Рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигатель – энергосиловая машина, преобразующая какой-либо вид энергии в механическую работу. На большинстве современных автомоби­лей установлены порш­невые (тепловые) двигатели, назы­ваемые двигате­лями внутреннего сгора­ния (ДВС). В них теплота, выделяющаяся при сго­рании топлива в цилиндрах, преоб­разуется в меха­ническую работу.

Рабочий цикл двигателя – это комплекс последовательных про­цессов внутри ци­линдра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два оборота ко­ленчатого вала или за четыре хода поршня, называют четырех­тактными. Двигатели, в которых рабо­чий цикл совершается за один оборот коленча­того вала или за два хода поршня, назы­вают двухтактными.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состо­ит из последо­вательно происходящих тактов впуска (а), сжатия (б), рас­ши­рения (в) и выпуска (г).

Каждый такт характеризуется направлением движения поршня, по­ложением кла­панов, температурой и давле­нием в цилиндре.

При такте впуска пор­шень 6 движется от крайнего верхнего положе­ния – верх­ней мертвой точки (ВМТ) к крайнему нижнему положе­нию – нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра 3. Впу­скной клапан 7 открыт, и в цилиндр че­рез впускную трубу из карбюра­тора посту­пает горючая смесь бензина с воздухом. В на­чале такта впуска, когда поршень был в ВМТ, над поршнем находились остаточные продукты сгорания от пре­дыдущего цикла. Горючая смесь, заполняя ци­линдр, пере­ме­шивается с остаточными га­зами и образует рабочую смесь.

При дальнейшем повороте ко­ленчатого вала 5 поршень движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной 7 и выпускной 1 клапаны закрыты. Пор­шень в процессе движения сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В конце такта сжатия между элек­тродами свечи зажигания 2 возни­кает электрическая искра, от кото­рой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, в ре­зультате чего резко повышается температура и давление газов.

В процессе такта расширения (рабочем ходе)оба кла­пана закрыты. Под давле­нием расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ и через шатун 4 приво­дит во вращение коленчатый вал 5, совершая полез­ную работу.

Когда поршень 6 достигает НМТ, открывается выпускной клапан 1. Поршень движется от НМТ к ВМТ и выталкивает из цилиндра отработав­шие газы. Затем рабочий цикл повторяется.

В отличие от карбюра­торного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вво­дятся раздельно.

При такте впуска пор­шень 6 движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан 7 от­крыт. В цилиндр 3 под дей­ствием разности атмосфер­ного дав­ления и разрежения в цилиндре поступает воздух, пе­ремешиваясь с оста­точ­ными газами.

В процессе такта сжа­тия оба клапана закрыты. Пор­шень 6 движется от НМТ к ВМТ, сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия воз­растает давление и тем­пература. При положе­нии порш­ня, близком к ВМТ, в цилиндр через форсунку 2 впры­скивается дизельное то­пливо. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым выше температуры вос­пламенения воздухом, самовоспламеняется и начинает сгорать.

При такте расширения (рабочем ходе) оба кла­пана также закрыты. Поршень 6 под давлением расширяющихся газов движется от ВМТ к НМТ и через шатун 4 вращает ко­ленчатый вал 5, совершая полезную работу.

Для осуществления такта выпуска выпускной клапан 1 откры­вается. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан выталкивает отработав­шие газы из цилиндра в атмосферу. Далее рабочий цикл повторяется.

Сравнивая дизели и карбюраторные двигатели, можно отметить сле­дующие пре­имущества дизелей: лучшая эконо­мичность, так как меньше расход топ­лива на единицу мощности (примерно на 30%); применяемое топливо имеет меньшую стоимость и менее опасно в пожарном отноше­нии, чем бензин; в отработавших газах содержится меньше токсичных ве­ществ; дизельное топливо оказывает меньшее коррозионное дей­ствие на детали двигателя; больше кру­тящий момент и лучше приемистость авто­мобиля при ма­лой частоте вращения коленчатого вала; более надежная ра­бота, так как отсутствует система за­жигания.

