Во время какого такта совершается полезная работа

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье «как устроены бензиновые и дизельные двигатели».

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Рабочие циклы двигателей



Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами.
Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.

Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом. Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными.
В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Такт впуска

В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства — например, заводной рукоятки или электродвигателя — стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт.
Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07…0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение.
Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.

Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75…125 ˚С.

Такт сжатия

При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака).
В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С.
В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает.
В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.

Такт расширения (рабочий ход)

Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом.
При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.

Такт выпуска

При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра.
При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.

При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.

***



Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя тем, что рабочая смесь (смесь топлива, воздуха и остаточных продуктов сгорания) приготовляется внутри цилиндра, поскольку воздух подается в цилиндр отдельно, а топливо отдельно – через форсунку. В дизельном двигателе нет специального устройства для поджигания рабочей смеси – она самовозгорается в результате высокой степени сжатия.
Т. е. в дизеле, в отличие от карбюраторного двигателя, через впускной клапан подается не горючая смесь, а атмосферный воздух, а топливо впрыскивается через форсунку в конце такта сжатия. В цилиндре, как и в случае с карбюраторным двигателем, остаются продукты сгорания рабочей смеси, которые не удалось удалить продувкой.
Смесеобразование (перемешивание воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания) в дизеле протекает внутри цилиндра, что и обуславливает основные отличия череды тактов, составляющих рабочий цикл.

Высокая степень сжатия приводит к тому, что поступивший в цилиндр через впускной клапан воздух, смешивается с остаточными газами и раскаляется (в буквальном смысле этого слова) до высоких температур. И в это время в цилиндр впрыскивается топливо, которое вспыхивает и начинает гореть.

Рабочие процессы в дизельном двигателе протекают в следующей последовательности (рис. 2):

Такт впуска

В период такта впуска поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 5 открыт, выпускной клапан 6 закрыт. В цилиндре 7 из-за разности давлений в окружающей среде и в цилиндре в конце такта впуска возникает разрежение 0,08…0,09 МПа, при этом температура внутри цилиндра не превышает 40…70 ˚С.

Такт сжатия

В процессе такта сжатия оба клапана закрыты. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, сжимая смесь воздуха и отработавших газов. Давление в конце такта сжатия достигает 3…6 МПа, а температура – 450…650 ˚С (превышает температуру самовоспламенения топлива).

При подходе поршня к ВМТ, в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается распыленное жидкое топливо. Топливо подается к форсунке (через трубку высокого давления) топливным насосом 1 высокого давления (ТНВД). Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает. В результате сгорания температура в цилиндре достигает 1600…1900 ˚С, давление – 6…9 МПа.

Такт расширения (рабочий ход)

В конце такта сжатия, при подходе к ВМТ, оба клапана закрыты. После впрыска топлива происходит самовоспламенение рабочей смеси и ее сгорание, при этом поршень 2 под давлением расширяющихся газов стремительно движется от ВМТ к НМТ и через шатун воздействует на коленчатый вал, совершая полезную работу.
Топливо, не успевшее сгореть в конце такта сжатия, догорает в начале такта расширения. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2…0,4 МПа, а температура снижается до 700…900 ˚С.

Такт выпуска

При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) выпускной клапан 6 открывается и большая часть отработавших газов под воздействием высокого давления вырывается из цилиндра в атмосферу. Поршень начинает перемещение от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан выталкивает оставшиеся в цилиндре отработавшие газы в окружающую среду. К концу такта давление газов в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…700 ˚С.
Далее рабочий цикл повторяется.

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт – рабочий ход является полезным с точки зрения совершения полезной работы, остальные три вспомогательные, они осуществляются за счет кинетической энергии маховика, закрепленного на конце коленчатого вала.

***

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактных ДВС рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала.
Схема двухтактного дизеля представлена на рис. 3.
Воздух насосом 3 нагнетается через впускное (продувочное) окно 4 в цилиндр. В нижней части цилиндра напротив впускного окна имеется выпускное окно 7. В головке 5 блока цилиндра установлены форсунки 6.

