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).

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя

На автомобилях устанавливают 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, 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)
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 устроен двигатель внутреннего сгорания.

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 — 1200 о С.

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 600 о С. 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 — 900 о С.

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 500-700 о С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Более подробно про работу дизеля в статье Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы.

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
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.

Циклы двигателей внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. В ДВС процесс горения топлива происходит внутри рабочего цилиндра.

По роду применяемого топлива ДВС подразделяются на двигатели жидкого топлива и газовые.

По способу заполнения цилиндра свежим зарядом двигатели подразделяются на четырехтактные и двухтактные . В двухтактном ДВС рабочий процесс осуществляется за два хода поршня и один оборот коленвала, в четырехтактном ДВС рабочий цикл совершается за четыре хода поршня и за два оборота коленвала.

По способу приготовления рабочей смеси из топлива и воздуха ДВС подразделяют на двигатели с внутренним смесеобразованием – дизельные двигатели, где топливо воспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высоких температур; и внешним – карбюраторные, где зажигание рабочей смеси производится электрической искрой.

Первый практически пригодный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Ленуаром в 1860 г.. В 1876г. немецкий изобретатель Отто построил более совершенный четырехтактный газовый двигатель, в 1880 г. инженер Костович в России построил бензиновый карбюраторный двигатель, а в 1897 г. немецкий инженер Дизель создал двухтактный ДВС с воспламенением от сжатого воздуха – дизельный двигатель.

Рис. 1.14 Схема работы 4 – х тактного карбюраторного двигателя.

На рисунке 1.14 показана схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.

В цилиндре 1 расположен поршень 2, шатун 3 соединен с одной стороны с поршнем, а с другой с коленчатым валом. В верхней части цилиндра расположены впускной 4 и выпускной 5 клапаны. Крайние положения поршня называются верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня .

Двигатель работает следующим образом. При первом такте всасывании — поршень движется вниз и засасывает горючую смесь в цилиндр за счет создаваемого разряжения. При этом всасывающий клапан открыт, выпускной закрыт.

Второй такт — сжатие происходит при движении поршня вверх от НМТ. При этом оба клапана закрыты. При приближении к ВМТ горючая смесь зажигается от электрической искры.

Третий такт-рабочий ход осуществляется за счет давления газа. Действием давления поршень движется вниз от ВМТ до НМТ, создавая крутящий момент на коленчатом валу.

Четвертый этап – выпуск, при котором через открытый выпускной кран при движении поршня вытесняются из цилиндра продукты сгорания.

Таким образом, из четырех тактов только при третьем такте совершается полезная работа; во всех остальных происходит затрата работы.

Рабочий процесс в двухтактном двигателе осуществляется следующим образом. После сгорания топлива начинается процесс расширения газа. В конце расширения поршень открывает выпускные окна, через которые удаляется часть отработанных газов. Далее, продолжая двигаться вниз, поршень открывает продувочные окна, при этом цилиндр продувается сжатым воздухом. В начале второго такта — сжатия продолжается процесс удаления отработанных газов и заполнения цилиндра свежим зарядом. После того, как поршень закроет окна, начинается сжатие горючей смеси. Типы двигателей:

1) с подводом тепла при постоянном объеме (идеальный цикл Отто) ;

2) с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля);

3) цикл со смешанным подводом тепла – частично при v=const и p=const (идеальный цикл Тринклера).

Рассмотрим принцип действия различных ДВС с использованием теоретической диаграммы идеального двигателя. При этом в рассматриваемом термодинамическом процессе вводится ряд допущений:

1) рабочее тело – идеальный газ;

2) рабочее тело не покидает цилиндр;

3) свойства рабочего тела не меняются.

На рисунке 1.15 представлена теоретическая диаграмма четырехтактного двигателя с циклом подвода тепла при v=const. Этот способ подвода тепла имеет место в карбюраторном двигателе с использованием легкого топлива – бензин, газ, спирт и т.п.

