Поршневой двигатель внутреннего сгорания: история создания

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), использует один или несколько поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, для преобразования давления во вращательное движение. На данный момент это самый распространенный тип двигателя, используемый в автомобилях. Да и не только в них. Поршневые моторы используются в авиации, судоходстве и промышленности.

Первый поршневой двигатель

Макет самоходной тележки и схема ДВС Исаака Де Риваза

К концу 18-го века в мире уже существовали паромобили. Экипажи с паровым двигателем конструировали в Англии и Франции. Однако эти машины были громоздкими и медлительными. Кроме того, создатель самых совершенных на тот момент паровых двигателей Джейм Уатт считал, что для создания быстрых паромобилей потребуется паровой двигатель с высоким давлением в котле, что попросту не безопасно.

Понимал это и французский инженер и по совместительству действующий артиллерийский офицер — Франсуа Исаак де Риваз. Хорошо знакомый с принципом работы пороховой пушки, он задумался, а почему бы для приведения в движение поршня, использовать энергию пороховых газов, а не пара. В 1804 году он построил первый экспериментальный стационарный двигатель. Он работал по следующему принципу: в цилиндр подавалась смесь водорода с воздухом и воспламенялась при помощи электрического разряда. Фактически Риваз создал первый поршневой двигатель внутреннего сгорания.

В 1807 году изобретатель собрал первый экипаж с мотором собственной конструкции. На четырехколесной базе находился однопоршневой ДВС, без механизма газораспределения, а подача топливной смеси контролировалась вручную. Такой вот примитивный автомобиль смог преодолеть лишь 100 метров. Через шесть лет Риваз собрал новый экипаж куда больших размеров. Он имел длину 6 м, диаметр колес 2 м и весил около тонны. На этот раз мотор работал на смеси из светильного газа и воздуха. Груженая камнями машина смогла преодолеть 26 метров со скоростью 3 км/ч. За один рабочий ход поршня, автомобиль передвигался на 4-6 метров. Конечно с такими характеристиками коммерческая эксплуатация такого ДВС была невозможна, но это было только начало.

Дальнейшее развитие

1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год

Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.

Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.

В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.

Deutz AG

В 1864 году Николаус Отто и Ойген Ланге основали собственную фирму — N. A. Otto & Cie. Все началось маленького производственного цеха, где компаньоны собственноручно собирали первые двигатели. Позднее в компанию пришли такие небезызвестные для автомобильной индустрии люди как Вильгельм Майбах, Этторе Бугатти и Готлиб Даймлер. Последний с 1872 года занимал должность технического директора. В том же году компания меняет название на Gasmotoren-Fabrik Deutz AG.

В 1875 году случилось знаковое событие, которое навсегда перевернуло индустрию. Николаус Отто создал первый успешно работающий четырехтактный ДВС. В отличие от мотора Ленуара, новый двигатель работал намного эффективнее. Уже на первых порах его термический КПД превысил 15%. Кроме того он получился мощнее и экономичнее. Фактически новый мотор Отто послужил началом конца паровых машин.

Интересно посмотреть на характеристики этого двигателя. Одноцилиндровый мотор объемом в 6,1-литра развивал 3 л.с. при 180 об/мин. К примеру 18-литровый агрегат Ленуара развивал всего 2 л.с. Кроме того двигатель Отто был почти в 5 раз экономичнее. В результате новый, более эффективный мотор быстро вытеснил двигатель Ленуара с рынка.

Первый поршневой бензиновый двигатель

Мотоцикл Daimler Reitwagen, эскиз из патента 1885 года

Между тем, Николаус Отто видел свой мотор только в качестве стационарного. Но его соратник Готлиб Даймлер, активно агитировал шефа применить ДВС на транспорте. Отто был против, поэтому в 1880 году прихватив с собой Майбаха, Даймлер покинул Deutz AG.

Два инженера сосредоточились на единственной задаче — создать легкий, достаточно мощный поршневой двигатель, пригодный для установки на колесное шасси. Проблема состояла в том, что двигатель конструкции Отто работал на газе и требовал газогенератор. Даймлер и Майбах решили разработать мотор на жидкостном топливе, дабы избавиться от массивного преобразователя. Дело это было не простое, так как на тот момент еще не существовало способа создать оптимальную топливно-воздушную смесь на которой бы двигатель работал устойчиво. Решением проблемы стал испарительный карбюратор разработанный Майбахом в 1885 году. Карбюратор позволил построить бензиновый ДВС(Standuhr) объемом 100 см3 и мощностью 1 л.с., который работал достаточно устойчиво и стабильно. В том же году, немного уменьшенный Standuhr мощностью в 0,5 л.с. разместили на деревянном велосипеде получив тем самым первый в мире мотоцикл. А спустя год и автомобиль.

