Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

К атегория:

1Отечественные автомобили

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

Процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня, называется тактом. Совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре, т. е. впуск горючей смеси, сжатие ее, расширение газов при сгорании и выпуск продуктов сгорания, называется рабочим циклом.

Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, то двигатель называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигатег л я. Первый такт - впуск (рис. 5, а). Поршень 3 перемещается от в. м. т. к н. м. т., впускной клапан 1 открыт, выпускной клапан 2 закрыт. В цилиндре создается разрежение (0,7-0,9 кгс/см2) и горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, поступает в цилиндр. Горючая смесь смешивается с продуктами сгорания, оставшимися в цилиндре от предшествующего цикла, и образует рабочую смесь. Чем лучше наполнение цилиндра горючей смесью, тем выше мощность двигателя.

Температура смеси в конце впуска 75- 125 °С.

Второй такт - сжатие. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., оба клапана закрыты. Давление и температура рабочей смеси повышаются, достигая к концу такта соответственно 9-15 кгс/см2 и 350- 500 °С.

Третий такт - расширение, или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой, происходит быстрое сгорание смеси. Максимальное давление при сгорании достигает 35-50 кгс/см2, а температура 2200- 2500 °С. Давление газов в процессе расширения передается на поршень, далее через поршневой палец и шатун - на коленчатый вал, создавая крутящий момент, заставляющий вал вращаться. В конце расширения начинает открываться выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 3-5 кгс/см2, а температура до 1000-1200 °С.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а - впуск, 6 - сжатие, в - расширение, г - выпуск; 1 - впускной клапан, 2 - выпускной клапан, 3 - поршень

Четвертый такт - выпуск. Поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выпускаются из цилиндра в атмосферу. Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного. К концу такта давление в цилиндре снижается до 1,1-1,2 кгс/см2, а температура до 700-800 °С.

Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в указанной последовательности. Рабочим является только один такт - расширение, впуск и сжатие являются подготовительными, а выпуск - заключительным тактами.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начнет работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем такте.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. При впуске поршень движется от в. м. т к н. м. т., открыт впускной клапан. За счет образующегося разрежения в цилиндр поступает чистый воздух. Давление 0,85-0,95 кгс/см2, температура 40- 60°С.

При такте сжатия поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Давление и температура воздуха повышаются, достигая в конце такта 35-55 кгс/см2 и 450-650 °С.

Когда поршень подходит к в. м. т., в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое насосом высокого давления.

При рабочем ходе впрыснутое в цилиндр дизельное топливо самовоспламеняется от сильно сжатого и нагретого воздуха. С появлением первых очагов пламени начинается процесс сгорания, характеризуемый быстрым повышением давления и температуры. Когда поршень от в. м. т. начинает опускаться, сгорание в течение некоторого промежутка времени протекает при почти постоянном давлении. Максимальное давление газов достигает 50-90 кгс/см2, а температура - 1700-2000 °С. В конце расширения давление снижается до 2-4 кгс/см2, а температура - до 800-1000 °С. * При такте выпуска поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т., открыт выпускной клапан. Давление газов в цилиндре снижается до 1,1-1,2 кгс/см2.

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

Вследствие более высоких значений степени сжатия дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные двигатели. Кроме того, они используют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении, чем бензин. С другой стороны, дизели имеют большую массу, чем карбюраторные двигатели, поэтому их устанавливают на отечественных автомобилях большой и очень большой грузоподъемности (МАЗ , КрАЗ, КамАЗ и БелАЗ).

С освоением мощностей Камского автозавода дизели будут устанавливать на грузовые автомобили ЗИЛ и Уральского автозавода, а также на автобусы ЛАЗ и ЛиАЗ.

Диаграмма рабочего цикла двигателя. Рабочий цикл двигателя можно представить в виде диаграммы, на которой по вертикальной оси откладывают давление р, а по горизонтальной-объем цилиндра V.

На диаграмме четырехтактного карбюраторного двигателя линия впуска 7-1 располагается ниже линии атмосферного давления (1 кгс/см2). При такте сжатия (линия I-2-3) давление повышается, достигая наибольшей величины в точке 3.

