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 впускаВ течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). В это время кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.
— 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 двигателяРабочие 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:
Рабочий процесс карбюраторного четырехтактного двигателя
Основной задачей рабочего процесса двигателя является наиболее эффективное сжигание вводимого в цилиндр топлива, которым обычно служит бензин. Смесь паров бензина с необходимым для сгорания количеством
воздуха называется
горючей смесью,
она приготовляется В специальном устройстве, называемом
карбюратором.
В начале первого хода поршня открывается впускной клапан (точка на графике, изображенном на рис. 6, а)
и за счет разрежения
над
опускающимся поршнем в цилиндр засасывается из карбюратора свежая горючая смесь. Цилиндр наполняется смесью до момента прихода поршня в нижнее положение, после чего впускной клапан закрывается (точка
а).
Таким образом, поршень совершает свой первый ход, называемый
тактом всасывания
(впуска); при этом кривошип делает первую половину оборота, повернувшись на угол 3,14
рад
(180°). В процессе всасывания выпускной клапан закрыт. Такт впуска протекает при давлении в цилиндре (прямая
fa
на графике работы) около 0,08
Мн/м2
(0,8
кГ/см2).
К концу впуска смесь нагревается на С от горячих стенок цилиндра и оставшихся газов. За-
полнение смесью составляет 0,75 —
0,85 от объема цилиндра над поршнем, когда он находится в нижнем положении.
При втором ходе поршня и закрытых клапанах совершается второй такт — сжатие горючей смеси;
кривошип при этом поворачивается от 3,14 до 6,28
рад
(от 180 до 360°) — вторая половина оборота. К концу сжатия объем смеси сокращается в 6—8 раз с повышением давления до 0,8 — 1,2
Мн/м2
(8 — 12
кГ/см2)
(кривая
ас);
температура смеси при этом поднимается до 450 500°.
В конце второго хода между электродами свечи проскакивает искра, при этом сжатая смесь воспламеняется, что приводит к повышению давления газов на поршень (точка на графике работы) до 3 ч- 4 Мн/м2
(30 -40
кГ/см)
при температуре 1800
―
2000° С, и поршень совершает свой третий ход. Третий ход представляет собой движение поршня вниз с расширением продуктов сгорания при закрытых клапанах и поворотом кривошипа от 6,28 до 9,42
рад
(от 360 до 540°) — первая половина второго оборота; этот ход называется
рабочим ходом,
или
тактом расширения.
Его окончание характеризуется давлением 0,35 0,45
Мн/м2
(3,5 ― 4,5
кГ/см2)
(точка
е)
и температурой 800 ― 1100 ° С. В конце такта расширения открывается выпускной клапан и отработавший газ, имеющий давление больше атмосферного, выпускается через соответствующий трубопровод. Четвертым ходом поршня (такт выпуска) цилиндр очищается от сгоревших газов при открытом выпускном и закрытом .впускном клапанах и давлении 0,1 — 0,12
Мн/м2
(1,05 ― 1,15
кГ/см2)
— прямая
hr,
при этом кривошип поворачивается от 9,42 до 12, 56
рад
(от 540 до 720°) — вторая половина второго оборота. Температура в конце выпуска снижается до 700 — 800° С. Выпускной клапан закрывается к началу следующего такта всасывания (впуска), наступление которого служит началом повторения тактов.
Перечисленные такты составляют непрерывно повторяющийся четырехтактный цикл двигателя; работа совершается только на протяжении третьего хода, поэтому он и называется рабочим; три остальные хода являются вспомогательными и на их совершение тратится часть работы, полученной при третьем ходе поршня (табл. 2). График работы, изображенный на рис. 6, а,
является теоретическим. Наличие ряда дополнительных условий в работе двигателя, а также стремление обеспечить лучшее наполнение цилиндра рабочей смесью, достичь более полного сгорания горючей смеси и очищения цилиндра от газов заставляют несколько сдвигать границы этих процессов.
В результате все переходы между отдельными участками графика закругляются и действительный график работы принимает вид, изображенный на рис. 6, б.
Дизельные двигатели
На грузовых автомобилях среднего и большого тоннажа устанавливают дизели, использующие тяжелые сорта топлива. Эти дизели значительно отличаются от рассмотренного выше двигателя, использующего легкие сорта топлив. Работа дизелей, также как и работа карбюраторных двигателей, основана на сгорании топлива внутри цилиндра. Много общего есть и в основных частях двигателей, за исключением приборов приготовления горючей смеси (топливной аппаратуры) и некоторых других частей.