С тех пор поршневой двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь. Однако его четырехтактный принцип работы остался неизменен. Сегодня в мире насчитывается более 1,2 млрд. автомобилей и большинство из них оснащены ДВС.

О кафедре

Кафедра «Поршневые двигатели» и специальность «Двигатели внутреннего сгорания» созданы в 1907 г. выдающимся теплотехником В.И. Гриневецким. В настоящее время кафедра готовит специалистов по разработке, исследованию и сервисному обслуживанию высокоэффективных, экологически чистых поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей с внешним подводом теплоты для машин наземного, водного и воздушного транспорта и энергоустановок, а также средств малой механизации. С 2004 года кафедра (одна из первых в МГТУ) приступила к подготовке бакалавров и магистров.

Двигатели внутреннего сгорания составляют основу транспортной и малой стационарной энергетики вследствие наибольшей экономичности и наименьшей стоимости их изготовления. Поршневые двигатели выпускаются мощностью от нескольких Вт (микродвигатели) до 80000 кВт (мощные судовые дизели). Коэффициент полезного действия в современных ДВС достиг 56 % и имеет перспективы дальнейшего увеличения.

В комбинированных установках с двигателями внутреннего сгорания, вырабатывающих электрическую энергию, теплоту и холод, коэффициент использования теплоты достигает 80 – 90 %. На планете Земля работают свыше миллиарда поршневых двигателей в составе транспортных средств и энергетических установок, обеспечивающих потребности человечества в механической, тепловой и электрической энергии.

Выпускники кафедры работают в российских и зарубежных организациях, занимающихся проектированием, производством, исследованием, эксплуатацией и сервисным обслуживанием поршневых и комбинированных двигателей, а также транспортных средств и энергоустановок с этими двигателями (Bosh, Siemens, Deutz, Ricardo, AVL, Cammins, Caterpillar, Reno, Газпром ВНИИГАЗ, Коломенский завод, ЯМЗ и многих других). Поршневые двигатели настолько широко распространены во всем мире (и они постоянно развиваются), что у выпускников кафедры всегда есть и будет возможность для хорошего трудоустройства. Выпускники кафедры трудятся в Германии, Англии, США, Египте, Сирии, Китае, Канаде, Индии, Австралии.

Преподавание на кафедре ведут крупные специалисты в области двигателестроения, в числе которых 7 докторов технических наук, 2 Заслуженных деятеля науки России, 8 кандидатов технических наук. Среди преподавателей кафедры доктора технических наук, профессора Иващенко Н.А., Чайнов Н.Д., Грехов Л.В., Гришин Ю.А., Кавтарадзе Р.З., Марков В.А., Путинцев С.В. Руководит кафедрой Марков В.А.

Студенты кафедры изучают теплофизику, механику жидкости и газа, механику твердого тела, процессы смесеобразования и сгорания в двигателях, процессы в системах двигателей, методы компьютерного проектирования, исследования и доводки двигателей нового поколения, физическое и математическое моделирование, автоматизацию управления и научных исследований двигателей и их систем, принципы создания экологически чистых двигателей и энергоустановок, методы диагностирования технического состояния и научные основы организации сервисного обслуживания двигателей, маркетинг и менеджмент, современные информационные технологии для обеспечения полного жизненного цикла двигателей и энергоустановок, в том числе и технологии с дистанционным доступом к программным комплексам, разработанным на кафедре.

Полученные знания студенты закрепляют практической работой в лабораториях и дисплейных классах, оснащенных современными измерительными комплексами и вычислительной техникой, практикой в научных центрах и двигателестроительных предприятиях России и зарубежных стран. Студенты участвуют в выполнении научных исследований, проводимых кафедрой по заказам двигателестроительных фирм России, а также фирм и научных центров Германии, Австрии, Южной Кореи, Китая. Студенты кафедры активно работают в студенческом научно-техническом обществе (СНТО) докладывают результаты своих работ на научно-технических конференциях, а также посылают свои работы на конкурсы лучших студенческих работ и получают за них дипломы и премии. Студенты, хорошо зарекомендовавшие себя в научной работе, принимаются в аспирантуру и рекомендуются для продолжения образования в лучших технических университетах мира. На кафедре проходят обучение студенты и аспиранты из Китая, США и других стран мира.

