Цикл работы двигателя

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 и 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 «».

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

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.

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

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:

где – отводимое количество тепла по изохоре 4-1;

где – подводимое количество тепла по изохоре 2-3.

Отсюда при с_v = const:

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

Как мы уже говорили, – степень сжатия.

Таким образом получаем:

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:

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

Рабочий цикл двигателя такты цикла и их характеристика

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.
Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Элементы конструкции ДВС

перемешаются в цилиндрических расточках, выполненных в
блоке цилиндров
. Поршни соединены с
коленчатым валом
при помои
шатунов
. Газораспределительный механизм с
клапанами
позволяет соединять рабочую камеру с впускным или выпускным коллектором. Воспламенить топливную смесь позволяет
свеча
.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одному проходу поршня.

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

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты.

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

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

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

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

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

Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя.

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

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

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

Второй такт заканчивается при достижении поршнем ВМТ. В этот момент рабочая смесь максимально сжата. За второй такт кривошип коленчатого вала проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за два такта коленчатый вал делает один полный оборот.

3. Как отмечалось ранее, принцип работы двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Это происходит на третьем этапе работы двигателя, который называется рабочим ходом. Когда поршень находится в ВМТ, а рабочая смесь максимально сжата, между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, что вызывает воспламенение рабочей смеси (это происходит в камере сгорания). В результате на поршень, находящийся в ВМТ, оказывается мощное давление. Клапаны в этот момент плотно закрыты, продуктам горения деваться некуда, и именно они давят на поршень, который под воздействием этого давления вынужден двигаться вниз к НМТ. При этом он передает энергию своего движения через шатун на кривошип коленчатого вала, тем самым вынуждая его вращаться. Именно это вращение является движущей силой автомобиля.

Давление на поршень во время третьего такта рабочего цикла двигателя достигает 40 кг/см.

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

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

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

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

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

Цикл работы двигателя

Основные элементы конструкции двигателя определены, теперь можно разобраться в работе двигателя, как упоминалось ранее цикл его работы состоит из четырех тактов, рассмотрим подробнее каждый из них.

Такт 1

Чтобы двигатель мог, что то сжечь, надо сначала этим чем-то его заправить. В ДВС это смесь воздуха и топлива. При движении поршня вниз объем рабочей камеры увеличивается, значит давление в ней падает. Клапаны соединяющие рабочую камеры с впускным коллектором открываются и воздух заполняет ее. Топливо распыляется с помощью форсунки.

Такт 2

Полученную смесь надо сжать, чтобы при воспламенении она расширилась и переместила поршень. Для осуществления сжатия поршень нужно переместить вверх, клапаны в этот момент должны быть закрыты.

Такт 3

На третьем этапе свеча дает искру, которая воспламеняет смесь, она нагревается и расширяется, толкая поршень вниз. Поршень вращает коленвал.

Такт 4

От продуктов горения нужно избавиться. Для этого открываются клапаны со стороны выпускного коллектора, поршень движется вверх вытесняя газы в выхлопную систему.

После 4 такта вновь наступает первый.

Количество поршней

Таким образом поршень только на третьем этапе вращал коленчатый вал, а на всех остальных наоборот коленвал перемещал поршень. Но откуда на валу возьмется энергия для вращения вала. Можно использовать не один поршень, а несколько. Пожалуй,самым логичным решением будет установка четырех поршней (хотя их может быть и 3, и 6, и 12). Если в двигателе 4 поршня, то каждый из них в один момент находится на разных этапах:

• первый — всасывает воздух;
• второй — сжимает смесь;
• третий — осуществляет рабочий ход;
• четвертый — вытесняет выхлопные газы.

Для обеспечения плавной работы на валу двигателя может быть установлен маховик.

Циклы двигателей внутреннего сгорания

Здравствуйте! Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, в которой подвод теплоты к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легковоспламеняемым топливом, а на втором этапе — продукты сгорания. В поршневых двигателях внутреннего сгорания подвод теплоты происходит непосредственно в цилиндре в процессе сгорания топлива. Эти двигатели имеют сравнительно высокую экономичность, малые габариты и вес, приходящийся на единицу мощности, и поэтому в основном применяются в качестве транспортных двигателей: в авиации, автомобильном, водном и железнодорожном транспорте. Кроме того, они используются в стационарных энергетических установках малой мощности.

Недостатком поршневых двигателей является необходимость применения кривошипного механизма, предназначенного для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Наличие несбалансированных масс в кривошипном механизме при увеличении числа оборотов приводит к возникновению больших механических нагрузок. Поэтому мощные двигатели внутреннего сгорания выполняются тихоходными, что увеличивает их габариты и вес.

