Что такое рабочий цикл дизельного двигателя
РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВУХТАКТНОГО ДВС
В двухтактных дизелях рабочий цикл совершается за два такта (один оборот коленчатого вала). Такие дизели в простейшем варианте не имеют впускных и выпускных клапанов в крышках 3 (рис. а). Воздух в цилиндры 2 двухтактных дизелей нагнетает продувочный насос. Окна 6 поэтому называют продувочными. Газы выпускаются из цилиндров через окна а.
Процессы сжатия, сгорания и расширения в двухтактных дизелях осуществляются так же, как и в четырехтактных. Предположим, что поршень 5 движется вверх, как показано на рис. 3, а. В конце хода поршня через форсунку 4 в цилиндр 2 дизеля впрыскивается топливо. Смесь топлива с воздухом самовоспламеняется, и образовавшиеся при его сгорании газы, расширяясь, перемещают поршень 5 вниз. В момент открытия поршнем выпускных окон а газы выходят в выпускной коллектор 1 и давление в цилиндре 2 падает. Процесс выпуска газов продолжается до тех пор, пока поршень 5 при движении к НМТ не откроет продувочные окна б (рис. 3, б). С этого момента в цилиндре будут происходить одновременно два процесса: выпуск продуктов сгорания топлива и впуск воздуха (продувка цилиндров). Так как расширение газов является в данном такте основным процессом при движении поршня от ВМТ к НМТ, его называют рабочим ходом. Работа расширения газов при помощи шатуна 6 передается кривошипу 7.
При движении поршня вверх от НМТ к ВМТ процесс продувки цилиндра осуществляется до тех пор, пока поршень верхней кромкой не закроет продувочные окна. После продувочных перекрываются выпускные окна и происходит сжатие заряда, т. е. свежего воздуха и оставшихся в цилиндре продуктов сгорания топлива. Процесс сжатия является основным при движении поршня от НМТ к ВМТ, поэтому и такт называют тактом сжатия. С приближением поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку 4 впрыскивается топливо и цикл повторяется.
Сравнительная характеристика четырех- и двухтактных дизелей. Сравнение рабочих циклов дизелей показывает, что при одних и тех же размерах (диаметре цилиндра, ходе поршня) и при равной частоте вращения коленчатых валов двухтактные дизели должны развивать вдвое большую мощность, чем четырехтактные.
Первый такт. Первый такт соответствует ходу поршня из ВМТ к НМТ (рис. а). В цилиндре только что прошло сгорание (линия cz на индикаторной диаграмме) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента прихода поршня к впускным окнам открываются выпускной клапан в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (участок тk на индикаторной диаграмме). Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т. е. осуществляется газообмен. Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра.
Второй такт. Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ (рис. б). В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10–30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ (точка с‘), в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо. Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.
Дата добавления: 2016-05-28 ; просмотров: 2965 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Общее устройство и рабочий цикл двигателя
Тепловые двигатели, устанавливаемые на современных автомобилях, являются двигателями внутреннего сгорания, т. е. такими, у которых топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В зависимости от способа образования горючей смеси и вида применяемого топлива двигатели внутреннего сгорания бывают с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие на бензине, и газосмесительные, работающие на горючем газе) и внутренним смесеобразованием (дизельные — работающие на дизельном топливе).
Чтобы двигатель продолжал работать, необходимо периодически очищать цилиндр от отработавших газов и заполнять его зарядом свежей горючей смеси, что осуществляется через два отверстия (выпускное и впускное).
При расширении газов в цилиндре поршень, перемещаясь вниз, возобновляет запас энергии маховика, за счет которой поршень перемещается вверх, клапан выпускного отверстия открывается и отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу.
Как только поршень достигает верхнего положения, клапан выпускного отверстия закрывается. Маховик с коленчатым валом продолжают вращаться, и поршень идет вниз. При этом в цилиндре создается разрежение.
Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха. В цилиндре горючая смесь разбавляется остатками отработавших газов, после чего смесь становится рабочей, и через впускное отверстие цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
При нижнем положении поршня зажигать рабочую смесь нецелесообразно, так как давление расширяющихся газов не может быть использовано. Маховик, продолжая вращаться, через коленчатый вал и шатун переместит поршень вверх и смесь сожмется, так как оба отверстия в цилиндре в это время закрыты клапанами. Сжатую рабочую смесь воспламеняют электрическойискрой и все процессы будут последовательно повторяться.Поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает то верхнего, то нижнего крайних положений. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками. Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. За каждый ход поршня коленчатый вал повернется на 1/2 оборота, или 180°. Процесс, происходящий внутри цилиндра за один ход поршня, называется тактом.При перемещении поршня от верхней мертвой точки книжней в цилиндре освобождается пространство, которое называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания, вместе взятые, составляют полный объем цилиндра. В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров выражается в литрах и называется литражом двигателя. При малых объемах — до одного литра — он выражается в кубических сантиметрах.Одним из важных показателей двигателя является его степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. С повышением степени сжатия двигателя повышается его экономичность и мощность.Повышение экономичности двигателя достигается в результате снижения тепловых потерь, так как при большей степени сжатия уменьшается поверхность камеры сгорания, с которой соприкасаются газы. Увеличение мощности двигателя достигается в результате повышения среднего давления на поршень, которое возрастает с повышением температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большем сжатии. В карбюраторных и газосмесительных двигателях степень сжатия находится в пределах 6 . 9, в дизельных— 15 . 20.
