Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочий цикл (рис. 2, а) совершается за два оборота коленчатого вала. Цикл состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, горения, расширения и выпуска. Эти пять рабочих процессов происходят за четыре хода поршня и составляют четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Рабочий ход состоит из двух рабочих процессов — горения и расширения. Остальные такты состоят каждый из одного рабочего процесса.

Впуск — это процесс заполнения цилиндра двигателя свежим зарядом (горючей смесью). Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. Объем над поршнем увеличивается. В цилиндре создается разрежение, и через открытый впускной клапан цилиндр заполняется горючей смесью, которая внутри цилиндра смешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предыдущего цикла. Так образуется рабочая смесь.

Когда коленчатый вал повернется на 180°, цилиндр заполнится рабочей смесью, впускной клапан закроется и впуск закончится. В конце впуска давление в цилиндре двигателя меньше атмосферного (0,70 — 0,85 кг/см 2 ). Это объясняется наличием сопротивлений, которые встречают на своем пути воздух при прохождении через воздушный фильтр и горючая смесь при прохождении через карбюратор, трубопроводы и клапаны.

При создании двигателей стремятся повысить давление рабочей смеси в конце впуска, так как, чем выше давление, тем больше вес свежего заряда, тем лучше наполнение цилиндра, тем больше развиваемая двигателем мощность. Соприкасаясь с нагретыми частями двигателя и продуктами сгорания, горючая смесь нагревается, и в конце впуска температура ее достигает 70 — 130° С. Это обеспечивает хорошее испарение бензина. Но чем выше температура рабочей смеси, тем меньше ее удельный вес. Поэтому температуру рабочей смеси нельзя чрезмерно повышать во избежание уменьшения мощности двигателя. Кроме того, повышение температуры рабочей смеси при впуске может вызвать ее самовоспламенение во время такта сжатия.

Сжатие — процесс уменьшения объема рабочей смеси в цилиндре, в результате которого быстрее и полнее сгорает рабочая смесь, повышается экономичность и мощность двигателя. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. при закрытых клапанах и сжимает рабочую смесь.

К концу сжатия давление в цилиндре возрастает до 7 — 12 кг/см 2 , а температура — до 350 — 400° С. Повышение температуры и давления определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Чем выше степень сжатия, тем выше давление и температура в конце сжатия.


Рис. 2. Рабочий цикл: а — четырехтактного двигателя; б — двухтактного двигателя

Но величина степени сжатия ограничивается свойствами применяемого в двигателе горючего, его антидетонационными качествами. Чем выше октановое число бензина, тем выше допускаемая степень сжатия. Современные двигатели имеют степень сжатия 6 — 7,5, и только двигатели легковых автомобилей высокого класса, работающие на специальных бензинах, имеют более высокую степень сжатия. Несоответствие степени сжатия антидетонационным качествам бензина приводит к возникновению детонации.

Некоторого повышения допустимой величины степени сжатия при том же октановом числе бензина добиваются увеличением числа оборотов коленчатого вала, выбором рациональной формы камеры сгорания и уменьшением рабочего объема цилиндров двигателя.

Горение — превращение химической энергии горючего в тепловую. Сгорание рабочей смеси в карбюраторном двигателе происходит взрьтоподобно, фронт пламени распространяется со скоростью 20 — 40 м/сек. Такая скорость сгорания обеспечивает резкое повышение давления и температуры газов в цилиндре двигателя: давление возрастает до 25 — 40 кг/см 2 , а температура — до 2200- 2500° С. В карбюраторном двигателе смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами искровой зажигательной свечи.

Расширение — процесс увеличения объема продуктов сгорания в цилиндре двигателя. При этом тепловая энергия, выделившаяся при сгорании рабочей смеси, превращается в механическую работу.

При расширении поршень движется от в. м. т. к н. м. т., объем над поршнем возрастает, температура и давление газов падают. В конце расширения давление равно 3 — 5 кг/см 2 , а температура — 1200 — 1500° С.

Выпуск — процесс удаления продуктов сгорания (отработавших газов) из цилиндра двигателя. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т., выпускной клапан открыт, и газы с большой скоростью выталкиваются из цилиндра. Давление в конце выпуска равно 1,1 — 1,2 кг/см 2 , а температура — 700 — 800° С. Избыточное давление отработавших газов объясняется сопротивлением, которое оказывают им выпускной клапан, трубопроводы и глушитель шума выпуска. Абсолютно полная очистка цилиндра невозможна, в нем всегда остается некоторое количество продуктов сгорания (в объеме камеры сгорания), смешивающихся с горючей смесью в процессе впуска.

Полезная механическая работа совершается двигателем только в течение одного такта — рабочего хода. Остальные три такта — выпуск, впуск и сжатие — называются подготовительными и совершаются за счет кинетической энергии маховика, вращающегося по инерции в промежутках между рабочими ходами. Если двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других цилиндрах.

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.

Читайте также  Вспомогательные механизмы и системы обслуживающие главный двигатель

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.

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.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания отличаются друг от друга рабочим циклом,по которому они работают.

Рабочий цикл –это комплекс последовательных рабочих процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре при работе двигателя.

Рабочий процесс,происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.

По числу тактов,составляющих рабочий цикл, двигатели делятся на два вида:

четырехтактные,в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня,

двухтактные,в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня.

На легковых автомобилях, как правило, применяются четырехтактныедвигатели, а на мотоциклах и моторных лодках – двухтактные.О путешествиях по водным просторам поговорим как-нибудь потом, а с четырьмя тактами работы автомобильного двигателя разберемся сейчас.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов:

– впуск горючей смеси,

– сжатие рабочей смеси,

– выпуск отработавших газов.

Рис. 8. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

Первый такт – впуск горючей смеси(рис. 8а).

Горючей смесьюназывается смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции. Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор или форсунка, о чем мы поговорим чуть позже. А пока следует знать, что соотношение бензина к воздуху примерно 1:15считается оптимальным для обеспечения нормального процесса сгорания.

При такте впуска поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь.

Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.

В процессе заполнения цилиндра горючаясмесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется рабочая.

Второй такт – сжатие рабочей смеси(рис. 8б).

При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты, поэтому рабочая смесь сжимается.

Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9–10 кг/см², а температура 300–400°С.

В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя с названием – «степень сжатия» (например 8,5). А что это такое?

Степень сжатияпоказывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (Vn/Vc –см. рис. 7). У бензиновых двигателей в конце такта сжатия объем над поршнем уменьшается в 8–11 раз.

В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. От начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.

Третий такт – рабочий ход(рис. 8в).

Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал.

Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

В самом конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. Поскольку впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход – давить на подвижный поршень.

Под действием давления, достигающего величины 50 кг/см², поршень начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила в несколько тонн, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент.

При такте рабочего хода температура в цилиндре достигает более 2000 градусов.

Читайте также  Система подачи и подготовки топлива дизельного двигателя

Коленчатый вал при рабочем ходе делает очередные пол-оборота.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов(рис. 8г).

При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.

Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге движется автомобиль без глушителя, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя – при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск. и так далее.

Теперь, интересно, кто из вас обратил внимание на то, что полезная механическая работа совершается одноцилиндровым двигателем только в течение одного такта – такта рабочего хода!Остальные три такта (выпуск, впуск и сжатие) являются лишь подготовительными и совершаются они за счет кинетической энергии вращающихся по инерции коленчатого вала и маховика.

Маховик(рис. 9)это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. Во время рабочего хода поршень через шатун и кривошип раскручивает коленчатый вал двигателя, который передает маховику запас энергии вращения.

Рис. 9. Коленчатый вал двигателя с маховиком:1 шатунная шейка; 2 – противовес; 3 – маховик с зубчатым венцом; 4 – коренная (опорная) шейка; 5 – коленчатый вал двигателя

Запасенная в массе маховика энергия вращения позволяет ему в обратном порядке через коленчатый вал, шатун и поршень осуществлять подготовительные такты рабочего цикла двигателя. Поршень движется вверх (при такте выпуска и сжатия) и вниз (при такте впуска) именно за счет отдаваемой маховиком энергии.

Если двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других, ну и маховик, конечно, тоже помогает.

В детстве у вас наверняка была игрушка, которая называлась волчок. Вы раскручивали его энергией своей руки (рабочий ход) и радостно наблюдали за тем, как долго он вращается. Точно так же и массивный маховик двигателя – раскрутившись, он запасает энергию, но только значительно большую, чем детская игрушка, а затем эта энергия используется для перемещения поршня в подготовительных тактах.

Рабочие циклы четырехтактных двигателей

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя

Рассмотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска

Поршень 4 движется от в.м.т. к н.м.т. Над ним в полости цилиндра 1 создается разрежение. Впускной клапан 6 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 7 и карбюратор 8 сообщается с атмосферой. Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух распыливает топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр. Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня в н.м.т. К этому времени впускной клапан закрывается.

Такт сжатия

При дальнейшем повороте коленчатого вала 10 поршень движется от н.м.т. к в.м.т. В это время впускной 6 и выпускной 3 клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. В конце такта сжатия между электродами свечи 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в) и при помощи шатуна 9 вращает коленчатый вал 10, совершая полезную работу.

