Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, в результате которых тепловая энергия переходит в работу.
Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня от одной мертвой точки к другой.
Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, чему соответствует два оборота коленчатого вала, то двигатель с таким циклом называется четырехтактным. Каждый такт такого двигателя имеет свое наименование и свои особенности.
Рис.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизеля: 1-топливный насос; 2-поршень; 3-форсунка; 4-воздухоочиститсль; 5-впускной клапан; 6-выпускной клапан; 7-цилиндр
Такт впуска. При перемещении поршня от ВМТ до НМТ над ним освобождается пространство, куда через открывающийся впускной клапан 5 (рис.2) поступает чистый воздух у дизеля или смесь воздуха с мелко распыленным бензином (горючая смесь). Поступивший свежий заряд смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего такта (такая смесь называется рабочей). При подходе к НМТ давление в цилиндре вследствие сопротивления во впускном трубопроводе, ниже атмосферного и составляет 0,07. 0,09. Температура газов в конце этого такта достигается 40. 70°С у дизеля и 70. 13О°С у карбюраторного двигателя.
Такт сжатия. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ впускной клапан закрывается и поступивший в цилиндр воздух или рабочая смесь сжимается, вследствие чего их температура и давление повышаются. Величина повышения давления и температуры определяется степенью сжатия двигателя. У дизеля температура в конце такта сжатия достигает 550. 750°С, а давление 4. 5МПа; у карбюраторного двигателя рабочая смесь нагревается до 300. 430°, а давление составляет 0,8. 1.5МПа.
Такт расширения. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемещаясь с нагретым и сжатым воздухом, сгорает; при этом давление газов в цилиндре возрастает до 6. 9 МПа, а их температура поднимается до 1800. 2000° С. Под действием давления расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В конце этого такта температура газов понижается до 700. 900° С, а давление до 0,3. 0,5МПа.
В карбюраторном двигателе при подходе поршня к ВМТ сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, ввернутой в цилиндра. От сгорания смеси давление газов возрастает до 3,5. 5 МПа, а температура до 2100. 2400°. К концу такта расширения у карбюраторного двигателя температура газов снижается до 900. 1200°, а давление до 0,3. 0,35 МПа.
Такт выпуска. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу. При этом давление газов к концу такта снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура до 500. 700°С у дизеля и 300. 400° у карбюраторного двигателя.
Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт расширения — ход поршня под действием давления газов поворачивает коленчатый вал и совершает полезную работу; этот ход называется рабочим. Остальные такты — впуска, сжатия и выпуска — называются вспомогательными. После такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется.
Двигатель. Общее устройство и рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания. Порядок работы цилиндров двигателя.
На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания, в которых используется давление расширяющихся газов, образующихся при сгорании топлива непосредственно в цилиндре. Однако следует отметить, что фактически сжигается рабочая смесь, состоящая из горючей смеси и остатков отработавших газов предыдущего рабочего цикла.
По способу образования горючей смеси (пары топлива и воздух) и виду используемого топлива различают двигатели:
- с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие на бензине, и газосмесительные, работающие на горючем газе);
- с внутренним смесеобразованием (дизельные, работающие на дизельном топливе).
Воспламенение рабочей смеси осуществляется с помощью электрического разряда или высокой степени сжатия (дизельные двигатели). В результате сгорания рабочей смеси образующиеся газы давят на поршень, придавая ему прямолинейное движение, которое с помощью шатуна и коленчатого вала преобразуется во вращательное движение маховика. Чтобы поддержать работу двигателя, необходимо периодически очищать камеру сгорания цилиндра от отработавших газов и наполнять ее свежим зарядом горючей смеси, что осуществляется с помощью выпускных и впускных клапанов.
Поршень, перемещаясь в цилиндре, совершает возвратно-поступательное движение. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ).
Расстояние, проходимое поршнем между ВМТ и НМТ, называется ходом поршня. Процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называют тактом.
Пространство в цилиндре, освобождаемое поршнем при его перемещении от ВМТ к НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Наименьшее пространство в цилиндре образуется при нахождении поршня в ВМТ и называется объемом камеры сгорания. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания составляют полный объем цилиндра. Сумма всех рабочих объемов цилиндров называется литражом двигателя и выражается в кубических сантиметрах. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия, которая является важным показателем двигателя. С повышением степени сжатия повышается экономичность и мощность двигателя.
