Рабочие циклы четырехтактных двигателей

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.
Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано прежде всего с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смеси из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.
Автомобильные двигатели обычно работают 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. 3.3) рабочий цикл происходит следующим образом.
Такт впуска (рис. 3.3, а). Поршень 1 находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) 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 0,070...0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежей горючей смеси с нагретыми деталями в конце такта впуска она имеет температуру 75... 125°С.
Степень заполнения цилиндра свежей горючей смесью 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. 3.3, б). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от степени сжатия давление в конце такта сжатия может составлять 0,8... 1,8 МПа, а температура газов — 400...550°С.
Такт расширения, или рабочий ход (рис. 3.3, 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 возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5... 5,0 МПа, а температура газов — 2 300... 2 400°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 0,30...0,65 МПа, а температура — 900... 1 200 "С.
Такт выпуска (рис. 3.3, г). Коленчатый вал 9через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. 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 и составляет 0,105... 0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750...900°С, в конце — 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.
По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
Рабочие циклы четырехтактного 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.
В четырехтактном дизеле (рис. 3.4) рабочие процессы происходят следующим образом.
Такт впуска (рис. 3.4, а). При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разрежения 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°С.
Такт сжатия (рис. 3.4, б). Поршень движется от НМТ к ВМТ. 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 составляет 550...700°С при давлении воздуха внутри цилиндра 4...5 МПа.
Такт расширения, или рабочий ход (рис. 3.4, в). При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1. Впрыскнутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6,5... 11,0 МПа, а температура — 1 650... 1 850°С. Под действием давления газов поршень 2.переме-щается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается и составляет 0,3...0,5 МПа, а темпепатупа — 7ОО...9ОО°С.
Такт выпуска (рис. 3.4, г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается и составляет 0,11...0,12 МПа, а температура — 500...700°С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.