. Металл в вашем двигателе неравномерно расширяется при нагревании, поэтому оптимизация допусков требует опыта проектирования и точных возможностей обработки для создания небольших эксцентриситетов в деталях. «Ничто из того, что мы делаем, не является прямым или круглым, — говорит Кери Уэстбрук, директор по разработкам и технологиям в Federal-Mogul. «Мы всегда строим некоторую компенсацию». Поршни дизельных двигателей претерпевают собственную эволюцию по мере того, как пиковое давление в цилиндрах возрастает до 3600 фунтов на квадратный дюйм. Mahle и Federal-Mogul предсказывают переход от литого алюминия к поршням из кованой стали. Сталь плотнее алюминия, но в три раза прочнее, благодаря чему поршень более устойчив к более высоким давлениям и температурам без увеличения веса. Сталь позволяет заметно изменить геометрию за счет уменьшения высоты сжатия поршня, определяемой как расстояние от центра поршневого пальца до вершины головки. На эту площадь приходится 80 процентов веса поршня, поэтому короче обычно означает легче. Важно отметить, что более низкая компрессионная высота не только сжимает поршни. Это также позволяет использовать более короткий и легкий блок двигателя, поскольку высота платформы уменьшена. Mahle производит стальные поршни для передовых турбодизельных двигателей, таких как Audi R18 TDI, четырехкратный победитель Ле-Мана, и двигатель Mazda LMP2 Skyactiv-D. В конце этого года компания начнет поставки своих первых стальных поршней для серийного дизельного двигателя малой грузоподъемности — 1,5-литрового четырехцилиндрового двигателя Renault. Непреходящая актуальность двигателя внутреннего сгорания обусловлена ​​постоянной эволюцией его компонентов. Поршни не сексуальны. Они не такие модные, как литий-ионный аккумулятор, не такие сложные, как коробка передач с двойным сцеплением, и не такие интересные, как дифференциал с вектором крутящего момента. Тем не менее, после более чем столетия автомобильного прогресса поршни с возвратно-поступательным движением продолжают производить большую часть движущей силы. 1. Ferrari F136 Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель Приложения: Ferrari 458 ITALIA 9087 (Показан) 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, 9087, , , , , , , . Тип двигателя: DOHC V-8 Рабочий объем: 274 куб. дюйма, 4497 ​​см3 Удельная мощность: 125,0 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 9000 об/мин Отверстие: 3,70 дюйма Вес: 2,1 фунта 2. Ford Fox Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель Приложения: Ford Fiesta (показан) . : с турбонаддувом, DOHC, рядный, три Рабочий объем: 61 куб. дюйм, 999 см3 Удельная мощность: 123,1 л.с./л. Максимальная частота вращения двигателя: 6500 об/мин Отверстие: 2,83 дюйма Вес: 1,5 фунта 3. Cummins ISB 6.7 Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, STIHL USA, производитель Приложения: Heavy Dirty (Показатель) .666676. : рядный шестицилиндровый дизельный двигатель с толкателем и турбонаддувом Рабочий объем: 408 куб. дюймов, 6690 куб.см Удельная мощность: 55,3 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 3200 об/мин Отверстие: 4,21 дюйма Вес: 8,9 фунта 4. Ford Coyote ROY RITCHIE, MARK BRAMLEY, MICHEAL SIMARI , ROBERT KERIAN, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, THE MANUFACTURER Applications: Ford F-150, Mustang (shown) Тип двигателя: DOHC V-8 Рабочий объем: 302 куб. дюйма, 4951 см3 Удельная мощность: до 84,8 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 7000 об/мин Отверстие: 3,63 дюйма Вес: 2,4 фунта 5. Fiat Fire 1.4L Turbo РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Dodge ; Фиат 500 Абарт (на фото) , 500 л, 500 Turbo Тип двигателя: рядный четырехцилиндровый SOHC с турбонаддувом Рабочий объем: 83 куб. дюйма, 1368 см3 Удельная мощность: до 117,0 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин Отверстие: 2,83 дюйма Вес: 1,5 фунта 6. Cummins ISX15 РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Применение: большегрузные автомобили (показан International Prostar) Тип двигателя: рядный шестицилиндровый дизель SOHC с турбонаддувом Рабочий объем: 912 куб. дюймов, 14 948 куб. см Удельная мощность: до 40,1 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 2000 об/мин Отверстие: 5,39 дюйма Вес: 26,4 фунта 7. Chrysler LA-серии Magnum V-10 Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Стихл США, производитель Приложения: Dodge Viper (показано) ДВИГАТЕЛЬ. Рабочий объем: 512 куб. дюймов, 8382 куб. см Удельная мощность: 76,4 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 6400 об/мин Отверстие: 4,06 дюйма Вес: 9 шт.0877 2,8 фунта 8. Ford Ecoboost 3.5L Рой Ритчи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель . Приложение: 777777. (на фото) , Taurus SHO, Transit; Lincoln MKS, MKT, Navigator Тип двигателя: с двойным турбонаддувом DOHC V-6 Рабочий объем: 213 куб. дюймов, 3496 куб. см Конкретный вывод: до 105,8 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин Отверстие: 3,64 дюйма Вес: 2,6 фунта 9. Toyota 2Ar-Fe Рой Ричи, Марк Брэмли, Мишель Симари, Роберт Кериан, Международные грузовики, Stihl USA, производитель Приложения: Scion TC (показан) ; Toyota Camry, RAV4 Тип двигателя: DOHC, рядный, четыре Рабочий объем: 152 куб.