Порядок работы многоцилиндрового двигателя
21 Порядок работы многоцилиндрового двигателя
Порядок работы многоцилиндрового двигателя
зависит от типа двигателя (расположения цилиндров) и от количества цилиндров в нем.
Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени). Для определения этого угла продолжительность цикла, выраженную в градусах поворота коленчатого вала, делят на число цилиндров. Например, в четырехцилиндровом четырехтактном двигателе такт расширения (рабочий ход) происходит через 180° (720 : 4) по отношению к предыдущему, т. е. через половину оборота коленчатого вала. Другие такты этого двигателя чередуются также через 180°. Поэтому шатунные шейки коленчатого вала у четырех цилиндровых двигателей расположены под углом 180° одна к другой, т. е. лежат в одной плоскости. Шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров — в противоположную сторону. Такая форма коленчатого вала обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов и хорошую уравновешенность двигателя, так как все поршни одновременно приходят в крайнее положение (два поршня вниз и два вверх).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы четырехцилиндровых отечественных тракторных двигателей 1—3—4—2. 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.
При выборе порядка работы двигателя конструкторы стремятся равномернее распределить нагрузку на коленчатый вал.
Одноименные такты у четырехтактного шестицилиндрового двигателя совершаются через поворот коленчатого вала на 120°. Поэтому шатунные шейки расположены попарно в трех плоскостях под углом 120°. У четырехтактного восьмицилиндрового двигателя одноименные такты происходят через 90° поворота коленчатого вала и его шатунные шейки расположены крестообразно под углом 90° одна к другой.
В восьмицилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала совершается восемь рабочих ходов, что способствует его равномерному вращению.
Порядок работы восьмицилиндровых четырехтактных двигателей 1— 5—4—2—6—3—7—8, а шестицилиндровых 1—4—2—5—3—6.
Зная порядок работы цилиндров двигателя, можно правильно распределить провода по свечам зажигания, присоединить топливопроводы к форсункам и отрегулировать клапаны.
22 Силы и моменты, действующие в кмш одноцилиндрового двигателя
При такте «сгорание—расширение» сила Р1, приложенная к поршневому пальцу, слагается из двух сил:
силы P давления газов на поршень
силы инерции Pи (сила инерции переменна по величине и направлению)
Суммарную силу P1 разложить на можно две силы: силу S, направленную вдоль оси шатуна, и силу N, прижимающую поршень к стенкам цилиндра.
Силу S перенесем в центр шатунной шейки, а к центру коленчатого вала приложим две равные силе S и параллельные ей силы S1 и S2. Тогда совместное действие сил S1 и S создаст (на плече R) крутящий момент, приводящий во вращение коленчатый вал, а сила S2 нагрузит коренные подшипники и через них будет передаваться на картер двигателя.
Разложим силу S2 на две перпендикулярно направленные силы N1 и Р2. Сила N1 численно равна силе N, но направлена в противоположную сторону; совместное действие сил N и N1 образует момент Nl, который стремится опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению коленчатого вала. Сила P2 численно равная силе Р1, действует вниз, а сила Р действует на головку цилиндра вверх, т.е. в противоположную сторону. Разность между силами Р и P1 представляет собой силу инерции поступательно движущихся масс Ри. Наибольшей величины эта сила достигает в момент изменения направления движения поршня.
Вращающиеся массы шатунной шейки, щек кривошипа и нижней части шатуна создают центробежную силу Рц, направленную по радиусу кривошипа в от сторону центра вращения.
Таким образом, в кривошипно-шатунном механизме одноцилиндрового двигателя, кроме крутящего момента, возникающего на коленчатом валу, действует ряд неуравновешенных моментов и сил, как то:
реактивный, или опрокидывающий, момент Nl, воспринимаемый опорами двигателя через картер
сила инерции поступательно движущихся масс Ри, направленная по оси цилиндра
центробежная сила вращающихся масс Рц, направленная по кривошипу вала
Боковая сила N достигает наибольшей величины при расширении газов, когда поршень прижимается к левой стенке цилиндра, чем и объясняется ее обычно больший износ.
Работа многоцилиндрового двигателя
Во время работы двигателя на его механизмы действуют значительные силы давления газов в цилиндре, силы инерции неравномерно движущихся деталей кривошипно-шатунного механизма, а также центробежные силы, возникающие вследствие вращения деталей. Эти силы непостоянны по величине и направлению своего действия, поэтому они вызывают неравномерную работу двигателя.