Рис. 1.15 –цикл Отто

а-1 – всасывание рабочей смеси;

1-2 – адиабатное сжатие рабочего тела;

2-3 – изохорный подвод тепла (сгорание топлива);

3-4 – адиабатное расширение рабочего тела (рабочий ход);

4-1 – изохорный отвод тепла;

При ходе поршня вниз (1 такт) в цилиндр двигателя 1 засасывается через впускной клапан 4 готовая рабочая смесь. Это смесь горючих газов или паров жидкого топлива с воздухом. В теоретической диаграмме предполагается, что всасывание происходит при постоянном давлении, равном атмосферному ( линия а-1 ).

В точке 1 всасывающий клапан закрывается, после чего, при ходе поршня вверх (2 такт) рабочая смесь сжимается адиабатно, с повышением давления. Давление зависит от степени сжатия

(1.96)

Где v₁ – полный объем цилиндра; v₂ – объем цилиндра в конце сжатия (линия 1-2).

В конце сжатия(т. 2) смесь зажигается с помощью электрической искры. Сгорание смеси происходит мгновенно. При рассмотрении термодинамического цикла процесс горения заменяют условно обратимым подводом тепла к рабочему телу от горячего источника в изохорном процессе ( 2-3 ).

В результате выделения теплоты при сгорании (условный подвод тепла) давление увеличивается до p₃ . далее поршень вновь перемещается вниз (3 такт) в результате адиабатного расширения газа (линия 3-4). Это рабочий ход поршня . В нем совершается положительная работа расширения за счет внутренней энергии газа.

В конце расширения открывается выхлопной клапан. При этом давление мгновенно падает до атмосферного. Принимается, что падение давления происходит при постоянном объеме (v=const) ( линия 4-1 ). В действительности же при падении давления часть газов выпускается в атмосферу. При рассмотрении идеального термодинамического цикла процесс падения давления заменяется эквивалентным изохорным процессом 4-1 с обратимым отводом теплоты q₂ к холодному источнику.

Четвертый такт происходит при открытом выпускном клапане. В этом случае продукты сгорания выталкиваются в атмосферу при атмосферном давлении p=const. Линия выталкивания 1-а .

Площадь индикаторной диаграммы (1234) характеризует полезную работу газа за первый цикл.

Термический КПД цикла с подводом тепла при v=const определяют из общего выражения:

, (1.97)

где – отводимое количество тепла по изохоре 4-1;

где – подводимое количество тепла по изохоре 2-3.

Отсюда при с_v = const:

(1.98)

Между температурами для адиабат 4-3 и 1-2 следующие зависимости:

(1.99)

; (1.100)

Как мы уже говорили, – степень сжатия.

(1.101)

Таким образом получаем:

(1.102)

Из полученного выражения видим, что КПД цикла с подводом тепла при v=const тем больше, чем больше степень сжатия . Для реальных ДВС .

Рис 1.16- цикл Дизеля

По линии а-1 в цилиндр засасывается воздух при p₁=1атм., по линии 1-2 воздух сжимается, Т₂ – температура самовоспламенения топлива, p₂=3 4 МПа. В конце сжатия ( т.2 ) в камеру впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое воспламеняется и горит при p=const – этому процессу соответствует подвод тепла q₁ ( линия 2-3 теоретической диаграммы).

Благодаря сжатию воздуха, а не горючей смеси, достигается более высокая степень сжатия =18 20. В точке 3 начинается расширение газа – рабочий ход ДВС. В точке 4 открывается выпускной клапан. Мгновенное падение давления происходит при V=const c отводом тепла q₂ (линия 4-1).

,

Где – степень предварительного расширения:

Из соотношения параметров для адиабатного процесса:

;

(1.103)

Из полученного выражения следует, что цикла с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением , K и уменьшается с возрастанием . При более высоких значениях степени сжатия увеличивается максимальное давление в цилиндре, что вызывает конструктивные затруднения. Среднее значение КПД цикла Дизеля