дюйма, 2494 куб.см Удельная мощность: до 72,2 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 6500 об/мин Отверстие: 3,54 дюйма Вес: 2,5 фунта 10. Stihl MS441 Chain Saw ROY RITCHIE, MARK BRAMLEY, MICHEAL SIMARI , ROBERT KERIAN, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, THE MANUFACTURER Applications: MS441 C-M Magnum chain saw (shown) , MS441 Цепная пила C-MQ Magnum Тип двигателя: двухтактный одноцилиндровый Рабочий объем: 4 куб. дюйма, 71 см3 Удельная мощность: 79,7 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 13 500 об/мин Отверстие: 1,97 дюйма Вес: 0,4 фунта 11. Chrysler Hellcat 6.2L РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Применение: Dodge Challenger SRT Hellcat Тип двигателя: толкатель V-8 с наддувом Рабочий объем: 376 куб. дюймов, 6166 куб. см Удельная мощность: 114,7 л.с./л Максимальная скорость двигателя: 6200 об/мин Отверстие: 4,09 дюйма Вес: 3,0 фунта РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ По мере увеличения нагрузки на поршни растут и требования к шатунам. Более высокое давление сгорания приводит к большим нагрузкам на стержни, соединяющие поршни с кривошипом. За редким исключением экзотических деталей из титана, шатуны обычно либо изготавливаются из порошковой стали, прессуются и нагреваются в форме, либо выковываются из стальной заготовки для более высокопроизводительных приложений. Основным технологическим сдвигом является растрескивание крышек шатунов как для порошковых, так и для кованых шатунов. Раньше шатун и торцевая крышка шатуна изготавливались как отдельные детали. Стержни с треснутыми крышками выходят из формы как единое целое в форме накидного ключа. Конец шатунной шейки травится, а затем защелкивается пополам с помощью пресса. Полученная неровная поверхность улучшает выравнивание; обеспечивает более надежное соединение крышки со стержнем; и позволяет использовать более тонкий и легкий шатун в сборе. РОЙ РИЧИ, МАРК БРЭМЛИ, МАЙКЛ СИМАРИ, РОБЕРТ КЕРИАН, INTERNATIONAL TRUCKS, STIHL USA, ПРОИЗВОДИТЕЛЬ Неметаллические поршни: Керамика и композиты обеспечивают привлекательность более низкого теплового расширения, меньшего веса и более высокой прочности и жесткости по сравнению с алюминий. В 1980-х Mercedes-Benz использовал грант правительства Германии для создания двигателя 190E с поршнями из углеродного композита, который без проблем проехал 15 000 миль. В то время как технология надежна, производство было ограничивающим фактором. А 1990 Исследование НАСА показало, что обработка одного поршня из углерод-углеродной заготовки стоит 2000 долларов. Альтернативой был трудоемкий процесс ручной укладки. Роторы Ванкеля: Хорошо, хорошо, мы знаем, что это не возвратно-поступательный поршень, но чугунный треугольный ротор является аналогом поршня двигателя Ванкеля, потому что он преобразует энергию сгорания в крутящий момент. Пока новой Mazda RX не предвидится, нашей единственной надеждой на возрождение роторного двигателя остается Audi, которая дразнила нас расширителем диапазона Ванкеля в своей гибридной концепции Audi A1 e-tron 2010 года. Овальные поршни: В то время, когда двухтактные мотоциклетные двигатели были нормой, в 1979 году Honda представила на Всемирном Гран-при мотоциклов четырехтактный двигатель. Это один из самых странных двигателей в истории. Мотоцикл Honda NR500 GP был оснащен двигателем V-4 с углом V-образного сечения 100 градусов, овальными цилиндрами с восемью клапанами на каждом и двумя шатунами на поршень. Герметизация овальных поршней оказалась сложной задачей (первоначальный бизнес Соитиро Хонды заключался в поставке поршневых колец для Toyota), но это было одной из меньших забот команды. Велосипеды регулярно выбывали из гонок World GP и иногда не проходили квалификацию. В течение трех лет Honda вернулась к традиционному двухтактному гоночному двигателю. Двигатели с оппозитными поршнями: Дизельный двухтактный двигатель EcoMotors с оппозитными поршнями и оппозитными цилиндрами (OPOC) заявляет об улучшении эффективности на целых 15 процентов по сравнению с обычным двигателем с воспламенением от сжатия. Разместив камеру сгорания между двумя поршнями, компания устранила головки цилиндров и клапанный механизм, которые являются источниками значительных потерь тепла и трения. Двигатель OPOC с меньшим количеством деталей также должен быть дешевле и легче, если он не окажется на полке с фантастическим карбюратором Fish. Этот контент импортирован из OpenWeb. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте. Поршень: определение, детали, функции, материалы, выпуск, работа В двигателе внутреннего сгорания поршень является одним из важнейших компонентов, помогающих работе цикла сгорания. Часть двигателя заключена в блок цилиндров, в котором используется поршневое кольцо, не оставляющее места для утечки газа. Поршни помогают в преобразовании тепловой энергии в механическую работу и наоборот. Он движется вверх и вниз внутри цилиндра, расширяя и сжимая топливовоздушную смесь. По этой причине поршень в двигателе внутреннего сгорания неизбежен. Сегодня мы рассмотрим определение, функции, работу, типы, детали, материалы и схему автомобильного поршня. Читать: Компоненты автомобильного двигателя Содержание 1 Что такое поршень? 2 Функции поршня в двигателях внутреннего сгорания 3 Как работает поршень? 4 Материал поршня 5 Основные части поршни и их функции 5.1 Пьесной юбка: 5.2 Поршневые кольца: 5.3 Piston Pints: 5.4. : 5.7 Болт шатуна: 5.8 Шатун: 6 Типы поршней 7 Общие проблемы с поршнями 7. 1 Пожалуйста, поделитесь! Что такое поршень? Поршень представляет собой механическое устройство, которое перемещается вверх для сжатия газа и вниз за счет взрыва в цилиндре для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Поршень следует циклическому процессу для продолжения процесса преобразования тепла. процесс достигается тремя способами: Обеспечение теплом газа внутри цилиндра для полезной работы Отвод тепла от баллона для снижения давления, чтобы газ можно было легко сжать. Приложение работы к поршню, когда он находится в исходном состоянии, готовом к повторному выполнению цикла. Функции поршня в двигателях внутреннего сгорания Поршни играют жизненно важную роль в автомобильном двигателе, включая бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Процесс этих двух двигателей внутреннего сгорания отличается, но они используют поршень для своих процессов. Ниже приведены функции поршня автомобильного двигателя: Основная функция поршня заключается в передаче силы взрыва небольшого газа в цилиндре на коленчатый вал. Это обеспечивает вращательный момент маховику. Он движется вперед, так что газы могут сжиматься и может произойти взрыв при обратном движении. Поршень содержит штифт, называемый поршневым пальцем, который позволяет газу в камере не выходить. Шатун, прикрепленный к днищу поршня, позволяет передавать механическую работу. Поршни помогают переносить топливно-воздушную смесь в период цикла сгорания. Поршни помогают контролировать поток масла в стенках цилиндра с помощью маслосъемного кольца. Как работает поршень? Спросив, как работает поршень, вы узнаете весь принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Это связано с тем, что поршень выполняет основную работу во время четырехтактного цикла. Как упоминалось ранее, двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов, и они работают по-разному. Один из них работает со свечой зажигания, поэтому он называется «двигатель с искровым зажиганием», а другой — «двигатель с воспламенением от сжатия». Работа у них совсем другая. Что ж, работа этого двигателя была описана в другой статье. Читать: Применение дизельного двигателя В видео ниже показана работа поршня в двигателе внутреннего сгорания en gine: Материал поршня Чугун — самый ранний материал, из которого изготавливали поршень. Однако современный двигатель выигрывает от более легких материалов для балансировки двигателя. Хорошие поршни должны выдерживать температуру сгорания двигателя. Сплавы, такие как Y-сплавы и гидуминий, специально используются для получения таких свойств. Поршни изготовлены из алюминиевых сплавов методом литья. Некоторые поршни, используемые в гоночных автомобилях, требуют большей прочности и усталостной долговечности, поэтому они кованые. Поршни из заготовок также используются в гоночных двигателях, потому что они не зависят от размера и архитектуры доступных поковок, что позволяет менять конструкцию в последние минуты. Хотя обычно невооруженным глазом это не видно. ниже схема поршня: Основные части поршней и их функции Ниже приведены пояснения к основным частям поршня: Юбка поршня: Юбка поршня представляет собой цилиндрический