При неравномерной работе двигателя его механизмы работают с переменной нагрузкой, вследствие чего происходит интенсивный износ деталей. Особенно велика неравномерность работы одноцилиндрового четырехтактного двигателя.
Для достижения равномерности работы двигателя или устанавливают на коленчатом валу тяжелый маховик, или выполняют его многоцилиндровым.
Маховик накапливает энергию во время рабочего хода и отдает ее при совершении вспомогательных тактов. Но тяжелый маховик применяется только для стационарных двигателей, работающих, как правило, на постоянном режиме. Тяжелый маховик вследствие значительной инерции не обеспечивает необходимой автомобильному двигателю приемистости, т.е. способности двигателя быстро развивать и уменьшать обороты. Поэтому в автомобильных двигателях равномерность работы достигается не увеличением веса маховика, а за счет выполнения двигателя многоцилиндровым. В многоцилиндровом двигателе такты рабочего хода равномерно чередуются в отдельных цилиндрах, вследствие чего в значительной мере уравновешиваются силы инерции, возникающие в кривошипно-шатунном механизме при работе двигателя.
Для обеспечения наибольшей равномерности работы многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы такты рабочего хода в различных цилиндрах чередовались через равные промежутки времени и в определенной последовательности. Эта последовательность повторения одноименных тактов в различных цилиндрах называется порядком работы цилиндров двигателя.
Рис. Таблица чередования тактов четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с порядком работы цилиндров 1—2—4—3 (цифры в графе «Положение кривошипов коленчатого вала» обозначают порядковые номера цилиндров)
Однако не при любом порядке обеспечивается хорошая работа двигателя. Необходимо, чтобы очередные такты рабочего хода следовали в цилиндрах, наиболее удаленных одни от другого. В этом случае нагрузка на коренные подшипники коленчатого вала будет распределяться более равномерно; кроме того, отработавшие газы из цилиндра, в котором начинается выпуск, не будут попадать через выпускной трубопровод в цилиндр, в котором выпуск еще не закончился.
Наиболее удобными порядками работы автомобильных двигателей являются: для четырехцилиндрового — 1—2—4—3 и 1—3—4—2, для шестицилиндрового — 1—5—3—6—2—4 и для восьмицилиндрового — 1—5—4—2—6—3—7—8.
Порядок работы цилиндров обычно изображается в виде таблицы чередования тактов.
Рассмотрим, как происходит работа четырехтактного четырехцилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1—2—4—3. Так как рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала (720°), а число рабочих ходов, происходящих за это время, равно четырем, то для правильного чередования рабочих ходов кривошипы коленчатого вала смещены один относительно другого на 180° (720°: 4), т.е. на пол-оборота коленчатого вала, и находятся, таким образом, в одной плоскости.
Во время работы двигателя поршни в первом и четвертом цилиндрах при первом полуобороте первого оборота коленчатого вала перемещаются от верхней мертвой точки к нижней, в первом цилиндре происходит рабочий ход, в четвертом цилиндре — такт впуска. Во втором и третьем цилиндрах поршни перемещаются в это время к верхней мертвой точке, во втором цилиндре происходит такт сжатия, а в третьем — такт выпуска.
Во время второго полуоборота первого оборота коленчатого вала поршни в первом и четвертом цилиндрах перемещаются от нижней мертвой точки к верхней, в первом цилиндре происходит такт выпуска, а в четвертом — такт сжатия. Поршни второго и третьего цилиндров в это время перемещаются от верхней мертвой точки к нижней, во втором цилиндре происходит рабочий ход, в третьем — такт впуска.
Во время первого полуоборота второго оборота коленчатого вала поршни в первом и четвертом цилиндрах перемешаются от верхней мертвой точки к нижней, в первом цилиндре происходит такт впуска, в четвертом — рабочий ход. Поршни второго и третьего цилиндров в это время перемещаются от нижней мертвой точки к верхней, во втором цилиндре происходит такт выпуска, в третьем такт сжатия.
Во время второго полуоборота второго оборота коленчатого вала поршни в первом и четвертом цилиндрах перемещаются от нижней мертвой точки к верхней, в первом цилиндре происходит такт сжатия, в четвертом —такт выпуска. Поршни во втором и третьем цилиндрах перемещаются от верхней мертвой точки к нижней, во втором цилиндре происходит такт впуска, в третьем — рабочий ход.
