Определение процесса расширения в четырехтактном двигателе

Процесс расширения и выпуска продуктов сгорания

В процессе расширения (рис.12)внутренняя энергия продуктов сгорания, обладающих высокой температурой, трансформируется в механическую работу. При этом реакции окисления, не успевшие окончиться в течении процесса сгорания, продолжаются. Дополнительное выделение тепла в процессе расширения называют догоранием. В дизелях степени сжатия выше и поэтому температура в конце процесса расширения ниже на 200 – 300 0 , а при уменьшении нагрузки резко понижается, что объясняется уменьшением количества впрыскиваемого топлива.

В четырехтактных ДВС выпускное отверстие открывают за 40 – 80 0 до н.м.т. и закрывают его через 20 – 40 0 после в.м.т. Таким образом продолжительность открытия выпускного отверстия (продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов) составляют в разных двигателях от 240 до 300 0 угла поворота коленчатого вала.

Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускании поршня от момента открытия выпускного клапана до н.м.т., т.е. в течение 40 – 80 0 , и основной выпуск, происходящий при движении поршня от н.м.т. до в.м.т. и далее до закрытия выпускного отверстия, т.е. в течение 200 – 220 0 поворота коленчатого вала.

Предварение выпуска. Во время предварения выпуска поршень опускается и удалять из цилиндра отработавшие газы не может. Давление в цилиндре при работе двигателя с полной нагрузкой равно около 0,4 МПа. Отработавшие газы за счет избыточного давления с критическими скоростями, достигающими 400 – 500 м/с выбрасываются из цилиндра, сопровождаясь характерным звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушитель.

Основной выпуск. Когда поршень подойдет к в.м.т., давление в цилиндре понизится примерно до 0,2 МПа. Критическое истечение окончится и начнется основной выпуск. Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими и конце выпуска 60 – 100 м/с. По мере дросселирования уменьшаются все давления цикла и при некоторых режимах совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями и даже при работе без глушителя, характерный шум выпуска

Рис.12. Процесс расширения (Z – 4)

отсутствует. Небольшое запаздывание закрытия выпускного отверстия позволяет использовать инерцию выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания остается в цилиндре, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов.

Рис. 13. Процесс выпуска продуктов сгорания (4-b-2-1-r-5)

отсутствует. Небольшое запаздывание закрытия выпускного отверстия позволяет использовать инерцию выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания остается в цилиндре, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов.

1.6.6. Рабочий цикл двухтактного двигателя.

Двухтактные двигатели (Рис. 14) отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом происходит в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения. Общий процесс для всех двухтактных двигателей —

Рис. 14. Схема двухтактного дизельного ДВС

– продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. На рис 15 приведен двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной продувкой ( кривошипная камера при движении поршня вниз выполняет роль нагнетательного насоса). Рабочий цикл в двигателе выполняется за два такта.

Первый такт – сжатие — поршень 3 перемещается от н.м.т. к в.м.т. , перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 6 окно. После закрытия поршнем выпускного окна 6 в в цилиндре 4 начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 9 вследствие ее герметичности создается разрежение, под действием которого из карбюратора 8 через открытое впускное окно 7 поступает горючая смесь а кривошипную камеру.

Второй такт – рабочий ход – при положении поршня около в.м.т. сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 5, в

Рис. 15. Схема работы двухтактного карбюраторного ДВС

результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием силы давления газов поршень перемещается к н.м.т., при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно 7 и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.

Когда поршень дойдет до выпускного окна 6, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов и давление в цилиндре снижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно 2 и сжатая в кривошипно-шатунной камере горючая смесь перетекая по каналу 1, заполняет цилиндр и осуществляет продувку его от остатков отработавших газов.

Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.

На рис. 16 приведена индикаторная диаграмма двухтактного кар-бюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Процесс сжатия начинается с момента закрытия поршнем выпускного окна т.2(Рис. 14) . Он протекает так же как и в четырехтактном двигателе. ( на диаграмме рис.15 кривая 2-3). Процесс сгорания происходит аналогично четырехтактному двигателя и на диаграмме изображается кривой 3-z.

Процесс расширения газов начинается после сгорания и заканчивается в момент открытия выпускного окна т.4, т.е. аналогично 4-х тактному ДВС, кривая z-4.