материал, прикрепленный к круглой части поршня. Обычно он изготавливается из чугуна, чтобы противостоять износу и обладает самосмазывающимися свойствами. На юбке имеются канавки, что позволяет идеально сесть поршневым кольцам. Функция юбки поршня заключается в движении вверх и вниз по цилиндру. Поршневые кольца: Поршневые кольца представляют собой детали разрезных колец, которые устанавливаются в углублении поршня. В двигателе обычно три поршневых кольца. Иногда кольцо может быть и одно, в зависимости от типа двигателя. Подшипники поршня: Подшипники представляют собой большие детали поршня, которые способствуют эффективности движения. Он расположен в точках, где происходит осевое вращение. Эти подшипники обычно представляют собой полукруглые металлические детали, которые входят в отверстия этих точек. Подпишитесь на нашу рассылку новостей Поршневой палец: Поршневой палец — это часть поршня, также известная как поршневой палец или поршневой палец. Этот штифт представляет собой полый или сплошной вал в секции юбки. На этом пальце шарнирно закреплен поршневой шток, удерживаемый во втулке поршневого кольца. Функция поршневого пальца состоит в том, чтобы обеспечивать поддержку подшипника, чтобы поршень мог нормально функционировать. Головка поршня: Эта часть поршня, также известная как головка или купол, представляет собой верхнюю поверхность. Это часть, которая контактирует с дымовыми газами, из-за чего она подвергается чрезвычайно высокой температуре. Функция поршня состоит в том, чтобы воспринимать давление, температуру и другие напряжения расширяющегося газа. Шатунный болт: Еще одна часть поршня, которую нельзя оставить без внимания, это шатунный болт. Он используется для крепления шатуна к коленчатому валу. На нижнем конце шатунных болтов есть крышки и подшипники. Затем гайка используется для фиксации компонентов вместе с болтом. Шатун: Шатун является одной из основных частей поршня, который чаще всего укорачивается как шатун или шток. Он соединяет поршень с коленчатым валом двигателя и обеспечивает движение поршня в камере. Компонент рассчитан на механическую нагрузку, поэтому он достаточно прочен. Детали поршня изготавливаются методом ковки, а иногда и литья. Читать: Четырехтактный двигатель: все, что вам нужно знать Типы поршней Ниже представлены три типа поршней: Тарельчатые поршни: тарельчатый поршень имеет форму пластины со слегка закругленной вверх по внешним краям. Это легко и просто, а также доставляет меньше проблем инженерам. Он часто используется в приложениях с наддувом, которые не требуют высокого подъема распределительного вала или высокой степени сжатия. Поршни с плоской вершиной: поршень с плоской вершиной имеет плоскую верхнюю часть. У него наименьшая площадь поверхности, что дает возможность создать наибольшую силу. Он идеально подходит для создания эффективного сгорания. Поршни с плоским верхом создают сильный взрыв в камере, но сжатие может быть слишком сильным для меньших камер сгорания. Купольные поршни: Концепция тарельчатых поршней полностью противоположна тарельчатому типу. Средний пузырек для увеличения площади поверхности остается на верхней части поршня. Что ж, большая площадь поверхности означает меньшее сжатие, в то время как большее сжатие означает большее создаваемое усилие. Камера сгорания имеет верхний предел, который она может выдержать, поэтому снижение степени сжатия — лучший способ предотвратить поломку двигателя. Читать Все, что вам нужно знать о системе трансмиссии Распространенная проблема с поршнем Проблема развития поршня не что иное, как трещина. Эта трещина возникает в верхней части головки поршня, известной как головка. Обычно это вызвано чрезмерной компрессией или опережением опережения зажигания из-за давления сгорания в бензиновых двигателях. Головка поршня трескается, потому что она работает за пределами рабочего давления. В дизельном двигателе поршень выходит из строя из-за состояния, известного как термическая усталость. Термическая усталость возникает, когда двигатель работает под большой нагрузкой наряду с легкой нагрузкой. Эти постоянные резкие изменения температуры сгорания внезапно приводят к термическим трещинам в головке поршня. Трещины случаются и в юбке поршня из-за постоянной перегрузки двигателя и усталости от большого пробега. В некоторых случаях причиной является конструкция поршня. В большинстве случаев производитель исправляет последнюю, поставляя замененную деталь. Юбка поршня может треснуть на ранней стадии ремонта двигателя, когда поршень неправильно установлен на шатунах. Это вызывает усталостные переломы, которые вызывают серьезные трещины на