Четырехцилиндровый четырехтактный двигатель с порядком работы цилиндров 1—3—4—2 отличается от двигателя с порядком работы 1—2—4—3 лишь конструкцией распределительного механизма, которая определяет несколько иную последовательность открытия и закрытия клапанов и чередования тактов.
Оба порядка работы цилиндров, принятые для отечественных четырехтактных четырехцилиндровых двигателей, полностью равноценны и по равномерности, и по качеству работы двигателей. На отечественных автомобилях широко используются шестицилиндровые двигатели, у которых цилиндры расположены в один ряд. Такие двигатели называются рядными в отличие от двигателей, цилиндры которых расположены в два ряда под некоторым углом один к другому.
В шестицилиндровом рядном двигателе коленчатый вал имеет шесть кривошипов. Так как рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за два оборота коленчатого вала (720°), а количество рабочих ходов за это время равно шести, то для правильного чередования рабочих ходов кривошипы коленчатого вала смещены один относительно другого на 120° (720°: 6), т. е. на одну треть оборота вала.
Для однорядных шестицилиндровых двигателей применяется следующее расположение кривошипов: 1—6 — вверх, 2—5 — налево, 3—4 — направо, если смотреть со стороны переднего конца вала.
При вращении коленчатого вала поршни в шестицилиндровом двигателе проходят через мертвые точки не все одновременно, как в четырехцилиндровом двигателе, а только попарно. Поэтому и такты во всех цилиндрах начинаются и кончаются также не одновременно, а смещены в одной паре цилиндров относительно другой на 60°.
Перекрытие тактов и порядок чередования рабочих ходов в шестицилиндровом четырехтактном двигателе показаны в таблице на рисунке.
Рис. Таблица чередования тактов шестицилиндрового четырехтактного двигателя с порядком работы 1—5—3—6—2—4 (цифры в графе «Положение кривошипов коленчатого вала» обозначают порядковые номера цилиндров)
Особенностью двухтактных дизелей является то, что их рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (360°). Поэтому и взаимное расположение кривошипов коленчатых валов имеет свои особенности: в четырехцилиндровом двигателе кривошипы смещены один относительно другого на 90° (360°: 4), в шестицилиндровом — на 60° (360°: 6).
Рис. Таблица чередования тактов шестицилиндрового двухтактного дизеля с порядком работы 1—5—3—6—2—4 (цифры в графе «Положение кривошипов коленчатого вала» обозначают порядковые номера цилиндров)
Перекрытие тактов и порядок чередования рабочих ходов в двухтактном шестицилиндровом дизеле показаны в таблице на рисунке.
В настоящее время на автомобилях широкое применение получили восьмицилиндровые V-образные двигатели. Цилиндры у этих двигателей располагаются в два ряда, чаще всего под углом 90°. Коленчатый вал таких двигателей имеет четыре кривошипа, смещенных один относительно другого на 90°. На каждую шейку кривошипа опираются одновременно по два шатуна.
В восьмицилиндровом двигателе за рабочий цикл (720°) совершается восемь рабочих ходов; их чередование, следовательно, происходит через 90° (720°: 8). Порядок работы цилиндров и чередование тактов в восьмицнлиндровом двигателе показаны в таблице на рисунке.
Рис. Таблица чередования тактов восьмицилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1—5—4—2—0—3—7—8 (цифры в графе «Положение кривошипов коленчатого вала» обозначают порядковые номера цилиндров)
В многоцилиндровых двигателях вследствие непрерывного чередования рабочих ходов и перекрытия их одного другим обеспечивается более плавное и равномерное вращение коленчатого вала. Многоцилиндровые двигатели работают более устойчиво, без толчков и сотрясений, присущих одноцилиндровым двигателям.
А.С. Исаев. Изучайте автомобиль
сертифицированные ВНИИЖТ- «Фаворит К» и «Фаворит Щ», внутренняя и наружная замывка вагонов.
Устройство автомобиля и его механизмов
Работа многоцилиндрового двигателя
Выше был рассмотрен рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Многоцилиндровые четырехтактные двигатели работают по такому же циклу, при этом для равномерного вращения коленчатого вала рабочие такты в каждом цилиндре происходят не одновременно.
Как же устроен и работает многоцилиндровый двигатель? Начинающий автомобилист, особенно любитель, обычно знакомится с четырехцилиндровым или шестицилиндровым двигателем. Как видно из фиг. 26, в четырехцилиндровом двигателе как бы объединены в одно целое четыре одноцилиндровых двигателя и общий вал имеет четыре кривошипа. При этом кривошипы крайних цилиндров — первого и четвертого — направлены в одну сторону (на фиг. 26 — кверху), а кривошипы средних цилиндров — в противоположную сторону, т.е. кривошипы крайних цилиндров расположены под углом 180° к кривошипам средних цилиндров.
