Какое давление может выдержать поршень

Какое давление может выдержать поршень

DVS64 › Блог › Компрессия важный показатель, но главный ли?

Хотим сказать что наших подписчиков ждут подарки для их автомобиля.

На что влияет компрессия?

В официальной технической литературе слово «компрессия» не используется. Первоисточники называют это давлением конца такта сжатия. Данный параметр измеряется при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ) и без взрыва топлива в камере сгорания. Многие автомобилисты полагают, что замер «компрессии» в цилиндрах двигателя является главной процедурой диагностики. Если давление ниже нормы, то двигатель, по их мнению, непременно нуждается в капитальном ремонте. Однако насколько показательной является компрессия в действительности?

Рвение автолюбителей разбираться в моторах весьма похвально, однако для того, чтобы рассуждать о столь сложных инженерных устройствах, необходимо учить матчасть. Одно из вопиющих заблуждений дилетантов является отождествление компрессии (то, что под ней подразумевают) и степени сжатия. Что такое компрессия было обозначено выше. А вот степень сжатия — это совсем другое. Степень сжатия является безразмерным параметром, который описывает геометрию цилиндра, в частности, отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия (объему над поршнем, когда тот находится в положении ВМТ). Пространство камеры сжатия часто называют «камерой сгорания». Но если придерживаться точной терминологии, то последнее название некорректно, поскольку сгорание топлива происходит также и при более низких положениях поршня.

Именно изменение геометрии цилиндро-поршневой группы, мы получаем обрабатывая двигатель нашим составом НТ-10.

Важно понимать, что компрессия (будем так ее называть) всегда зависит от степени сжатия, а степень сжатия от компрессии — никогда. На величину компрессии влияет множество других параметров. Это и температура при проведении измерений давления, и регулировка фаз газораспределения, давление начала сжатия, герметичность камеры, зависящая от степени изношенности поршневых колец и стенок цилиндров, а также многое другое.

Заблуждение первое :«Поднял компрессию — увеличил мощность»

Не совсем так. Компрессию можно поднять двумя способами — увеличить степень сжатия или уменьшить протечки из камеры сгорания.

Теоретически максимальное давление в цилиндре в конце такта сжатия, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), зависит от целого ряда факторов. С точки зрения ремонтной практики они в конечном счете влияют на количество поступающего в цилиндр воздуха — чем оно больше, тем выше компрессия. В первую очередь отметим положение дроссельной заслонки — ее прикрытие или закрытие, очевидно, сильно уменьшит давление в цилиндре. Понятным образом на количество воздуха влияет и степень загрязнения воздушного фильтра.

Некоторые механики допускают ошибки в установке фаз газораспределения, например, при монтаже ремня или цепи привода распределительного вала. Это приводит к изменению момента закрытия впускного клапана, сдвигая начало сжатия в цилиндре в ту или другую сторону. Тогда и значения компрессии будут отличаться.

Довольно сильно на компрессию влияют зазоры в приводе клапанов. Так, малый зазор в приводе впускных клапанов приведет к более позднему их закрытию и, соответственно, к уменьшению компрессии. Одновременно малые зазоры в выпускных клапанах увеличат так называемое перекрытие клапанов — величину угла поворота коленвала, в течение которого открыты одновременно оба клапана в цилиндре. Результат тот же -компрессия уменьшится.

На компрессию повлияет и температура двигателя — чем она меньше, тем сильнее будет охлаждаться воздух, сжимаемый в цилиндре, и тем меньше будет его давление.

Но и это еще не все. Как только воздух в цилиндре оказывается достаточно сжат, станут проявляться разного рода его утечки через зазоры между изношенными или поврежденными деталями, уплотняющими полость камеры сгорания.

Естественным образом из сказанного вытекают выводы о том, что утечки будут минимальными, если цилиндр имеет идеально круглую форму, отсутствуют продольные риски на его рабочей поверхности, поршневые кольца идеально прилегают к ней и к торцевым поверхностям канавок поршня; если близка к нулю величина зазоров в замках колец и, наконец, тарелки клапанов идеально прилегают к седлам. Напоминаем это и есть геометрия ЦПГ.