юбке. Читайте: Как работает автомобильный двигатель Именно для этой статьи выделите определение, работу, детали, типы, материал, проблему поршня. Я надеюсь, что знания достигнуты, если это так, дайте знать свою мысль и не забудьте поделиться. Спасибо! эксплуатационные характеристики водородного свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания и системы линейного генератора | International Journal of Low-Carbon Technologies Abstract В настоящее время разрабатывается система выработки электроэнергии, использующая свободнопоршневой двигатель на водородном топливе (FPICE) и линейный генератор. FPICE обеспечивает более эффективную выходную мощность по сравнению с обычными поршневыми двигателями с возвратно-поступательным движением, поскольку он использует множество преимуществ, таких как низкие потери на трение и по своей природе переменная степень сжатия, помимо низкого уровня выбросов вредных выхлопных газов. Кроме того, если в FPICE используется водородное топливо, можно было бы сделать уровень выбросов выхлопных газов практически нулевым без ущерба для эффективности. В этом исследовании был разработан прототип FPICE, двухтактного двухцилиндрового двигателя, и между цилиндрами была встроена система линейной генерации для получения электроэнергии и запуска двигателя. Работать двигатель можно было на частоте 17 Гц. Было обнаружено, что FPICE дает разные положения поршня в верхней мертвой точке, и это неравномерное движение поршня одновременно существенно влияет как на процесс сжатия, так и на последующее сгорание в другом цилиндре двигателя. В испытательном двигателе использовались как сжатый природный газ, так и водород, и результаты показали разные характеристики сгорания в зависимости от используемого топлива. Поскольку эффективность продувки легко ухудшается при работе двухтактных двигателей на такой низкой скорости, было обнаружено, что водородное топливо дает более высокую скорость сгорания и, как следствие, демонстрирует улучшение выходной мощности и выбросов. 1 ВВЕДЕНИЕ В двигателе со свободным поршнем (FPE) движение поршня не ограничивается какими-либо механическими связями, тогда как в обычных двигателях используется кулисно-кривошипный механизм для преобразования линейного движения поршня во вращательное движение. FPE можно разделить на три категории в зависимости от количества и расположения поршней, как показано на рисунке 1 [1]. Рисунок 1. Открыть в новой вкладкеСлайд загрузки Различные свободные конфигурации поршня [1]. Основной принцип работы подобен обычному поршневому двигателю, т.е. химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию с помощью линейно движущегося узла поршня. Основная концепция конструкции заключается в использовании минимального преобразования энергии топлива в электрическую [2–7] или гидравлическую энергию [8–10], которая используется линейным генератором или гидроприводом соответственно. Обычно используется двухтактный двигатель, потому что он требует рабочего хода один раз на каждый такт. Существуют некоторые преимущества по сравнению с обычным двигателем с коленчатым валом, которые могут быть достигнуты с помощью концепции свободного поршня, поскольку он использует множество преимуществ, таких как низкие потери на трение, естественно переменное сжатие, эффективная переходная работа, короткое пребывание в ВМТ и стоимость производства. сбережения. Простота конструкции позволяет FPE иметь более высокую удельную мощность, поскольку он требует меньше веса и меньше места. Кроме того, потери на трение ниже, поскольку существует меньше движущихся частей, а поршень не имеет боковых сил, создаваемых кривошипно-шатунным механизмом. Хотя большая часть потерь на трение приходится на узел поршня, другие части, составляющие около 20 процентов трения, по-прежнему ответственны за коленчатый вал при 1500 об/мин, что в FPE считается примерно 25 Гц [11]. Конфигурация со свободным поршнем позволяет изменять длину хода или степень сжатия практически мгновенно, цикл за циклом и надежный контроль степени сжатия позволяют оптимизировать степень сжатия в различных условиях эксплуатации, что невозможно в обычных двигателях с коленчатым валом. Таким образом, в двигателе могут применяться различные альтернативные виды топлива без серьезных модификаций аппаратуры [2, 7, 8]. Кроме того, FPE предлагает определенные преимущества эффективности и снижения выбросов при холодном запуске двигателя. Его малая механическая инерция и способность достигать заданной скорости практически при первом ходе поршня, при меньшем трении, делают пусковые переходные процессы сравнительно короткими и более эффективными [8]. Голдсборо и др. [2] указал, что при одинаковом ходе поршня и частоте поршня есть некоторые различия между движениями поршня в FPE и в двигателе с коленчатым валом. Как показано на рисунке 2, свободный поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ) меньше времени, чем поршень, приводимый в движение коленчатым валом. Это более короткое время пребывания в ВМТ для свободного поршня может быть привлекательным с точки зрения потерь теплопередачи и образования NO x , поскольку желательно более короткое время при более высокой температуре [2]. Рисунок 2. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Положение поршня в зависимости от времени [2]. Последним, но не менее важным преимуществом является то, что цена двигателя и себестоимость производства FPE намного ниже из-за его простой конструкции. Отсутствие кривошипного механизма создает и некоторые недостатки: система управления сложнее, чем у обычных двигателей. Степень сжатия неопределенна и зависит от энергетического баланса поршня при каждом такте. Низкий уровень выбросов и эффективное горение требуют контролируемого движения поршня. Хотя в упомянутой литературе было предложено очень много конфигураций свободного поршня, многие из них предназначены только для вычислительных подходов до демонстрации или просто для внедрения собственных прототипов, которые далеки от завершения стабильной работы. Это связано с тем, что остается еще много технических трудностей, и это делает цель стабильного и более эффективного сгорания в свободно-поршневых двигателях едва достижимой. Для того, чтобы система генерации FPE была коммерчески доступна, помимо низкой стоимости необходимо, чтобы она демонстрировала высокую эффективность и стабильную работу. В этом исследовании прототип FPE и линейного генератора были протестированы для оценки производительности, чтобы получить более высокую эффективность и более низкий уровень выбросов, чем обычные системы генерации. 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Поскольку в испытательном двигателе используется последовательное сгорание для каждого такта в двух цилиндрах, предполагается, что они имеют одинаковую геометрию и также передают одинаковую мощность на поршни. Когда левый цилиндр находится в процессе расширения, как показано на рис. 3, уравнение движения поршня имеет вид , где F L — сила расширения сгоревшего газа, F EM сила электромагнитного запирания, а F f — сила трения каждого узла поршня и F R — сила сжатия горючей смеси соответственно. Рис. 3. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Силы, действующие на движитель испытательного двигателя. Чтобы получить значения F L , F R , предполагался цикл идеального газа, который состоит из процесса политропного сжатия и расширения, а также подвода тепла с постоянным объемом. Для силы трения применялась эмпирическая корреляция среднего эффективного давления трения, предложенная Блэром в его книге [12]. Для электромагнитной силы фиксации было принято значение 400 Н из анализа плотности магнитного поля. Из результатов расчета, показанных на рисунке 4, целевая частота 30 Гц была достигнута при массе двигателя 2,3 кг. Рис. 4. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Частота перемещения поршня по отношению к весу движителя. 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА Испытательный двигатель имеет два поршня и состоит из двух противоположных цилиндров сгорания со встроенным линейным генератором переменного тока между ними (рис. 5 и 6). Поршни каждого цилиндра соединены валом движителя, на котором установлены постоянные магниты. Двухтактный цикл сгорания в чередующихся цилиндрах толкает двигатель вперед и назад через катушки генератора, индуцируя электрический ток для выработки электроэнергии. Генератор переменного тока также используется для управления движением вала и запуска двигателя. Рисунок 5. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Схема тестового двигателя. Рисунок 6. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Фотография установки тестового двигателя. Испытуемый двигатель первоначально представлял собой двухтактный бензиновый двигатель с искровым зажиганием и имел рабочий объем почти 100 куб.см. Картер был модифицирован для работы со свободным поршнем, а двигатель работал как на сжатом природном газе (КПГ), так и на водороде соответственно. Когда в двигателе использовалось топливо СПГ, ход поршня удлинялся наполовину по сравнению с первоначальным ходом, чтобы получить больше полезной работы от генератора. Основные характеристики испытательного двигателя приведены в таблице 1, а фотография установки двигателя показана на рис. 6. Таблица 1 Технические характеристики тестового двигателя. 