Различные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания в зависимости от их назначения, привели к созданию самых разнообразных типов этих двигателей. Однако с термодинамической точки зрения их можно классифицировать по характеру процессов. Циклы, которые применяются в двигателях, можно подразделить на следующие три вида:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении;

3) смешанный цикл, в котором теплота подводится при постоянном объеме и при постоянном давлении.

Цикл с подводом теплоты в процессе при постоянном объеме.

Особенностью двигателей, работающих по этому циклу, является внешнее приготовление рабочей смеси, которая затем подается в цилиндр, где сжимается и воспламеняется от электрической искры, причем сгорание происходит очень быстро и процесс можно рассматривать как происходящий при постоянном объеме. Так как внешнее смесеобразование осуществляется при низкой температуре, двигатель может работать только на легких топливах, которые хорошо смешиваются с воздухом. Такой двигатель впервые был построен в 1876 г. немецким изобретателем Отто и работал на газовой смеси.

Теоретический цикл с подводом теплоты при υ = const состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 2). В процессе 1—2 происходит адиабатное сжатие рабочей смеси, которая в точке 2 воспламеняется с помощью электрической искры и сгорает в процессе 2—3 при постоянном объеме. В процессе 3—4 адиабатного расширения продуктов сгорания топлива происходит перемещение поршня и производится работа расширения. В точке 4 открывается выхлопной клапан, и давление в цилиндре падает до атмосферного pa.

При этом часть отработавших продуктов сгорания покидает полость цилиндра. В дальнейшем в результате возвратно-поступательного движения поршня выталкиваются остатки продуктов сгорания и всасывается следующая порция рабочей смеси. На теоретической диаграмме (рис. 2) эти процессы совпадают с изобарой ра, однако условно их совмещают с изохорным процессом 4—1, в котором отводится количество теплоты q2, фактически уносимой вместе с удаляемыми газами.

Реальные циклы двигателей внутреннего сгорания заметно отличаются от теоретических, поэтому при теоретическом анализе вводятся также и другие допущения. В качестве рабочего тела при исследовании циклов двигателей внутреннего сгорания принимается идеальный газ, количество и свойства которого неизменны (в действительности они изменяются в результате сгорания распыленного топлива).

Процессы сжатия и расширения не являются адиабатными, потому что в реальном двигателе существует трение и происходит теплообмен между стенками цилиндра и газом. Процесс 2—3 в действительности также отличается от изохорного из-за перемещения поршня за время горения топлива. Вследствие развития всех процессов во времени определенные точки перехода от одного процесса к другому (точки 1, 2, 3 и 4) в реальных циклах отсутствуют, и процессы сменяют друг друга постепенно (рис. 1).

Однако при термодинамическом анализе циклов двигателей внутреннего сгорания эти отклонения от идеальных условий не учитываются, что существенно упрощает теоретическое исследование циклов.

В соответствии с формулой

термический к. п. д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме возрастает с увеличением степени сжатия ε, которая равна отношению υ1/υ2 (рис.2) и показывает, во сколько раз уменьшается объем рабочей смеси при ее сжатии. Однако величина ε ограничивается температурой самовоспламенения рабочей смеси.

Если в процессе адиабатного сжатия 1—2 температура в цилиндре превысит температуру самовоспламенения, то рабочая смесь воспламенится преждевременно, что не только снизит экономичность двигателя, но и приведет к весьма опасным перегрузкам. Поэтому степень сжатия в двигателях со сгоранием при υ = const не превышает ε = 6—9 (выбирается в зависимости от свойств топлива).

Цикл с подводом теплоты при постоянном давлении.

В двигателях, работающих по этому циклу, сжатию подвергается не рабочая смесь, а воздух, температура которого в конце процесса сжатия (точка 2 на рис. 3) превышает температуру самовоспламенения топлива и составляет 600—800° С. Благодаря этому подаваемое в цилиндр распыленное жидкое топливо, смешиваясь с воздухом, самовоспламеняется и горит, причем подача топлива регулируется таким образом, чтобы горение шло при постоянном давлении (изобара 2—3). Распыливание подаваемого в цилиндр топлива производится сжатым воздухом (давление 5—9 МПа), поступающим из специального компрессора (такие двигатели часто называют компрессорными). В процессе 3—4 происходит адиабатное расширение продуктов сгорания, а процесс 4—1 аналогичен такому же в цикле со сгоранием при υ=const. Этот цикл был впервые предложен и осуществлен Дизелем.

