Как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя?

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.

Будет полезно:  Чем лучше очистить салон автомобиля своими руками?

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.

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.

Как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя?

Двигатели, применяемые на автомобилях и тракторах, работают преимущественно по четырехтактному циклу. При этом цикле процессы впуска горючей смеси, сжатия, сгорания, расширения и выпуска отработавших газов совершаются за четыре такта (хода поршня) — впуск, сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск, что соответствует двум оборотам коленчатого вала. Один из этих тактов является рабочим, а остальные три вспомогательными.

Такт впуска. При этом такте поршень движется от ВМТ к НМТ , создавая разрежение в полости цилиндра над собой. Впускной клапан открыт, и через впускной трубопровод в цилиндр под влиянием разности давлений поступает смесь топлива с воздухом (горючая смесь), приготовленная в карбюраторе. Горючая смесь, перемешавшись с отработавшими газами, оставшимися в камере сгорания от предыдущего цикла, образует рабочую смесь.

Давление в цилиндре во время такта впуска меньше давления окружающей среды и зависит от сопротивления впускного тракта и частоты вращения коленчатого вала. Величина его лежит в пределах 0,08—0,095 МПа. Температура рабочей смеси при этом также вследствие контакта ее с нагретыми деталями двигателя и смешивания с остаточными раскаленными газами составляет 90—120 °С.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Такт сжатия. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень движется от НМТ к ВМТ . В это время впускной и выпускной клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь, которая нагревается и дополнительно хорошо перемешивается. Давление рабочей смеси достигает максимума в тот момент, когда поршень доходит до ВМТ и зависит в основном от степени сжатия. Для различных карбюраторных двигателей оно колеблется от 0,8—1,2 МПа. Температура смеси в конце такта сжатия повышается до 300—450 °С. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление смеси, тем больше мощность и экономичность двигателя. Однако увеличение степени сжатия карбюраторных двигателей допустимо лишь в известных пределах, так как чрезмерное повышение степени сжатия может привести к нежелательному детонационному характеру сгорания. Предельное значение величины степени сжатия должно быть таким, чтобы температура в конце такта была ниже температуры самовоспламенения топлива. Степень сжатия современных карбюраторных двигателей составляет 6—10.

Такт расширения. Этот такт состоит из двух последовательно происходящих процессов — сгорания смеси и расширения газов (продуктов сгорания смеси) и совершается при закрытых клапанах. Рабочая смесь в конце такта сжатия воспламеняется электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания и сгорает, когда поршень находится около ВМТ . В результате сграния смеси температура и давление образующихся в цилиндре газов возрастают. Под действием давления продуктов сгорания поршень движется вниз и с помощью шатуна вращает коленчатый вал, совершая при этом механическую работу.

Давление газов в начале такта расширения составляет примерно 4—6 МПа и к концу такта расширения снижается до 0,4—0,5 МПа. Температура в начале такта расширения составляет 2000— 2500 °С, а в конце снижается до 900— 1100 °С.

Такт выпуска. Этот такт начинается при подходе поршня к НМТ при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы под собственным давлением 0,4—0,5 МПа выходят из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод и глушитель. Далее поршень движется от НМТ к ВМТ и выталкивает из цилиндра оставшуюся часть отработавших газов под давлением, несколько превышающем атмосферное (0,11 — 0,12 МПа). Температура выпускных газов равна 700—800 С. После подхода поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной клапан открывается и начинается повторение рабочего цикла.

Таким образом, в четырехтактном одноцилиндровом двигателе коленчатый вал вращается под действием давления газов при такте расширения. Для вращения коленчатого вала в течение трех остальных вспомогательных тактов на валу закрепляется тяжелое маховое колесо (маховик), инерция которого обеспечивает вывод поршней из мертвых точек и совершение трех нерабочих ходов поршня.

Рабочий процесс четырехтактного газового двигателя протекает так же, как и у четырехтактного карбюраторного, но газовоздушная смесь готовится не карбюратором, а карбюратором-сме-сителем или специальным газовым смесителем.