91 121 5 Bore (mm)  50.6  Stroke (mm)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150.8 a /100.5 b   Степень сжатия 7,8  Время впуска  от −7,5 до −23,5  2. 5 to −18.5  Mass of mover (kg)  8.91  Bore (mm)  50.6  Stroke (mm)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150.8 a /100.5 b   Compression ratio  7.8  Intake port timing  −7.5 to −23.5  Exhaust port timing  2.5 to −18.5  Mass of mover (kg)  8.91  a For CNG. b Для работы с водородом. Открыть в новой вкладке Таблица 1 Спецификация тестового двигателя. Диаметр отверстия (мм)  50,6  Ход (мм)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150. 8 a /100.5 b   Compression ratio  7.8  Intake port timing  −7.5 to −23.5  Exhaust port timing  2.5 to −18.5  Mass of mover (kg)  8.91  1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111119н0122 Bore (mm)  50.6  Stroke (mm)  75 a /50 b   Displacement (cc)  150.8 a /100.5 b   Compression ratio  7.8 Время впускного порта от -7,5 до -23,5 Время выхлопного порта 2,5 до -18,5 Mass Mess of Mover (KG) и Для СПГ. b Для работы с водородом. Открыть в новой вкладке Частота вращения двигателя регулируется в основном моментом зажигания в фиксированном положении поршня, определяемом линейным энкодером абсолютного положения, прикрепленным к магниту движителя внутри линейного генератора переменного тока. Впрыск топлива также был синхронизирован с сигналом датчика положения поршня. На протяжении всех испытаний давление в цилиндре измерялось каждые 0,1 мс и использовалось для анализа цикла. 4 РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ 4.1 Типичные характеристики сгорания Поскольку FPE показывает различные положения поршня в ВМТ, степень сжатия изменяется в каждом цикле. Это неравномерное движение поршня существенно повлияло как на процесс сжатия, так и на последующее сгорание в другом цилиндре двигателя одновременно. На рисунке 7 показан пример ненормального сгорания, обнаруженного во время испытания. Рабочая частота меняется каждый цикл из-за изменения хода поршня. Произошло частичное прогорание в цилиндре 1, что привело к снижению частоты последующего такта с 13 до 8. Кроме того, пропуск зажигания в цилиндре 2 в конечном итоге привел к остановке двигателя. Рисунок 7. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Аномальные явления сгорания, обнаруженные во время испытания (момент впрыска: 64 мм до ВМТ, момент зажигания: 23 мм до ВМТ). FPE не имеет механизма сохранения инерционной энергии для продолжения движения поршня, такого как маховик в обычном ротационном двигателе. Таким образом, одиночный пропуск зажигания в одном из цилиндров является критической причиной потери движения поршня, что приводит к остановке двигателя. Чтобы этого не произошло, следует использовать схему управления для точного положения двигателя или тщательно выбирать момент зажигания. 4.2 Сжигание КПГ При использовании топлива КПГ и ПТЭ, и генератор работали непрерывно с частотой около 13 Гц, и после более чем 1 часа работы оба были отключены, чтобы предохранить их от возможного нежелательного повреждения . На рис. 8 показано измеренное давление в баллоне в зависимости от объема. Острый край вблизи точки пикового давления наблюдался во всех испытаниях с различными условиями нагрузки. Это связано с более коротким пребыванием поршня вблизи ВМТ по сравнению с обычным ротационным двигателем из-за неопределенного поршня в FPE. Рисунок 8. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Диаграмма зависимости давления в баллоне от объема (кейс CNG). В такте расширения резкое снижение давления в цилиндре указывает на начало процесса продувки в двухтактном двигателе. В то время как никакой дальнейшей полезной работы в процессе очистки нет, движитель постоянно перемещался на другую сторону, и это помогло увеличить выход электроэнергии. Давление и скорость тепловыделения показаны на рисунке 9показывают, что большая часть тепла сгорания выделяется после пикового давления или вблизи ВМТ и продолжается до тех пор, пока не откроется выпускное отверстие. Это связано с высокой скоростью разбавления, вызванной низкой эффективностью продувки контура испытательного двигателя. Рис. 9. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Давление в баллоне и скорость тепловыделения в зависимости от времени. Также считается, что удлиненный ход способствует низкой эффективности очистки. Поскольку чрезмерный ход вниз сделал вакуум в цилиндре еще больше, в то время как свежий заряд во впускной камере ограничен, сгоревший газ из выпускного отверстия снова попал в цилиндр. Таким образом, длина штриха была выбрана так, чтобы впоследствии иметь исходное значение. 