Силами преподавателей и научных сотрудников кафедры изданы многотомные учебники по ДВС, выдержавшие несколько изданий, переведенные на иностранные языки, написаны 36 монографий и сборников научных трудов, опубликовано свыше 2100 статей в научно-технических журналах, организованы и проведены 8 всероссийских и международных научно-технических конференций, в том числе 3 студенческих.

За 105 лет своей деятельности кафедра подготовила 272 кандидата технических наук, 49 докторов технических наук. Среди ее питомцев 6 академиков РАН (Добрынин В.А., Климов В.Я, Микулин А.А., Стечкин Б.С., Чудаков Е.А., Брилинг Н.Р.), 8 Героев Социалистического труда, 28 Лауреатов Ленинских, Сталинских и Государственных премий, 4 Лауреата премий Совмина, Правительства РФ, 24 Заслуженных деятеля науки и техники РСФСР и науки РФ.

Кафедра подготовила свыше 3000 высококвалифицированных инженеров, многие из которых стали главными конструкторами, руководителями двигателестроительных предприятий, государственными деятелями (С.А. Степанов, В.А. Малышев, П.М. Зернов, В.М. Пятов, А.С. Орлин, М.Г. Круглов, Н.П. Козлов, В.И. Крутов).

Более 30 питомцев кафедры трудились и трудятся ректорами, проректорами и заведующими кафедрами технических вузов страны.

Категория: Поршневые двигатели внутреннего сгорания — Wikimedia Commons

Взято из Викисклада, бесплатного репозитория медиафайлов

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Подкатегории

Эта категория имеет следующие 28 подкатегорий из 28.

• Двигатели по расположению цилиндров‎ (19 C, 1 P)

• Двигатели по количеству цилиндров‎ (22 C)

C

• Карбюраторные модели двигателей с воспламенением от сжатия (17 F)

• Двигатели с воспламенением от сжатия (3C)

F

• Четырехтактные двигатели‎ (7C, 14 F)

• Свободнопоршневые двигатели‎ (8 F)

I

• Двигатели внутреннего сгорания с необычным клапанным механизмом‎ (7 C, 7 F)

• Системы смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания‎ (3 C, 8 F)

M

• Моноблочные двигатели‎ (4 C)

• Многотопливные двигатели‎ (2 C)

P

• Бензиновые двигатели‎ (10 C, 31 F)

• Камеры сгорания поршневых двигателей‎ (3 C, 23 F)

S

• Scott-Still-Machine‎ (7 F)

• Двигатели с боковым клапаном‎ (6 C, 17 F)

• Двигатели с искровым зажиганием (2 C, 3 F)

• Схемы системы двигателя внутреннего сгорания‎ (3 C, 11 F)

T

• Распределительные шестерни‎ (1 C, 2 F)

• Двигатели с турбокомпаундом‎ (2 C)

• Двухтактные двигатели‎ (12 C, 40 F)

Медиа в категории «Поршневые двигатели внутреннего сгорания»

Следующие 84 файла находятся в этой категории, всего 84.

• » 01 — ИТАЛИЯ — двигатель Lancia Y 1.2 куб.см.JPG
  4000 × 3000; 2,49 МБ

• 1916 бензиновый двигатель.jpg
  661 × 744; 155 КБ

• 4-Taktmotor mit Kühllamellen.jpg
  282 × 194; 64 КБ

• 4-Taktmotor Schnitt Motorrad 1-Zylinder.jpg
  320 × 427; 38 КБ

• 5.9 Cummins Diesel.jpg
  2448 × 3264; 2,54 МБ

• 6цилиндр new4stroke.jpg
  640 × 728; 45 КБ

• Агротехника 2011-by-RaBoe-64.jpg
  2500 × 1660; 2,4 МБ

• Радиатор воздуха для четырехтактного двигателя.svg
  512 × 512; 11 КБ

• Радиатор воздуха для двухтактного двигателя.svg
  512 × 512; 8 КБ

• Avondale ag Museum gnangarra 09.jpg
  2576 × 1932; 2,02 МБ

• Диаграмма оппозитного двигателя.jpg
  650 × 350; 16 КБ

• Боксер-engine.svg
  650 × 382; 12 КБ

• Brayton Ready Motor Animation. gif
  400 × 379; 1013 КБ

• BraytonEngineLitho.jpg
  597 × 684; 132 КБ

• Будапешт, Музей транспорта 2015, 264.jpg
  2592 × 1944; 1,27 МБ

• Ca 20150601 (18320467536).jpg
  1200 × 898; 397 КБ

• Поперечное сечение поршня, Музей John Deere.jpg
  2592 × 3872; 2,35 МБ

• Роторно-клапанный двигатель Darracq, секции (Autocar Handbook, девятое издание).jpg
  667 × 629; 81 КБ