Первый такт (рис. 3, а) совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ за счет кинетической энергии маховика двигателя. Оба окна открыты. Нагнетаемый через впускное окно 4 воздух вытесняет из цилиндра оставшиеся в нем отработавшие газы, которые выходят через выпускное окно 7. Таким образом происходит очистка цилиндра от отработавших газов (продувка) и заполнение его свежим зарядом.

Движущийся вверх поршень 8 сначала закрывает впускное окно, а затем выпускное окно. С этого момента начинается процесс сжатия, в конце которого через форсунку 6 впрыскивается топливо.
Таким образом, за первую половину оборота коленчатого вала совершаются процессы наполнения и сжатия, и начинается сгорание топлива.

Второй такт (рис. 3. б) происходит при движении поршня ВМТ к НМТ. В результате выделения теплоты при сгорании топлива повышается температура и давление внутри цилиндра. Поршень перемещается вниз, совершая полезную работу.
Как только поршень открывает выпускное окно, отработавшие газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление внутри цилиндра снижается на столько, что возможна очистка цилиндра путем вытеснения отработавших газов свежим зарядом воздуха, подаваемым в цилиндр насосом 3.
Этот процесс называется продувкой цилиндра. При этом одновременно с вытеснением отработавших газов происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. Далее все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя аналогичен рабочему циклу двухтактного дизеля. Отличие состоит в том, что в цилиндр поступает не чистый воздух, а горючая смесь, и в конце процесса сжатия в цилиндре посредством свечи зажигания подается искра, в результате чего происходит воспламенение горючей смеси.

Одним из преимуществ двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что каждый рабочий ход здесь протекает в период одного оборота коленчатого вала, а не двух. Очевидно, что снижение количества тактов должно привести к повышению КПД из-за уменьшения паразитических процессов . А поскольку в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала протекают четыре такта, из которых полезным является лишь такт рабочего хода (т. е. остальные три такта являются паразитическими), то естественно предположить, что КПД четырехтактного двигателя должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.

Существенными недостатками двухтактных двигателей является их низкая топливная экономичность и меньший срок службы по сравнению с четырёхтактными двигателями. Объясняется этот недостаток тем, что при продувке цилиндра (или цилиндров) свежая горючая смесь частично удаляется вместе с отработавшими газами, поскольку, в отличие от четырехтактного двигателя, выпуск и впуск газов протекает одновременно.
Этими недостатками, а также большей токсичностью отработавших газов объясняется ограниченное применение двухтактных двигателей на автомобилях.

***

Многоцилиндровые двигатели



Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

При рассмотрении рабочего цикла двигателя условно принято, что каждый такт начинается и заканчивается при нахождении поршня в ВМТ или НМТ.

Первый такт — впуск.

Поршень перемещается с ВМТ в НМТ. Освобождающаяся над поршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения. Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.

Работа четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

а — впуск в цилиндр горючей смеси; б — сжатие горючей смеси; в — расширение газов; г- выпуск отработавших газов; 1 — коленчатый вал; 2 — распределительный вал; 3-поршень; 4 — цилиндр; 5— впускной трубопровод; 6 — карбюратор; 7— впускной клапан; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — выпускной трубопровод; 11-шатун; 12 — поршневой палец; 13 — поршневые кольца

Второй такт — сжатие.

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура — 600—700 К.

Третий такт — расширение.

В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая ооспл а меняется от искровою разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление. Вследствие давления газон поршень перемешается от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и совершают полезную работу. В начале расширения давление газов составляет 4—6 МПа, температура — 2500—2800 К. В конце расширения давление н цилиндре составляет 0,3—0.5 МПа, температура — 1100-1800 К.

Четвертый такт     выпуск.

Поршень перемешается oт НМТ к ВМТ Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в окружаюшую среду, В конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105—0,12 МПа, а температура — 85O-120O К.

Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов (отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда). Для современных ДВС коэффициент остаточных газов составляет 0,08—0,2, он возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала.

Рабочий цикл двигателя заканчивается четвертым тактом — выпуском. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, т. с. совершает два оборота.
В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения (рабочего хода), когда поршень перемещается пол действием расширяющихся газов, поворачивая коленчатый вал на 180е Остальные три такта являются подготовительными и выполняются при поворачивании коленчатого вата на 540° за счет инерции маховика И работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателях).

Работа двигателя, рабочий цикл

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Существуют две мертвые точки:

• Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
• Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

• цилиндр;
• поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
• клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
• клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
• свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
• коленчатый вал;
• распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
• ременной или цепной привод;
• кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

1. Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
2. Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
3. Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
4. Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.

В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.

Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

1. Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
2. Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

• С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
• С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
• С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
• С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.

(1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка…

Важную роль в поддержании невысокой средней температуры деталей играет также их охлаждение, которое осуществляется простыми способами.

Таким образом, периодичность процессов в цилиндре, вытекающая из принципа действия поршневого двигателя, и простота способов охлаждения его деталей позволяют осуществлять цикл поршневого двигателя в значительно более широких температурных пределах, чем циклы тепловых двигателей других типов. Из термодинамики известно, что КПД теплового двигателя прямо пропорционален разности температур горячего и холодного источника теплоты; чем она больше, тем выше КПД. Именно этим объясняется, почему поршневой двигатель имеет самый высокий КПД по сравнению с КГ1Д других тепловых двигателей.

Схемы рабочих циклов. Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть выполнен по одной из двух схем, представленных на рис. 1.

Рис. 1. Схемы рабочего цикла двигателей

По схеме рис. 3, а рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях, необходимых для полного сгорания топлива, хорошо перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего подвергается сжатию. При сжатии смеси в цилиндре создаются условия, необходимые для сгорания топлива. Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходят дополнительное перемешивание топлива с воздухом и их нагрев.

Состав смеси характеризуется коэффициентом а избытка воздуха, представляющим собой отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива и определяемому из стехиометрических соотношений по элементарному составу топлива. При увеличении коэффициента а смесь обедняется, так как уменьшается относительное количество топлива в ней; и наоборот, при уменьшении коэффициента а смесь обогащается.

Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре обычно от электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышаются температура и давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После процесса расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называют также двигателями с внешним смесеобразованием. К таким двигателям относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых при

меняется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием составляет 1…2 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра (коэффициент избытка воздуха а = = 0,8…1,1). Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1, б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыливается и перемешивается с воздухом. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь.

Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате высокого сжатия воздуха до температуры самовоспламенения смеси. Впрыскивание топлива во избежание преждевременного самовоспламенения начинается только в конце сжатия. К моменту самовоспламенения обычно процесс впрыскивания топлива еще продолжается. Смесь, образующаяся при впрыскивании топлива, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха/ В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, достигается более высокий КПД.

После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск).

Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Поэтому такие двигатели называют двигателями с внутренним смесеобразованием.

Для двигателей с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива. В подавляющем большинстве эти двигатели работают на жидком топливе. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называют также двигателями с воспламенением от сжатия или дизелями.

Внутреннее смесеобразование имеют двигатели с впрыскиванием легкого топлива (бензина) и принудительным воспламенением (от электрической искры).

Проводятся также работы по созданию двигателей со смешанным смесеобразованием, у которых небольшой расход топлива впрыскивается во впускной трубопровод (внешнее смесеобразование), а основной расход топлива подается в цилиндр (внутреннее смесеобразование). При таком смесеобразовании снижаются максимальное давление газов в цилиндре и уровень шума при сгорании.