Точка соответствует моменту проскаки-вания искры в свече зажигания и началу процесса сгорания. Линия 3-4-5-6 иллюстрирует рабочий ход, причем линия 3-4, соответствующая резкому возрастанию давления, означает процесс сгорания рабочей смеси, а линия 4-5-6- расширение газов. В точке 4 давление газов достигает наибольшей величины.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля ЯМЗ : а -впуск, б - сжатие, в - расширение, г - выпуск; 1-форсунка, 2 - топливный насос высокого давления

В точке начинает открываться выпускной клапан. Линия соответствует такту выпуска. Она располагается несколько выше линии, соответствующей атмосферному давлению.

Рис. 3. Диаграмма рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (а) и схема сил, действующих от давления газов (б)

На рис. 3, б показана схема сил, действующих от давления газов в одноцилиндровом двигателе. Сила Р давления газов, действующая на поршень при рабочем ходе, раскладывается на две силы: N и S. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, а действие силы S передается через шатун на коленчатый вал двигателя.

Сила Г, составляющая силы S и касательная к окружности вращения шатунной шейки, действует на плече R. Произведение TR называют крутящим моментом двигателя. Крутящий момент вызывает вращение коленчатого вала. Далее он передается через механизмы трансмиссии на ведущие колеса, вызывая движение автомобиля.

Вторая составляющая силы S сила F воспринимается коренными подшипниками коленчатого вала.

К атегория: - 1Отечественные автомобили

Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в цилиндре двигателя процессов, обусловливающих его непрерывную работу. Процесс (или процессы), происходящий в цилиндре за один ход поршня называется тактом.

Рабочие циклы большинства автомобильных двигателей осуществляются за четыре хода поршня (такта), поэтому эти двигатели называются четырехтактными. На протяжении всех четырех тактов рабочего цикла давление газов в цилиндре изменяется. Изменение абсолютного давления газов р в зависимости от их объема V изображается на диаграмме, которая называется индикаторной диаграммой рабочего цикла.

Рабочий цикл дизеля.

При первом такте (впуск) поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается пониженное давление 0,08-0,09 МПа, через впускной клапан в цилиндр поступает воздух. В цилиндре воздух смешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предшествующего цикла и нагревается до температуры 35-75°С. На индикаторной диаграмме этому такту соответствует линия 7-1. При втором такте (сжатие) поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Так как степень сжатия в дизеле равна 15-22, то давление и температура газов в цилиндре сильно повышаются, к концу этого такта они достигают соответственно значений 3-6 МПа и 425-625°С. На индикаторной диаграмме этому такту соответствует линия 1-2.

На третьем такте (сгорание и расширение) в цилиндр под высоким давлением форсункой впрыскивается топливо (точка 2 конца такта сжатия), которое перемешивается с воздухом, нагревается от него, воспламеняется и сгорает (линия 3-4 на диаграмме). Давление газов в результате сгорания (точка 4) увеличивается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1425-1925°С. Поршень к этому моменту пройдет ВМТ и будет двигаться вниз. В течение этого такта происходит полезная работа цикла, поэтому его называют рабочим ходом .

В конце рабочего хода начинает открываться выпускной клапан (точка 5), давление в цилиндре уменьшается (точка 6) до 0,3-0,5 МПа, а температура понизится до 925- 1225°С.

При четвертом такте (выпуск) поршень перемещается от НМТ к ВМТ, выпускной клапан открыт, а впускной закрыт. Давление в цилиндре больше атмосферного, отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан. На протяжении выпуска (линия 6-7) давление и температура газов в цилиндре изменяются мало и к концу этого такта, т.е. к моменту прихода поршня в ВМТ, они составляют соответственно 0,105-0,125 МПа и 325-625°С. Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в той же последовательности. Рабочим является только один такт сгорания - расширения, а такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Схема работы четырехтактного дизеля:
а - впуск, б - сжатие, в - сгорание и расширение, г - выпуск;
1 - впускной клапан, 2 - форсунка, 3 - выпускной клапан,
4 - поршень, 5 - топливный насос высокого давления.

При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начинает работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем ходе.