• Деталь двигателя De Rivaz IC.jpg
  400 × 567; 27 КБ

• Мертвая точка (PSF).png
  2608 × 1815; 78 КБ

• DOHC-Zylinderkopf-Schnitt.jpg
  596 × 447; 93 КБ

• Нижнезаворовы.jpg
  411 × 256; 10 КБ

• Двухтопливный двигатель EF7.jpg
  373 × 419; 52 КБ

• Двухтопливный передний двигатель EF7.jpg
  467 × 559; 99 КБ

• Балансировка двигателя7.gif
  667 × 666; 1,16 МБ

• Блок двигателя в лесу 001. jpg
  1040 × 772; 211 КБ

• Блок двигателя в лесу 002.jpg
  2080 × 1544; 1,23 МБ

• Движущиеся части двигателя es.jpg
  1344 × 1008; 139 КБ

• Движущиеся части двигателя.jpg
  800 × 600; 62 КБ

• Движущиеся части двигателя.PNG
  799 × 589; 319 КБ

• Ericsson Тепловой двигатель.JPG
  1046 × 1600; 275 КБ

• Первый газовый двигатель Томассена.JPG
  658 × 509; 61 КБ

• Свечи накаливания.jpg
  2816 × 2112; 2,97 МБ

• Hemi vs Wedge Complexity.jpg
  874 × 579; 380 КБ

• ИНТЕРЬЕР, РЕГУЛЯТОР — Ede — 202

  — RCE.jpg
  1200 × 1200; 235 КБ

• Двигатель внутреннего сгорания.png
  1336 × 710; 420 КБ

• КейнПеннингтонEngineBedfordMuseum.JPG
  960 × 1280; 298 КБ

• ЛА2-Блиц-0426.jpg
  1819× 2836; 1,31 МБ

• Машинон.JPG
  2048 × 1536; 1022 КБ

• Средняя скорость поршня. png
  1493 × 926; 54 КБ

• Бортовой мотор Mercury Marine.JPG
  4000 × 3000; 2,83 МБ

• Двигатель модели J.JPG
  3648 × 2048; 1,92 МБ

• Мотор Брайтон.jpg
  568 × 424; 29 КБ

• Motor de Automovil 000.jpg
  640 × 480; 47 КБ

• Автомобильный музей Малаги A222.jpg
  3648 × 2736; 4,67 МБ

• Автомобильный музей Малаги A223.jpg
  3648 × 2736; 4,67 МБ

• Автомобильный музей Малаги A224.jpg
  3648 × 2736; 4,74 МБ

• Motor eines Spähwagens Fennek.JPG
  3500 × 2650; 3,35 МБ

• Мотор Opel Astra GL 1600.jpg
  4285 × 2845; 3,16 МБ

• Мотор-gelo4.gif
  800 × 600; 5,35 МБ

• Motorblock 4 Zylinder Wassergekühlt Aluminium.jpg
  645 × 681; 96 КБ

• Motorprincipper.jpg
  984 × 629; 100 КБ

• Новый 4-тактный двигатель.jpg
  262 × 420; 64 КБ

• New4stroke. gif
  200 × 264; 157 КБ

• Обычные и нестандартные двигатели (Autocar Handbook, девятое издание).jpg
  477 × 472; 26 КБ

• PetrolDirectInjectionBMW.JPG
  2048 × 1536; 673 КБ

• PetrolDirectInjectionBMW2.JPG
  2048 × 1536; 813 КБ

• Piston bielle vilebrequin купе и схема cinematique.svg
  226 × 166; 48 КБ

• Поршневой двигатель template.gif
  48×48; 2 КБ

• PSM V18 D500 Американский двигатель внутреннего сгорания otto.jpg
  2143 × 1498; 661 КБ