Рис. 16. Индикаторная диаграмма рабочего процесса двухтактного ДВС:

2-3 – сжатие; 3-Z – сгорание; Z-4 – расширение; 4-5-6-1-2 – выпуск; 5-6-1- впуск

Процесс выпуска отработавших газов происходит от т.4 за 60 – 65 0 до прихода поршня в н.м.т. и заканчивается через 60 – 65 0 после прохода поршнем н.м.т., на диаграмме кривая 4-5-6-1-2. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается линия 4-5, и за 50 – 55 0 до прихода поршня в н.м.т. открываются продувочные окна т.5 и сжатая опускающимся поршнем горючая смесь из кривошипной камеры начинает поступать в цилиндр. В период 5-6-1 (100 – 110 0 поворота коленчатого вала) одновременно происходят два процесса: впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов – это называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними. При дальнейшем перемещении к в.м.т. поршень перекрывает сначала продувочные окна т.1 прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем впускные окна т.2 и начинается процесс сжатия.

ТРП-24. Процесс расширения. Давление и температура в конце процесса расширения.

В процессе расширения (рабочий ход) производится механи­ческая работа за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива. В действительном цикле рабочий ход начинается при сго­рании (точка с’, рис. 73) и заканчивается, когда начинается процесс выпуска отработавших газов. При расчете цикла за начало про­цесса расширения принимают точку z при максимальных расчетных значениях p_Z и Т _Z (в двигателе с искровым зажиганием V_z = V_c , в дизеле V_z = ρV ` z). Считают, что процесс в четырехтактном цикле оканчивается в НМТ (точка b без учета предварения открытия выпуск­ного клапана).

В начале процесса расширения продолжается интенсивное сгора­ние топлива.

Температура газа, подсчитанная по индикаторной диаграмме, достигает наибольшего значения в процессе расшире­ния правее точки Р_мах.

Это указывает на то, что в данный период (на рассматриваемом участке диаграммы до точки Т_мах ) интенсивно выделяется теплота.

Одновременно вследствие большой разности температур Т —Т _ст.ср (Т_ст.ср — средняя температура поверхности, ограничивающей рабочий объем цилиндра) и большой скорости движения газов интенсивно передается теплота от газа в стенки головки блока, цилиндра и днище поршня.

В начале процесса расширения (от точки с’ до точки Р_мах), когда сгорание происходит с интенсивным выделением теплоты и резким повышением давления, показатель политропы n₂ имеет отрицательное значение, доходя до нуля в точке Р_мах. На участке от Р_мах до Р_мах показатель п₂ становится положительным, и в точке Т_мах n₂ =1. Определить показательно индикаторной диаграмме на участке до Т_мах практически невозможно.

Ввиду трудности определения переменных значений показателя n₂ для расчета параметров конца процесса расширения пользуются значениями средних показателей n₂.

Для политропного процесса при среднем показателе n ₂ в дизеле давление и температура конца расширения в точке b (см. рис. 73) определяются по формулам:

Температура в конце расширения:

Давление в конце расширения:

Для ориентировочных вычислений n₂ карбюр. ДВС: n₂=1,22+130/n; дизельных: n₂=1,18+130/n;

Средние значения n₂: карбюр. ДВС: 1,25..1,33

ТРП-25 Процес выпуска.

Рис 1 — Участок индикаторной диаграммы, характеризующий процесс выпуска в четырехтактном двигателе.

Рис. 2 Протекание процесса выпуска в четырехтактном двигателе при рг >Ра

Рис. 3 Протекание процесса выпуска в четырехтактном двигателе при Р _r ! ) потерянная работа расшире­ния, определяемая площадью l ! bb ! l ! , оказывается чрезмерно большой и не будет компенсирована уменьше­нием абсолютной работы, затрачивае­мой на выталкивание. Откр. вып.клапана в точке l« является поздним. Хотя в этом случае потери работы расширения (площадью l «bb»l») меньше, но на вы­талкивание отраб.газов на уч. b «r» затрачивается большая работа, а очистка цил. от них ухудшается. Момент откр. вы­пус. клапана (точка l ) выбирают экспериментально. На рис. 1 сплошной линией пока­зан уч. индик. диагр. при фазах, при кот-х достигаются, наилучшие показатели двиг. Повышения качества очистки ци­л. можно достичь использованием колебательного движ. газов в вы­пускном трубопроводе или путем продувки цил. в период перекрытия клапанов (в двиг. с наддувом).

Изменение давл. в цил. при выпуске зависит от условий’ процесса газообмена. При работе двиг. без наддува индик. диаг. имеет вид, показанный на рис. 2. Линия, характеризу­ющая процесс выпуска, расположена выше линии процесса впуска и первый период выпуска с критической скор. истечения заканчивается вблизи НМТ. При наддуве в зависимости от отношения

Читайте также  Принцип работы ГРМ дизельного двигателя

/ возможны случаи, когда период выпуска с крит. скор. продол-жается некоторое время при движ. поршня к ВМТ., а линия впуска, как показано на рис. 3, располагается на большей части хода поршня выше линии выпуска. В автомоб. виг. для глушения шума устанавл. глушитель, кот. создает дополн. со­прот. на выпуске (.необход. чтобы гидравлич. потери были min.

Устройство автомобилей

Рабочие циклы двигателей

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

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

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

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

Такт впуска

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

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

Такт сжатия

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

Такт расширения (рабочий ход)

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

Такт выпуска

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

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

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

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

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

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

Такт впуска

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

Такт сжатия

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

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

Такт расширения (рабочий ход)

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.

Читайте также  Велосипед с двигателем от скутера

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.

Процесс расширения

Назначение и протекание процесса расширения

Процесс расширения является единственным процессом рабочего цикла, в течение которого совершается полезная работа. Начинается он с началом снижения давления в цилиндре и заканчивается к моменту прихода поршня в НМТ.

Расширение происходит при изменении площади поверхности теплообмена, а также давления в надпоршневом пространстве и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения.

В начальной стадии расширение происходит с подводом теплоты, так как в это время заканчивается догорание и наблюдается рост температуры. Поэтому значение показателя политропы расширения n₂ ниже показателя адиабаты расширения k₂, в некоторых случаях даже меньше 1. По мере движения поршня к НМТ процесс догорания затихает и начинает преобладать теплоотвод в стенки цилиндра. При этом n₂ растет, приближаясь к значению k₂.

При некотором положении поршня отвод теплоты и в то же время продолжающийся, но ослабевающий подвод теплоты становятся равными: n₂ = k₂.

При дальнейшем расширении отвод теплоты от рабочего тела начинает преобладать, и n₂ становится больше k₂.

Таким образом, расширение следует рассматривать как политропный процесс с переменным показателем политропы расширения n₂ (рис. 20).

Рис. 20. Изменение в процессе расширения показателей Т, р, n₂ и k₂.

Из-за трудности использования переменных значений n₂ при тепловых расчетах двигателей пользуются условным средним значением показателя политропы расширения.

В зависимости от типа двигателя и режима его работы средние значения политропы расширения изменяются от 1,18 до 1,32.

Рассматривая влияние различных факторов на процесс расширения, следует иметь в виду, что чем меньше значение n₂, тем индикаторная диаграмма будет более пологой, что означает получение большей полезной работы цикла.

На процесс расширения оказывают влияние следующие факторы:

1. Частота вращения коленчатого вала. При увеличении частоты вращения коленчатого вала сокращается время контакта рабочего тела со стенками цилиндра и утечки газа через зазоры между поршнем и цилиндром, что приводит к уменьшению значения n₂.

2. Нагрузка. В карбюраторных двигателях с ростом нагрузки значение показателя n₂ почти не изменяется, в дизелях этот показатель уменьшается вследствие увеличения фазы догорания.

3. Размеры цилиндров. При неизменном рабочем объеме цилиндра с увеличением отношения S/D значение показателя n₂ уменьшается.

4. Конструкция камеры сгорания. С увеличением размеров камеры сгорания повышается отвод теплоты от рабочего тела, поэтому значение показателя n₂ увеличивается.

5. Техническое состояние двигателя. При износе цилиндропоршневой группы возрастают утечки рабочего тела, что аналогично отводу теплоты. Поэтому в изношенных двигателях значение показателя будет выше, чем у двигателей, имеющих хорошее техническое состояние.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Четырехтактный двигатель представляет собой поршневой мотор внутреннего сгорания. Рабочий процесс всех цилиндров в этих агрегатах занимает 2 кругооборота коленчатого вала или четыре поршневых такта. С середины ХХ века 4 тактный двигатель — самый распространенный вид поршневых моторов.