При рассмотрении цикла условно примем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт — впуск. При вращении коленчатого вала поршень перемещается из в. м. т. в н. м. т. и в верхней части цилиндра создается разрежение. Распределительный вал через детали газораспределительного механизма открывает впускной клапан, который через впускной трубопровод 5 соединяет цилиндр с карбюратором. Горючая смесь, поступающая под действием разрежения из карбюратора по впускному трубопроводу, заполняет цилиндр. В конце такта впуска, при работе двигателя с полной мощностью, давление в цилиндре составляет 80—90 кН/м2 (0,8— 0,9 кгс/см2), а температура рабочей смеси равна 80—120 °С (у прогретого двигателя).

Будет полезно:  Какие максимальные обороты дизельного двигателя?

Второй такт — сжатие. Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в н. м. т. (рис. 2, б). При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из н. м. т. в в. м. т. и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми. Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает 1000—1200 кН/м2 (10—12 кгс/см2). Повышение давления сопровождается увеличением температуры смеси до 300—400 °С.

Третий такт — расширение, или рабочий ход. Оба клапана закрыты (рис. 2, в). При подходе поршня в конце такта сжатия к в. м. т. между электродами свечи зажигания проскакивает электрическая искра. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов. Газы давят на поршень, который под их давлением перемещается от в. м. т. до н. м. т. и через шатун вращает коленчатый вал. Это основной такт, так как расширяющиеся газы совершают полезную работу. С момента воспламенения смеси давление газов быстро возрастает, а затем по мере движения поршня вниз и увеличения объема давление снижается. В конце сгорания и начале расширения давление достигает 3000—4000 кН/м2 (30—40 кгс/см2) при температуре 2000—2200 °С, а в конце расширения снижается до 350—450 кН/м2 (3,5—4,5 кгс/см2) при температуре 1200—1500 °С.

Четвертый такт — выпуск. Поршень (рис. 2, г) движется от н. м. т. до в. м. т. и через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы в выпускной трубопровод, глушитель и далее в атмосферу. При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндра от отработавших газов и часть их остается в цилиндре (остаточные газы). В конце выпуска давление равно 105—120 кН/м2 (1,05—1,2 кгс/см2), а температура 700— 900° С. После окончания такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется в рассмотренной выше последовательности.

На заднем конце коленчатого вала устанавливают тяжелый диск — маховик, который во время рабочего хода накапливает энергию, а затем продолжает вращаться по инерции. При этом вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение остальных (вспомогательных) тактов. В одноцилиндровом двигателе, работающем очень неравномерно, маховик должен обладать большим моментом инерции.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

В четырехтактном карбюраторном двигателе рабочий цикл совершается за два полных оборота коленчатого вала, или четыре хода поршня, и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочий ход) и выпуска.

Такт впуска. Во время такта впуска цилиндр заполняется горючей смесью. При этом кривошип коленчатого вала поворачивается на пол- оборота, а поршень перемещается от в. м. т. до н. м. т.; впускной клапан от­крыт, а выпускной закрыт. При движении поршня вниз объем над ним уве­личивается и в цилиндре получается разрежение, вследствие чего в цилиндр всасывается горючая смесь. Горючая смесь, поступающая в цилиндр двигателя, смешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в камере сгорания от предыдущего цикла. Смесь, получившаяся при этом, называется рабочей смесью.

Когда кривошип приходит в нижнее положение, а поршень дойдет до н. м. т., впускной клапан закрывается.

Вследствие сопротивления впускной системы потоку смеси и некоторых других причин в конце такта впуска давление в цилиндре получается ниже атмосферного и равно примерно 0,7—0,8 кг/см 2 , уменьшаясь при увеличении числа оборотов двигателя. Это ограничивает полноту заполнения полости ци­линдра смесью.

