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

(рабочий ход)

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.