• Двигатель Риваз.jpg
  683 × 486; 33 КБ

• Упрощенная схема двигателя для взрыва.jpg
  402 × 309; 12 КБ

• Selden moteur.jpg
  621 × 395; 30 КБ

• Двигатель с боковым клапаном v2.png
  1088 × 1230; 14 КБ

• Двигатель с боковым клапаном v3.png
  1088 × 1230; 14 КБ

• Двигатель с боковым клапаном v4.png
  1088 × 1230; 15 КБ

• Двигатель с боковым клапаном v5. png
  1088 × 1230; 15 КБ

• Тотпунктфедер.jpg
  785 × 1306; 104 КБ

• Тяндкулемотор.png
  393 × 550; 39 КБ

• US125166-Рисунок 1–4.png
  3961 × 2844; 296 КБ

• US125166-Рисунок 1.png
  1441 × 1509; 79 КБ

• US125166-Рисунок 1to4-color.png
  3961 × 2844; 439 КБ

• US125166-Рисунок 2.png
  1322 × 1559; 99 КБ

• US125166-Рисунок 3.png
  1168 × 1240; 52 КБ

• US125166-Рисунок 4.png
  1060 × 592; 17 КБ

• US151468-рисунки-рисунок-1.png
  724 × 1321; 39 КБ

• US151468-drawings-figure-2.png
  944 × 1416; 70 КБ

• US151468-drawings-figure-3.png
  494 × 370; 22 КБ

• Us2122676 fig2.png
  612 × 957; 104 КБ

• US4013048 fig1.png
  1278 × 1962; 572 КБ

• USA-San Jose-Almaden Quicksilver Park-Mining Machinery-1. jpg
  3264 × 2448; 2,64 МБ

• USA-San Jose-Almaden Quicksilver Park-Mining Machinery-2.jpg
  3264 × 2448; 2,42 МБ

• Уайт и Миддлтон Двигатель.jpg
  618 × 473; 80 КБ

• Водзиковы2а.jpg
  4376 × 5939; 1,79 МБ

Знакомство с авиационными двигателями внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ВС) — это силовая установка, используемая сегодня почти на всех легких самолетах авиации общего назначения. Электрические авиационные двигатели обещают новое и более чистое авиационное будущее, но до них еще далеко, они приводят в действие прототипы, но еще не получили широкого распространения. Поэтому в этой серии статей мы сосредоточимся на двигателе внутреннего сгорания, обсуждая силовые установки легких самолетов.

Возвратно-поступательное движение во вращение

Самолет в прямолинейном горизонтальном полете подвергается действию четырех фундаментальных сил, которые должны быть уравновешены, чтобы самолет оставался в равновесии. Вес самолета уравновешивается подъемной силой, создаваемой крылом и горизонтальным стабилизатором в вертикальном направлении. Когда самолет движется по воздуху, создается сопротивление или сила лобового сопротивления, которой необходимо противодействовать, чтобы поддерживать скорость полета вперед. Этот противовес лобовому сопротивлению называется силой тяги и создается комбинацией двигатель-гребной винт.

Рисунок 1: Основные силы в полете

Двигатель внутреннего сгорания работает по принципу преобразования возвратно-поступательного движения (движение поршней вверх и вниз) во вращательное движение (вращение коленчатого вала), которое используется для привода воздушного винта. Для движения поршней требуется энергия: эта сила создается за счет сгорания смеси топлива и воздуха, которая заставляет поршень двигаться и, таким образом, производить полезную работу. Тогда говорят, что химическая энергия (топливо) была преобразована в механическую энергию.

Давайте рассмотрим различные компоненты, из которых состоит типичный двигатель внутреннего сгорания.

Компоненты двигателя внутреннего сгорания

На изображении ниже показана конструкция типичного двигателя внутреннего сгорания. Затем каждый из основных компонентов обсуждается ниже.

Рис. 2: Типичный авиационный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

Поршни

Поршень — это компонент двигателя, совершающий возвратно-поступательное движение и отвечающий за передачу усилия от расширяющихся газов в камере сгорания цилиндра на коленчатый вал через шатун. На разрезе выше не показан корпус цилиндра, внутри которого движется каждый поршень.

Рисунок 3: Расположение поршня и головки блока цилиндров

Поршни обычно отливают из алюминиевых сплавов. В двигателях с более высокими характеристиками (как правило, в гоночных двигателях) поршень может быть кованым, а не литым. Поршень не контактирует напрямую с цилиндром, но газовое уплотнение между стенкой цилиндра и поршнем поддерживается за счет использования поршневых колец и масляной смазки. Эти кольца установлены в канавках, вырезанных в поршне, и изготовлены из чугуна. Обычно устанавливается несколько поршневых колец, расположенных чуть ниже днища поршня. На поршень самолета обычно устанавливаются три различных типа колец: компрессионные, маслосъемные и маслосъемные.

Рисунок 4: Поршень с установленными поршневыми кольцами

Компрессионные кольца находятся в верхней части поршня, сразу под головкой. Эти кольца обеспечивают герметичное уплотнение между цилиндром и поршнем во время такта сжатия и сгорания четырехтактного цикла.

Маслосъемные кольца расположены под компрессионными кольцами. Эти кольца предназначены для обеспечения циркуляции масла изнутри поршня к стенкам цилиндра. Эта циркуляция осуществляется через набор небольших отверстий для слива масла.

Маслосъемные кольца расположены в нижней части поршня и имеют такую ​​форму, что они могут соскабливать масло вверх и вниз по цилиндру во время движения поршня. Излишки масла задерживаются во время хода вверх, а затем возвращаются в картер во время хода вниз.

Картер

Картер — это название корпуса, в котором находится коленчатый вал и шатуны, соединяющие поршень с коленчатым валом. Картер авиационного двигателя обычно изготавливается из литого или кованого алюминия. Это обеспечивает достаточную прочность и жесткость, чтобы удерживать коленчатый вал на месте, сохраняя при этом преимущества алюминия по массе над сталью.

Смазочное масло двигателя хранится в нижней части картера двигателя с мокрым картером. Масло циркулирует в двигателе, смазывая коленчатый вал, шатунные подшипники и другие металлические компоненты. Масло попадает на стенки цилиндров, проходя через поршни, прежде чем стекать обратно в картер.

В системе с сухим картером масло хранится не в картере, а в отдельном внешнем резервуаре. Система смазки двигателя более подробно рассмотрена в посте, посвященном смазке и охлаждению двигателя.

Шатун

Шатун (шатун) представляет собой металлический компонент, образующий связь между поршнем и коленчатым валом. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, которое затем используется для привода гребного винта и создания тяги.

Шатуны крепятся к коленчатому валу с помощью крышки и стопорных болтов. Подшипник, установленный внутри крышки, позволяет шатуну преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Поршень крепится к шатуну с помощью поршневого пальца (также называемого поршневым пальцем или поршневым пальцем), удерживаемого на месте с помощью набора пружинных зажимов.

Рисунок 5: Обозначенные компоненты шатуна

Коленчатый вал

Коленчатый вал — это вращающийся вал, на котором крепятся шатуны и поршни. Когда поршни движутся вверх и вниз, это возвратно-поступательное движение преобразуется коленчатым валом во вращательное. Коленчатый вал размещен в картере и состоит из шатунных шеек, шатунных шеек и шатунных шеек.

Рисунок 6: Компоненты коленчатого вала

Шатуны крепятся к шатунным шейкам, а коленчатый вал поддерживается блоком двигателя через набор подшипников на шейках коленчатого вала.

К коленчатому валу часто прикрепляют маховик, который накапливает энергию вращения и обеспечивает более постоянную скорость вращения, чем это было бы возможно при возвратно-поступательном движении поршней.

Клапаны

Любой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания должен иметь как минимум два клапана на цилиндр: один для впуска топливно-воздушной смеси и один для выпуска газов после сгорания. В авиационных двигателях обычно используется двухклапанная схема. Во многих автомобильных двигателях используется схема с четырьмя клапанами (два впускных и два выпускных), что улучшает поток впускных и выхлопных газов.

Клапаны должны сохранять свою прочность и форму при высоких температурах, поэтому обычно изготавливаются из высокопрочных сталей. Выпускные клапаны обычно меньше впускных, чтобы уменьшить вероятность преждевременного зажигания или детонации. Выпускной клапан обычно является самой горячей частью двигателя, и клапан меньшего размера снижает вероятность того, что высокие температуры могут привести к преждевременному воспламенению топливно-воздушной смеси, добавляемой во время такта впуска.

Как впускной, так и выпускной клапаны известны как тарельчатые клапаны и состоят из длинного штока, горловины и плунжера или головки. Головка состоит из двух поверхностей: поверхности сгорания и поверхности седла. Клапаны перемещаются вверх и вниз через направляющую клапана, открываясь и закрываясь в определенное время в цикле четырехтактного двигателя. Фазы газораспределения определяются вращением распределительного вала, что обсуждается далее.

Рисунок 7: Типовой клапан двигателя

Распределительный вал

Впускной и выпускной клапаны открываются и закрываются с помощью распределительного вала, который приводится в движение двигателем с помощью приводного ремня, соединяющего коленчатый вал с распределительным валом. В четырехтактном цикле каждый клапан должен открываться и закрываться один раз за полный цикл, при котором коленчатый вал совершает два полных оборота. Поэтому распределительный вал должен приводиться в движение на половине скорости вращения двигателя — это достигается за счет механической передачи.