Заблуждение второе: «Нет компрессии — сразу на капиталку»

Обычно механик, обнаруживший низкую компрессию, тут же заявляет: «Двигатель изношен, требуется капиталка». Так ли все однозначно?

Нет, конечно! Можно назвать множество возможных причин снижения компрессии. Тут и проблемы с механизмом газораспределения, и механические или термические повреждения деталей двигателя, и закоксованность поршневых колец. И только одна из них будет связана с катастрофическим износом мотора. Важно уметь различать эти причины, понимать степень их опасности и знать методы борьбы с ними. Именно метод диагностирования АГЦ, по которому мы работаем, позволяет наиболее точно определить степень износа двигателя. Низкая компрессия — еще не приговор!

Заблуждение третье: «Чем выше компрессия, тем лучше»

Рост до 15-17 бар не столько полезен, сколько вреден для двигателя. Т.к. надо иметь в виду, что в нормальном состоянии, даже восстановив зазоры до состояния нового двигателя, компрессию выше штатной не получить.

А в итоге при такой компрессии можно получить детонацию, калильное зажигание и прочее. Так что небывалому росту компрессии не радоваться надо.

Так на что влияет компрессия?

На многое! Главное — на пусковые свойства мотора, особенно при низких температурах.

В первую очередь это касается дизельных двигателей, где от давления и температуры конца сжатия зависит, воспламенится топливо в цилиндре или нет. Но и бензиновые двигатели в холодном состоянии тоже чувствительны к изменению компрессии: она влияет на испаряемость топлива, которое при холодом пуске только теоретически должно испаряться по пути в цилиндр. А реально — попадает туда в виде негорючих жидких капель.

Сниженная компрессия повышает давление картерных газов. В этом случае через систему вентиляции на впуск двигателя летит больший объем паров масла. Плохо это: и токсичность растет, и темп загрязнения камеры сгорания резко увеличивается.

Неравномерная по цилиндрам компрессия это одна из причин вибрации двигателя, особенно ощутимая на холостом ходу и при малых оборотах. А это, в свою очередь, вредит и трансмиссии, и подвеске мотора. Да и самому водителю. Если компрессия в цилиндрах неравномерна, то происходит разбалансировка двигателя. Именно поэтому наша задача в идеале получить одинаковые заводские значения компрессии по всем цилиндрам. Что мы и получаем с использованием нашего состава.

Если хотите получить очень «бодрый» двигатель, уменьшить вибрацию, улучшить динамику, то лучше получить одинаковые значения компрессии по цилиндрам, и снизить потери мощности ДВС за счет уменьшения коэффициента трения, при улучшении показателей по КПД, Именно эти задачи наша компания может решить.

Так же Вы можете прочитать наши статьи по этим ссылкам.

Источник

Box77 › Блог › Физика камеры сгорания. Часть 7. Основы динамики блока цилиндров

В общении автолюбителей часто встречаются такие слова, как механические потери в двигателе, соотношения диаметр поршня к ходу коленчатого вала, соотношения длины шатуна к ходу коленчатого вала, крутящий момент и силы инерции. К сожалению, подобные разговоры обычно дальше обмена звучными фразами не идут. И даже после трехчасовых дискуссий на эти темы ни у кого из собеседников не появляется чего-то нового в голове.

Сегодня мы окунемся в мир динамики кривошипно-шатунного механизма и уясним, как на деле все это работает. Немного вспомним векторы и обычную механику за 8 класс.

Итак, начнем с того, что же вращает двигатель, а именно:

1. Сила давления газов на поршень.

Эта та сила, которая лежит в основе работы любого ДВС, которая является «оживляющей» силой. Смесь сжалась, воспламенилась, началась химическая реакция и увеличились давление и температура в камере сгорания. Температура в динамике ДВС играет несущественную роль, но вот давление — наиважнейшую.

Итак, сила давления газов на поршень равна:

Fг = (Р — Рк) * п * D^2 / 4, где

Р — давление в цилиндре,

Рк — давление картерных газов,

D — диаметр поршня.