Ввиду того что сжатию подвергается только воздух, преждевременное воспламенение (детонация) топлива исключается, двигатели работают с большими степенями сжатия (порядка 15—20) и имеют большой к. п. д. Так как образование горючей смеси происходит при высокой температуре, в этих двигателях сжигаются более тяжелые виды топлива.

Недостатком этих двигателей является наличие компрессора высокого давления, снижающего надежность, а также усложняющего конструкцию и потребляющего некоторую часть мощности двигателя. Поэтому они в настоящее время вытеснены бескомпрессорными двигателями, в которых распыливание топлива осуществляется топливным насосом.

Смешанный цикл.

Двигатели, работающие по смешанному циклу, являются более совершенными по сравнению с двигателями с изобарным сгоранием, так как у них отсутствует компрессор. Первый патент на бескомпрессорный двигатель высокого давления был выдан в 1901 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Однако эти двигатели получили широкое распространение значительно позже, когда удалось осуществить тонкое распыливание топлива с помощью топливного насоса и форсунок специальной конструкции. В настоящее время по смешанному циклу работают преимущественно транспортные двигатели, в которых используется тяжелое топливо.

В смешанном цикле, как и в цикле с изобарным сгоранием, сжатию подвергается воздух. Топливо подается в цилиндр с помощью насоса в конце сжатия (точка 2 на рис. 4) при давлении 30—150 МПа и вследствие высокой температуры воздуха самовоспламеняется. Подача топлива под большим давлением создает благоприятные условия для хорошего распиливания и перемешивания его с воздухом, что обеспечивает достаточно полное сгорание топлива и повышение экономичности двигателя. Процесс горения идет сначала при постоянном объеме (изохора 2—3), а затем при постоянном давлении (изобара 3—3').

Сравнение циклов.

Как уже отмечалось раньше, сравнение экономичности двигателей целесообразно проводить с помощью Ts-диаграммы, так как эта диаграмма позволяет по соответствующим площадям определить количество теплоты. На рис. 5 выполнено сравнение рассмотренных выше циклов двигателей при одинаковом количестве отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—a—1, и одинаковых максимальных параметрах цикла в точке 3.

Степень сжатия для цикла со сгоранием топлива при p = const (определяется положением точки 2″ в конце адиабатного сжатия воздуха) больше, чем для цикла со сгоранием при υ = const (точка 2). Это соответствует действительным условиям работы двигателей, так как отличительной особенностью и преимуществом двигателей с подводом тепла при р = const является возможность использования больших степеней сжатия.

Поэтому целесообразно сопоставить двигатели при одинаковых максимальных давлениях и температурах (точка 3 на рис. 2—4), поскольку эти параметры определяют величину механических и термических напряжений, а следовательно, и конструктивные особенности двигателей.При одинаковых максимальных параметрах в цикле 1—2″— 3—4—1 (рис. 5) с подводом теплоты при p = const работа, равная площади цикла, больше работы в цикле 1—2—3—4—1 с подводом теплоты при υ=const. Так как количество отводимой теплоты q2, которой соответствует площадь 1—4—b—а—1, в обоих циклах одинаково, то термический к. п. д. в условиях одинаковых максимальных параметров для цикла с подводом теплоты при p = const выше.

Термический к. п. д. смешанного цикла 1—2'—3'—3 —4—1 имеет среднее значение между термическими коэффициентами полезного действия рассмотренных циклов. В действительности для смешанного цикла и цикла Дизеля оптимальная степень сжатия одинакова и составляет ε = 16—18, поэтому бескомпрессорные двигатели работают при более высоких максимальных параметрах (точка 3 на рис. 5 расположена выше) и, следовательно, являются наиболее экономичными. Исп. литература: 1) Теплоэнергетика и теплотехника, Общие вопросы, Справочник под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина, Москва, «Энергия», 1980. 2)Теплотехника, Бондарев В.А., Процкий А.Е., Гринкевич Р.Н. Минск, изд. 2-е,»Вышейшая школа», 1976.

Цикл работы двигателя

Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания

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

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

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

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Температура смеси в конце впуска 75— 125 °С.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

После окончания такта выпуска- начинается новый рабочий цикл.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

РАБОЧИЕ ЦИКЛЫ

Рабочим циклом ДВС называют совокупность процессов, повторяющихся в цилиндре одноцилиндрового двигателя в такой последовательности: впуск свежего заряда, сжатие, расширение или рабочий ход, выпуск. Часть рабочего цикла, приходящаяся на один ход поршня при повороте коленчатого вала на 180°, называется тактом.

Цикл рассматриваемых двигателей осуществляется за четыре такта и называется четырехтактным.

Рабочий цикл поршневого двигателя проходит по одной из двух схем. На рис. 2.1, а представлен рабочий цикл с внешним смесеобразованием (бензиновый двигатель), а на рис. 2.1, б — рабочий цикл с внутренним смесеобразованием (дизель).

Рис. 2.1. Схемы рабочего цикла двигателей:

а — с внешним смесеобразованием (бензиновый); б — с внутренним смесеобразованием (дизель)

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

При рассмотрении цикла условно принято, что начало рабочего цикла совпадает с ВМТ, а каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт — впуск (рис. 2.2, а). При вращении коленчатого вала 10 (по направлению стрелки) поршень перемещается из ВМТ в НМТ, впускной клапан 12 открывается, выпускной клапан 14 закрыт. Через открытый клапан цилиндр 5 соединяется с системой впуска. Вследствие гидравлического сопротивления воздухоочистителя 1, карбюратора 2, впускного трубопровода, клапана 12 и увеличения объема при перемещении поршня 6 давление в цилиндре 5 становится меньше атмосферного, и воздух поступает в цилиндр. Проходя через карбюратор 2, топливо смешивается с воздухом, частично испаряется и через впускной трубопровод подается в цилиндр. Пары топлива, смешиваясь с воздухом, образуют горючую смесь, которая, поступая в цилиндр, смешивается с небольшим количеством остаточных газов, оставшихся от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. При подходе поршня к НМТ давление в цилиндре на 0,01—0,02 МПа меньше атмосферного, а температура смеси вследствие подогрева от контакта с нагретыми деталями двигателя и перемешивания с отработавшими газами повышается до 350—390 К.

Рис. 2.2. Рабочий процесс карбюраторного двигателя:

а — впуск; б — сжатие; в — расширение (рабочий ход); г — выпуск;

• 1 — воздухоочиститель; 2 — карбюратор; 3 — вал распределительный;
• 4 — головка цилиндра; 5 — цилиндр; 6 — поршень; 7 — палец поршневой;
• 8 — шатун; 9 — картер коленчатого вала; 10 — коленчатый вал; 11 — поддон масляный; 12 — клапан впускной; 13 — свеча зажигания; 14 — клапан выпускной; 15 — глушитель; а — угол опережения зажигания

Второй такт — сжатие (рис. 2.2, б). Во время движения поршня к ВМТ впускной клапан 12 закрывается, и поступившая в цилиндр смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры, и при подходе поршня к ВМТ давление составляет (в зависимости от степени сжатия) 1,0—1,5 МПа, а температура — 600—650 К.

Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение топлива в бензиновых двигателях осуществляемое электрической искрой обычно производится до прихода поршня к ВМТ.

Предварение подачи искры оценивается углом опережения зажигания а.

Третий такт — расширение или рабочий ход (рис. 2.2, в). В начале такта при сгорании смеси выделяется значительное количество теплоты, вследствие чего в цилиндре резко увеличиваются температура и давление образующихся при сгорании топлива. Под давлением газов поршень перемещается к НМТ и преобразует тепловую энергию в механическую. В начале расширения давление составляет 3—4 МПа, температура — 2300—2500 К, а при подходе поршня к НМТ вследствие увеличения объема давление снижается до 0,3—0,5 МПа, а температура составляет 1200—1500 К.

Четвертый такт — выпуск (рис. 2.2, г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан 14 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра через выпускной трубопровод, глушитель 10 в атмосферу. При такте выпуска не достигается полной очистки цилиндра от отработавших газов, поэтому в конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105—0,120 МПа, а температура — 700—900 К.

Четвертым тактом рабочий цикл заканчивается. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, или совершает два оборота.

Полезная работа совершается только при третьем такте — такте расширения, а остальные такты являются вспомогательными и поршень при этих тактах перемещается за счет энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком.

На автомобилях ВАЗ кроме двигателей с карбюраторной системой применяют так называемые инжекторные двигатели (рис. 2.3). В таких двигателях карбюратор отсутствует, а мелко распыленное топливо подается в момент открытия впускного клапана 9 через специальную электромагнитную форсунку 4 (инжектор) под давлением 0,15—0,35 МПа. С целью повышения наполнения двигателя и равномерного распределения заряда по цилиндрам в таких двигателях применяют по четыре клапана (два впускных и два выпускных) на цилиндр. В этом случае впускные и выпускные трубопроводы изготавливаются определенной длины (настроенные системы впуска и выпуска), обеспечивающие максимальное наполнение цилиндра на всех рабочих режимах и улучшающие очистку цилиндра от отработавших газов.