Такт сжатия. При такте сжатия происходит сжатие рабочей смеси для обеспечения более быстрого ее сгорания и получения большего давления га­зов в цилиндре.

При сжатии смеси поршень перемещается от н. м. т. до в. м. т. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты. Чем больше степень сжа­тия, тем сильнее сжимается рабочая смесь и тем выше при сгорании давление газов на поршень и экономичнее работа двигателя.

Однако предельные значения степени сжатия для карбюраторных дви­гателей ограничиваются свойствами применяемого топлива (бензина) и в ос­новном его антидетонационной стойкостью.

Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к особому детонацион­ному воспламенению смеси и нарушению нормального процесса ее сгорания, которое будет происходить с очень большими скоростями и резкими местными повышениями давления в цилиндре. Все это нарушит нормальную работу двигателя, снизит его мощность и экономичность и повысит износы,двигателя.

Во избежание нарушения нормальных условий сгорания рабочей смесц в карбюраторных двигателях рабочая смесь сжимается не более чем в 6—9 раз, т. е. степень сжатия равна 6—9. Причем для более высоких степеней сжа­тия требуется применение топлива с хорошими антидетонационными свойст­вами, т. е. с высоким октановым числом.

Повышение степени сжатия двигателя также возможно за счет повышения числа его оборотов, уменьшения рабочего объема цилиндров, улучшения формы камеры сжатия и применения для изготовления деталей: двигателя (поршней и головки) легких алюминиевых сплавов, способствующих хоро­шему отводу тепла из полости камеры сжатия.

К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает примерно до 8—12 кГ/см 2 , а температура смеси доходит до 450—500°С.

Такт расширения (рабочий ход). При рабочем ходе поршень в Цилиндре перемещается под действием давления газов, приводя во вращение коленча­тый вал двигателя.

В конце такта сжатия, когда поршень приходит в в. м. т., в цилиндр по­дается электрическая искра, поджигающая сжатую рабочую смесь. Смесь сгорает очень быстро, с выделением большого количества тепла. При этом вследствие сильного нагревания газов, получившихся при сгорании, давление в цилиндре резко возрастает, и поршень с большой силой перемещается вниз от в. м. т. до н. м. т., приводя во вращение через шатун коленчатый вал. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.

В момент сгорания рабочей смеси температура газов повышается до 1800— 2000°С, а давление до 25—30 кГ/см 2 . При движении поршня к н. м. т. газы расширяются и давление и температура их в цилиндре постепенно умень­шаются. В конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 3—4 кГ1см 2 г а температура снижается до 1100—800°С.

Такт выпуска. При такте выпуска происходит очищение цилиндра от от­работавших газов. При этом поршень перемещается от н. м. т. до в. м. т., впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. При движении пор­шня к в. м. т. оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработав­шие газы выталкиваются через выпускной клапан в атмосферу. Так как удалить полностью отработавшие газы из цилиндра не представляется возможным, давление в конце такта выпуска доходит до 1,05—1,15 кГ/см 2 . Температура отработавших газов составляет 700—800°С.

При дальнейшем вращении коленчатого вала снова происходит такт впу­ска, затем такт сжатия, рабочий ход и такт выпуска и т. д. Таким образом, при работе двигателя все указанные такты будут беспрерывно чередоваться в такой же последовательности.

Таким образом, в четырехтактном одноцилиндровом двигателе колен­чатый вал вращается под действием давления газов только при рабочем ходе. При совершении же вспомогательных тактов противодавление действующих на поршень газов создает сопротивление вращению вала, для преодоления второго необходимо к валу приложить внешнее вращающее усилие.

Для повышения равномерности вращения коленчатого вала и осуществле­ния вспомогательных тактов на коленчатом валу устанавливают маховик, представляющий собой тяжелый чугунный диск, закрепленный на конце коленчатого вала.