На рис. 7 показаны схема и график работы четырехтактного дизеля (типа ЯМЗ). При перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней через открытый впускной клапан засасывается воздух (левая стрелка), при перемешивании которого с остаточными газами совершается такт впуска (линия га
на графике работы); в следующий ход поршня происходит сжатие смеси с остаточными газами при закрытых клапанах (линия
ас);
степень сжатия достигает 14 -20, а давление конца сжатия равно 3 — 4
Мн1м2
(30 — 40
кГ/см2}
при температуре 600 -700° С. В конце сжатия через форсунку 1 насосом
2
под давлением впрыскивается топливо, мелкие частицы которого, соприкасаясь с раскаленным воздухом, сгорают (линия cz); давление поднимается до 5 — б
Мн1мг
(50 — 60
кГ/см2,
а температура — до 1800
—
2000° С. Под влиянием большого давления газов происходит рабочий ход (линия
ze )
последним ходом (линия
е r )
поршень выталкивает отработавшие газы через открытый выпускной клапан (правая стрелка) — такт выпуска.
Для карбюраторного двигателя смесь приготовляется вне его цилиндра и подается на протяжении целого хода поршня заранее подготовленной. В дизеле же смесь образуется в цилиндре, где и сгорает, а для хорошего перемешивания впрыскиваемого за короткий
промежуток времени топлива со сжатым воздухом необходимо определенное время, которого не хватает особенно на больших оборотах. Поэтому у современных дизелей максимальное число оборотов в минуту меньше, чем у карбюраторных.
-
Читайте также:
Весь процесс работы при четырехтактном цикле совершается за четыре хода поршня и два оборота коленчатого вала; рабочий ход имеет место только через два оборота вала. Поэтому при наличии только одного цилиндра для получения необходимой мощности требуется увеличение размеров поршня, цилиндра и других деталей, что приводит к необходимости уменьшения оборотов вследствие трудности преодоления больших сил инерции возвратно-поступательно движущихся деталей. Одноцилиндровый двигатель получается тяжелым и тихоходным.
Двигатель автомобильного тина достаточной мощности, малого веса и небольших размеров получится, если увеличить количество цилиндров и повысить число оборотов коленчатого вала в минуту. При увеличенном количестве цилиндров за два оборота совершается несколько рабочих ходов; правильным чередованием этих ходов можно улучшить равномерность вращения вала, а сокращением времени совершения рабочего хода можно дополнительно повысить мощность за счет повышения числа оборотов вала в единицу времени.
Современные автомобильные двигатели чаще всего состоят из четырех, шести или восьми цилиндров.
В качестве общего критерия для оценки двигателя служит ко эффициент полезного действия,
под которым понимается
отношение тепла, эквивалентного работе, снимаемой с маховика, к теплу, экви валентному введенному топливу;
для карбюраторных двигателей он равен 0,2 — 0,25; для дизельных 0,3 -0,35.
Двигатель состоит из кривошипного и распределительного механизмов и систем охлаждения, смазки, питания и зажигания (только в карбюраторных двигателях).
В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.
— Такт впуска При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Такт сжатия
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 выпускаПоршень 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.
-
Читайте также:
На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.
Рабочий цикл ДВС: что нужно знать
Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).
Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов. Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу. Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.
Итак, рабочий цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда делает один оборот, такой двигатель является .
Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.
Как работает четырехтактный бензиновый двигатель
Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка. Теперь вернемся к тактам.
- На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент открыт , а закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
- Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота. В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
- К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на ). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.
Далее от поршня через энергия передается на , позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.
- После того, как поршень почти дойдет до НМТ в конце рабочего хода, происходит открытие выпускного клапана. После этого давление в цилиндре снижается, несколько падает и температура. Затем начинается такт выпуска. В это время коленчатый вал совершает последний полуоборот, при этом поршень снова поднимается из НМТ в ВМТ, буквально «выталкивая» отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в .
Работа четырехтактного дизельного ДВС
Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).
Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем, до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает , затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.
С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.
Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны полностью закрыты, что позволяет поршню сильно сжать воздух.
Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых. Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).
Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.
Для решения этой задачи многие имеют ТНВД (). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.
После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в результате горения смеси повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ. Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.
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.
К незначительным недостаткам, которые с лихвой окупаются достоинствами, можно отнести работы по регулировке теплового зазора клапанов и время разгона с места, которое несколько больше, чем у двухтактных. Специализированное, мощное оборудование для ремонта и обслуживания. Четырехтактные ДВС имеют большие размеры, их детали более объёмны, сложны. Для осуществления ремонта таких двигателей, необходимо использовать тяжелое гаражное оборудование: стенды-кантователи, стенды для ремонта ДВС, кран-манипулятор и т.д.
Преимущества четырёхтактных двигателей:
-экономичность расхода топлива; -надежность; -простота обслуживания; -четырехтактный двигатель работает тише и устойчивей.
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.
Статьи по теме: 1. Устройство и принцип действия двухтактного двигателя внутреннего сгорания; 2. Роторные двигатели с послойным распределением заряда; 3. Недымящий двигатель Кушуля; 4. Роторный двигатель внутреннего сгорания Лаптевых; 5. Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий от воспламенения распыленного топлива.