Для выполнения основного рабочего такта, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов, не обходимо выполнить подготовительные такты: впуск горючей смеси, сжатие, и заключительный — выпуск отработавших газов. Таким образом, непрерывность работы двигателя достигается совокупностью периодически повторяющихся в цилиндре процессов — тактов, объединяющихся в рабочий цикл. Так как рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня, автомобильные двигатели называются четырехтактными.
Последовательность чередования тактов в рабочих циклах двигателей с внешним смесеобразованием такая же, как и в дизеле. Отличие состоит только в степени сжатия и способе воспламенения рабочей смеси.
Впуск — поршень движется от ВМТ к НМТ. Открыт впускной клапан. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разряжение и происходит заполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие — поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшаются испарение и перемешивание паров топлива с воздухом.
Рабочий ход (сгорание и расширение) — происходит воспламенение рабочей смеси от электрического разряда в двигателях с внешним смесеобразованием или вследствие высокой степени сжатия — в дизельных двигателях. Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Высокое давление газов, температура их достигает 9000°С.
Выпуск — поршень двигается от НМТ к ВМТ. Открыт выпускной клапан. Происходит вытеснение отработавших газов из камеры сгорания цилиндра.
Для обеспечения нормальной работы двигатель внутреннего сгорания имеет следующие механизмы и системы:
- кривошипно-шатунный механизм;
- газораспределительный механизм;
- систему охлаждения;
- систему смазки;
- систему питания;
- систему зажигания.
Дизельные двигатели системы зажигания не имеют, так как воспламенение рабочей смеси в цилиндрах двигателя происходит за счет высокой степени сжатия.
Кривошипно-шатунный механизм воспринимает давление газов при их расширении и преобразует прямолинейное, возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала двигателя.
Газораспределительный механизм предназначен для своевременного впуска в камеру сгорания цилиндра двигателя необходимого заряда горючей смеси и выпуска из него отработавших газов.
Система охлаждения служит для отвода излишнего тепла от деталей двигателя и для поддержания оптимального температурного режима работающего двигателя. Существуют жидкостная и воздушная системы охлаждения двигателя.
Система смазки предназначена для подачи смазки к трущимся поверхностям деталей двигателя, отвода тепла от деталей; уноса механических частиц, образующихся в результате трения, и очистки моторного масла.
Система питания служит для приготовления горючей смеси в карбюраторных и газосмесительных двигателях, подачи ее в камеры сгорания цилиндров двигателя и удаления продуктов сгорания. В дизельных двигателях система питания обеспечивает впрыск топлива в мелкораспыленном виде в цилиндры.
Система зажигания предназначена для преобразования тока низкого напряжения в ток высокого напряжения с целью образования электрического разряда в камере сгорания цилиндра двигателя для воспламенения рабочей смеси.
В одноцилиндровом двигателе на один рабочий ход приходится три подготовительных такта, вследствие чего такой двигатель работает неравномерно. Более того, масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности, будет велика. С целью устранения этих недостатков применяют двигатели с большим числом цилиндров, шатуны которых связаны с кривошипами общего коленчатого вала. Конструктивно коленчатый вал изготовлен таким образом, что рабочие такты в цилиндрах не совпадают, а подготовительные такты приходятся на рабочие такты других цилиндров. В этом случае роль маховика снижается, что позволяет уменьшить его массу, и, следовательно, уменьшается общая масса двигателя, приходящаяся на единицу его мощности. Достигается равномерность в работе двигателя.
В многоцилиндровых двигателях цилиндры располагаются в один ряд вертикально или наклонно, а также в два ряда под углом 90° (или У-образное расположение).
Общее устройство и рабочий цикл двигателя
Тепловые двигатели, устанавливаемые на современных автомобилях, являются двигателями внутреннего сгорания, т. е. такими, у которых топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В зависимости от способа образования горючей смеси и вида применяемого топлива двигатели внутреннего сгорания бывают с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие на бензине, и газосмесительные, работающие на горючем газе) и внутренним смесеобразованием (дизельные — работающие на дизельном топливе).
Чтобы двигатель продолжал работать, необходимо периодически очищать цилиндр от отработавших газов и заполнять его зарядом свежей горючей смеси, что осуществляется через два отверстия (выпускное и впускное).
При расширении газов в цилиндре поршень, перемещаясь вниз, возобновляет запас энергии маховика, за счет которой поршень перемещается вверх, клапан выпускного отверстия открывается и отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу.
Как только поршень достигает верхнего положения, клапан выпускного отверстия закрывается. Маховик с коленчатым валом продолжают вращаться, и поршень идет вниз. При этом в цилиндре создается разрежение.
Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха. В цилиндре горючая смесь разбавляется остатками отработавших газов, после чего смесь становится рабочей, и через впускное отверстие цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
При нижнем положении поршня зажигать рабочую смесь нецелесообразно, так как давление расширяющихся газов не может быть использовано. Маховик, продолжая вращаться, через коленчатый вал и шатун переместит поршень вверх и смесь сожмется, так как оба отверстия в цилиндре в это время закрыты клапанами. Сжатую рабочую смесь воспламеняют электрическойискрой и все процессы будут последовательно повторяться.Поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает то верхнего, то нижнего крайних положений. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками. Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. За каждый ход поршня коленчатый вал повернется на 1/2 оборота, или 180°. Процесс, происходящий внутри цилиндра за один ход поршня, называется тактом.При перемещении поршня от верхней мертвой точки книжней в цилиндре освобождается пространство, которое называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания, вместе взятые, составляют полный объем цилиндра. В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров выражается в литрах и называется литражом двигателя. При малых объемах — до одного литра — он выражается в кубических сантиметрах.Одним из важных показателей двигателя является его степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. С повышением степени сжатия двигателя повышается его экономичность и мощность.Повышение экономичности двигателя достигается в результате снижения тепловых потерь, так как при большей степени сжатия уменьшается поверхность камеры сгорания, с которой соприкасаются газы. Увеличение мощности двигателя достигается в результате повышения среднего давления на поршень, которое возрастает с повышением температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большем сжатии. В карбюраторных и газосмесительных двигателях степень сжатия находится в пределах 6 . 9, в дизельных— 15 . 20.
Рабочий цикл бензинового двигателя(рис.2):
Впуск — поршеньперемещатся отв. м. т. к н. м. т. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 . . 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 . 125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигают величин 1,0 . 1,2 МПа и 350 . 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.»
Рабочий ход (сгорание и расширение) — сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой,поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к н. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты.
Давление газов достигает величины 3,5 . 4 0 МПа а температура доходит до
 Рис.2. Рабочий процесс четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя: а) — такт впуска,б)—такт сжатия, в)—тактрабочий ход,г) —тактвыпуска |
Выпуск — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Открыто выпускное отверстие. Давление газов снижается до 0,11 . 0,12 МПа, а температура — до 300 . 400° С.
Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя:
— впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя подобен карбюраторному и состоиттакже из четырех тактов.
Рабочий цикл дизельного двигателя:
Впуск — поршень перемещается от в. м. т. к н. м. т.. Открыто впускное отверстие. Благодаря создаваемому разрежению цилиндр заполняется воздухом. Давление воздуха составляет при этом 0,075 . 0,085 МПа а температура — 90 . 125° С.Сжатие — поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т,закрыты впускное и выпускное отверстия. Воздух в цилиндре сжимается. Так как степень сжатия в дизельном двигателе выше (15 . 20), то будут более высокими давление (3,0 . 4,0 МПа) и температура (600 . . 700°С). Такая высокая температура сжатого воздуха необходима для воспламенения впрыскиваемого в цилиндр дизельного топлива.Рабочий ход — в конце такта сжатия в цилиндр через форсунку под давлением 15,0 . 20,0 МПа впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Смешиваясь с раскалённым воздухом, топливо воспламеняется, вследствие чего давление в цилиндре повышается до 7,0… 8 Мпа, а температура достигает 1800…2000°С и поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т.Впускной и выпускной клапаны закрыты.Выпуск – поршень движется от н.м.т к в.м.т. Открыт выпускной клапан. Температура газов снижается до 300…400° С, а давление их составляет 0,11..0,12 Мпа.Отработавшые газы выталкиваются из цилиндра. Увеличение литровой мощности двигателя достигается за счёт применениянаддува в дизелях (Рис.3). Рабочий процесс четырехтактного четырехцилиндрового карбюраторного двигателя показан на рис.4.
Рис.3.Схемы работы четырехтактного двигателя и наддува у дизелей.
1-цилиндр; 2- поршень; 3- впускной клапан; 4- впускной трубопровод; 5- колесо центробежного компрессора; 6- вал турбокомпрессора; 7- корпус турбокомпрессора; 8- колесо турбины; 9- газоотводящий патрубок; 10- выпускной клапан; 11- поршневой палец; 12- шатун
Рис. 4. Рабочий процесс четырехцилиндрового карбюраторного двигателя:
полуобороты коленчатого вала: а)—первый, б) — второй, в)—третий, г) —четвертый; 1,2, 3, 4 — поршни