Так как маховик имеет значительный вес, он накапливает энергию при рабочем ходе и продолжает вращаться по инерции и после окончания рабо­чего хода. Вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение всех вспомогательных тактов: выпуска, впуск и сжатия рабочей смеси. При последующем рабочем ходе маховик снова накап­ливает механическую энергию и отдает ее при следующих вспомогательных тактах, вращаясь по инерции. При наличии маховика вращение коленчатого вала совершается более равномерно. Маховик способствует также переводу деталей кривошипно-шатунного механизма через положения, соответствую­щие мертвым точкам поршня.

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе совершается за

1. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочий цикл двигателя — это комплекс последовательно чередующихся процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Двигатели, в цилиндрах которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода поршня), называют четырехтактными. Если рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (за два хода поршня), то двигатели называют двухтактными.

Такт впуска (рис. 1, а). При вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) поршень перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разрежение, равное 0,07 ÷ 0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод 3 в цилиндр. Свежая рабочая смесь в результате соприкосновения с нагретыми деталями и остаточными газами имеет температуру в конце такта впуска 75 ÷ 125°С.

Будет полезно:  Как правильно менять шины?

Рисунок 1 — Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан; 5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7— газопровод; 8 — шатун; 9 — колен­чатый вал.

Такт сжатия (рис. 1, б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень пе­ремещается от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 4 закрывается, а выпускной клапан 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси повышается ее температура и давление. В зависимости от степени сжатия давление в цилиндре в конце такта сжатия может составлять 0,8 ÷ 1,5 МПа, а температура газов — 300 ÷ 450°С.

Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1, в). В конце такта сжа­тия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, воз­никающей между электродами свечи зажигания 5, и быстро сго­рает, в результате чего температура и давление образующихся га­зов резко возрастают и поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для кар­бюраторных двигателей составляет 3,5 ÷ 5 МПа, а температура га­зов — 2100 ÷ 2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем ша­тун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчато­го вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре составляет 0,3 ÷ 0,75 МПа, а температура — 900 ÷ 1200 °С.

Такт впуска. При такте впуска впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Поршень движется от верхней мертвой точки (в. м. т.) к нижней мертвой точке (н. м. т.), в результате чего в цилиндре создается разрежение и горючая смесь под давлением наружного воздуха устремляется в цилиндр двигателя.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т., в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Чем больше сжата рабочая смесь, тем более эффективно она сгорает.

Такт расширения, или рабочий ход. Оба клапана закрыты. В конце такта сжатия электрической искрой, возникающей в свече, поджигается рабочая смесь — происходит ее сгорание с выделением большого количества тепла, за счет чего в цилиндре значительно возрастает давление расширившихся газов, которое заставляет поршень двигаться от в.м.т. к н.м.т.

Такт выпуска. Впускной клапан закрыт, выпускной открыт. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. — происходит удаление наружу отработавших газов из цилиндра двигателя.

На этом рабочий цикл в одном цилиндре четырехтактного двигателя заканчивается и затем снова повторяется с такта впуска.

Как видно, основным тактом является такт расширения, в течение которого газы давят на поршень и через шатун поворачивают коленчатый вал. Все остальные такты, или ходы поршня, служат вспомогательными. Во время них происходит подготовка к основному такту, рабочему ходу, а именно: очистка цилиндра от отработавших газов, впуск свежей горючей смеси и сжатие ее.

Если двигатель имеет не один, а два или несколько цилиндров, то рабочий цикл в каждом цилиндре происходит в указанной последовательности, а чередование тактов по цилиндрам будет зависеть от ряда факторов (количества цилиндров, их расположения и др.). Так, например, если два цилиндра двигателя расположены горизонтально, чередование тактов будет следующее.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя:

— Такт сжатия
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.
Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Гифка наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя

— Такт выпуска
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя
Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

Читайте также

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Недостатки четырёхтактных двигателей:

Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.

Уступают по мощности двухтактным.

Преимущества четырёхтактных двигателей:

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтактного двигателя находится в масляной ванне. Благодаря этому нет необходимости смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок. Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей.

Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу, что объясняется его конструкцией.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector