エンジンピストン: 設計上の特徴。ピストン式内燃機関自動車産業での実用化

ロータリーピストンエンジン (RPE)、またはヴァンケルエンジン。エンジン内燃機関、1957年にフェリックス・ヴァンケルがヴァルター・フロイデと協力して開発しました。 RPD では、ピストンの機能は 3 頂点 (三角形) ローターによって実行され、複雑な形状のキャビティ内で回転運動を行います。 1960 年代と 1970 年代に自動車やオートバイの実験が盛んに行われた後、RPD への関心は薄れてきましたが、多くの企業が今もヴァンケルエンジンの設計を改良しようと取り組んでいます。現在、乗用車にはRPDが搭載されています。マツダ。モデリングにはロータリーピストンエンジンを使用しています。

動作原理

燃焼した燃料と空気の混合物からのガス圧力の力が、偏心シャフト上のベアリングを介して取り付けられたローターを駆動します。エンジンハウジング (ステーター) に対するローターの移動は、一対のギアを介して行われます。そのうちの 1 つ大きいギアはローターの内面に固定されており、もう 1 つはサポート用の小さいギアでローターにしっかりと取り付けられています。エンジンのサイドカバーの内面。ギアの相互作用により、ローターが円形の偏心運動を行い、エッジが燃焼室の内面に接触するという事実が生じます。その結果、ローターとエンジン本体の間に容積が可変の 3 つの隔離されたチャンバーが形成され、そこで混合気の圧縮、燃焼、ローターの作動面に圧力を加えるガスの膨張、燃焼室の排気ガスの浄化が行われます。ローターの回転運動はベアリングに取り付けられた偏心軸に伝達され、伝達機構にトルクを伝達します。したがって、RPD では 2 つの機械ペアが同時に動作します。最初の機械ペアはローターの動きを調整し、一対のギアで構成されます。そして2つ目は変革的です環状交差点ローターが偏心シャフトの回転に加わります。ローターギアとステーターギアのギア比は2:3なので、フルターン偏心シャフトによりローターは 120 度回転できます。次に、ローターの面によって形成される 3 つのチャンバーのそれぞれでローターが 1 回転するたびに、内燃エンジンの 4 ストロークサイクルが実行されます。
RPD図
1 - 吸気窓; コンセント窓2つ。 3 - 本体。 4 - 燃焼室。 5 – 固定ギア; 6 - ローター。 7 - ギア。 8 - シャフト。 9 – スパークプラグ

RPDの利点

ロータリーピストンエンジンの主な利点は、設計の単純さです。 RPD は、4 ストロークピストンエンジンよりも部品が 35 ～ 40% 少なくなっています。 RPD にはピストン、コンロッド、クランクシャフトがありません。 RPD の「クラシック」バージョンには、ガス分配メカニズムがありません。燃料と空気の混合気は、ローターの端を開く吸気窓を通ってエンジンの作動キャビティに入ります。排気ガスは排気ポートから排出され、排気ポートもローターの端と交差します (これは 2 ストロークピストンエンジンのガス分配装置に似ています)。
潤滑システムは特筆に値しますが、RPD の最も単純なバージョンには事実上ありません。 2ストロークオートバイエンジンを作動させる場合と同様に、燃料にオイルが追加されます。摩擦対の潤滑（主にローターと作業面燃焼室）は、燃料と空気の混合物自体によって生成されます。
ローターの質量が小さく、偏心シャフトのカウンターウェイトの質量とのバランスが容易であるため、RPD は振動レベルが低く、動作の均一性が良好であるという特徴があります。 RPD搭載車ではエンジンのバランスがとりやすくなり、振動を最小限に抑えることができ、車全体の快適性に良い影響を与えます。ツインローターエンジンは特にスムーズで、ローター自体が振動を軽減するバランサーの役割を果たします。
RPD のもう 1 つの魅力的な品質は、次のような高い電力密度です。高速エキセントリックシャフト。これにより、比較的低燃費の RPD 搭載車でも優れた速度特性を実現できます。ピストン内燃エンジンと比較してローター慣性が低く、比出力が増加するため、車両のダイナミクスを向上させることができます。
最後に、RPD の重要な利点は、サイズが小さいことです。ロータリーエンジン同じ出力の 4 ストロークピストンエンジンの約半分のサイズです。これにより、スペースをより合理的に使用できるようになりますエンジン室、トランスミッションコンポーネントの位置とフロントアクスルとリアアクスルの負荷をより正確に計算します。

RPDの欠点

ロータリーピストンエンジンの主な欠点は、ローターと燃焼室の間の隙間をシールする効率が低いことです。 RPD ローターは複雑な形状をしており、面に沿った信頼性の高いシール (各面に 4 つのシールがあり、先端面に 2 つ、側面に 2 つあります) だけでなく、接触する側面にも信頼性の高いシールが必要です。エンジンカバーと一緒に。この場合、シールは高合金鋼のバネ仕掛けのストリップの形で作られ、作業面と端の両方が特に精密に加工されています。加熱による金属の膨張に対するシールの設計に組み込まれた公差により、シールの特性が悪化します。シールプレートの端部でのガスの侵入を避けることはほとんど不可能です（ピストンエンジンでは、シールリングを隙間のある状態で取り付けるラビリンス効果が使用されています）。方向が異なります）。
でここ数年シールの信頼性が大幅に向上しました。デザイナーはシール用の新しい素材を発見しました。ただし、画期的な進歩についてはまだ話す必要はありません。やはりシールが一番多いですねボトルネック RPD。
複雑なローターシールシステムでは、摩擦面に効果的な潤滑が必要です。 RPM は 4 ストロークピストンエンジンよりも多くのオイルを消費します (1000 キロメートルあたり 400 グラムから 1 キログラム)。この場合、燃料とともにオイルも燃焼することになり、エンジンの環境性に悪影響を及ぼします。 RPD の排気ガスには、ピストンエンジンの排気ガスよりも人間の健康に有害な物質が多く含まれています。
RPD で使用されるオイルの品質にも特別な要件が課されます。これは、第一に摩耗が増加する傾向（ローターとエンジンの内部チャンバーなどの接触部品の面積が大きいため）、第二に過熱（やはり摩擦の増加とエンジンの内部チャンバーによる）が原因です。エンジン自体のサイズが小さい）。不規則なオイル交換は RPM にとって致命的です。古いオイルに含まれる研磨粒子がエンジンの摩耗とエンジンの過冷却を急激に増加させるためです。冷えたエンジンを始動して暖気が不十分であると、ローターシールと燃焼室の表面およびサイドカバーの接触領域に潤滑がほとんどないという事実につながります。ピストンエンジンが過熱したときに焼き付きが発生する場合、RPD は、冷えたエンジンを始動するとき (または、冷却が過剰な寒冷地での運転時) に最も多く発生します。
一般に、RPM の動作温度はピストンエンジンの動作温度よりも高くなります。最も熱応力を受ける領域は燃焼室で、容積が小さいため温度が上昇し、混合気への点火が困難になります (RPD は、燃焼室の形状が拡張しているため、燃焼室が燃えやすくなります)これは、このタイプのエンジンの欠点にも起因する可能性があります)。したがって、RPD はキャンドルの品質を要求します。これらは通常、これらのエンジンにペアで取り付けられます。
ロータリーピストンエンジンは、優れた出力特性と速度特性にもかかわらず、ピストンエンジンに比べて柔軟性が低い (または弾性が低い) ことが判明しています。これらはかなり高速でのみ最適なパワーを生成するため、設計者は RPD を多段ギアボックスと組み合わせて使用する必要があり、設計が複雑になります。自動ボックス伝染 ; 感染結局のところ、RPD は理論上期待されているほど経済的ではないことが判明しました。

自動車産業での実用化

RPD は前世紀の 60 年代後半から 70 年代前半に最も普及しました。このとき、ヴァンケルエンジンの特許は世界の大手自動車メーカー 11 社によって購入されました。
1967 年にドイツの会社 NSU がシリアル版をリリースしました。車ビジネスクラスNSU Ro 80。このモデルは10年間生産され、全世界で37,204個販売されました。この車は人気がありましたが、搭載されていた RPD の欠点により、この素晴らしい車の評判は最終的に台無しになりました。長く続く競合他社と比較すると、NSU Ro 80 モデルは「青白く」見えました。オーバーホール宣言された10万キロメートルのエンジンは5万キロを超えませんでした。
シトロエン、マツダ、VAZ は RPD を実験しました。最大の成功は、NSU Ro 80 の登場より 4 年早い 1963 年に RPD を搭載した乗用車を発売したマツダによって達成されました。今日、マツダの懸念により、RX シリーズのスポーツカーに RPD が装備されています。現代の車マツダ RX-8 には、フェリックスヴァンケル RPD の多くの欠点がありません。それらは非常に環境に優しく、信頼性がありますが、車の所有者や修理専門家の間では「気まぐれ」であると考えられています。

二輪車業界での実用化

70 年代から 80 年代にかけて、ハーキュリーズ、スズキなど、いくつかのオートバイメーカーが RPD を実験しました。現在、「ロータリー」バイクの小規模生産は Norton 社のみで確立されており、NRV588 モデルを生産し、NRV700 バイクの量産準備を進めています。
ノートン NRV588 は、総容積 588 立方センチメートル、出力 170 のツインローターエンジンを搭載したスポーツバイクです。馬力。バイクの乾燥重量が 130 kg であるため、スポーツバイクの電源は文字通り法外に見えます。このマシンのエンジンには可変吸気トラクトシステムが装備されており、電子注入燃料。 NRV700 モデルについてわかっていることは、このスポーツバイクの RPM 出力が 210 馬力に達するということだけです。

意味。

ピストンエンジン- 内燃エンジンのオプションの 1 つで、変換によって駆動されます。内部エネルギー燃料を燃やす機械的な仕事ピストンの並進運動。シリンダ内の作動流体が膨張するとピストンが動きます。

クランク機構はピストンの並進運動を次のように変換します。回転運動クランクシャフト.

エンジンの動作サイクルは、ピストンの一方向の並進ストロークの一連のストロークで構成されます。エンジンは2ストロークエンジンと4ストロークエンジンに分けられます。

2ストロークおよび4ストロークピストンエンジンの動作原理。

シリンダー数 ピストンエンジンデザインにより異なります（1～24）。エンジンの容積はすべてのシリンダーの容積の合計に等しいと考えられ、その容積は断面積とピストンのストロークを乗じることによって求められます。

でピストンエンジン設計が異なれば、燃料点火プロセスも異なります。

電気火花放電、点火プラグ上に形成されます。このようなエンジンは、ガソリンと他の種類の燃料の両方で動作できます ( 天然ガス).

作動流体の圧縮:

で ディーゼルエンジン、ディーゼル燃料またはガス (5% ディーゼル燃料を追加) で動作すると、空気が圧縮され、ピストンが最大圧縮点に達すると燃料が噴射され、加熱された空気との接触により発火します。

圧縮モデルエンジン。それらの燃料供給は、ガソリンエンジン。したがって、それらを動作させるには、特別な燃料組成（空気とジエチルエーテルを混合したもの）と、圧縮比の正確な調整が必要です。コンプレッサーエンジンは、航空機および自動車産業に導入されています。

グローエンジン。動作原理は多くの点で圧縮モデルのエンジンと似ていますが、設計上の特徴がないわけではありません。それらにおける点火の役割は次によって実行されます- グロープラグ、その熱は前のストロークで燃焼した燃料のエネルギーによって維持されます。燃料の組成も特殊で、メタノール、ニトロメタン、ヒマシ油をベースとしています。このようなエンジンは自動車と飛行機の両方で使用されています。

カロリザーエンジン。これらのエンジンでは、燃料がエンジンの高温部分 (通常はピストンのクラウン) に接触すると点火が発生します。燃料には平炉ガスを使用します。圧延機の駆動モーターとして使用されます。

使用される燃料の種類ピストンエンジン:

液体燃料– ディーゼル燃料、ガソリン、アルコール、バイオディーゼル;

ガス– 天然および生物ガス、液化ガス、水素、石油分解のガス状生成物;

一酸化炭素は石炭、泥炭、木材からガス化装置で生成され、燃料としても使用されます。

ピストンエンジンの作動。

エンジンの動作サイクル技術的な熱力学で詳細に説明されています。さまざまなサイクログラムは、オットー、ディーゼル、アトキンソン、またはミラーとトリンクラーなどのさまざまな熱力学サイクルによって記述されます。

ピストンエンジンの故障の原因。

ピストン内燃エンジンの効率。

で得られた最大効率は、 ピストンエンジン は 60%、つまり燃焼した燃料の半分弱がエンジン部品の加熱に費やされ、熱とともに放出されます。排ガス。これに関連して、エンジンに冷却システムを装備する必要があります。

冷却システムの分類:

空気CO– シリンダーの外面にリブがあるため、熱が空気に伝達されます。該当しますか
ボナ弱いエンジン(数十馬力)、または強力な航空機エンジン、速い空気の流れによって冷却されます。

液体CO– 液体（水、不凍液、または油）が冷却剤として使用され、冷却ジャケット（シリンダーブロックの壁のチャネル）を通ってポンプで送られ、冷却ラジエーターに入り、そこで自然または空気の流れによって冷却されます。ファンから。まれに、エンジンの暖機時の熱で溶ける金属ナトリウムが冷却剤として使用されることもあります。

応用。

ピストンエンジンは、その出力範囲 (1 ワット～ 75,000 kW) により、自動車産業だけでなく、航空機製造や造船でも非常に人気があります。また、戦闘、農業、その他の車両の駆動にも使用されます。建設機械、発電機、水ポンプ、チェーンソー、その他の移動式および固定式の機械。

最も有名で世界中で広く使用されています機械装置- 内燃機関（以下、ICE）です。それらの範囲は広範囲に及び、例えば、シリンダーの数（1 から 24 まで変化する）、使用される燃料など、多くの特徴が異なります。

ピストン内燃機関の作動

単気筒内燃エンジン新世代の多気筒エンジン作成の出発点であるにもかかわらず、最も原始的でバランスが悪く、動作が不均一であると考えられます。現在、それらは航空機のモデリング、農業用具、家庭用工具、園芸工具の製造に使用されています。自動車産業では、4 気筒エンジンやより堅牢なデバイスが広く使用されています。

それはどのように機能し、何で構成されていますか?

ピストン内燃機関は複雑な構造をしており、次のもので構成されています。

シリンダブロック、シリンダヘッドを含むハウジング；
ガス分配機構。
クランク機構（以下、クランク機構という）と、
多数の補助システム。

クランクシャフトは、シリンダー内の混合気（以下、FA）の燃焼中に放出されるエネルギーとクランクシャフトを結び、車両の動きを確保します。ガス分配システムは、ユニットの動作中のガス交換を担当します: アクセス大気中の酸素燃料集合体をエンジンに送り込み、燃焼中に生成されるガスを適時に除去します。

シンプルなピストンエンジンの設計

補助システムを以下に示します。

吸気、エンジンへの酸素の供給を確保します。
燃料。燃料噴射システムに代表される。
点火は、ガソリンで動作するエンジンの燃料集合体に火花を与えて点火します（ディーゼルエンジンは、高温による混合気の自己着火を特徴とします）。
機械油を使用して接触する金属部品の摩擦や摩耗を軽減する潤滑システム。
エンジン作動部品の過熱を防ぎ、循環を確保する冷却システム特殊な液体タイプの不凍液。
対応する機構へのガスの除去を確実にする排気システム。排気バルブで構成されます。
電子機器レベルで内燃エンジンの機能を監視する制御システム。

説明されているユニットの主な動作要素は次のとおりです。 内燃機関のピストン、それ自体はプレハブ部品です。

エンジンピストン装置

段階的な操作図

内燃エンジンの動作は、膨張するガスのエネルギーに基づいています。これらは機構内での燃料集合体の燃焼の結果です。この物理的プロセスにより、ピストンがシリンダー内で移動します。この場合、燃料は次のとおりです。

液体 (ガソリン、ディーゼル燃料);
ガス;
固体燃料の燃焼により発生する一酸化炭素。

エンジンの動作は、特定の数のサイクルで構成される連続的な閉じたサイクルです。最も一般的な内燃エンジンには、サイクル数の異なる 2 つのタイプがあります。

圧縮とストロークを生み出す 2 ストローク。
4 ストローク - 吸気、圧縮、動力行程、最終的な排気という同じ期間の 4 つの段階を特徴とし、これは主な作動要素の位置が 4 倍変化することを示します。

ストロークの始まりは、シリンダー内のピストンの位置によって決まります。

上死点（以下、TDCという）。
下死点（以下、BDC）。

4ストロークサンプルの動作アルゴリズムを学ぶことで、徹底的に理解することができます 車のエンジンの動作原理.

車のエンジンの動作原理

吸気は、作動ピストンを上死点からシリンダーのキャビティ全体に通過させ、同時に燃料集合体を後退させることによって行われます。に基づくデザインの特徴、流入ガスの混合が発生する可能性があります。

インテークマニホールドでは、これはエンジンが分散噴射または集中噴射を備えたガソリンの場合に関係します。
燃焼室では、ディーゼルエンジンとガソリンで動作する直噴エンジンのことを指します。

最初の措置 ガス分配機構の吸気バルブを開いた状態で通過します。吸気バルブと排気バルブの数、開いている時間、サイズ、摩耗状態は、エンジンの出力に影響を与える要因です。圧縮初期のピストンは下死点に位置します。その後、上方に移動し始め、蓄積された燃料集合体を燃焼室によって決定される寸法まで圧縮します。燃焼室は、上死点でシリンダーの上部とピストンの間に残るシリンダー内の自由空間です。

2 番目の小節 すべてのエンジンバルブを閉じる必要があります。それらの嵌合の緊密さは、燃料集合体の圧縮とその後の点火の質に直接影響します。また、エンジン部品の摩耗レベルは、燃料集合体の圧縮品質に大きな影響を与えます。それはピストンとシリンダーの間の空間の大きさ、バルブの気密さで表されます。エンジンの圧縮レベルは、パワーに影響を与える主な要因です。圧縮計と呼ばれる特別な装置で測定されます。

作業ストローク プロセスに接続すると開始されます 点火システム、火花を発生させます。ピストンは最大上部位置にあります。混合物が爆発してガスが放出され、高血圧とピストンが動き始めます。クランク機構はクランクシャフトの回転を活性化し、車の動きを保証します。この時点では、システムのバルブはすべて閉じた位置にあります。

リリースストローク 検討中のサイクルの最後のものです。全て排気バルブ開いた位置にあるため、エンジンは燃焼生成物を「排出」できます。ピストンは開始点に戻り、新しいサイクルを開始する準備が整います。この動きは、排気システムへの放出に寄与し、その後、排気システムへの放出に寄与します。環境、排ガス。

内燃機関の動作図、上で述べたように、周期性に基づいています。詳しく見てみたところ、 ピストンエンジンはどのように動作するのか、そのようなメカニズムの効率は60％以下であると要約できます。この割合は、特定の瞬間にパワーストロークが 1 つのシリンダーのみで実行されるという事実によるものです。

このときに受け取ったエネルギーのすべてが車の移動に向けられるわけではありません。その一部はフライホイールの動作を維持するために費やされ、慣性によって残りの 3 つのストローク中に車の動作が確保されます。

一定量の熱エネルギーは、ハウジングと排気ガスの加熱に無意識のうちに浪費されます。そのため、車のエンジンの出力はシリンダーの数によって決まり、その結果、作動するすべてのシリンダーの総容積として特定の式を使用して計算される、いわゆるエンジン容積が決まります。

燃料が燃焼すると、熱エネルギーが放出されます。燃料が作動シリンダー内で直接燃焼し、その結果生じるガスのエネルギーがシリンダー内で動くピストンによって感知されるエンジンは、ピストンエンジンと呼ばれます。

したがって、前述したように、このタイプのエンジンは現代の車の主流です。

このようなエンジンでは、燃焼室がシリンダー内にあり、その中で燃焼からの熱エネルギーが混合気ピストンが前進する機械エネルギーに変換され、クランクと呼ばれる特殊な機構によりクランクシャフトの回転エネルギーに変換されます。

空気と燃料（燃料）からなる混合気の形成場所に応じて、ピストン内燃エンジンは外部変換エンジンと内部変換エンジンに分けられます。

同時に、外部混合気形成エンジンは、使用される燃料の種類に応じて、軽液体燃料（ガソリン）で動作するキャブレターエンジンと噴射エンジン、およびガス（ガス発電機、照明、天然ガス）で動作するガスエンジンに分けられます。、など）。圧縮着火エンジンはディーゼルエンジン（ディーゼル）です。重液体燃料 (ディーゼル) で動作します。一般に、エンジン自体の設計はほぼ同じです。

4 ストロークピストンエンジンの作動サイクルは、クランクシャフトが 2 回転すると完了します。定義上、吸気 (1 ストローク)、混合気の圧縮 (2 ストローク)、動力行程 (3 ストローク)、および排気ガスの排出 (4 ストローク) という 4 つの個別のプロセス (またはストローク) で構成されます。

エンジン動作サイクルの変更は、以下で構成されるガス分配メカニズムを使用して確実に行われます。カムシャフト、シリンダーの作動空間を外部環境から隔離し、主にバルブタイミングの変更を確実にするプッシャーとバルブの伝達システム。ガスの慣性（ガス力学プロセスの特徴）により、吸気ストロークと排気ストロークは本物のエンジン重なり合う、つまり一緒に行動することを意味します。高速域では、位相のオーバーラップがエンジンのパフォーマンスにプラスの影響を与えます。逆に多ければ多いほど、低回転、エンジントルクが小さくなります。進行中現代のエンジンこの現象が考慮されています。彼らは、動作中にバルブタイミングを変更できるデバイスを作成します。このような装置にはさまざまな設計があり、その中で最も適しているのは、ガス分配機構の位相を調整するための電磁装置です (BMW、マツダ)。

キャブレター内燃機関

でキャブレターエンジン空気と燃料の混合物は、エンジンシリンダーに入る前に準備されます。特別な装置- キャブレター内。このようなエンジンでは、可燃混合物（燃料と空気の混合物）がシリンダーに入り、残りの排気ガスと混合される（作動混合物）が、外部エネルギー源、つまり点火システムからの電気火花によって点火されます。

噴射式内燃機関

このようなエンジンでは、ガソリンを噴射する噴霧ノズルの存在により、インテークマニホールド、空気との混合物形成が発生します。

ガス内燃機関

これらのエンジンでは、ガス減速機を出た後のガス圧力を大幅に減圧して大気圧に近づけた後、エアガスミキサーを使って吸入し、電動インジェクターを使って噴射します（同様に噴射エンジン) をエンジンのインテークマニホールドに挿入します。

従来のタイプのエンジンと同様に、点火は電極間を飛び越える点火プラグからの火花によって行われます。

ディーゼル内燃機関

ディーゼルエンジンでは、混合気の形成がエンジンシリンダー内で直接発生します。空気と燃料は別々にシリンダーに入ります。

この場合、最初は空気だけがシリンダーに入り、圧縮され、最大圧縮の瞬間に、細かく霧化された燃料の流れが特別なノズルを通してシリンダーに噴射されます（そのようなエンジンのシリンダー内の圧力は最高に達します）以前のタイプのエンジンよりもはるかに高い値）、混合物で点火が発生します。

この場合、シリンダー内で混合気が強く圧縮されると、空気の温度が上昇し、混合気が発火します。

デメリットの中にはディーゼルエンジン以前のタイプのピストンエンジンと比較して、その部品、特にクランク機構の機械的応力が高いことが強調できます。そのため、強度特性の向上が必要となり、その結果、寸法、重量、コストが大きくなります。エンジンの洗練された設計と高品質の素材の使用により、この値は増加します。

さらに、このようなエンジンは、シリンダ内の作動混合物の不均一燃焼により、避けられない煤の排出と、排気ガス中の窒素酸化物の含有量の増加を特徴とする。

ガスディーゼル内燃機関

このようなエンジンの動作原理は、あらゆるタイプのガスエンジンの動作と同様です。

空気と燃料の混合物は、同様の原理に従って、空気とガスのミキサーまたは吸気マニホールドにガスを供給することによって調製されます。

ただし、混合気は、電気点火プラグを使用せず、ディーゼルエンジンの動作と同様に、シリンダー内に噴射されるディーゼル燃料のパイロット部分によって点火されます。

ロータリーピストン内燃機関

このエンジンは、確立された名前に加えて、それを作成した科学者兼発明者の名前にちなんで名付けられ、ヴァンケルエンジンと呼ばれます。 20世紀初頭に提案された。現在、このようなエンジンはマツダ RX-8 メーカーによって開発されています。

エンジンの主要部分は三角形のローター (ピストンに似たもの) で構成され、特定の形状のチャンバー内で回転し、内面のデザインは数字の「8」を彷彿とさせます。このローターはクランクシャフトピストンとガス分配機構の機能を実行するため、ピストンエンジンに必要なガス分配システムが不要になります。 1 回転で 3 つの完全な動作サイクルを実行するため、そのようなエンジン 1 つで 6 気筒ピストンエンジンを置き換えることができます。その設計の基本的な単純さを含め、多くの利点があるにもかかわらず、その普及を妨げる欠点があります。これらは、チャンバーとローター間の長期にわたる信頼性の高いシールの作成と、必要なエンジン潤滑システムの構築に関連しています。ロータリーピストンエンジンの動作サイクルは、混合気の吸入（1 ストローク）、混合気の圧縮（2 ストローク）、燃焼混合物の膨張（3 ストローク）、排気（4 ストローク）の 4 つのストロークで構成されます。

回転翼内燃機関

ヨーモバイルに搭載されているエンジンと同じです。

ガスタービン内燃機関

すでに今日では、これらのエンジンは自動車のピストン内燃エンジンをうまく置き換えることができます。これらのエンジンの設計がこの完成度に達したのはここ数年ですが、自動車にガスタービンエンジンを使用するというアイデアはずっと前に生まれました。本当のチャンス現在、信頼性の高いガスタービンエンジンの作成は、開発、冶金学、およびその製造技術が高いレベルに達したブレードエンジンの理論によって保証されています。

ガスタービンエンジンとは何ですか? これを行うために、回路図を見てみましょう。

コンプレッサー (位置 9) とガスタービン (位置 7) は同じシャフト (位置 8) 上にあります。ガスタービンシャフトはベアリング内で回転します (位置 10)。コンプレッサーは大気から空気を取り込み、圧縮して燃焼室に送ります (項目 3)。燃料ポンプ (項目 1) もタービンシャフトによって駆動されます。燃焼室に設置されたノズル（項目2）に燃料を供給します。ガス状の燃焼生成物は、ガスタービンのガイドベーン (項目 4) を通ってインペラ (項目 5) のブレードに流入し、所定の方向に回転させます。排気ガスはパイプ（項目 6）を通じて大気中に放出されます。

このエンジンには欠点がたくさんありますが、設計が進むにつれてそれらは徐々に解消されています。同時に、ピストン内燃エンジンと比較して、ガスタービン内燃エンジンには多くの重要な利点があります。まず最初に注意しなければならないのは、蒸気タービン、ガスが発生する可能性があります高速。何が受信できるようになるのかもっと力をエンジンの小型化と軽量化（ほぼ 10 倍）。さらに、ガスタービンの唯一の種類の運動は回転です。ピストンエンジンは回転運動に加えて、ピストンの往復運動とコンロッドの複雑な運動を行います。また、ガスタービンエンジンでは必要ありません。特別なシステム冷却、潤滑。最小限のベアリング数で重大な摩擦面が存在しないため、長期間の動作と高い信頼性が保証されます。ガスタービンエンジン。最後に、灯油またはディーゼル燃料を使用して動力を供給されることに注意することが重要です。ガソリンより安いタイプ。自動車用ガスタービンエンジンの開発が進まない理由は、可燃性の高い金属が依然として非常に高価であるため、タービンブレードに入るガスの温度を人為的に制限する必要があるためである。その結果、減少します有益な使用エンジンの（効率）が向上し、原単位消費量燃料（1馬力あたりの燃料量）。乗客および貨物用車のエンジンガス温度は 700°C まで、航空機エンジンでは 900°C までに制限される必要がありますが、今日では、排気ガスの熱を除去してエンジンに入る空気を加熱することで、これらのエンジンの効率を高める方法がいくつかあります。燃焼室。非常に経済的な自動車用ガスタービンエンジンを作成するという問題の解決策は、この分野での研究が成功するかどうかに大きくかかっています。

複合内燃機関

結合エンジンの研究と作成の理論的側面に多大な貢献をしたのは、ソ連のエンジニア、A.N. シェレスト教授でした。

アレクセイ・ネステロヴィッチ・シェレスト

これらのエンジンは、ピストンとブレードという 2 つの機械を組み合わせたもので、タービンまたはコンプレッサーになります。これらの機械はどちらも作業プロセスの重要な部分です。ガスタービン過給を備えたそのようなエンジンの例として。従来のピストンエンジンでは、ターボチャージャーがシリンダーに空気を送り込み、エンジン出力を増加させます。これは、排気ガス流からのエネルギーの使用に基づいています。片側のシャフトに取り付けられたタービンインペラに作用します。そして彼はそれを回転させます。コンプレッサーのブレードは同じシャフトの反対側にあります。したがって、コンプレッサーの助けを借りて、一方ではチャンバー内の真空により空気がエンジンシリンダーに強制的に送り込まれ、他方では空気と燃料の混合物が大量にエンジンに入ります。その結果、燃焼される燃料の量が増加し、この燃焼によって生じるガスがより多くの体積を占めることになり、ピストンにかかる力が大きくなります。

2サイクル内燃機関

これは、珍しいガス分配システムを備えた内燃エンジンの名前です。ピストンが入口と出口の2つのパイプを通過して往復運動を行うプロセスで実装されます。海外では「RCV」という名称が見つかります。

エンジンの作動プロセスは、クランクシャフトの 1 回転とピストンの 2 ストロークの間に行われます。動作原理は次のとおりです。まず、シリンダーがパージされます。これは、排気ガスを同時に吸入すると同時に可燃性混合気を吸入することを意味します。次に、クランクシャフトが上死点に移動するときに対応する下死点の位置から 20 ～ 30 度回転した瞬間に作動混合気が圧縮されます。そして作動ストロークとは、クランクシャフトの回転数のうち、上死点（TDC）から下死点（BDC）に20～30度達しないピストンストロークの長さです。

2ストロークエンジンには明らかな欠点があります。まず、2 ストロークサイクルの弱点はエンジンのパージです (これもガス力学の観点から)。これは、一方では、排気ガスから新鮮なチャージを確実に分離することが不可能であるという事実のために起こります。本質的に飛行することによる避けられない損失排気管新鮮な混合気（ディーゼルの場合は空気）。一方、パワーストロークは 0.5 回転未満しか持続せず、これはすでにエンジン効率の低下を示しています。最後に期間は非常に長くなります重要なプロセス 4ストロークエンジンでは作動サイクルの半分を占めるガス交換を増やすことはできません。

2 ストロークエンジンは、パージまたは過給システムの使用が必須であるため、より複雑で高価になります。シリンダーとピストンのグループの部品の熱応力が増大するため、ピストン、リング、シリンダーライナーなどの個々の部品に、より高価な材料を使用する必要があることは疑いの余地がありません。また、ピストンによるガス分配機能の性能により、ピストンのストロークの高さとパージ窓の高さからなるピストンの高さのサイズに制限が課せられます。これは原付バイクではそれほど重要ではありませんが、大量の電力消費を必要とする車に取り付ける場合、ピストンが大幅に重くなります。したがって、パワーが数十馬力、さらには数百馬力で測定される場合、ピストン質量の増加は非常に顕著です。

それにもかかわらず、そのようなエンジンを改良するためにいくつかの作業が行われました。リカルドエンジンでは、垂直ストロークを備えた特別な分配スリーブが導入され、これはピストンのサイズと重量を削減できるようにする試みでした。このシステムは非常に複雑で、実装に非常に費用がかかることが判明したため、そのようなエンジンは航空分野でのみ使用されました。さらに、排気バルブは 4 ストロークエンジンのバルブと比較して 2 倍の熱応力 (直流バルブパージの場合) を持つことにも注意してください。さらに、シートが排気ガスと直接接触する時間が長くなるため、熱放散が悪化します。

6ストローク内燃エンジン

この動作は 4 ストロークエンジンの動作原理に基づいています。さらに、その設計には、一方では効率を高め、他方では損失を減らす要素が含まれています。二つあります他の種類そのようなエンジン。

オットーサイクルおよびディーゼルサイクルで動作するエンジンでは、燃料の燃焼中に大幅な熱損失が発生します。これらの損失は、最初の設計のエンジンで追加の出力として使用されます。このようなエンジンの設計では、空気と燃料の混合物に加えて、蒸気または空気がピストンのストロークを増やすための作動媒体として使用され、出力が増加します。このようなエンジンでは、各燃料噴射後にピストンが両方向に 3 回動きます。この場合、2 つの作業ストロークがあり、1 つは燃料を使用し、もう 1 つは蒸気または空気を使用します。

この領域では次のエンジンが作成されています。

Bajulaz エンジン (英語の Bajulaz から)。これは Bayulas (スイス) によって作成されました。

Crower エンジン (英語の Crower から)。ブルース・クロワー (米国) によって発明されました。

ブルース・クロワー

Velozet エンジン (英語 Velozeta から) 工科大学 (インド) で製造されました。

2 番目のタイプのエンジンの動作原理は、各シリンダーの主シリンダーの反対側に配置された追加のピストンの設計での使用に基づいています。追加のピストンはメインピストンと比較して半分の周波数で動き、各サイクルで 6 回のピストンストロークを提供します。追加のピストンは、主な目的として、エンジンの従来のガス分配機構を置き換えます。 2 番目の機能は、圧縮率を高めることです。

このようなエンジンには主に 2 つの設計があり、それぞれ独立して作成されています。

ベアヘッドエンジン。 Malcolm Beer (オーストラリア) によって発明されました。

「Charging Pump」（ドイツのチャージポンプ）と呼ばれるエンジン。ヘルムート・コットマン（ドイツ）によって発明されました。

近い将来、内燃機関はどうなるでしょうか?

記事の冒頭で示したものに加えて、内燃機関のデメリットもう 1 つ根本的な欠点があり、車両のトランスミッションとは別に内燃エンジンを使用することができません。パワーユニット車両は、エンジンと車両のトランスミッションによって形成されます。これにより、車両は必要なすべての速度で移動できるようになります。しかし、単一の内燃エンジンは、狭い速度範囲でのみ最大出力を発揮します。実際、これがトランスミッションが必要な理由です。例外的な場合にのみ、送信なしで実行されます。たとえば、一部の航空機の設計です。

ピストン内燃エンジンは、道路、鉄道、海上輸送、農業および建設産業（トラクター、ブルドーザー）、特殊施設（病院、通信回線など）の非常用電源システムなどのエネルギー源として広く使用されています。 . 人間の活動領域。近年、ガスピストン内燃機関をベースとしたミニ CHP が特に普及しており、小規模住宅地や産業へのエネルギー供給の問題は効果的に解決されています。このような火力発電所の独立性は、集中システム（RAO UES など）動作の信頼性と安定性が向上します。

ピストン内燃エンジンは設計が非常に多様で、非常に小型 (航空機モデル用のエンジン) から非常に大型 (海洋タンカー用のエンジン) まで、非常に幅広い出力範囲を提供できます。

私たちは、学校の物理コースから始まり「技術熱力学」コースで終わるまで、ピストン内燃機関の設計と動作原理の基礎を繰り返し学習してきました。それでも、私たちの知識を強化し深めるために、この問題をもう一度簡単に考えてみましょう。

図では、 6.1にエンジンの構造図を示します。知られているように、内燃機関における燃料の燃焼は作動流体中で直接行われる。ピストン内燃機関では、このような燃焼は作動シリンダー内で行われます。 1 動くピストンを使って 6. 燃焼によって生じる煙道ガスがピストンを押し、ピストンが役に立つ仕事。コネクティングロッド7とクランクシャフト9の助けによるピストンの並進運動は、使用により便利な回転運動に変換されます。クランクシャフトはクランクケース内にあり、エンジンシリンダーはシリンダーブロック（またはジャケット）と呼ばれる別のハウジング部品内にあります。 2. シリンダカバー5には吸入口が内蔵されています。 3 そして卒業 4 運動学的に接続された特別なカムシャフトからの強制カムドライブを備えたバルブクランクシャフト車。

米。 6.1.

エンジンが継続的に動作するためには、シリンダーから燃焼生成物を定期的に除去し、新しい燃料と酸化剤 (空気) を充填する必要があります。これは、ピストンの動きとバルブの動作によって行われます。。

ピストン内燃機関は通常、さまざまな一般的特性に従って分類されます。

1.混合気の形成、点火、熱供給の方法に基づいて、エンジンは強制点火と自己点火（キャブレターまたはインジェクションとディーゼル）を備えた機械に分類されます。
2.作業プロセスの編成に従って、4ストロークと2ストロークに分かれます。後者では、作業プロセスはピストンの4回のストロークではなく、2回のストロークで完了します。次に、2 サイクル内燃エンジンは、直流バルブスロットパージを備えた機械、クランクチャンバーパージを備えた機械、直流パージと逆移動ピストンを備えた機械などに分類されます。
3. 目的別 - 定置式、船舶、ディーゼル機関車、自動車、オートトラクターなど。
4.回転数に応じて、低速（最大200rpm）と高速。
5. 平均ピストン速度に基づく d>n = ? P/ 30 - 低速および高速用 (th?`` > 9 m/s)。
6. 圧縮開始時の空気圧に応じて - 従来型と駆動ブロワーを使用した過給型。
7. 排気ガスからの熱の使用に応じて - 従来型（この熱を使用しない）、ターボチャージャー付き、および組み合わせ。ターボ車では、排気バルブが通常よりわずかに早く開き、燃焼ガスが通常より高圧でパルスタービンに送られ、シリンダーに空気を供給するターボチャージャーを駆動します。これにより、シリンダー内でより多くの燃料が燃焼できるようになり、効率と仕様車。複合内燃エンジンでは、ピストン部分は主にガス発生器として機能し、機械の出力の最大 50 ～ 60% しか生成しません。総電力の残りは、煙道ガスを動力源とするガスタービンから得られます。この目的のために、燃焼排ガスは高血圧 Rと温度は / を使用してタービンのシャフトに送られます。ギアトランスミッションまたは、流体継手が受け取った動力を設備の主軸に伝達します。
8. エンジンにはシリンダーの数と配置により、単気筒、複気筒、多気筒、直列、K 型、T 型があります。

ここで、最新の 4 ストロークディーゼルエンジンの実際のプロセスを考えてみましょう。これは、ここでの完全なサイクルがピストンの 4 つの完全なストロークで実行されるため、4 ストロークと呼ばれますが、これから説明するように、この時間中に、もう少し実際の熱力学的プロセスが実行されます。これらのプロセスは図 6.2 に明確に示されています。

米。 6.2.

I - 吸引; II - 圧縮。 III - 作業ストローク; IV - 押し出す

ビートの最中に吸引(1) サクション（吸気）バルブは上死点（TDC）の数度前に開きます。開く瞬間が点に相当 Gの上 R-^-図。この場合、吸入プロセスはピストンが下死点 (BDC) に移動し、圧力がかかるときに発生します。 nsあまり雰囲気がありません/; a（またはブースト圧） рн)。ピストンの動きの方向が変わるとき（下死点から上死点）、吸気バルブもすぐには閉まらず、ある程度の遅れを伴います（点）。 T）。次に、バルブが閉じられた状態で、作動流体は（ある点まで）圧縮されます。 と）。でディーゼル車きれいな空気が吸い込まれて圧縮され、キャブレターエンジンでは空気とガソリン蒸気の混合物が作動します。このピストンのストロークを通常ストロークといいます。圧縮(II)。

TDC になる前にクランクシャフトを数度回転すると、インジェクターを通じてシリンダーに噴射されます。ディーゼル燃料、自己発火、燃焼、燃焼生成物の膨張が起こります。でキャブレター車作動混合物は電気火花放電を使用して強制的に点火されます。

空気が圧縮され、壁との熱交換が比較的少ない場合、その温度は大幅に上昇し、燃料の自己発火温度を超えます。したがって、噴射された細かく霧化された燃料は非常に早く暖まり、蒸発して点火します。燃料の燃焼の結果、シリンダー内の圧力は最初に急上昇し、次にピストンが下死点への移動を開始すると、圧力は減少率で最大値まで増加し、その後、噴射中に燃料の最後の部分が受け取られると、圧力は最大値まで増加します。燃焼すると、（集中的な成長シリンダーの体積により）減少し始めます。条件付きでその時点で次のように仮定しますと"燃焼プロセスが終了します。これに続いて、燃焼排ガスの膨張プロセスが続き、その圧力によってピストンが下死点まで移動します。燃焼と膨張のプロセスを含むピストンの 3 番目のストロークは、 作動ストローク(III)、このときのみエンジンが有益な仕事をするからです。この仕事はフライホイールを使用して蓄積され、消費者に提供されます。蓄積された作業の一部は、残りの 3 サイクルで消費されます。

ピストンが下死点に近づくと、排気バルブが少し前進して開きます（ポイント b）と排気ガスが排気管に流入し、シリンダー内の圧力が急激に低下し、ほぼ大気圧になります。ピストンが上死点に移動すると、燃焼ガスがシリンダーから押し出されます (IV - 押し出す）。エンジンの排気管には一定の油圧抵抗があるため、このプロセス中、シリンダー内の圧力は大気圧より高いままになります。排気バルブは上死点（ポイント）後に閉じます。 P)、したがって、各サイクルで、吸気バルブと排気バルブの両方が同時に開いている状況が発生します（バルブのオーバーラップについて話しています）。これにより、作動シリンダーから燃焼生成物がより適切に除去され、燃料燃焼の効率と完全性が向上します。

サイクルは 2 ストローク機械では異なる方法で構成されます (図 6.3)。これらは通常、過給エンジンであり、これを行うために、通常、駆動ブロワーまたはターボチャージャーが付いています。 2 、エンジンの作動中にエアレシーバに空気を送り込みます。 8.

２サイクルエンジンの作動シリンダには常にパージ窓９があり、下死点に向かうピストンがますますパージ窓を開き始めると、レシーバからの空気がこの窓を通ってシリンダ内に入る。

一般にパワーストロークと呼ばれるピストンの最初のストロークでは、噴射された燃料がエンジンシリンダー内で燃焼し、燃焼生成物が膨張します。これらのプロセスは指標図に示されています (図 6.3、 A)線に反映される 座る。時点で T排気バルブが開き、過剰な圧力の影響で煙道ガスが排気管に流入します。 6, 結果として

米。 6.3.

1 - 吸入管; 2 - ブロワー（またはターボチャージャー）; 3 - ピストン; 4 - 排気バルブ; 5 - ノズル。 6 - 排気管。 7 - 労働者

シリンダー; 8 - エアレシーバー; 9- パージウィンドウ

すると、シリンダー内の圧力が著しく低下します（ポイント P）。ピストンが十分に下がり、パージ窓が開き始めると、レシーバーからの圧縮空気がシリンダーに突入します。 8 シリンダーから残りの排ガスを押し出します。この場合、作動量は増加し続け、シリンダー内の圧力はレシーバー内の圧力までほぼ低下します。

ピストンの移動方向が逆転すると、パージポートが少なくとも部分的に開いたままである限り、シリンダのパージプロセスは継続します。時点でに(図6.3、 b)ピストンがパージ窓を完全にブロックし、シリンダーに入る空気の次の部分の圧縮が始まります。 TDC 数度手前（点） と"）燃料噴射がノズルから始まり、前述のプロセスが発生し、燃料の点火と燃焼につながります。

図では、 6.4に説明図を示します。構造装置他のタイプの 2 ストロークエンジン。一般に、これらすべてのマシンの動作サイクルは説明したものと同様です。デザインの特徴主に持続時間のみに影響を与える

米。 6.4.

あ- ループスロットブローイング; 6 - 反対方向に動くピストンによる直接流ブロー。 V- クランクチャンバーパージ

個々のプロセス、そしてその結果としてエンジンの技術的および経済的特性に影響を及ぼします。

結論として、注意すべきことは、 2ストロークエンジン理論的には、セテリスパリバスにより 2 倍のパワーを得ることが可能ですが、実際には、シリンダーの洗浄条件が悪く、内部損失が比較的大きいため、このゲインは若干小さくなります。

エンジンピストン: 設計上の特徴。 ピストン式内燃機関 自動車産業での実用化