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.
https://www.youtube.com/watch?v=0uo6HMC7Ygs\u0026pp=ygVE0KDQsNCx0L7Rh9C40Lkg0YbQuNC60Lsg0LTQstC40LPQsNGC0LXQu9GPOiDRh9GC0L4g0Y3RgtC-INGC0LDQutC-0LU%3D
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
Главная страница
Дистанционное образование
- Группа ТО-81
- Группа М-81
- Группа ТО-71
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты
Что такое рабочий цикл двигателя
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.
Мертвые точки и ход поршня ДВС
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 четырехтактного двигателя
Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:
- 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.
- 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°.
- 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.
- 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.
https://www.youtube.com/watch?v=0uo6HMC7Ygs\u0026pp=YAHIAQE%3D
Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.
Рабочий цикл двухтактного двигателя
Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:
- 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.
- 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
Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя
На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип работы двигателя (схематично) и его рабочие циклы. Что такое цикл Отто — Аткинса и Миллера.
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 Отто, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
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).
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. 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. 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°С.
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.
В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600°С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
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. 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. 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°С. 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°С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. В основе многих современных двигателей лежит цикл Отто, который придумал немецкий конструктор Николаус Отто и запатентовавший четырехтактный двигатель в 1876 году. Его формула известна всем учащимся автошкол и студентам и звучит так: «впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск». Хотя КПД его мотора не высокий, но именно данный цикл лежит в основе всех моторов.
Позже Джеймс Аткинсон усовершенствовал цикл Отто в 1882 году создав термодинамический цикл. А американец Ральф Миллер в 1947 году довёл до ума теоретические наработки Аткинсона, внедрив изменение фаз газораспределения.
Например, по циклу Миллера работает двигатель TSI на автомобиле VW Golf 8 — впускной клапан закрывается раньше окончания такта впуска.
Это позволяет снизить фактическую степень сжатия смеси относительно геометрической, благодаря чему удаётся эффективнее использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов. Т.е. теряется максимальная мощность, но улучшается экономичность.
https://www.youtube.com/watch?v=yZ8w_WEMbEU\u0026pp=ygVE0KDQsNCx0L7Rh9C40Lkg0YbQuNC60Lsg0LTQstC40LPQsNGC0LXQu9GPOiDRh9GC0L4g0Y3RgtC-INGC0LDQutC-0LU%3D
На многих машинах есть двигатели, использующие два или все три цикла в разных режимах работы.
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).
- Как устроен двигатель внутреннего сгорания
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Значит после рабочего хода в первом цилиндре следующий 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.
Четырехтактный двигатель, устройство и принцип работы
Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом рабочем цилиндре.
Главная задача рабочего процесса заключается в превращение тепловой энергии от сгорания рабочего тела в механическую работу, в частности во вращательное движение коленчатого вала.
Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.
Рабочий цикл карбюраторного двигателя:
— Такт впуска
В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). В это время кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
— Такт сжатия
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия.
Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.
Такт расширения, или рабочий ход
Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время движения поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется толкая поршень.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют «рабочим ходом».
Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно, поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется «рабочей смесью».
Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя.
Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.
Смотрите анимацию, она наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя.
— Такт выпуска
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.
Как диагностировать состояние двигателя по цвету выхлопных газов читайте в соответствующей статье.
Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.
По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
Рабочий цикл дизельного двигателя
Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси.
Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха — самовоспламеняется.
В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом
— Такт впуска
При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух.
— Такт сжатия
Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.
— Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД).
Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления.
Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.
— Такт выпуска
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Тепловой и динамический расчет 4-х тактных ДВС изучайте и читайте в этой бесплатной программе
На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.
Недостатки четырёхтактных двигателей:
Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно-шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.
Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания.
Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.
К недостаткам можно отнести и необходимость регулировки теплового зазора клапанов, большее количество деталей и, соответственно, каждую из них потребуется когда-то поменять на исправную.
Четырехтактные ДВС имеют большие размеры, их детали более объёмны и сложны.
Для осуществления ремонта таких двигателей, необходимо использовать тяжелое гаражное оборудование: стенды-кантователи, стенды для ремонта ДВС, кран-манипулятор и т.д.