Распределительный вал изготавливается с несколькими кулачками или кулачками, где каждый кулачок расположен над клапаном и приводит в движение этот клапан. Форма кулачка определяет, как клапан открывается и закрывается, а ориентация лепестка определяет последовательность работы клапана. Проще всего визуализировать это движение, обратившись к анимации ниже.

Рисунок 8: Клапаны двигателя, приводимые в действие верхним кулачком

В авиационных двигателях клапаны приводятся в действие не напрямую через контакт с кулачком, а через систему толкателя и коромысла, которая соединяет кулачок с клапаном. Эта система допускает наличие зазора или зазора между коромыслом и наконечником клапана. Этот зазор имеет важное значение, так как температура двигателя изменяется во время работы, что приводит к расширению клапана при более высоких температурах. Без зазора между наконечником клапана и коромыслом повышение температуры приведет к позднему открытию или преждевременному закрытию клапанов, что приведет к плохой работе двигателя и потере мощности. Зазор можно отрегулировать, обычно регулировкой винта на узле коромысла.

Наконец, в каждый клапан встроены две пружины, которые способствуют быстрому закрытию клапана и гашению любого дребезга клапана, который может возникнуть из-за вибраций, присущих работе двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 9: Система коромысла клапана двигателя

Свечи зажигания

Свечи зажигания предназначены для воспламенения топливно-воздушной смеси, поступающей во впускное отверстие цилиндра. Затем это сгорание заставляет поршень опускаться во время рабочего такта четырехтактного цикла. Свеча зажигания работает, получая очень высокое напряжение от системы зажигания самолета, которое затем прыгает между центральным электродом и заземленной внешней частью свечи, что приводит к возникновению искры. Это похоже на то, как молния прыгает между облаком и Землей. Для этого напряжение должно быть очень высоким – обычно в районе 5 000 В – 20 000 В. Искра возникает, когда центральный электрод изолирован от заземленной внешней части вилки, поэтому высокое напряжение должно преодолеть воздушный зазор. между ними возникает искра. Изоляция чаще всего достигается с помощью керамической вставки, которая не проводит электричество.

Свечи зажигания делятся на горячие и холодные. Керамическая вставка на горячей свече имеет меньшую площадь контакта с металлической частью свечи, чем на холодной свече. Таким образом, горячие свечи рассеивают тепло медленнее, чем холодные свечи, и лучше подходят для работы в более холодных двигателях с более низкой степенью сжатия. И наоборот, холодные свечи лучше подходят для работы в более горячих двигателях с более высокой степенью сжатия, поскольку они способны более эффективно рассеивать тепло.

Свеча зажигания должна потреблять высокое напряжение, генерируемое системой зажигания самолета. Напряжение поступает в вилку через выемку (клемму), которая удерживается на месте гайкой и закрыта атмосферостойким уплотнением.

Авиационные двигатели всегда имеют две отдельные системы зажигания, чтобы увеличить резервирование и снизить риск отказа двигателя на критическом этапе полета. Поскольку двойные системы зажигания полностью разделены, в каждом цилиндре будут установлены две свечи зажигания — по одной на каждую систему.

Рисунок 10: Горячие и холодные свечи зажигания самолета

Компоновки поршневых двигателей

Двигатели внутреннего сгорания, используемые на легких самолетах, обычно придерживаются одной из стандартных компоновок, которые классифицируются в соответствии с расположением цилиндров относительно коленчатого вала. Сейчас мы представим несколько общих макетов.

Рядный двигатель

Рядные двигатели характеризуются вертикальным расположением цилиндров, расположенных в одну линию вдоль картера. Одним из преимуществ такой компоновки является низкая лобовая площадь, которую двигатель представляет набегающему потоку воздуха. Низкая лобовая площадь означает, что капот двигателя можно сделать меньше, что снижает лобовое сопротивление самолета.

Проблемы с охлаждением задних цилиндров при рядном расположении обычно ограничивают количество цилиндров, которые можно установить на двигатель.

Установка перевернутого рядного двигателя (например, deHavilland Gipsy Major, показанного ниже) на самолет с носовым колесом может быть затруднена из-за расположения цилиндров. Поэтому эти двигатели обычно устанавливаются на самолетах с хвостовым колесом.