Однако дизели имеют и недостатки: в зимнее время труднее пуска­ются; при оди­наковой мощности имеют большие размеры и массу, чем карбюраторные, так как рабо­тают со значительными на­грузками; больший уровень шума при работе.

Из двухтактных двигателей наиболее часто применяют двухтакт­ные карбюра­торные двигатели с криво­шипно-камерной продувкой. Пере­мещающийся внутри ци­лин­дра поршень в определен­ной последовательно­сти открывает и за­крывает окна, вы­полняя функции газораспределитель­ного меха­низма. В цилиндр двухтактного двигателя с кри­вошипно-­камер­ной продувкой горючая смесь из карбюратора поступает через кар­тер. Для подготовки двигателя к работе необходимо сделать два подготовитель­ных хода: первый – впуск горючей сме­си в картер, и второй – перепуск горю­чей смеси из картера в цилиндр.

В процессе первого такта (а) поршень 5 движется от НМТ к ВМТ, перекрывая в начале хода перепуск­ное окно 6, а затем вы­пускное 2. По­сле этого в цилин­дре 4 начина­ется сжатие находя­щейся в нем ра­бочей смеси.

В то же время в криво­шип­ной камере 8 создается раз­реже­ние, и как только ниж­няя кромка поршня от­кроет впускное окно 1, через него из карбюратора в кривошип­ную камеру будет за­сасываться горючая смесь.

При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи зажигания 3 появляется электрическая искра, в ре­зультате чего рабочая смесь в цилин­дре воспламеняется и сго­рает.

Образовавшиеся при сгорании рабочей смеси газы расширяются и да­вят на пор­шень, вследствие чего он опускается вниз, со­вершая рабочий ход (б). В конце рабочего хода поршень сначала откры­вает выпускное окно 2, и отработав­шие газы из цилиндра че­рез глушитель выходят в атмосферу. Опускаясь ниже, поршень открывает перепускное окно 6, и горючая смесь по каналу 7 посту­пает в цилиндр, заполняет его и вытес­няет от­работавшие газы. Незначитель­ная часть горючей смеси вместе с отра­ботавшими газами выходит в атмосфе­ру и не принимает участия в рабочем цикле.

Для улучшения рабочего цикла двух­тактного карбюраторного двига­теля в цилин­дре, как правило, делают по два окна для впуска горючей смеси, выпуска отработавших газов и перепуска смеси. Картер у такого двигателя сухой. Масло, необ­ходимое для смазки двигателя, до­бавляют в топливо в определенной про­порции, перемешивают, а затем масляно­топ­ливную смесь заливают в топлив­ный бак. Горючая смесь, поступаю­щая из карбюратора в картер и затем в цилиндр, состоит из мелкораспылен­ного топлива, масла и чистого воздуха.

Наибольшее распространение на ав­томобилях получили четырех­тактные двига­тели как более совершенные по сравнению с двухтактными. Если сопо­ставить эти дви­гатели, то двухтактные имеют следующие пре­имущества: проще по устройству вследст­вие отсутствия клапанов с их приводами; в них мень­ше число подготовительных ходов, и, следова­тельно, коленчатый вал вращается более рав­номерно, так как на каждый его оборот приходится рабочий ход; при одинаковых частотах вращения коленчатых валов и равенстве других параметров двухтактные двигатели тео­ретически должны развивать мощность вдвое большую, чем четырех­тактные.

Однако мощность возрастает лишь на 60 – 65%, так как двухтактные дви­гатели имеют следующие недостатки: часть горючей смеси теряется через вы­пускные окна при продувке цилиндра, что вызывает перерасход топлива и сни­жает экономичность двига­теля; наличие выпускных и проду­вочных окон умень­шает рабочий ход поршня; плохая очи­стка цилиндра от отработавших газов, в результате чего ухудшается его напол­нение горю­чей смесью. Поэтому двух­тактные двигатели с кривошипно-камерной про­дувкой на автомобилях не при­меняют, а используют, как правило, на мо­тоциклах или в каче­стве пусковых двигателей на тракторах.