Рабочий цикл бензинового двигателя(рис.2):
Впуск — поршеньперемещатся отв. м. т. к н. м. т. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 . . 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 . 125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигают величин 1,0 . 1,2 МПа и 350 . 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.»
Рабочий ход (сгорание и расширение) — сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой,поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к н. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты.
Давление газов достигает величины 3,5 . 4 0 МПа а температура доходит до
Выпуск — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Открыто выпускное отверстие. Давление газов снижается до 0,11 . 0,12 МПа, а температура — до 300 . 400° С.
Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя:
— впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя подобен карбюраторному и состоиттакже из четырех тактов.
Рабочий цикл дизельного двигателя:
Впуск — поршень перемещается от в. м. т. к н. м. т.. Открыто впускное отверстие. Благодаря создаваемому разрежению цилиндр заполняется воздухом. Давление воздуха составляет при этом 0,075 . 0,085 МПа а температура — 90 . 125° С.Сжатие — поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т,закрыты впускное и выпускное отверстия. Воздух в цилиндре сжимается. Так как степень сжатия в дизельном двигателе выше (15 . 20), то будут более высокими давление (3,0 . 4,0 МПа) и температура (600 . . 700°С). Такая высокая температура сжатого воздуха необходима для воспламенения впрыскиваемого в цилиндр дизельного топлива.Рабочий ход — в конце такта сжатия в цилиндр через форсунку под давлением 15,0 . 20,0 МПа впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Смешиваясь с раскалённым воздухом, топливо воспламеняется, вследствие чего давление в цилиндре повышается до 7,0… 8 Мпа, а температура достигает 1800…2000°С и поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т.Впускной и выпускной клапаны закрыты.Выпуск – поршень движется от н.м.т к в.м.т. Открыт выпускной клапан. Температура газов снижается до 300…400° С, а давление их составляет 0,11..0,12 Мпа.Отработавшые газы выталкиваются из цилиндра. Увеличение литровой мощности двигателя достигается за счёт применениянаддува в дизелях (Рис.3). Рабочий процесс четырехтактного четырехцилиндрового карбюраторного двигателя показан на рис.4.
Рис.3.Схемы работы четырехтактного двигателя и наддува у дизелей.
1-цилиндр; 2- поршень; 3- впускной клапан; 4- впускной трубопровод; 5- колесо центробежного компрессора; 6- вал турбокомпрессора; 7- корпус турбокомпрессора; 8- колесо турбины; 9- газоотводящий патрубок; 10- выпускной клапан; 11- поршневой палец; 12- шатун
Рис. 4. Рабочий процесс четырехцилиндрового карбюраторного двигателя:
полуобороты коленчатого вала: а)—первый, б) — второй, в)—третий, г) —четвертый; 1,2, 3, 4 — поршни
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, в результате которых тепловая энергия переходит в работу.
Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня от одной мертвой точки к другой.
Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, чему соответствует два оборота коленчатого вала, то двигатель с таким циклом называется четырехтактным. Каждый такт такого двигателя имеет свое наименование и свои особенности.
Рис.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизеля: 1-топливный насос; 2-поршень; 3-форсунка; 4-воздухоочиститсль; 5-впускной клапан; 6-выпускной клапан; 7-цилиндр
Такт впуска. При перемещении поршня от ВМТ до НМТ над ним освобождается пространство, куда через открывающийся впускной клапан 5 (рис.2) поступает чистый воздух у дизеля или смесь воздуха с мелко распыленным бензином (горючая смесь). Поступивший свежий заряд смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего такта (такая смесь называется рабочей). При подходе к НМТ давление в цилиндре вследствие сопротивления во впускном трубопроводе, ниже атмосферного и составляет 0,07. 0,09. Температура газов в конце этого такта достигается 40. 70°С у дизеля и 70. 13О°С у карбюраторного двигателя.
Такт сжатия. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ впускной клапан закрывается и поступивший в цилиндр воздух или рабочая смесь сжимается, вследствие чего их температура и давление повышаются. Величина повышения давления и температуры определяется степенью сжатия двигателя. У дизеля температура в конце такта сжатия достигает 550. 750°С, а давление 4. 5МПа; у карбюраторного двигателя рабочая смесь нагревается до 300. 430°, а давление составляет 0,8. 1.5МПа.
Такт расширения. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемещаясь с нагретым и сжатым воздухом, сгорает; при этом давление газов в цилиндре возрастает до 6. 9 МПа, а их температура поднимается до 1800. 2000° С. Под действием давления расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В конце этого такта температура газов понижается до 700. 900° С, а давление до 0,3. 0,5МПа.