В одноцилиндровом четырехтактном двигателе рабочий ход совершается один раз за два оборота коленчатого вала, поэтому коленчатый вал вращается неравномерно, несмотря на наличие маховика.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Последовательность чередования тактов такая же, как и в рабочем цикле дизеля, за исключением следующих отличий:

1. При такте впуска в цилиндр поступает горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха (или газообразное топливо и воздух). В конце такта впуска, когда поршень находится в НМТ, давление в цилиндре равно 0,08-0,09 МПа, а температура 45-105°С.
2. Так как степень сжатия у карбюраторных и газовых двигателей намного меньше, чем у дизелей, и составляет примерно 6-9, то и давление, а также температура рабочей смеси в конце такта сжатия не превышают соответственно 0,9-1,5 МПа и 325-525°С.
3. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и происходит ее быстрое сгорание, когда поршень находится около ВМТ, максимальное давление при сгорании 3,5-6,0 МПа, а температура 2025-2425°С. Как и в дизеле, в конце процесса расширения начинает открываться выпускной клапан, происходит резкое понижение давления. При нахождении поршня в НМТ, давление газов в цилиндре составляет 0,4-0,6 МПа, а температура 1125-1425°С.
4. Такт выпуска происходит так же, как в дизеле. Давление газов в цилиндре снижается до 0,102-0,12 МПа, а температура - до 625-825°С.

Таким образом, по способу смесеобразования и воспламенения топлива автомобильные поршневые двигатели подразделяются на две группы: с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре в результате высокого сжатия (дизели); с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от искры (карбюраторные и газовые).

В настоящее время продолжаются попытки использовать для автомобилей газовые турбины и роторно-поршневые двигатели, однако количество таких автомобилей очень невелико.

Дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные и газовые двигатели. Это объясняется высокой степенью сжатия, улучшающей использование выделяющейся теплоты в результате большего расширения продуктов сгорания в течение рабочего хода.

Кроме того; дизели потребляют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении. Дизели имеют большой ресурс до капитального ремонта (400-800 тыс. км пробега автомобиля).

Однако дизели дороже в производстве (в 1,5-2,0 раза) и имеют большую массу, чем карбюраторные и газовые двигатели, поэтому их устанавливают на отечественные автомобили большой и особо большой грузоподъемности.

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каж- дом цилиндре. Каждый такт соответствует одно проходу поршня.

Двигатели внутреннего сгорания бывают четырехтактными и двухтактными. Принципиальная разница между ними заключается в следующем: в четырехтактном двигателе один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, а в двухтактном - за два хода. Двухтактные двигатели используются в основном на мотоциклах, моторных лодках, скутерах и т. п. Поэтому здесь будем вести речь о четырехтактном двигателе внутреннего сгорания - именно такими моторами оснащаются легковые автомобили.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сго- рания включает в себя следующие такты.

1. Первый такт - впуск горючей смеси в цилиндр двигате- ля. Нужно сказать, что в цилиндре происходит сгорание топлива не в чистом виде, а смеси его паров с воздухом (горючая смесь). В советских автомобилях за приготовление такой смеси отвечал специальный прибор - карбюратор. Однако в современных автомобилях карбюраторы давно не применяются - данный процесс контроли- руåтся электроникой (прибором, который называется инжектор).

ПРИМЕЧАНИЕ

Для бензинового двигателя внутреннего сгорания оптимальной является горючая смесь, состоящая из 1 час- ти бензина и 15 частей воздуха (то есть 1:15).

Горючая смесь попадает в цилиндр при открывшемся впускном клапане (напомню, что в нужный момент на него давит кулачок распределительного вала). В момент открытия впускного клапана поршень всегда расположен в ВМТ и начинает перемещаться вниз к НМТ. При этом над поршнем возникает разрежение, под воз- действием которого в цилиндр поступает горючая смесь. Иными словами, при движении вниз к НМТ поршень засасывает горючую смесь в цилиндр через открывшийся впускной клапан. Как только поршень достигнет НМТ, клапан под воздействием мощной пружины возвраща- ется на прежнее место и плотно закрывает впускное отверстие.

Когда горючая смесь попадает в цилиндр, она перемешивается с остатками имеющихся в нем выхлопных газов. Такая смесь называется рабочей, и именно она будет сгорать в камере сгорания.

На протяжении первого такта работы мотора кривошип коленчатого вала (рис. 1.4) проворачивается на пол-обо- рота.

2. Исходное положение для начала второго такта таково: поршень находится в НМТ, впускной клапан плотно закрыт, цилиндр заполнен рабочей смесью. Во время второго такта поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая в процессе этого находящуюся в цилиндре рабочую смесь.

Опытным водителям хорошо знакомо такое понятие, как степень сжатия. Данный показатель информирует о том, во сколько раз сокращается объем рабочей смеси при достижении поршнем ВМТ. Отмечу, что степень сжатия - одна из наиболее значимых технических ха- рактеристик любого автомобиля.

Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя

В процессе сжатия рабочей смеси ее температура суще- ственно повышается. При достижении поршнем ВМТ она равняется примерно +300 … 400 °С. Что касается давления внутри цилиндра, то оно при этом составляет порядка 9-10 кг/см2.

Второй такт заканчивается при достижении поршнем ВМТ. В этот момент рабочая смесь максимально сжата.

За второй такт кривошип коленчатого вала проворачи- вается еще на пол-оборота. Следовательно, за два такта коленчатый вал делает один полный оборот.

3. Как отмечалось ранее, принцип работы двигателя внут- реннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Это происходит на третьем этапе работы двигателя, который называется рабочим ходом.

Когда поршень находится в ВМТ, а рабочая смесь мак- симально сжата, между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, что вызывает воспламенение рабочей смеси (это происходит в камере сгорания). В результате на поршень, находящийся в ВМТ, оказывается мощное давление. Клапаны в этот момент плотно закрыты, продуктам горения деваться некуда, и именно они давят на поршень, который под воздействием этого давления вынужден двигаться вниз к НМТ.

При этом он передает энергию своего движения через шатун на кривошип коленчатого вала, тем самым вынуждая его вращаться. Именно это вращение является движущей силой автомобиля.

ПРИМЕЧАНИЕ

Давление на поршень во время третьего такта рабоче- го цикла двигателя достигает 40 кг/см2.

Во время третьего такта коленчатый вал двигателя про- ворачивается еще на пол-оборота.

4. Последний, четвертый такт рабочего цикла - выпуск отработанных газов. Он начинается, когда после третьего такта поршень находится в НМТ и начинает двигаться вверх. В этот момент под воздействием соответствующего кулачка распределительного вала открывается выпускной клапан и двиæóщийся вверх поршень выдавливает выхлопные газы из цилиндра. Сразу после этого клапан плотно закрывает выпускное отверстие. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся наружу.

Четвертый такт завершается, когда поршень достиг ВМТ и плотно закрылся выпускной клапан.

В течение четвертого такта коленчатый вал проворачи- вается еще на пол-оборота. Следовательно, за четыре такта работы (на протяжении одного рабочего цикла) коленчатый вал делает два полных оборота.

После четвертого такта опять начинается первый такт и т. д.

3 8 ..

6.2.

Рабочий цикл четырёхтактного дизельного двигателя

Рабочий процесс четырехтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла бензинового двигателя по смесеобразова­нию и воспламенению рабочей смеси.

Основное различие рабочих циклов состоит в том, что в цилиндры дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух и при такте сжатия впрыски­вается в цилиндры мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха.

Рис. 3.4. Рабочий процесс четырехтактного дизеля:

а - такт впуска;б - такт сжатия;в - такт рабочего хода;г - такт выпуска; 1 -

топливный насос; 2 - поршень; 3 - форсунка; 4 - воздушный фильтр; 5, 6 -

клапаны; 7 - цилиндр; 8 - шатун; 9 - коленчатый вал.

Впуск. Такт впуска (рис. 3.4, а) осуществляется при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 6 закрыт. Вследствие образовавшегося вакуума в цилиндр 7 через воздушный фильтр 4 и открытый впускной клапан 5 поступает воздух из окружающей среды. В конце такта впуска давление в цилиндре составляет 0,08÷0,09 МПа, а температура - 40÷60°С.