Какие выводы можно сделать?

— Чем больше диаметр цилиндра, тем больше сила давления газов при том же значении давления в цилиндре.

— Чем ниже давление картерных газов, тем больше сила давления газов при том же значении давления в цилиндре.

Каждый автолюбитель знает о сапуне, торчащем из головки блока цилиндров, но мало кто понимает его истинный смысл: снижение давления картерных газов за счет разряжения во впуске. Не раз встречал, как шланг выводили на улицу, а вход в коллектор глушили. Встречался, когда сапун пытались глушить, в итоге давление картерных газов становилось избыточным и мотор попросту глох. Особо серьезно к системе рециркуляции картерных газов относится Хонда, где имеется не только сапун с ГБЦ, есть клапана рециркуляции, шланги с блока, разряжение используется до и после дросселя и так далее — и все это не от нечего делать, а для повышения эффективности силовой установки.

2. Силы инерции движущихся масс.

Итак, мы рассмотрели силы, возникающие по причине изменения давления газов в цилиндре.Но в ДВС возникают и прочие силы, связанные с тем, что детали ШПГ имеют ненулевую массу, а именно: силы инерции.

Силы инерции делятся на два типа:

— Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

— Силы инерции вращающихся масс.

2.1. Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Данные силы порождаются движением поршня и шатуна. Но если с поршнем все понятно, то с шатуном не все так просто: шатун обычно представляют в виде гантели, представляющей собой две шейки с безмассовым стержнем. Тогда массы шеек гантели рассчитывают следующим образом:

Находится центр масс шатуна вывешиванием, т.е. шатун располагают горизонтально на некоторую ось таким образом. чтобы левая и правая часть шатуна были уравновешены. Это будет не середина шатуна, поэтому левое и правое плечо обозначим как lп и lк, где lп — плечо верхней головки шатуна, куда устанавливается поршневой палец, а lк — плечо нижней головки шатуна, соединяющаяся с шатунной шейкой коленчатого вала.

Тогда массы условной гантели равны:

Масса поршневой части шатуна:

mшп = mш * lк / l = mш * (l — lп) / l

Масса части шатуна, соединяющейся с коленчатым валом:

mшк = mш * lп / l

Таким образом, возвратно-поступательно движущиеся массы:

mвп = mп + mшп, где mп — масса поршня, mпш — масса поршневой части шатуна.

Так как сила есть произведение массы на ускорение,

сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс равна:

Fивп = — (mп + mшп) * а, где а — ускорение поршня.

Запишем в общем виде:

Fивп = — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * )

При е = 0:

Fивп = — (mп + mшп) * w^2 * r *

Тут должен оговориться, что в массу поршня входят также масса пальца и поршневых колец.

2.2. Сила инерции вращающихся масс.

Одной из вращающихся масс является приведенная масса нижней шейки шатуна. найденная ранее:

mшк = mш * lп / l

Второй массой является сумма масс неуравновешенных частей коленчатого вала, а именно: шатунная шейка и щеки.

С шатунной шейкой проблем нет — это mшш, а вот массы щек необходимо привести к центру оси шатунной шейки для удобства:

mщк = mщ * (r — rшш) / r, где mщ — реальная масса щек коленчатого вала, а rшш — радиус шатунной шейки коленчатого вала.

Так как щеки у одного цилиндра две, масса неуравновешенный частей коленчатого вала равны:

mшш + 2*mщк

Полная сумма вращающихся масс равна сумме масс неуравновешенных частей коленчатого вала и приведенной массы нижней шейки шатуна:

mшк + mшш + 2*mщк

Силы инерции вращающихся масс равны:

Fив = — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Тут должен отметить, что в массу шатунной шейки входит также масса шатунных вкладышей.

3. Преобразования сил:

Сила давления газов на поршень и сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в сумме дают силы, действующие на поршень по оси цилиндров. Тут важно отметить, что силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс имеют знак «минус», т.е. действуют нам во вред (должен оговориться: во вред — часть цикла, в некоторый момент сила меняет знак и работает с пользой).