Такт выпуска

Когда поршень подходит к н.м.т., открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 2. Далее поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и выталкивает из цилиндра отработавшие газы.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя:
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — цилиндр, 2 — выпускная труба; 3 — выпускной клапан; 4 — поршень; 5 — искровая зажигательная свеча; 6 — впускной клапан; 7 — впускная труба; 8 — карбюратор; 9 — шатун; 10 — коленчатый вал.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска

Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок а), впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух.

Такт сжатия

Оба клапана закрыты. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок б) и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия (порядка 14…18) температура воздуха становится выше температуры самовоспламенения топлива.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска

В конце такта сжатия при положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку начинает впрыскиваться жидкое топливо. Устройство форсунки обеспечивает тонкое распыливание топлива в сжатом воздухе.

Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и оставшимися газами, образуется рабочая смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в). В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива.

Такт выпуска

Выпускной клапан открывается. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу.

Далее рабочий цикл повторяется.

У описанных двигателей в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных тактов — выпуске, впуске и сжатии — нужно перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты являются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в такте расширения. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.

Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие основные преимущества:

  • на единицу произведенной работы расходуется в среднем на 20…25 % (по массе) меньше топлива
  • работа на более дешевом топливе, которое менее пожароопасно

Недостатки дизеля:

  • более высокое давление газов в цилиндре требует повышенной прочности деталей, а это приводит к увеличению размеров и массы дизеля
  • пуск его затруднен, особенно в зимнее время

Хорошие экономические показатели дизелей обусловили их широкое применение в качестве двигателей для тракторов, грузовых и легковых автомобилей.

Рабочие циклы четырехтактных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Рассмотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска (рис. 3.3, а). Поршень 2 движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в полости цилиндра 1 над собой. Впускной клапан 3 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 4 и карбюратор сообщается с атмосферой. Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух распиливает топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр. Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня 2 в НМТ. К этому времени впускной клапан 3 закрывается.

В начале такта впуска, когда поршень был в ВМТ, над поршнем в объеме камеры сгорания имелись остаточные отработавшие газы от предыдущего цикла. Горючая смесь, заполняя цилиндр, перемешивается с остаточными газами и образует рабочую смесь. Давление в конце такта впуска 0,07—0,09 МПа, а температура рабочей смеси 330-390 К.

Рис. 3.3. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска;

  • 1 — цилиндр; 2— поршень; 3 — впускной клапан; 4 — впускная труба;
  • 5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7 — выпускная труба

Такт сжатия (рис. 3.3, б). При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. В это время впускной 3 и выпускной 6 клапаны закрыты, поэтому поршень 2 при своем движении сжимает находящуюся в цилиндре 1 рабочую смесь. В такте сжатия составные части смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. Давление — в конце такта сжатия увеличивается до 0,9— 1,2 МПа, а температура — до 500—700 К. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление повышается до 3,0—4,5 МПа, а температура газов (продуктов сгорания) — до 2700 К.

Такт расширения (рис. 3.3, в). Впускной 3 и выпускной 6 клапаны закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень 2 движется от ВМТ к НМТ и при помощи шатуна вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление уменьшается до 0,3—0,4 МПа, а температура — до 1200—1500 К.

Такт выпуска (рис. 3.3, г). Когда поршень подходит к НМТ, открывается выпускной 6 клапан и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 7. Далее поршень 2 движется от НМТ к ВМТ и выталкивает из цилиндра 1 отработавшие газы. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11—0,12 МПа, а температура — 700-1100 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля. В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно (рис. 3.4).

Читайте также  Порядок работы многоцилиндрового двигателя

Такт впуска (рис. 3.4, а). Поршень движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух. Давление в конце такта впуска 0,08—0,09 МПа, а температура воздуха — 320—340 К.

Такт сжатия (рис. 3.4, б). Оба клапана закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ и сжимает воздух. В конце такта сжатия при положении поршня, близком к ВМТ, в цилиндр через форсунку начинается впрыск жидкого топлива. Устройство форсунки обеспечивает тонкое распыливание топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуется рабочая смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5—9,0 МПа, а температура — до 1900—2400 К.

Такт расширения (рис. 3.4, в). Оба клапана закрыты. Поршень движется от ВМТ к НМТ. В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,2—0,3 МПа, а температура — до 900—1200 К.

Рис. 3.4. Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска

Такт выпуска (рис. 3.4, г). Выпускной клапан открывается. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Давление газов при этом 0,11—0,12 МПа. Температура газов к концу такта выпуска составляет 650-900 К.

Далее рабочий цикл повторяется.

У описанных двигателей в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных тактов — выпуске, впуске и сжатии — нужно перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты являются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в такте расширения. Маховик, обладающий значительной массой, закрепляется на конце коленчатого вала.

Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие основные преимущества: на единицу произведенной работы расходует в среднем на 20—25% (по массе) меньше топлива; работает на более дешевом топливе, которое не так опасно в пожарном отношении.

Имеются у дизеля и недостатки: более высокое давление газов в цилиндре требует повышенной прочности деталей, а это приводит к увеличению размеров и массы дизеля; пуск его затруднен, особенно в зимнее время.

Хорошие экономические показатели дизелей обеспечили широкое применение их в качестве двигателей для тракторов и грузовых автомобилей, а в последнее время наметилась тенденция к применению дизелей на легковых автомобилях.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания отличаются друг от друга рабочим циклом,по которому они работают.

Рабочий цикл –это комплекс последовательных рабочих процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре при работе двигателя.

Рабочий процесс,происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.

По числу тактов,составляющих рабочий цикл, двигатели делятся на два вида:

четырехтактные,в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня,

двухтактные,в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня.

На легковых автомобилях, как правило, применяются четырехтактныедвигатели, а на мотоциклах и моторных лодках – двухтактные.О путешествиях по водным просторам поговорим как-нибудь потом, а с четырьмя тактами работы автомобильного двигателя разберемся сейчас.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов:

– впуск горючей смеси,

– сжатие рабочей смеси,

– выпуск отработавших газов.

Рис. 8. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

Первый такт – впуск горючей смеси(рис. 8а).

Горючей смесьюназывается смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции. Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор или форсунка, о чем мы поговорим чуть позже. А пока следует знать, что соотношение бензина к воздуху примерно 1:15считается оптимальным для обеспечения нормального процесса сгорания.

При такте впуска поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь.

Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.

В процессе заполнения цилиндра горючаясмесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется рабочая.

Второй такт – сжатие рабочей смеси(рис. 8б).

При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты, поэтому рабочая смесь сжимается.

Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9–10 кг/см², а температура 300–400°С.

В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя с названием – «степень сжатия» (например 8,5). А что это такое?

Степень сжатияпоказывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (Vn/Vc –см. рис. 7). У бензиновых двигателей в конце такта сжатия объем над поршнем уменьшается в 8–11 раз.

В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. От начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.

Третий такт – рабочий ход(рис. 8в).

Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал.

Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

В самом конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. Поскольку впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход – давить на подвижный поршень.

Под действием давления, достигающего величины 50 кг/см², поршень начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила в несколько тонн, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент.

При такте рабочего хода температура в цилиндре достигает более 2000 градусов.

Коленчатый вал при рабочем ходе делает очередные пол-оборота.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов(рис. 8г).

При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.

Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге движется автомобиль без глушителя, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя – при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск. и так далее.

Теперь, интересно, кто из вас обратил внимание на то, что полезная механическая работа совершается одноцилиндровым двигателем только в течение одного такта – такта рабочего хода!Остальные три такта (выпуск, впуск и сжатие) являются лишь подготовительными и совершаются они за счет кинетической энергии вращающихся по инерции коленчатого вала и маховика.

Маховик(рис. 9)это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. Во время рабочего хода поршень через шатун и кривошип раскручивает коленчатый вал двигателя, который передает маховику запас энергии вращения.

Рис. 9. Коленчатый вал двигателя с маховиком:1 шатунная шейка; 2 – противовес; 3 – маховик с зубчатым венцом; 4 – коренная (опорная) шейка; 5 – коленчатый вал двигателя

Запасенная в массе маховика энергия вращения позволяет ему в обратном порядке через коленчатый вал, шатун и поршень осуществлять подготовительные такты рабочего цикла двигателя. Поршень движется вверх (при такте выпуска и сжатия) и вниз (при такте впуска) именно за счет отдаваемой маховиком энергии.

Если двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других, ну и маховик, конечно, тоже помогает.

В детстве у вас наверняка была игрушка, которая называлась волчок. Вы раскручивали его энергией своей руки (рабочий ход) и радостно наблюдали за тем, как долго он вращается. Точно так же и массивный маховик двигателя – раскрутившись, он запасает энергию, но только значительно большую, чем детская игрушка, а затем эта энергия используется для перемещения поршня в подготовительных тактах.

Дизельные двигатели

Главной особенностью работы дизельного двигателя является то, что топливо подается форсункой или насосом-форсункой непосредственно в цилиндрдвигателя под большим давлением в конце такта сжатия.Необходимость подачи топлива под большим давлением обусловлена тем, что степень сжатия у таких двигателей значительно больше, чем у бензиновых.

Поскольку давление и температура в цилиндре дизельного двигателя очень велики, то происходит самовоспламенение топлива. Это означает, что искусственно поджигать смесь не надо. Поэтому у дизельных двигателей отсутствуют не только свечи, но и вся система зажигания.