• Принцип работы и основная характеристика
• История
• Особенности работы 4-х тактного двигателя
• Конструкция агрегата
• Работа двигателя
• Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Принцип работы и основная характеристика

Рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из ряда процессов, при которых усиливается мощность двигателя, воздействующего на коленчатый вал. Состоит рабочий цикл из нескольких этапов:

• цилиндр заполняется топливной смесью;
• смесь сжимается;
• топливная смесь воспламеняется;
• газы расширяются и цилиндр очищается.

В ДВС поршень двигается в одном направлении (вниз или вверх). Коленчатый вал совершает один оборот в два такта. Рабочим ходом поршня называют тот, при котором совершается полезная работа, и расширяются сгоревшие газы.

Двухтактными называют двигатели, в которых цикл совершается в один оборот коленчатого вала или за два такта. Четырехтактные агрегаты характеризуются совершением рабочего цикла за два оборота коленвала или за четыре такта.

Основные характерные показатели 4 тактного двигателя:

1. За счет движения рабочего поршня происходит обмен газов.
2. Агрегат оснащен газораспределительным механизмом, позволяющим цилиндровую полость переключать на впуск и выпуск.
3. Происходит обмен газов в момент отдельного полуоборота коленвала.
4. Шестерные редукторы и ременная цепная передача дают возможность изменить моменты впрыскивания бензина, зажигания и привода газораспределительного механизма по отношению к частоте вращения коленвала.

История

Приблизительно в 1854—1857 годах итальянцами Феличче Матоци и Евгением Барсанти было создано устройство, которое по имеющимся сегодня сведениям было похоже на четырехтактный мотор. Изобретение итальянцев было утеряно и только в 1861 году. Алфоном де Роше был запатентован двигатель такого типа.

Впервые пригодный к работе четырехтактный мотор создал немецкий инженер Николаус Отто. В его честь был назван четырехтактный цикл работы циклом Отто, а 4-тактный мотор, применяющий свечи зажигания, называют двигателем Отто.

Особенности работы 4-х тактного двигателя

В двухтактном моторе смазывание поршневых и цилиндровых пальцев, коленвала, поршня, подшипника и компрессорных колец проводят, заливая масло в бензин. Коленчатый вал 4тактного мотора располагается в масляной ванне, что является существенным отличием. Именно поэтому отсутствует необходимость смешивать топливо и добавлять масло. Все, что необходимо сделать владельцу автомобиля — наполнить бензином топливный бак.

Автовладельцу, таким образом, незачем приобретать специальное масло, без которого не может функционировать двухтактный мотор. Кроме того, при наличии четырехтактного мотора на поршневом зеркале и на стенах глушителя уменьшается количество нагара. Еще одно важное отличие — в двухтактном моторе в выхлопную трубу выплескивается горючая смесь, что обусловлено его устройством.

Следует признать, что у четырехтактных двигателей также имеются небольшие недостатки. Например, у них не особо качественными являются рабочие моменты по регулированию теплового клапанного зазора.

Конструкция агрегата

Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.

Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его. Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска.

У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.

Работа двигателя

Как уже было отмечено работа четырехтактного мотора состоит из четырех тактов поршня или из двух оборотов коленвала.

1. Впуск. Поршень движется в нижнюю сторону, открывая клапан впуска. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
2. Сжатие. Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.
3. Расширение. Бензин возгорается и сгорает. В результате чего происходит растяжение горючих газов, и поршень движется вниз. При этом два клапана оказываются закрытыми.
4. Выпуск. Коленчатый вал по инерции продолжает двигаться вокруг своей оси, а поршень движется вверх. Вместе с этим открывается клапан выпуска, и выхлопные газы поступают в трубу. При прохождении клапаном мертвой точки, клапан впуска закрывается.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

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.

1. Что такое мертвые точки и такты ДВС
2. Как работает четырехтактный двигатель
3. Особенности работы двухтактных моторов

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:

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

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

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

Особенности работы двухтактных моторов

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

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

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

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

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

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

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