Fп = Fг + Fивп = (Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * ),

или же при отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fп = Fг + Fивп = (Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * (

Сила, действующая на поршень, в динамике делится на две составляющие силы:

— Сила, направленная по оси шатуна,

Fш = Fп / cosb, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

— Сила, перпендикулярная оси цилиндра и направленная в противоположную сторону силе по направлению шатуна,

N = Fп * tg b, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Сумма векторов данных сил даст опять нам вектор Fп.

Эффективной действующей силой из этих двух является Fш.

3.1. Сила, направленная по оси шатуна.

Fш = Fп / cosb, где b — угол между осью цилиндра и осью шатуна,

Или же (подставив Fп):

Fш = (Fг + Fивп) / cosb

Fш = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * )) / cosb

При отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fш = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ) / cosb

Как мы уяснили ранее, эта сила — остаток от силы, действующей на поршень, которая участвует в полезной работе ДВС.

Перенесем вектор Fш для удобства дальнейшего рассмотрения в центр шатунной шейки коленчатого вала. Теперь разложим и эту силу на две составляющие:

— Касательную силу, направленную по касательной к окружности вращения шатунной шейки:

Fкв = Fш * sin (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

— Перпендикулярную силу, направленную от шатунной шейки к оси коленчатого вала:

Fпв = Fш * cos (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Здесь полезной силой является касательная сила.

3.2. Сила, направленная по касательной к окружности вращения шатунной шейки.

Fкв = Fш * sin (ф + b), где ф — угол поворота коленчатого вала, b — угол между осью цилиндра и осью шатуна

Подставим выражение для Fш и получим выражение Fкв через Fп:

Fкв = Fп * sin (ф + b) / cosb

Fкв = (Fг + Fивп) * sin (ф + b) / cosb

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * ))*sin (ф + b) / cosb

При отсутствии ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * )*sin (ф + b) / cosb

Крайне неудобно, когда функция выражена через два угла, особенно, когда один угол явно зависит от другого, не смотря на то, что в таком виде функция более читаема.

Произведем математическое преобразование угла b через функцию от угла ф:

По теореме синусов:

l / sinф = r / sin b, где:

l — длина шатуна,

r — радиус кривошипа.

выражаем b через ф:

b = arcsin (r/l * sinф).

Перепишем Fкв = Fп * sin (ф + b) / cosb, подставив выажение для b:

Fкв = Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

Или же более развернуто:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * ))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

Ну, и если отсутствует ускорение коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fкв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * )*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))

3.3. Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала, или вращающая сила:

Суммарно вращающие силы можно представить в виде суммы силы, направленной по касательной к окружности вращения шатунной шейки, Fкв и силы инерции вращающихся масс Fив.

Опять же отмечу, что силы инерции вращающихся масс имеют знак минус, т.е. действуют нам во вред.

Итого, вращающая сила:

Fв = Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Или же более развернуто:

Fв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * ))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Если нет ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Fв = ((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * )*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2

Произведение вращающей силы и радиуса кривошипа носит знакомое всем понятие «крутящего момента», т.е.

Или же:

Мкр = r* (Fкв + Fив)

Мкр = r * [Fп * sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Или же более развернуто:

Мкр = r * [((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * ( + е * r * ))*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Если нет ускорения коленчатого вала, т.е. при е(t) = 0:

Мкр = r * [((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * )*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]

Наряду с крутящим моментом существует реактивный момент двигателя, который стремится развернуть сам двигатель. Он противоположен по направлению крутящему моменту.

Итак, сегодня мы рассмотрели основные силы, возникающие в ШПГ работающего ДВС, выявили зависимости мгновенных значений сил и крутящего момента от давления газов, частоты вращения (в общем случае и ускорения) и угла поворота коленчатого вала. Но следует помнить, что помимо сил инерции и сил, порожденных давлением газов, существуют силы трения и силы сопротивления.

Не забываем поправлять, если заметили ошибку, писать пожелания и ставить лайки.

Источник

Источник