Сжатие. При такте сжатия (рис. 3.4, б) поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень сжимает находящийся в цилиндре воздух, и его температура в конце такта сжатия достигает 550÷700 °С при давлении 4÷5 МПа.

Рабочий ход. При такте рабочего хода (рис. 3.4, в) поршень подходит к ВМТ, и в цилиндр двигателя из форсунки 3 под большим давлением впрыскивается распыленное дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1 высокого давления. Впрыснутое топливо перемешивается с нагретым воздухом, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется. При этом у образовавшихся газов резко возрастают температура до 1800÷2000°С и давление до 6÷9 МПа. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 8 коленчатый вал 9. К концу рабочего хода давление газов становится 0,3÷0,5 МПа, а температура 700÷900°С.

Выпуск. Такт выпуска (рис. 3.4, г) происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Через открытый выпускной клапан 6 поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы. К концу такта выпуска давление газов в цилиндре уменьшается до 0,11÷0,12 МПа, а температура до 500÷700ºС. После окончания такта выпуска при вращении коленчатого вала рабочий цикл двигателя повторяется в той же последовательности.

6.3. Порядок работы двигателя

Порядком работы двигателя называется последовательность чередования рабочих ходов по цилиндрам двигателя. Для равномерной и плавной работы двигателя рабочие ходы и другие одноименные такты должны чередоваться в определенной последовательности в его цилиндрах. При этом чередование должно проис­ходить через равные углы поворота коленчатого вала двигателя, величина которых зависит от числа цилиндров двигателя.

В четырехтактном двигателе рабочий процесс совершается за два оборота коленчатого вала, т. е. за поворот вала на 720°. Количество рабочих ходов равно количеству цилиндров двигателя. Их чередование для четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей будет происходить соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала. Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Так, например, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя, представленного на рис. 3.5, а, шатунные шейки расположены попарно под углом 180°. Поэтому поршни цилиндров 1 и 4 при работе двигателя перемещаются одновременно в одном направлении, а поршни цилиндров 2 и 3 - в противоположном.

Если в цилиндре 1 происходит рабочий ход, то в цилиндре 4 в это время - впуск. При этом поршни цилиндров 2 и 3 будут двигаться вверх, совершая соответственно выпуск и сжатие. Следовательно, порядок работы цилиндров двигателя будет 1 - 3-4-2. Чередование тактов в двигателе показано на рис. 3.5, б.

Порядок работы четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя может быть и другим, например 1-2- 4- 3.

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. На рис.2.1 представлены циклы Отто, Дизеля и Тринклера, рассматриваемые при анализе идеальных циклов ДВС.

Рис.2.1. Идеальные циклы Отто, Дизеля и Тринклера

Методы расчета действительных циклов

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. Среди них, в первую очередь, необходимо отметить следующие.

1. Теплоемкость рабочего тела не постоянна, как это принимается при рассмотрении идеальных циклов, а существенно изменяется с изменением состава и температуры рабочего тела.

2. Процесс сгорания топлива в ДВС происходит по достаточно сложным законам и сопровождается интенсивным теплообменом.

3. Непрерывный интенсивный теплообмен через стенки, головку цилиндров, поршни и др. элементы конструкции.

4. Процессы газообмена, т. е. впуска и выпуска рабочего тела.

5. Утечки рабочего тела.

6. Подогрев воздуха, поступающего в двигатель.

Многие из перечисленных факторов удается учесть при рассмотрении действительных циклов, которые иногда называют «разомкнутыми». Эти циклы, по сравнению с идеальными, в значительно большей степени отражают параметры реальных двигателей, поскольку они учитывают следующие факторы.

1. Процессы впуска и выпуска (изменения температуры и давления рабочего тела, а также гидравлические потери при этом не учитываются).

2. Изменение состава рабочего тела в течение протекания цикла, а также его теплоемкости с изменениями температуры.

3. Зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости.

4. Процесс сгорания топлива, а также изменение молекулярного состава рабочего тела.

5. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, а также на подогрев остаточных газов и избыточного воздуха.

В настоящее время разработаны методики расчета подобных циклов, однако, достаточно надежные и достоверные результаты теплового расчета дают только полуэмпирические методики теплового расчета, учитывающие результаты экспериментальных исследований, накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации двигателей. В них расчет параметров и характеристик ДВС осуществляется на основе детального анализа процессов газообмена, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения.

Р

ис.2.2. Действительные циклы четырехтактных и двухтактных ДВС

Основные сведения о рабочих циклах двс

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя.

Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра, над собой. Впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется горючей смесью. Горючая смесь, перемешиваясь с остаточными газами в цилиндре, образует рабочую смесь. Из-за гидравлического сопротивления впускного тракта и нагрева смеси, давление в конце такта впуска составляет примерно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.

Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь в цилиндре сжимается до 0,7 -1,5 МПа. Температура сжатой смеси достигает 300-450 О С. В конце такта сжатая смесь воспламеняется электрической искрой. В процессе сгорания топлива давление в цилиндре повышается до 3,0-4,5 МПа, а температура газов до 1900-2400°С.

Такт расширения. Иногда его называют рабочим ходом. Начинается движением поршня от ВМТ к НМТ под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Оба клапана закрыты. Шарнирно связанный с поршнем шатун приводит во вращение коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 - 1200°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет около 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.

После прохождения поршнем ВМТ закрывается выпускной клапан и рабочий цикл завершается. Последующее движение поршня к НМТ - такт впуска - является началом следующего цикла.

Цикл четырехтактного дизеля

В дизеле в отличие от карбюраторного двигателя воздух и топливо в цилиндры вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень двигается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух либо за счет разрежения в цилиндре, либо за счет избыточного давления воздуха, создаваемого нагнетателем у дизеля с наддувом. Давление в конце такта впуска у дизеля без наддува 0,08-0,09 МПа, а температура воздуха 50-80 О С.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень двигателя от НМТ к ВМТ и сжимает воздух, перемешанный с остаточными продуктами сгорания. Из-за большой степени сжатия (14-21) давление воздуха в конце этого такта достигает 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При этом положении поршня в камеру сгорания впрыскивается мелко распыленное топливо, которое, попадая в среду сильно нагретого воздуха, нагревается, испаряется, воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Продукты сгорания, стремясь расшириться, давят на поршень, заставляя его перемещаться от ВМТ к НМТ. В такте расширения догорает оставшаяся часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Давление газов в конце такта выпуска составляет 0,11-0,12 МПа, а температура 400 - 600 0 С. Затем рабочий цикл повторяется.

У вышеописанных четырехтактных двигателей при выполнении тактов выпуска, впуска и сжатия необходимо перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты называются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком двигателя в течение такта расширения.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях для вытеснения отработавших газов из цилиндра используют принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр. Такой процесс называется продувкой. Продувка может осуществляться различными способами. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Когда поршень находится в положении близком в ВМТ камера сгорания заполнена сжатой рабочей смесью, кривошипная камера заполнена свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи. Давление газов резко возрастает, и поршень начинает перемещаться к НМТ - совершается рабочий ход. Когда поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие горючей смеси. Следовательно, при движении поршня к НМТ одновременно совершаются такты расширения и сжатия горючей смеси в кривошипной камере. В конце рабочего хода поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу попадает в цилиндр и, наполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно в атмосферу.

Второй такт происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает продувочное окно и выпускное окно. После этого в цилиндре начинается сжатие рабочей смеси. В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой кривошипной камере создается разрежение. Поэтому, как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру поступает горючая смесь. Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение камеры новой порцией горючей смеси из карбюратора. После прихода поршня к ВМТ все процессы повторяются в такой же последовательности.

Кривошипно-камерная продувка наиболее проста, но наименее совершенна, так как при этом недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поэтому она применяется только в двигателях малой мощности с небольшим абсолютным расходом топлива (двигатели мотоциклов, лодочные, модельные и т.п.). В строительных машинах и на транспорте подобные схемы используются в пусковых карбюраторных двигателях.

Цикл двухтактного дизеля

Протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндре поступает не горючая смесь, а чистый воздух и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым воздухом. Так как в дизелях продувка осуществляется чистым воздухом, а не горючей смесью, они оказываются более экономичными по сравнению с карбюраторными двигателями.