В четырехцилиндровом двигателе рабочие такты чередуются равномерно, так что за каждые полоборота коленчатого вала в одном из цилиндров происходит рабочий ход. При этом в любой момент работы во всех четырех цилиндрах двигателя происходят различные процессы (такты) рабочего цикла.
В четырехцилиндровых двигателях возможны два порядка работы цилиндров, т. е. чередования одноименных тактов по цилиндрам, а именно: 1-2- 4-3 и 1-3-4-2.
Фиг. 26. Четырехцилиндровый двигатель: а — кривошипно-шатунный механизм одноцилиндрового двигателя; б — кривошипно-шатунный механизм четырехцилиндрового двигателя, ей г — частичные вырезы в четырехцилиндровом двигателе.
Оба указанных порядка работы цилиндров совершенно равноценны и зависят от расположения кулачков на распределительном валу. Чтобы пояснить сказанное, рассмотрим порядок работы цилиндров двигателя автомобиля М-20 «Победа». Эго удобнее сделать, если построить таблицу, показанную на фиг. 27.
В вертикальных графах таблицы дана последовательности чередования тактов рабочего цикла в каждом из четырех цилиндров двигателя на протяжении двух полных оборотов коленчатого вала. По горизонталям показано, какие процессы рабочего цикла протекают в цилиндрах двигателя за каждый полуоборот коленчатого вала. Положение кривошипно-шатунного механизма двигателя через каждый полуоборот коленчатого вала показано в левой части фигуры. Последовательность чередования одноименных тактов по цилиндрам двигателя, т. е. порядок работы, можно установить по расположению заштрихованных прямоугольников, которыми отмечен, например, такт расширения.
Фиг. 27. Порядок работы цилиндров двигателя М-20, Победа
Таблицу строим следующим образом. Положим, например, что в течение первого полуоборота коленчатого вала в первом цилиндре происходит такт расширения продуктов сгорания. При этом поршни первого и четвертого цилиндров двигаются вниз, а поршни второго и третьего цилиндров — вверх. Так как для равномерной работы двигателя желательно, чтобы рабочий такт не проходил одновременно в двух цилиндрах, то в четвертом цилиндре должен происходить такт впуска горючей смеси. Во втором и третьем цилиндрах также должны происходить различные такты, т. е. в одном сжатие, а в другом выпуск. Какой же именно такт и в каком из этих цилиндров будет иметь место — зависит от управления клапанами. Расположение кулачков на распределительном валу двигателя автомобиля М-20 таково, что, когда поршни второго и третьего цилиндров поднимаются, во втором цилиндре клапаны закрыты, а в третьем цилиндре открыт выпускной клапан. Учитывая эту особенность устройства распределительного вала, легко заполнить графы верхнего горизонтального ряда таблицы.
Затем заполняем остальные вертикальные графы таблицы, так как последовательность чередования тактов в пределах одного рабочего цикла вполне определенная.
Отметив штриховкой распределение такта расширения в графах таблицы, находим, что в течение первого оборота коленчатого вала этот такт происходит в первом, а затем во втором цилиндрах. В течение второго оборота коленчатого вала такт расширения произойдет в четвертом, а затем в третьем цилиндрах. Таким образом, за два полных оборота коленчатого вала, достаточных для завершения рабочего цикла во всех четырех цилиндрах, порядок чередования такта расширения (гак же, как и других одноименных тактов) будет 1-2-4-3.
Двигатель автомобиля имеет коленчатый вал, кривошипы которого расположены так же, как и кривошипы коленчатого вала двигателя автомобиля М-20 , но расположение кулачков на распределительном валу у него иное. Так, при движении вверх поршней второго и третьего цилиндров у двигателя автомобиля во втором цилиндре открыт выпускной клапан, а в третьем цилиндре оба клапана закрыты. Таким образом, построить таблицу чередования одноименных тактов по цилиндрам двигателя автомобиля можно’, воспользовавшись таблицей на фиг. 27, поменяв местами наименование тактов для второго и третьего цилиндров в первом горизонтальном ряду. Такая перестроенная таблица показана на фиг. 28.
Фиг. 28. Порядок работы цилиндров двигателя автомобиля «Москвич»
Фиг. 29. Шестицилиндровый двигатель
Из фиг. 26 видим что порядок работы цилиндров двигателя автомобиля следующий: 1-3-4-2.
Рассмотрим устройство и порядок работы шестицилиндрового двигателя. Такой двигатель применяется, например, на легковых автомобилях ЗИМ.
На фиг. 29 показан кривошипно-шатунный механизм шести-цилиндрового двигателя. В этом двигателе как бы объединены в о.дно целое шесть одноцилиндровых двигателей. Коленчатый вал шестицилиндрового двигателя имеет шесть кривошипов, расположенных в трех разных направлениях. Кривошипы первого и шестого цилиндров направлены в одну сторону, кривошипы второго и пятого цилиндров — в другую сторону и, наконец, кривошипы третьего и четвертого цилиндров — в третью сторону. Иначе говоря, кривошипы вала расположены попарно в трех плоскостях, образующих между собой углы в 120°, т. е. равномерно по окружности.
Порядок чередования одноименных тактов по цилиндрам шестицилиндрового двигателя показан в таблице на фиг. 30. В.этой таблице горизонтали для первого и шестого цилиндров приведены на одид|1 уровне, так как кривошипы вала этих цилиндров расположены в одной плоскости. Начало и конец каждого такта во втором и пятом, а также в третьем и четвертом цилиндрах смещены по отношению к началу и концу тактов в первом цилиндре на величину части хода поршня, соответствующую повороту коленчатого вала на 120°. Именно поэтому горизонтальные графы таблицы разделены на три части; каждая часть соответствует V3 хода поршня. Поршень проходит V3 хода за время поворота кривошипа на 60° (в действительности при повороте кривошипа на 60° поршень проходит расстояние не точно равное V8 хода, — эта величина взята приближенно). Соответственно при повороте кривошипа на 120° поршень пройдет в цилиндре примерно 2/3 хода. Вертикальные графы таблицы для первого цилиндра заполнены наименованиями тактов аналогично заполнению таблицы для четырехцилиндрового двигателя.
Вертикальные графы остальных цилиндров заполнены с учетом управления работой клапанов данного двигателя.
Как уже указывалось, кривошип пятого цилиндра смещен по отношению к кривошипу первого цилиндра на угол 120°, считая по направлению вращения вала, что соответствует 2/3 хода поршня. Поэтому такт расширения в пятом цилиндре начинается позже, чем в первом цилиндре, и лишь тогда, когда поршень первого Цилиндра уже пройдет % хода. В таблица такт расширения в пятом цилиндре начинается от горизонтали, расположенной на 2/3 хода поршня ниже горизонтали, соответствующей началу расширения в первом цилиндре. Таким же образом размещены в таблице такты расширения в вертикальных столбцах для остальных цилиндров, каждый раз со смещением на 2/3 хода поршня после расширения в предыдущем по порядку работы цилиндре.
Фиг. 30. Порядок работы цилиндров двигателя автомобиля ЗИМ.
Из таблицы на фиг 30 видим что порядок работы цилиндров двигателя следующий: 1-5-3-6-2-4.
В отличие от четырехцилиндрового двигателя, в шестицилиндровом двигателе возможно протекание одного и того же такта одновременно в трех цилиндрах. Например, такт впуска протекает в первом цилиндре на протяжении полного хода поршня, одновременно этот такт протекает и в пятом цилиндре, но в этом цилиндре он начинается только тогда, когда поршень первого цилиндра пройдет примерно % хода. В это же время такт впуска происходит и в четвертом цилиндре, но в этом цилиндре он заканчивается и перекрывается с тактом впуска в первом цилиндре лишь на протяжении V3 хода поршня.
В шестицилиндровом двигателе на каждый оборот коленчатого вала приходится три рабочих хода поршня в различных цилиндрах. Чередование рабочих тактов в цилиндрах происходит при повороте коленчатого вала на угол в 120°, вследствие чего двигатель отличается высокой равномерностью работы.
Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя
Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя
На автомобилях устанавливают двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании.
Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания, а также его рабочие циклы.
Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации)
Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье как устроен двигатель внутреннего сгорания.
Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.
Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.
При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200 о С.
Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля
В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600 о С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.
Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.
Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900 о С.
Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700 о С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.
Более подробно про работу дизеля в статье Дизельные двигатели. Устройство и принцип работы.
Принцип работы многоцилиндровых двигателей
На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.
Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3
Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.
Порядок работы многоцилиндрового двигателя
Равномерность вращения коленчатого вала многоцилиндрового двигателя обеспечивается при равномерном чередовании вспышек в цилиндрах, т.е чередовании рабочих ходов. Для четырехтактного двигателя с рядным расположением цилиндров угол чередования рабочих ходов можно определить по формуле:
,
где i – число цилиндров.
Чередование рабочих ходов определяет конструкцию коленчатого вала, угол между шатунными шейками которого должен быть равен 
. В этом случае чередование рабочих ходов идет в определенном порядке. Последовательное чередование одноименных тактов в различных цилиндрах за рабочих цикл называется порядком работы двигателя. При выборе порядка работы стремятся обеспечить равномерное распределение нагрузки на коленчатый вал и равномерное охлаждения двигателя. Для того чтобы изменить порядок работы двигателя при неизменном расположении шатунных шеек коленчатого вала, необходимо изменить последовательность открытия и закрытия клапанов механизма газораспределения и подачу искры в бензиновом двигателе либо впрыскивание топлива в дизеле.
Рядные двигатели выпускаются с числом цилиндров равным 2, 3, 4, 5 и 6.
Рассмотрим конструкцию и работу рядных двигателей с различным количеством цилиндров.
1. Двухцилиндровый четырехтактный двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 360°, т.е. когда в одном из цилиндров происходит такт сжатия, в другом происходит такт выпуска.
По сравнению с одноцилиндровым двигателем незначительно улучшается уравновешенность двигателя, развивается более равномерный крутящий момент, литраж распределяется на два цилиндра, что снижает нагрузку на каждый цилиндр.
2. Двухцилиндровый двухтактный двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 180°.
В данном случае полностью отсутствуют пустые такты. Раньше данный тип двигателя широко применялся на транспортных средствах и имел такое же значение, как сейчас имеет рядный четырехцилиндровый двигатель.
3. Трехцилиндровый двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 240°.
В трехцилиндровом четырехтактном двигателе значительно улучшается уравновешенность, имеется только три соответствующих 60° угла поворота коленчатого вала пустых такта.
Низкие затраты на производство, механические потери и конструктивная длина делают его полноценной заменой четырехцилиндровому двигателю.
Работает двигатель аналогично половине шестицилиндрового двигателя, а более неблагоприятное уравновешивание улучшается в большинстве случаев дополнительным балансировочным валом.
4. Четырехцилиндровый двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 180°, т.е. за каждые два оборота коленчатого вала происходит четыре такта расширения, четыре такта выпуска и т.д., т.е. рабочий цикл повторяется четыре раза.
Шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров – в противоположные (рис.4).
Такая форма коленчатого вала обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах и удовлетворительную уравновешенность двигателя, так как все поршни одновременно приходят в крайние положения (два поршня вверх и два вниз).
Порядок работы четырехцилиндровых четырехтактных двигателей может быть 1 – 3 – 4 – 2 или 1 – 2 – 4 – 3.
5. Пятицилиндровый двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 144°.
Пятицилиндровый двигатель обеспечивает получение более высокого крутящего момента и повышение мощности при незначительном увеличении литража. Это минимальное число цилиндров, при котором происходит перекрытие рабочих ходов.
К недостаткам следует отнести низкую уравновешенность по сравнению с шестицилиндровым и даже четырехцилиндровым двигателем.
Порядок работы: 1 — 2 – 4 – 5 – 3
6. Шестицилиндровый двигатель
Угол чередования одноименных тактов равен 120°, т.е. шатунные шейки коленчатого вала расположены попарно в трех плоскостях.
Допустим, что первое и шестое колена направлены вверх, тогда второе и пятое колена будут направлены влево вниз, а третье и четвертое – вправо вниз, если смотреть на коленчатый вал с переднего торца (рис.6).
Теоретически имеются несколько возможных порядков работы, однако на практике в большинстве случаев применяют один: 1 – 5 – 3 – 6 – 2 — 4.
При таком порядке работы и угле чередования тактов рабочий ход в одном цилиндре перекрывается на 60° рабочим ходом в другом цилиндре, и коленчатый вал вращается равномернее. В шестицилиндровом двигателе поршни только двух цилиндров одновременно приходят в одноименные мертвые точки. Поэтому данный двигатель является полностью уравновешенным.
МНОГОЦИЛИНДРОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В одноцилиндровом четырехтактном двигателе коленчатый вал вращается неравномерно, поэтому маховик должен обладать большим моментом инерции. В многоцилиндровом двигателе вращение коленчатого вала происходит равномернее, так как рабочие ходы в различных цилиндрах не совпадают друг с другом. Чем больше цилиндров имеет двигатель, тем равномернее вращается коленчатый вал. Нагрузка на детали кривошипно-шатунного механизма в многоцилиндровом двигателе изменяется более плавно, чем в одноцилиндровом.
Цилиндры двигателя могут быть расположены следующим образом: вертикально в один ряд — однорядные (рис. 3.7, а) в двига-
Рис. 3.7. Схемы расположения цилиндров двигателя: а — однорядного; 6 — однорядного с наклоном к вертикали; в — V-образного; г — с противоположно лежащими цилиндрами; 1 — цилиндры; 2 — головки блоков; 3 — блоки цилиндров; 4 — поддон телях автомобилей ВАЗ-21213 «Нива», ГАЗ-52-04, ГАЗ-3102 и ГАЗ- 3110 «Волга», ЗИЛ-5301 «Бычок» и др.; под углом а к вертикали (рис. 3.7, б) в двигателе автомобиля «Москвич-2140»; в два ряда — V- образные (рис. 3.7, в) в двигателях автомобилей ГАЗ-3307, ЗИЛ- 431410, MA3-5335, КамАЗ-5320, «Урал-4320» и др.; горизонтально с углом 180° между рядами цилиндров — двигатели с противоположно лежащими цилиндрами (рис. 3.7, г), т.е. с противоположно движущимися поршнями. Эти двигатели иногда называют оппозит- ными. При таком расположении цилиндров уменьшается высота двигателя и его можно устанавливать под полом кузова, например в автобусах.
При двухрядном V-образном расположении цилиндров двигатель имеет большую жесткость конструкции, меньшие размеры и массу, чем однорядный той же мощности. Жесткий коленчатый вал (вследствие уменьшения его длины) допускает работу без гасителя крутильных колебаний и позволяет форсировать двигатель по степени сжатия. К недостаткам V-образных двигателей можно отнести их значительную ширину и более сложную конструкцию.
На отечественных автомобилях устанавливают четырех-, шести-, восьми- и двенадцатицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели обычно делают V-образными с углом (3 между цилиндрами 60, 75 и 90° (чаще).
Четырехцилиндровый двигатель. Равномерность работы многоцилиндрового двигателя обеспечивается в том случае, если чередование одноименных тактов в его цилиндрах происходит за цикл (720° в четырехтактном) через равные углы поворота коленчатого вала.
Для определения угла, через который в цилиндрах четырехтактного двигателя будут повторяться одноименные такты (допустим, такты расширения), необходимо 720° разделить на число цилиндров. В четырехцилиндровом двигателе такт расширения совершается через 720/4 = 180° поворота коленчатого вала. За каждые два оборота коленчатого вала в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе происходит четыре такта расширения, четыре такта выпуска и т.д., т.е. рабочий цикл повторяется 4 раза.
Поскольку чередование одноименных тактов происходит через 180° поворота коленчатого вала, то и шатунные шейки вала должны быть расположены под углом 180° одна от другой, т.е. лежать в одной плоскости. Шатунные шейки первого и четвертого цилиндров направлены в одну сторону относительно оси коленчатого вала, а шатунные шейки второго и третьего цилиндров — в противоположные
(рис. 3.8, а). Такая форма коленчатого вала обеспечивает равномерное чередование рабочих ходов в цилиндрах двигателя. Последовательность чередования (за два оборота) одноименных тактов в различных цилиндрах двигателя называют порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы четырехцилиндровых четырехтактных двигателей может быть 1—3—4—2 (табл. 3.1) или 1—2—4—3.
Рис. 3.8. Схемы кривошипно-шатунных механизмов четырехтактных однорядных двигателей:
а — четырехцилиндрового; б — шестицилиндрового; 1-6 — цилиндры
При выборе порядка работы двигателя конструкторы стремятся как можно равномернее распределить нагрузку на шатунные и коренные шейки коленчатого вала. Максимальные нагрузки на шейки коленчатого вала возникают в те моменты, когда в цилиндрах совершаются такты расширения (рабочие ходы).
При порядке работы 1—2—4—3 в течение рабочего хода в первом цилиндре за первый поворот коленчатого вала на угол 0—180° во втором цилиндре будет происходить сжатие, а в третьем — выпуск. Двигатели автомобилей ЗИЛ-5301 «Бычок», семейства ВАЗ «Жигули» и др. имеют порядок работы 1—3—4—2, а двигатели автомобилей УАЗ, ГАЗ-3102 «Волга», ГАЗ-2410 «Волга» — 1—2—4—3.
Рассмотрим последовательность чередования тактов в цилиндрах по табл. 3.1. Так, в первом цилиндре за первую половину оборота коленчатого вала (0—180°) происходит рабочий ход. За вторую его половину (180—360°) рабочий ход будет осуществляться в третьем цилиндре, за первую половину второго оборота (360—540°) — в четвертом цилиндре, а за вторую половину второго оборота (540— 720°) — во втором цилиндре.
Чередование тактов однорядного четырехцилиндрового двигателя
Угол пово- рота коленчатого вала, град
Шестицилиндровый рядный двигатель. Одноименные такты у однорядного шестицилиндрового двигателя совершаются через 120° поворота коленчатого вала, так как 720/6 = 120°.
Колена коленчатого вала расположены попарно в трех плоскостях под углом 120°. Допустим, что первое и шестое колена направлены вверх, тогда второе и пятое колена — влево вниз, а третье и четвертое — вправо вниз, если смотреть на коленчатый вал с переднего торца (рис. 3.8, б).
Шестицилиндровый двигатель имеет порядок работы 1—5—3—6— 2—4 (табл. 3.2). Это означает, что если в первом цилиндре происходит рабочий ход, то после поворота коленчатого вала на угол 120° рабочий ход начинается в пятом цилиндре и т.д. При этом в одном цилиндре рабочий ход еще не заканчивается, а через 120° он начинается в другом, т.е. при повороте коленчатого вала на угол 60° рабочий ход в одном цилиндре перекрывается рабочим ходом в другом цилиндре, и коленчатый вал вращается равномернее. В шестицилиндровом двигателе поршни только двух цилиндров одновременно приходят в одноименные мертвые точки. Силы инерции масс, движущихся возвратно-поступательно, в этом двигателе взаимно уравновешены.
Шестицилиндровый V-образный двигатель. К таким двигателям относятся, например, четырехтактные дизели ЯМЗ-236 (рис. 3.9, а).
Угол поворота коленчатого вала, град
Рис. 3.9. Схемы кривошипно-шатунных механизмов четырехтактных V-образных двигателей:
а — шестицилиндрового; б — восьмицилиндрового; 1-8 — цилиндры
Угол развала между их цилиндрами равен 90°. Первым цилиндром считается первый правый по ходу. Особенность конструкции этих двигателей в том, что коленчатый вал имеет три кривошипа, к каждому из которых присоединено по два шатуна: к первому кривошипу — шатуны первого и четвертого цилиндров; ко второму — второго и пятого цилиндров и к третьему — третьего и шестого цилиндров. Колена коленчатого вала расположены в трех плоскостях под углом 120° одно к другому.
Порядок работы цилиндров такого двигателя 1—4—2—5—3—6 (первый правый, первый левый, второй правый, второй левый, третий правый, третий левый). Одноименные такты в цилиндрах происходят неравномерно через 90 и 150° (табл. 3.3). Если в первом цилиндре осуществляется рабочий ход, то в четвертом он начинается через 90°, во втором — через 150°, в пятом — через 90°, в третьем — через 150° и в шестом — через 90°.
Поэтому двигатели ЯМЗ-236 имеют повышенную неравномерность хода и на их коленчатом валу приходится устанавливать маховики с относительно большим моментом инерции (на 60—70% больше, чем в однорядном двигателе).
Восьмицилиндровый У-образный двигатель. Цилиндры в таких двигателях (например, автомобилей ГАЗ-3307, КамАЗ-740, ЗИЛ-130) расположены под углом 90° один к другому (рис. 3.9, б). Одноименные такты в цилиндрах начинаются через угол поворота коленчатого вала 720/8 = 90° (табл. 3.4). Следовательно, кривошипы коленчатого вала расположены крестообразно под углом 90°. К первому кривошипу присоединены шатуны первого и пятого цилиндров, ко второму — второго и шестого цилиндров, к третьему — третьего и седьмого цилиндров, к четвертому — четвертого и восьмого цилиндров. В восьмицилиндровом четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала совершается восемь рабочих ходов. Перекрытие рабочих ходов в различных цилиндрах происходит в течение поворота коленчатого вала на угол 90°, что способствует его равномерному вращению. Порядок работы восьмицилиндрового двигателя 1—5—4—2—6—3—7—8. Зная порядок работы цилиндров двигателя, можно правильно распределить провода по свечам зажигания, присоединить топливопроводы к форсункам и отрегулировать клапаны.