4.3 Сгорание водорода При использовании водородного топлива испытательный двигатель работал более 20 мин при частоте вращения 13 Гц. Давление в цилиндре, достигаемое за счет сгорания водорода в испытательном двигателе, показано на рисунке 10. Увеличение давления было намного выше при сгорании водорода, чем при сгорании КПГ, из-за высокой скорости сгорания водорода. На рисунке 11 показаны скорости выделения тепла как для СПГ, так и для водорода, что показывает, что продолжительность горения водорода короче, чем для СПГ. Рисунок 10. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Сравнение давлений сгорания при сжигании СПГ и водородного топлива. Рисунок 11. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Сравнение скоростей тепловыделения между КПГ и водородным топливом. При увеличении нагрузки пиковое давление сдвинулось еще до ВМТ, что увеличивает потери работы сжатия, что приводит к ухудшению КПД двигателя. Как показано на рисунке 11, вся теплота сгорания высвобождается до того, как поршень достигнет ВМТ. Таким образом, крайне необходимо увеличить угол опережения зажигания, чтобы использовать больше тепла сгорания для полезной работы по выработке электроэнергии. При испытании зажигание больше задерживалось к ВМТ, а более высокая частота от 15 до 17 Гц достигалась с задержкой 3–5 мм. Однако циклическое изменение увеличилось, и это привело к остановке двигателя через несколько минут работы. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы преодолеть эту нестабильность работы и повысить эффективность очистки. С этой целью была предложена модифицированная система генерации FPE, как показано на рисунке 12. Чтобы улучшить процесс газообмена, новый двигатель был разработан так, чтобы использовать вакансию генератора в качестве нагнетателя для подачи свежего заряда в цилиндр. Нижний впускной канал и верхний выпускной клапан образуют прямоточную продувку. Система управления зажиганием также отрегулирована так, чтобы иметь временную задержку от фиксированного положения поршня, чтобы избежать случая, когда ход поршня резко укорачивается, что приводит к остановке двигателя с нестабильностью сгорания. Рисунок 12. Открыть в новой вкладкеСкачать слайд Схема модифицированной системы генерации двигателя со свободным поршнем. 5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В этом исследовании прототип FPE и линейного генератора работали как на сжатом природном газе, так и на водородном топливе соответственно. По результатам испытаний основные результаты следующие: Прототип двухтактного двухцилиндрового FPE и линейного генератора успешно работал на частоте 13 Гц на СПГ и водородном топливе. Двухтактный линейный FPE требует более быстрого сгорания, чтобы преодолеть сильное разбавление заряда из-за низкой эффективности продувки. Было обнаружено, что водородное топливо дает более высокую скорость горения, но требует более точного контроля воспламенения. Для обеспечения более высокой эффективности и снижения выбросов была предложена модифицированная система генерации FPE. Он использует генератор в качестве нагнетателя и выпускной клапан для формирования прямоточной продувки. БЛАГОДАРНОСТЬ Авторы хотели бы поблагодарить Центр исследований и разработок в области водородной энергетики (HERC) и Министерство образования, науки и технологий Кореи (MEST) за финансирование этого исследования в рамках программы 21st Century Frontier Project. ССЫЛКИ [1] Чаба Тот-Надь , Кларк Найджел Н. . Линейный двигатель 2004 г.   [2] Goldsborough SS , Van Blarigan P A Численное исследование двигателя внутреннего сгорания со свободным поршнем, работающего на однородном заряде с воспламенением от сжатия   [3] Голдсборо SS , Ван Блариган P . Optimizing the scavenging system for a two-stroke cycle, free piston engine for high efficiency and low emissions: a computational approach   [4] Carter D ,  Wechner E . Блок питания со свободным поршнем: устойчивая мощность для гибридных электромобилей   [5] Shoukry E ,  Taylor S ,  Clark N ,  Famouri P . Numerical simulation for parametric study of a two-stroke direct injection linear engine   [6] Clark NN ,  Nandkumar S ,  Famouri P . Fundamental analysis of a linear two-cylinder internal combustion engine   [7] Kleemann AP ,  Dabadie JC ,  Henriot S . Расчетные исследования прототипа высокоэффективного поршневого двигателя с низким уровнем выбросов   [8] Brusstar M , Серый C Jr , Джафри K , и др. Проектирование, разработка и тестирование многоцилиндровых двигателей с гидравлическими поршнями [9] VAEL GEM , ACHTEN PAJ 33