Преимущества четырёхтактных двигателей:
- Экономичность расхода топлива за счет меньшего количества рабочих ходов в единицу времени;
- Надежность обусловлена тепловым режимом, который у 4-х тактных ДВС более мягкий;
- Двигатель работает значительно тише чем свой двухтактный собрат.
В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению смазочного материала в топливо, — коленвал четырехтактного двигателя смазывается принудительно давлением. На зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной системе образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу и влияет на экологию. С экологией у отдельная проблема. 😉
4. Рабочие циклы двигателей
Процесс (часть
цикла), который происходит в цилиндре
за один ход поршня, называют тактом.
Двигатель, у которого рабочий цикл
происходит за четыре хода поршня, называется четырехтактным.
Рабочий цикл
четырехтактного дизельного двигателя.
Рассмотрим, что происходит в одном из цилиндров
работающего двигателя
1-й такт
— впуск (рис. 8, а). Поршень перемещается
с помощью шатуна коленчатым валом вниз
и, действуя подобно насосу, создает
разрежение в цилиндре. Через открытый
впускной клапан цилиндр заполняется
чистым воздухом под влиянием разности
давлений Выпускной клапан закрыт. В
конце такта впускной клапан закрывается.
https://www.youtube.com/watch?v=yZ8w_WEMbEU\u0026t=87s
В начале работы
двигателя коленчатый вал приводят во
вращение посторонним источником энергии,
например электрическим стартером или
пусковым двигателем. В конце такта
впуска давление в цилиндре в среднем
составляет 0,08— 0,095 МПа, а температура
30—50°С.
2-й такт—сжатие
(рис. 8, б). Поршень, продолжая движение,
с помощью
коленчатого вала,
перемещается вверх. Поскольку оба
клапана закрыты, поршень сжимает воздух.
Температура воздуха при сжатии повышается
Благодаря высокой степени сжатия в
дизельном двигателе давление в цилиндре
повышается до 4 МПа, а воздух нагревается
до температуры 600°С. В конце такта сжатия
через форсунку в цилиндр впрыскивается
порция дизельного топлива в мелкораспыленном
состоянии.
3-й такт —
рабочим ход, или расширение (рис: 8, в).
Мелкие частицу топлива, соприкасаясь
с нагретым сжатым воздухом, самовоспламеняются
Подача топлива через форсунку и горение
его продолжается некоторое время после
того, как поршень пройдет ВМТ.
Благодаря
задержке самовоспламенения топливо в
основном сгорает во время этого такта.
Оба клапана при рабочем ходе закрыты.
Температура газов при сгорании достигает
2000°С, давление повышается до 8 МПа.
Под
большим давлением расширяющихся газов
поршень перемещается вниз и передает
воспринимаемое им усилие через шатун
на коленчатый вал, заставляя его
производить механическую работу.
Рис.
8(3). Схема работы одноцилиндрового
двигателя: а — первый такт (впуск), б —
второй такт (сжатие), в — третий такт
(рабочий ход), г — четвертый такт (выпуск)
4-й такт—выпуск
(рис. 8, г). Поршень перемещается вверх,
а выпускной
клапан
открывается Отработавшие газы сначала
под действием избыточного давления, а
затем поршня удаляются из цилиндра.
После перехода поршнем ВМТ выпускной
клапан закрывается, а впускной клапан
открывается, и рабочий цикл повторяется.
Рабочий цикл
четырехтактного карбюраторного
двигателя.
В отличие от
дизельного у карбюраторного двигателя
воздух и топливо поступают в цилиндр
одновременно в виде горючей смеси,
приготовленной карбюратором.
Каждый из тактов
четырехтактного карбюраторного
двигателя, так же как и дизельного,
характеризуется положением клапанов
и направлением движения поршня. Рабочий
цикл четырехтактного карбюраторного
двигателя протекает следующим образом.
Впуск
— поршень перемещается в вниз. Впускной
клапан открыт. Вследствие разрежения
внутрь цилиндра через впускной канал
поступает горючая смесь, которая
перемешивается с остаточными газами,
в результате чего образуется рабочая
смесь.