Рисунок 11: Пример встроенного двигателя. Источник: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:DHGipsyMajorengineDrover.JPG

Горизонтально-оппозитный (плоский) двигатель

Такое расположение цилиндров чаще всего встречается в легких самолетах авиации общего назначения. Здесь цилиндры расположены горизонтально в два ряда с равным количеством цилиндров на каждом ряду. Каждый цилиндр соединен с соответствующим цилиндром на противоположном берегу, чтобы свести вибрацию к минимуму. Коленчатый вал расположен по центру между двумя рядами цилиндров.

Горизонтально-оппозитные двигатели могут быть короче, чем эквивалентные рядные двигатели, поскольку цилиндры расположены в два ряда, а не в один. Однако при таком расположении двигатель шире и должен изготавливаться с двумя отдельными головками блока цилиндров, а не с одной.

Рис. 12: Пример горизонтально оппозитного двигателя. Источник https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Lycoming_AEIO-540-D4A5.jpg

В приведенной ниже таблице перечислены некоторые из наиболее распространенных горизонтально-оппозитных двигателей, используемых сегодня в легких самолетах, а также некоторые примеры самолеты, которыми они питают.

Название двигателя	Примеры самолетов	№ Цилиндры	Рабочий объем	Выходная мощность
Семейство Lycoming O-320	Cessna 172, Cessna 177, Piper PA-28 Cherokee, Piper PA-30 Twin Comanche, Robinson R22	4	320 куб. дюймов (5,24 л)	150–160 л.с.
Семейство Lycoming O-540	Cessna 182, Cessna 206, Piper PA-32 Cherokee Six, Vans RV-10	6	541,5 куб. дюйма (8,87 л)	230–350 л.с.
Семейство Continental IO-360	Cirrus SR20, Mooney M20, Piper PA-34 Seneca	6	360 кубических дюймов (5,9 л)	180–225 л.с.
Серия Rotax 912	Tecnam Echo, Diamond DA-20, CSA Sportcruiser	4	74 куб. дюйма (1,2 л)	80–100 л.с.

Радиальный двигатель

Радиальные двигатели состоят из ряда цилиндров, расположенных радиально вокруг центрального коленчатого вала, подобно спицам колеса. Все цилиндры в данном ряду лежат в одной плоскости радиально от коленчатого вала, так что не все шатуны могут быть прикреплены непосредственно к коленчатому валу. Вместо этого один поршень соединен непосредственно с коленчатым валом, а все остальные соединены с кольцом на главном шатуне через узел основного и шарнирно-сочлененного стержня.

Четырехтактные радиально-поршневые двигатели всегда проектируются с нечетным числом цилиндров, чтобы можно было использовать согласованный порядок работы всех остальных двигателей. Это делается для того, чтобы оставить зазор в один поршень между поршнями на такте сгорания и такте сжатия.

Радиальные двигатели обычно использовались на более крупных самолетах, где можно было установить несколько рядов поршней для создания двигателя с большой выходной мощностью при сохранении максимально возможной компактности двигателя. В самолетах времен Второй мировой войны, таких как Republic P-47 Thunderbolt, Douglas C 47 и Avro Lancaster, использовались радиальные двигатели. Большие радиальные двигатели в значительной степени устарели после Второй мировой войны, поскольку реактивные двигатели и газотурбинные двигатели могли производить большую мощность и более надежно при меньшей общей массе.

Рисунок 13: Радиальный двигатель. Источник https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/80/Watercooled_radialengine. jpg/640px-Watercooled_radialengine.jpg

Двигатель V-типа

Двигатели V-типа характеризуются цилиндрами, расположенными в два ряда в V-образное расположение, если смотреть вдоль оси коленчатого вала. За счет V-образного расположения цилиндров можно уменьшить габаритные размеры двигателя по сравнению с горизонтально-оппозитной конфигурацией. Угол между двумя рядами цилиндров обычно называют V-образным углом. Общие углы равны 90°, 60° и 45°.

Одним из самых известных произведенных двигателей с V-образной конфигурацией был двигатель Rolls Royce V12 Merlin, который приводил в действие ряд самолетов Второй мировой войны, включая Supermarine Spitfire, Hawker Hurricane и de Havilland Mosquito.

Рисунок 14: Двигатель Rolls Royce Merlin. Источник: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7d/Rolls-Royce_Merlin.jpg/640px-Rolls-Royce_Merlin.jpg

Это подводит нас к концу нашего знакомства с авиационными поршневыми двигателями. . В следующем посте мы обсудим четырехтактный рабочий цикл, лежащий в основе работы большинства авиационных двигателей внутреннего сгорания.