Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показате­ли их работы

Рабочим циклом двигателя называется периодически повто­ряющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обуславливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, то есть за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называ­ется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на военной автомобильной технике не применяют, а использу­ют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракто­рах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравни тельно большой расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработав­ших газов

Рис. 2.2. Схема для определения основных параметров двигателя

На военной автомобильной технике применяются двига­тели, работающие по четырехтактному циклу, который со­вершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом дви­гателе (рис. 2.3) рабочий цикл происходит следующим обра­зом.

Такт впуска ( рис. 2.3 а). Поршень 1 находится в верхней мертвой точке и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объём над ним увеличивается, поэто­му в цилиндре 2 образуется разряжение, равное 0,07-0,095 мПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубо­провод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с на­гретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75-125°С.

Рис. 2.3.Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характери­зуется коэффициентом наполнения, который для высокообо­ротных карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65-0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощ­ность развивает двигатель.

Такт сжатия (рис. 2.3.6). После заполнения цилиндра го­рючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 остаётся закрытым. По мере сжа­тия горючей смеси температура и давление её повышаются. В зависимости от конструкции двигателя давление в конце так­та сжатия может составлять 0,8-1,5 мПа, а температура газов 300-450°С.

Такт расширения или рабочий ход (рис. 2.3, в). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электричес­кой искры, возникающей между электродами свечи 5, и быс­тро сгорает, в результате чего температура и давление обра­зующихся газов резко возрастает, поршень при этом пе­ремещается от в.м.т. к н.м.т. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5-5 мПа, а температура газов 2100-2400°С.

При такие 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 снижается до 0,3-0,75 мПа, а темпера­тура — до 900-1200°С.

Такт выпуска (рис. 2.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной кла­пан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилинд­ра в атмосферу через выпускной трубопровод 7. В начале про­цесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значи­тельно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0.105-0,120 мПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750-900°С, понижаясь к его концу до 500-600°С. Пол­ностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивает­ся 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 современных кар­бюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно отличаются 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 воспламеняется.

В четырехтактном дизеле (рис. 2.4) рабочие процессы проис­ходят следующим образом.

Такт впуска (рис. 2.4, а). При движении поршня 2 от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочи­стителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной кла­пан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в ци­линдре составляет 0,08-0,95 мПа, а температура — 40-60°

Выпуск сжатие расширение выпуск

Рис. 2.4. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Такт сжатия (рис. 2.4, б). Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, что­бы температура сжатого воздуха была выше температуры са­мовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия тем­пература воздуха достигает 550-700°С при давлении возду­ха внутри цилиндра 4,0-5,0 мПа.

Такт расширения или рабочий ход (рис. 2.4, б). При под­ходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку 3 впрыскива­ется дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, са­мовоспламеняется 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 2 перемещается от в.м.т. к н.м.т. Происходит рабочий ход. Около н.м.т. давление снижается до 0,3-0,5 мПа, а темпе­ратура — до 700-900°С.

Такт выпуска (рис. 2.4, г). Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11-0,12 мПа, а температура — до 500-700°С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Дата добавления: 2015-03-09 ; просмотров: 777 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Что такое рабочий цикл двигателя

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Мертвые точки и ход поршня ДВС

Существуют две мертвые точки:

• Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
• Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

• цилиндр;
• поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
• клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
• клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
• свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
• коленчатый вал;
• распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
• ременной или цепной привод;
• кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

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

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

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

Особенности работы двухтактных моторов

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

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

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

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

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

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

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

Источник