Сжатие — поршень движется вверх. Впускной и
выпускной клапаны закрыты. Объем над
поршнем уменьшается, и рабочая смесь
сжимается, благодаря чему улучшается
испарение и перемешивание паров бензина
с воздухом. К концу такта давление
достигает 1,0 —1,2 МПа, а температура —
350. — 400°С,
Рабочий ход
— сгорание и расширение. Оба клапана
закрыты. В конце
такта сжатая
рабочая смесь воспламеняется искрой.
Поршень под давлением расширяющихся
газов перемещается от ВМТ к НМТ. Давление
газов достигает 2,5—4,0 МПа, а температура
доходит до 2000°С.
Выпуск — поршень движется вверх. Открыт выпускной
клапан. Отработавшие газы выходят через
выпускной канал наружу.
Дизельные двигатели
по сравнению с карбюраторными более
экономичны. Вследствие высокой степени
сжатия они расходуют на 25% меньше топлива
(на единицу произведенной работы).
- Дизельные двигатели
работают на тяжелых сортах топлива,
которое менее опасное в пожарном
отношении. -
Однако дизельным
двигателям свойственны и некоторые
недостатки: - —
они более массивны, поскольку высокое
давление газов в цилиндре требует
увеличения прочности деталей; - —
их труднее запускать, особенно в зимнее
время, чем карбюраторные. - Рабочий цикл
двухтактного карбюраторного двигателя
(рис. 9)
В двухтактном
двигателе отсутствуют клапаны. Впуск
горючей смеси и выпуск отработавших
газов у пускового двигателя осуществляется
через окна в цилиндре, которые своевременно
открываются и закрываются движущимся
поршнем.
Рис. 9(4). Схема
работы двухтактного двигателя: а — первый
такт, б — конец первого и начало второго
такта, в — конец второго такта; 1 — свеча
зажигания, 2 — поршень, 3 — выпускное окно
цилиндра, 4 — карбюратор, 5 — впускное окно
цилиндра, 6 — кривошипная камера, 7-
продувочный канал, 8 — цилиндр, 9 — выхлопная
труба, 10 — картер
При движении вверх
поршень 2 (рис. 9, а) перекрывает выпускные
окна 3 в цилиндре, в результате чего над
поршнем происходит сжатие рабочей
смеси. Одновременно под поршнем создается
разрежение, и из карбюратора 4 через
впускные окна 5 цилиндра горючая смесь
засасывается в кривошипную камеру 6.
При подходе поршня
к верхней мертвой точке в свече зажигания
1 (рис. 9, б) образуется электрическая
искра и рабочая смесь в цилиндре
воспламеняется. На этом заканчивается
первый такт.
Под давлением
образовавшихся от сгорания рабочей
смеси газов поршень
перемещается
вниз, совершая рабочий ход, который
происходит до тех пор, пока откроются
выпускные окна и начнется выпуск,
отработавших газов через выпускную
трубу наружу. При движении поршня вниз
горючая смесь в кривошипной камере
сжимается.
В конце второго такта поршень
открывает окно продувочного канала 7,
и горючая смесь нагнетается из кривошипной
камеры в цилиндр, вытесняя из него
отработавшие газы (рис. 9, в). Происходит
продувка и одновременно наполнение
цилиндра свежей горючей смесью. При
этом горючая смесь частично выходит
вместе с отработавшими газами.
Таким
образом, за два хода поршня (два такта)
совершается полный рабочий цикл.
Двигатели с
описанным рабочим процессом называют
двигателями с кривошипно-камерной
продувкой. Эти двигатели по конструкции
и в эксплуатации проще, чем четырехтактные.
Их работа протекает более равномерно
потому, что рабочий ход происходит при
каждом обороте коленчатого вала. Однако
двухтактные двигатели менее экономичны,
чем
четырехтактные.
При продувке через выпускные окна
теряется 30% горючей смеси. Поэтому
двухтактные карбюраторные двигатели
используют при кратковременной работе
для запуска дизельного двигателя
трактора.
Загрузка...
