Tłok - Piston

Tłoki w dzielonym silniku benzynowym
Animacja układu tłokowego.

Tłok jest składnikiem silników tłokowych , tłokowych pomp , sprężarek gazu , siłowników hydraulicznych i siłowników pneumatycznych , wśród innych podobnych mechanizmów. Jest to ruchomy element, który mieści się w cylindrze i jest gazoszczelny dzięki pierścieniom tłokowym . W silniku jego zadaniem jest przeniesienie siły z rozprężającego się gazu w cylindrze na wał korbowy za pośrednictwem tłoczyska i/lub korbowodu . W pompie funkcja jest odwrócona i siła przenoszona jest z wału korbowego na tłok w celu sprężenia lub wypchnięcia płynu w cylindrze. W niektórych silnikach tłok działa również jako zawór , zakrywając i odsłaniając porty w cylindrze.

Silniki tłokowe

Silnik czterotłokowy (renderowanie 3D)
Tłok

Silniki z zapłonem wewnętrznym

Tłok silnika spalinowego wewnętrznego spalania , podzielony w celu ukazania sworznia .

Na silnik spalinowy działa ciśnienie rozprężających się gazów spalinowych w przestrzeni komory spalania w górnej części cylindra. Siła ta działa następnie w dół przez korbowód i na wał korbowy . Korbowód jest przymocowany do tłoka za pomocą obrotowego sworznia (USA: nadgarstek). Ten sworzeń jest osadzony w tłoku: w przeciwieństwie do silnika parowego nie ma tłoczyska ani poprzeczki (z wyjątkiem dużych silników dwusuwowych).

Na zdjęciu widać typową konstrukcję tłoka. Ten typ tłoka jest szeroko stosowany w samochodowych silnikach wysokoprężnych . W zależności od przeznaczenia, poziom doładowania i warunki pracy silników można zmieniać kształt i proporcje.

Silniki wysokoprężne dużej mocy pracują w trudnych warunkach. Maksymalne ciśnienie w komorze spalania może osiągnąć 20 MPa, a maksymalna temperatura niektórych powierzchni tłoka może przekroczyć 450°C. Możliwe jest poprawienie chłodzenia tłoka poprzez stworzenie specjalnej wnęki chłodzącej. Wtryskiwacz zasila tę wnękę chłodzącą „A” olejem przez kanał doprowadzający olej „B”. Aby uzyskać lepszą redukcję temperatury, należy dokładnie obliczyć i przeanalizować konstrukcję. Przepływ oleju we wnęce chłodzącej nie powinien być mniejszy niż 80% przepływu oleju przez wtryskiwacz.

A – komora chłodząca; B – kanał doprowadzający olej

Sam sworzeń jest wykonany z hartowanej stali i jest zamocowany w tłoku, ale swobodnie porusza się w korbowodzie. Kilka projektów wykorzystuje konstrukcję „w pełni pływającą”, która jest luźna w obu komponentach. Wszystkie kołki muszą być zabezpieczone przed przesuwaniem się na boki, a końce kołka wbijają się w ścianę cylindra, zwykle za pomocą pierścieni zabezpieczających .

Uszczelnienie gazowe uzyskuje się poprzez zastosowanie pierścieni tłokowych . Jest to szereg wąskich żelaznych pierścieni, luźno osadzonych w rowkach w tłoku, tuż pod koroną. Pierścienie są rozszczepione w punkcie obręczy, co pozwala na dociskanie ich do cylindra z lekkim naciskiem sprężyny. Stosowane są dwa rodzaje pierścieni: górne pierścienie mają pełne powierzchnie czołowe i zapewniają uszczelnienie gazowe; dolne pierścienie mają wąskie krawędzie i profil w kształcie litery U, które działają jak zgarniacze oleju. Istnieje wiele zastrzeżonych i szczegółowych cech konstrukcyjnych związanych z pierścieniami tłokowymi.

Tłoki są zwykle odlewane lub kute ze stopów aluminium . Aby uzyskać lepszą wytrzymałość i trwałość zmęczeniową, niektóre tłoki wyścigowe mogą być zamiast tego kute . Tłoki kęsów są również używane w silnikach wyścigowych, ponieważ nie opierają się na rozmiarze i architekturze dostępnych odkuwek, co pozwala na wprowadzanie zmian konstrukcyjnych w ostatniej chwili. Chociaż nie są one powszechnie widoczne gołym okiem, same tłoki są zaprojektowane z pewnym poziomem owalności i zwężenia profilu, co oznacza, że ​​nie są idealnie okrągłe, a ich średnica jest większa u dołu spódnicy niż przy czubku.

Wczesne tłoki były z żeliwa , ale istniały oczywiste korzyści dla wyważenia silnika, gdyby można było użyć lżejszego stopu. Aby wyprodukować tłoki, które mogłyby przetrwać temperatury spalania w silniku, konieczne było opracowanie nowych stopów, takich jak stop Y i Hiduminium , specjalnie do zastosowania jako tłoki.

Kilka wczesnych silników gazowych miało cylindry dwustronnego działania , ale poza tym skutecznie wszystkie tłoki silników spalinowych są jednostronnego działania . Podczas II wojny światowej amerykański okręt podwodny Pompano został wyposażony w prototyp niesławnego dwusuwowego silnika wysokoprężnego HOR o podwójnym działaniu. Chociaż kompaktowy, do użytku w ciasnej łodzi podwodnej, ten projekt silnika nie został powtórzony.

Multimedia związane z tłokami silników spalinowych w Wikimedia Commons

Tłoki tułowia

Tłoki tułowia są długie w stosunku do ich średnicy. Działają zarówno jako tłok jak i cylindryczna poprzeczka . Ponieważ korbowód jest ustawiony pod kątem przez większą część swojego obrotu, istnieje również siła boczna, która działa wzdłuż boku tłoka na ściankę cylindra. Dłuższy tłok pomaga to wesprzeć.

Tłoki tułowia są powszechną konstrukcją tłoka od wczesnych dni tłokowego silnika spalinowego. Stosowano je zarówno w silnikach benzynowych, jak i wysokoprężnych, chociaż silniki wysokoobrotowe mają teraz lżejszy tłok ślizgowy .

Cechą charakterystyczną większości tłoków tułowia, szczególnie w silnikach wysokoprężnych, jest to, że mają one rowek na pierścień olejowy poniżej sworznia , oprócz pierścieni między sworzniem a koroną.

Nazwa „tłok tułowia” wywodzi się od „ silnika tułowia ”, wczesnego projektu okrętowego silnika parowego . Aby uczynić je bardziej kompaktowymi, uniknięto zwykłego tłoczyska silnika parowego z oddzielną poprzeczką i zamiast tego były pierwszą konstrukcją silnika, w której umieszczono sworzeń bezpośrednio w tłoku. Poza tym te tłoki silnika tułowia nie przypominały tłoka tułowia; miały niezwykle dużą średnicę i działały podwójnie. Ich „pień” był wąskim cylindrem zamontowanym pośrodku tłoka.

Multimedia związane z tłokami Trunk w Wikimedia Commons

Tłoki poprzeczne

Duże wolnoobrotowe silniki Diesla mogą wymagać dodatkowego wsparcia sił bocznych działających na tłok. Silniki te zazwyczaj wykorzystują tłoki poprzeczne . Główny tłok ma duży tłoczysko rozciągające się w dół od tłoka do drugiego tłoka o mniejszej średnicy. Tłok główny odpowiada za uszczelnienie gazowe i podtrzymuje pierścienie tłokowe. Mniejszy tłok jest czysto mechaniczną prowadnicą. Biegnie w małym cylindrze jako prowadnica tułowia, a także zawiera szpilkę.

Smarowanie poprzeczki ma przewagę nad tłokiem tułowia, ponieważ olej smarujący nie jest poddawany ciepłu spalania: olej nie jest zanieczyszczony cząsteczkami sadzy, nie ulega rozkładowi pod wpływem ciepła i może być cieńszy, mniej lepki być użytym. Tarcie zarówno tłoka, jak i wodzika może być tylko o połowę mniejsze niż w przypadku tłoka tułowia.

Ze względu na dodatkowy ciężar tych tłoków nie stosuje się ich do silników szybkoobrotowych.

Multimedia związane z tłokami Crosshead w Wikimedia Commons

Tłoki ślizgowe

Tłok ślizgowy

Poślizgowe tłok jest tłok do silnika benzynowego, które zostały zmniejszone i ciężarem, jak to tylko możliwe. W skrajnym przypadku są one zredukowane do dna tłoka, podparcia dla pierścieni tłokowych i tylko tyle pozostałej części płaszcza tłoka, aby pozostawić dwie powierzchnie, aby zatrzymać kołysanie się tłoka w otworze. Boki płaszcza tłoka wokół sworznia są odsunięte od ścianki cylindra. Celem jest głównie zmniejszenie masy posuwisto-zwrotnej, ułatwiając w ten sposób wyważenie silnika i tym samym pozwalając na wysokie prędkości. W zastosowaniach wyścigowych osłony tłoka ślizgowego można skonfigurować tak, aby uzyskać wyjątkowo lekką wagę przy jednoczesnym zachowaniu sztywności i wytrzymałości pełnej osłony. Mniejsza bezwładność poprawia również sprawność mechaniczną silnika: siły potrzebne do przyspieszania i zwalniania części posuwisto-zwrotnych powodują większe tarcie tłoka o ściankę cylindra niż ciśnienie płynu na denku tłoka. Drugorzędną korzyścią może być pewne zmniejszenie tarcia o ściankę cylindra, ponieważ powierzchnia osłony, która przesuwa się w górę iw dół w cylindrze, jest zmniejszona o połowę. Jednak większość tarcia jest spowodowana pierścieniami tłokowymi , które są częściami, które faktycznie najlepiej pasują do otworu i powierzchni nośnych sworznia nadgarstkowego, a tym samym korzyść jest zmniejszona.