Основные понятия и определения. Прежде чем рассматривать рабочие процессы двигателей, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

Положения кривошипно-шатунного механизма, при которых ось шатуна лежит в плоскости кривошипа (ф = 0 ° и ф=180 если оси цилиндра и коленчатого вала совпадают), называют мертвыми точками, так как при этих положениях сила, приложенная к поршню, не может вызвать вращательное движение коленчатого вала. Как видно из рис. 2, мертвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре. Крайнее положение поршня, при котором расстояние от него до оси вала достигает максимума (<р = 0°), называется внутренней мертвой точкой (ВМТ); крайнее положение поршня, при котором расстояние от него до оси вала достигает минимума (ср= 180 °), называется наружной мертвой точкой (НМТ).

Рис. 2. Схема работы четырехтактного двигателя и индикаторные диаграммы

Как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании рабочий цикл поршневого двигателя состоит из следующих процессов: впуска, сжатия, сгорания и расширения (рабочий ход) и выпуска. Полезная работа совершается лишь в процессе сгорания и расширения.

Расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое называется ходом S поршня и соответствует половине оборота коленчатого вала.

Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня (часть рабочего цикла), называют тактом.

При рассмотрении рабочих процессов в двигателях широко используется диаграмма изменения давления р в цилиндре по ходу поршня за цикл от объема цилиндра — так называемая индикаторная диаграмма. Такую диаграмму получают во время испытания двигателя при помощи специального прибора — индикатора или строят по результатам теоретического расчета рабочего цикла. На индикаторной диаграмме ординаты в определенном масштабе показывают давление р газов в цилиндре, а абсциссы — ход поршня и соответствующий ему объем V цилиндра. Горизонтальные тонкие линии, нанесенные на диаграмме, характеризуют давление рк перед впускными органами; вертикальными линиями отмечены крайние точки положения поршня (ВМТ и НМТ).

Рабочий цикл в цилиндре двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за четыре или за два такта. В первом случае цикл называют четырехтактным, а во втором — двухтактным.

Работа четырехтактного двигателя. Рассмотрим сначала двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Такой двигатель называют четырехтактным.

Цилиндр такого двигателя закрыт крышкой, в которой расположены клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания (выпускных газов). Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами, а кроме того, давлением в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открываются клапаны в нужные моменты с помощью газораспределительного механизма.

Газораспределительный механизм состоит обычно из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, сидящие на распределительном валу. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит следующим образом.

Первый такт — впуск. В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка г (рис. 4, а). При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0,01…0,03 МПа меньше давления рк перед впускными органами. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия га.

Давление перед впускными органами может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или превышать его в зависимости от степени наддува (рк=0,13…0,45 МПа) в двигателях с наддувом. При наддуве с увеличением заряда в цилиндре увеличиваются работа за цикл и мощность двигателя, однако при этом возрастают давление и температуры цикла.

Второй такт — сжатие. При обратном движении поршня к ВМТ происходит сжатие поступившего в цилиндр заряда. Давление и температура сжимаемого заряда повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится равным давлению рк впуска (точка m на индикаторной диаграмме). Для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан некоторое время в начале такта сжатия продолжает оставаться открытым (до точки т). Запаздывание закрытия впускного клапана (30…70 ° угла поворота коленчатого вала) позволяет использовать для дозаряда возникающий в цилиндре вакуум, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному трубопроводу.

После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают расти. Давление в конце сжатия будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплообмена со стенками, а также от начального давления ра сжатия.

На воспламенение и сгорание топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателе с внешним смесеобразованием (а также в двигателях с впрыскиванием бензина в цилиндр) или впрыскивание топлива в цилиндр двигателя с внутренним смесеобразованием обычно производится до момента достижения поршнем ВМТ, т. е. с некоторым опережением.

Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается горение топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас.

Третий такт — сгорание и расширение — происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 4,в).

В начале такта интенсивно горит топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются несмотря на некоторое увеличение внутрицилиндрового объема (линия cz). Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом. На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия czb.

Четвертый такт — выпуск. Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов. Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до НМТ на 40…60° угла поворота коленчатого вала; давление газов в цилиндре бывает еще достаточно высоким. Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во время такта выпуска и улучшается очистка цилиндра. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия Ьп.

Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.

Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.

Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.

Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 10…50 ° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине

и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10…40° до ВМТ, т.е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.

Работа двухтактного двигателя. Из рассмотрения четырехтактного цикла следует, что четырехтактный двигатель только по- F ловину времени, затраченного на цикл, ! работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину ( времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как насос.

Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта (за один оборот коленчатого вала). В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е. процессы газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполненном в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используют внутреннюю полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воз-

Соответстаие между тактами и процессами явлиетси условным, так как большинство процессов и тактов, как правило, не совпадают по времени,

духа или горючей смеси учитывается при выборе подачи продувочного насоса или компрессора.

На рис. 3 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются:
— впускные окна, расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10…20% хода поршня; открытие и закрытие впускных окон производится поршнем при его движении в цилиндре;
— выпускные клапаны, размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;
— продувочный насос, нагнетающий воздух под давлением в ресивер для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом.

Первый такт соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ. В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпускные клапаны в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (линия zn). Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т.е. осуществляется газообмен (участок па на индикаторной диаграмме).

Рис. 3 Схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена и индикаторные диаграммы:
а—первый такт (сгорание, расширение, выпуск, продувка и- наполнение); б — второй такт (выпуск, продувка и наполнение, сжатие); 1 — впускной патрубок; 2 — продувочный насос; 3 — поршень; 4 — выпускные клапаны; 5 — форсунка; 6 — выпускной патрубок; 7 — воздушный ресивер; 8 — впускное окно

Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (линия ak) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10…30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ, в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо.

Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

Кроме рассмотренной выше прямоточной клапанно-щелевой схемы газообмена в двухтактных двигателях применяют и другие схемы.

Петлевая схема газообмена значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов и до крупных мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями, в которой один поршень управляет впускными окнами, а другой — выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

04.03.2018 — 02.04.2018

2.1. Цикл и способ осуществления

В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателелях возможно лишь последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.
На рисунке 2.1 приведена схема четырехтактного двигателя.
Цилиндр двигателя закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда и клапаны выпуска отработавших газов.
Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами.
Открытие клапанов в нужные моменты производится газораспределительным механизмом.
Газораспределительный механизм состоит из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки распределительного вала.
Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет частоту вращения вдвое меньшую, чем коленчатый вал, вследствие чего каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.
Взаимосвязь газораспределительного механизма с коленчатым валом находится в определенной механической зависимости.
Эта зависимость устанавливается заводом-изготовителем двигателя.

Рисунок 2.1. Схема четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя: 1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — штанга; 6 — впускной клапан; 7 — коромысло; 8 — свеча зажигания или форсунка; 9 — выпускной клапан; 10 — поршневые кольца; 11 — шатун; 12 — коленчатый вал; 13 — поддон.

Рабочий цикл — это совокупность процессов, происходящих в цилиндре в определенной последовательности, который повторяется во время работы двигателя.

Расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое называется ходом S поршня и соответствует половине оборота коленчатого вала.
Крайнее положение поршня, когда объем цилиндра минимальный, называется верхней мертвой точкой (ВМТ).
Крайнее положение поршня, когда объем цилиндра максимальный — нижней мертвой точкой (НМТ).
Для двигателей внутреннего сгорания одним из характеризующих его размеры и мощность параметров является рабочий объем цилиндра, который представляет собой объем цилиндра, заключенный между нижней и верхней мертыми точками.
Поэтому расчитать его можно по формуле:

.

При анализе работы двигателя необходимо будет понятие степени сжатия (ε) — отношение максимального объема цилиндра к минимальному.
Данное определение можно переформулировать в понятиях используемых в двигателестроении:

степень сжатия

— это отношние полного объема цилиндра к объему камеры сгорания

,

где V_a = V_h + V_c — полный объем, м³;
V_c — объем камеры сгорания, м³.

Полный объем — это объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в НМТ, а объем камеры сгорания — при положении поршня в ВМТ.
Степень сжатия современных двигателей работающих с воспламенением от сжатия составляет 13 … 23, а у двигателей с воспламенением от электрической искры — 6 … 14.
Причем у последних сохраняет тенденция к дальнейшему росту степени сжатия.

Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня (часть рабочего цикла), называют тактом.
Рабочий цикл четырехтактного поршневого двигателя состоит из четырех тактов и осуществляется за 2 оборота:

• впуска,
• сжатия,
• сгорания / расширения (рабочего хода),
• выпуска.

Полезная работа совершается лишь в процессе сгорания и расширения.
При рассмотрении рабочих процессов в двигателях широко используется диаграмма изменения давления p в цилиндре по ходу поршня за цикл от объема цилиндра V — индикаторная диаграмма.
Такую диаграмму получают во время испытания двигателя при помощи специального прибора — индикатора или строят по результатам расчета рабочего цикла.
На индикаторной диаграмме ординаты показывают давление p газов в цилиндре, а абсциссы — ход поршня и соответствующий ему объем V цилиндра.

Рисунок 2.2. Схема работы четырехтактного двигателя и индикаторные диаграммы: а-г — такты рабочего цикла; r — начало открытия впускного клапана; m — закрытие впускного клапана; c — конец сжатия; z — точка максимального авдления цикла; b — начало открытия выпускного клапана; n — закрытие выпускного клапана;

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит следующим образом:

• Первый такт — впуск.
  В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ.
  Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного.
  На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r (рисунок 2.2, а).
  При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом.
  В результате движения поршня к НМТ цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью).
  При этом вследствие сопротивления впускной системы и впускных клапанов давление в цилиндре становится на 0,01 … 0,03 МПа меньше давления перед впускными органами (p_к).
  На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линия ra.
  Давление перед впускными органами может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или превышать его в двигателях с наддувом.
  Современный уровень давлений наддува составляет p_к = 0,13 … 0,45 МПа.
  При наддуве с увеличением заряда в цилиндре увеличиваются работа за цикл и мощность двигателя, однако при этом возрастают давление и температуры цикла.
  В действиттельном процессе впуска клапан закрывается после ВМТ, т.е. строго говоря, уже на такте сжатия (до точки m). Это делается для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом.
  Связано это с тем, что запаздывание закрытия впускного клапана позволяет использовать для дозаряда возникающий в цилиндре вакуум, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному трубопроводу. С другой стороны давление и температура сжимаемого заряда повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ к ВМТ давление в цилиндре становится равным давлению p_к во впускной системе (точка m на индикаторной диаграмме) и начнется обратное течение — из цилиндра во впускную систему. Поэтому при проектировании двигателя необходимо находить оптимальный угол закрытия впускного клапана. Это делается с помощью эксперимента на двигателе или математичесокго моделирования.
  В настоящее время, запаздывание закрытия впускного клапана для большинства выполненных конструкций поршневых двигателей лежит в диапазоне 30 … 70 ° угла поворота коленчатого вала после НМТ.
• Второй такт — сжатие.
  При движении поршня к ВМТ происходит сжатие поступившего в цилиндр заряда.
  После закрытия клапана (точка m на индикаторной диаграмме) при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают расти.
  Давление в конце сжатия будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплообмена со стенками, а также от начального давления p_a сжатия.
  На воспламенение и сгорание топлива требуется некоторое время, хотя и очень незначительное.
  Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня возможно близком к ВМТ.
  Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателе с внешним смесеобразованием (а также в двигателях с впрыскиванием бензина в цилиндр) или впрыскивание топлива в цилиндр двигателя с внутренним смесеобразованием обычно производится до момента достижения поршнем ВМТ, т. е. с некоторым опережением.
  Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжатие заряда.
  Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в конце начинается горение топлива.
  На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ac.
• Третий такт — сгорание и расширение — происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 2.2,в).
  В начале такта интенсивно горит топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта.
  Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре резко повышаются несмотря на некоторое увеличение внутрицилиндрового объема (линия cz).
  Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов.
  Во время расширения газы совершают полезную работу, поэтому третий такт называют также рабочим ходом.
  На индикаторной диаграмме третьему такту соответствует линия czb.
• Четвертый такт — выпуск.
  Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов.
  Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан.
  Выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до НМТ 40 … 60 ° по углу поворота коленчатого вала.
  Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во время такта выпуска и улучшается очистка цилиндра.
  На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия bn.
  Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл.

При дальнейшем движении поршня в той же последовательности повторяются все процессы цикла.
Только такт сгорания и расширения является рабочим, остальные три такта осуществляются за счет кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров.
Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следовательно, можно будет получить полезной работы за цикл.
Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 10…50 ° после ВМТ), т. е. в начале первого такта.
По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10…40° до ВМТ, т.е. в конце четвертого такта).
Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана.
Такое положение называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.

По способу образования смеси топлива с воздухом рабочие циклы двигателей классифицируют на типами спесеобразования:

• внешним смесеобразованием;
• внутренним смесеобразованием.

В рабочем цикле с внешним смесеобразованием подготовка смеси воздуха с топливом происходит вне цилиндра, и наполнение его производится готовой горючей смесью.
К таким двигателям относятся:

• карбюраторные двигатели, работающие на бензине,
• газовые двигатели,
• с впрыском топлива во впускной трубопровод,

которое легко испаряется и хорошо перемешивается с воздухом при обычных условиях. В таких двигателях, подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры.
Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышаются температура и давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре.
В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу.
Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре понижаются.
После расширения следует выпуск, т. е. очистка цилиндра от продуктов сгорания, и рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл с внутренним смесеобразованием происходит только внутри цилиндра двигателя. Рабочий цилиндр во время такта впуска заполняется не смесью, а воздухом, который и подвергается сжатию.
В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо в виде мелко распыленного факела, которое перемешивается с горячим воздухом.
Начинается интенсивное испарение топлива, вследствие чего образуется топливовоздушная смесь, которая самовоспламеняется.
Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки происходит только в конце сжатия.
После сгорания топлива, следует процесс расширения, после чего происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания на такте выпуска.
Для двигателей с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива.
Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия воздуха, называются по имени изобретателя этого двигателя — немецкого ученого Рудольфа Дизеля — дизелями.

Контрольные вопросы и задания

1. Дайте определение верхней мертвой точке и нижней мертвой точке;
2. Дайте определение двигателей внутреннего сгорания и двигателей с внешним подводом теплоты;
3. Дайте определение рабочему циклу двигателя;
4. Напишите формулу для расчета рабочего объема цилиндра поршневого ДВС;
5. Дайте определение и напишите формулу для расчета степени сжатия поршневого ДВС, раскройте значение и смысл входящих в формулу элементов;
6. Дайте определение такта;
7. Перечислите последовательно все такты четырехтактного двигателя внутреннего сгорания;
8. Расскажите о процессах происходящих в каждом из тактов четырехтактного ДВС;
9. Дайте определение для двигателей с внешним и внутренним смесеобразоанием.

Рекомендуемая дополнительная литература

1. Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/ В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др.; Под общ. ред. А. С. Орлина,М. Г. Круглова., М.: Машиностроение, 1990
2. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1983. — 372 с.
3. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» направления подготовки «Энергомашиностроение» / Р. З. Кавтарадзе. — Москва : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 719 с. : ил.; 22 см.; ISBN 978-5-7038-3086-4
4. Конструирование двигателей внутреннего сгорания: Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» направления подготовки «Энергомашиностроение» / Н. Д. Чайнов, Н. А. Иващенко, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков; под. ред. Н. Д. Чайнова. М.: Машиностроение, 2008. 496 с., ил.