Multimedia związane z tłokami Slipper w Wikimedia Commons

Tłoki deflektora

Dwusuwowy tłok deflektora

Tłoki deflektora są stosowane w silnikach dwusuwowych ze sprężaniem skrzyni korbowej, gdzie przepływ gazu w cylindrze musi być dokładnie skierowany w celu zapewnienia efektywnego przedmuchu . Przy oczyszczaniu krzyżowym porty przesyłowe (wlotowe do cylindra) i wylotowe znajdują się po przeciwnych stronach ścianki cylindra. Aby zapobiec przechodzeniu wchodzącej mieszaniny prosto z jednego portu do drugiego, tłok ma uniesione żebro na denku. Ma to na celu skierowanie dopływającej mieszanki w górę, wokół komory spalania .

Wiele wysiłku i wiele różnych konstrukcji denka tłoka włożono w opracowanie ulepszonego oczyszczania. Korony rozwinęły się od prostego żebra do dużego asymetrycznego wybrzuszenia, zwykle ze stromą powierzchnią po stronie wlotu i łagodną krzywizną na wydechu. Mimo to oczyszczanie krzyżowe nigdy nie było tak skuteczne, jak się spodziewano. Większość dzisiejszych silników używa zamiast tego portingu Schnuerle . Powoduje to umieszczenie pary portów transferowych po bokach cylindra i zachęca przepływ gazu do obracania się wokół osi pionowej, a nie osi poziomej.

Multimedia związane z tłokami deflektora w Wikimedia Commons

Tłoki wyścigowe

Wczesny (ok. 1830) tłok do silnika belkowego . Uszczelnienie tłoka wykonane jest zwojami owiniętej liny .

W silnikach wyścigowych wytrzymałość i sztywność tłoków jest zazwyczaj znacznie wyższa niż w silniku samochodu osobowego, podczas gdy masa jest znacznie mniejsza, aby osiągnąć wysokie obroty silnika niezbędne w wyścigach.

Siłowniki hydrauliczne

Tłoki cylindrów hydraulicznych stosowane w prasie na gorąco
Tłoki cylindrów hydraulicznych stosowane w prasie na gorąco

Siłowniki hydrauliczne mogą być jednostronnego lub dwustronnego działania . Siłownik hydrauliczny steruje ruchem tłoka do tyłu i/lub do przodu. Pierścienie prowadzące prowadzą tłok i tłoczysko i pochłaniają siły promieniowe, które działają prostopadle do cylindra i zapobiegają stykaniu się ślizgających się metalowych części.




Silniki parowe

Żeliwny tłok silnika parowego z metalowym pierścieniem tłokowym dociskanym sprężyną do ściany cylindra .

Silniki parowe są zazwyczaj podwójnego działania (czyli ciśnienie pary działa na przemian po obu stronach tłoka), a wstęp i uwalnianie pary jest kontrolowana przez zasuwy , zawory tłokowe lub zaworów grzybkowych . W rezultacie tłoki silników parowych są prawie zawsze stosunkowo cienkimi tarczami: ich średnica jest kilkakrotnie większa od grubości. (Jedynym wyjątkiem jest tłok silnika tułowia , ukształtowany bardziej jak ten w nowoczesnym silniku spalinowym.) Innym czynnikiem jest to, że ponieważ prawie wszystkie silniki parowe wykorzystują poprzeczki do przenoszenia siły na drążek napędowy, istnieje niewiele sił bocznych do wypróbowania. i „rozkołysać” tłok, więc płaszcz tłoka w kształcie cylindra nie jest potrzebny.

Lakierki

Pompy tłokowe mogą być używane do przemieszczania cieczy lub sprężania gazów .

Do płynów

Dla gazów

Armaty powietrzne

Istnieją dwa specjalne typy tłoków stosowane w armatach powietrznych : tłoki o wąskiej tolerancji i podwójne tłoki. W tłokach o wąskiej tolerancji pierścienie O-ring służą jako zawór, ale pierścienie O-ring nie są stosowane w typach dwutłokowych.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

  • Irving, PE (1967). Zasilacze dwusuwowe . Nowi.
  • Ricardo, Harry (1922). Silnik spalinowy wewnętrznego spalania . Tom I: Silniki wolnoobrotowe (1st ed.). Londyn: Blackie . |volume=ma dodatkowy tekst ( pomoc )

Linki zewnętrzne