В карбюраторном двигателе при подходе поршня к ВМТ сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, ввернутой в цилиндра. От сгорания смеси давление газов возрастает до 3,5. 5 МПа, а температура до 2100. 2400°. К концу такта расширения у карбюраторного двигателя температура газов снижается до 900. 1200°, а давление до 0,3. 0,35 МПа.
Такт выпуска. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу. При этом давление газов к концу такта снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура до 500. 700°С у дизеля и 300. 400° у карбюраторного двигателя.
Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт расширения — ход поршня под действием давления газов поворачивает коленчатый вал и совершает полезную работу; этот ход называется рабочим. Остальные такты — впуска, сжатия и выпуска — называются вспомогательными. После такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется.
Рабочие циклы двигателей
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами. Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.
Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными. В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Такт впуска
В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства — например, заводной рукоятки или электродвигателя — стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07. 0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение. Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.
Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75. 125 ˚С.
Такт сжатия
При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака). В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С. В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.
Такт расширения (рабочий ход)
Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом. При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.
Такт выпуска
При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.
При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.
КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.
Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.
Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.
Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).
Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.
Рис. 1.3. Поршень с шатуном.
На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).
Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.
Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.
Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).
При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.
Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.
Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.
По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы 4 тактного дизельного двигателя
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в определенной последовательности процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя, в результате которых тепловая энергия переходит в работу.
Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре при перемещении поршня от одной мертвой точки к другой.
Если рабочий цикл совершается за четыре хода поршня, чему соответствует два оборота коленчатого вала, то двигатель с таким циклом называется четырехтактным. Каждый такт такого двигателя имеет свое наименование и свои особенности.
Рис.2. Рабочий цикл четырёхтактного дизеля: 1-топливный насос; 2-поршень; 3-форсунка; 4-воздухоочиститсль; 5-впускной клапан; 6-выпускной клапан; 7-цилиндр
Такт впуска. При перемещении поршня от ВМТ до НМТ над ним освобождается пространство, куда через открывающийся впускной клапан 5 (рис.2) поступает чистый воздух у дизеля или смесь воздуха с мелко распыленным бензином (горючая смесь). Поступивший свежий заряд смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего такта (такая смесь называется рабочей). При подходе к НМТ давление в цилиндре вследствие сопротивления во впускном трубопроводе, ниже атмосферного и составляет 0,07. 0,09. Температура газов в конце этого такта достигается 40. 70°С у дизеля и 70. 13О°С у карбюраторного двигателя.
Такт сжатия. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ впускной клапан закрывается и поступивший в цилиндр воздух или рабочая смесь сжимается, вследствие чего их температура и давление повышаются. Величина повышения давления и температуры определяется степенью сжатия двигателя. У дизеля температура в конце такта сжатия достигает 550. 750°С, а давление 4. 5МПа; у карбюраторного двигателя рабочая смесь нагревается до 300. 430°, а давление составляет 0,8. 1.5МПа.
Такт расширения. При подходе поршня к ВМТ в цилиндр дизеля через форсунку впрыскивается топливо, которое, перемещаясь с нагретым и сжатым воздухом, сгорает; при этом давление газов в цилиндре возрастает до 6. 9 МПа, а их температура поднимается до 1800. 2000° С. Под действием давления расширяющихся газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. В конце этого такта температура газов понижается до 700. 900° С, а давление до 0,3. 0,5МПа.
В карбюраторном двигателе при подходе поршня к ВМТ сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, ввернутой в цилиндра. От сгорания смеси давление газов возрастает до 3,5. 5 МПа, а температура до 2100. 2400°. К концу такта расширения у карбюраторного двигателя температура газов снижается до 900. 1200°, а давление до 0,3. 0,35 МПа.
Такт выпуска. При перемещении поршня от НМТ к ВМТ открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в атмосферу. При этом давление газов к концу такта снижается до 0,11. 0,12 МПа, а температура до 500. 700°С у дизеля и 300. 400° у карбюраторного двигателя.
Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт расширения — ход поршня под действием давления газов поворачивает коленчатый вал и совершает полезную работу; этот ход называется рабочим. Остальные такты — впуска, сжатия и выпуска — называются вспомогательными. После такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется.
Двигатели внутреннего сгорания. Цикл Дизеля.
Степень сжатия ε в цикле может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, и затем после окончания процесса сжатия вводить в цилиндр горючее. Именно на этом принципе основан цикл Дизеля (названный по имени немецкого инженера Р. Дизеля, построившего в 1897 г. двигатель, работавший по этому циклу). Схема двигателя, работающего по циклу Дизеля, и индикаторная диаграмма этого двигателя представлены на рисунке ниже. В процессе а-1 в цилиндр двигателя засасывается чистый атмосферный воздух; в процессе 1-2 осуществляется адиабатное сжатие этого воздуха до давления р2 (степень сжатия в двигателях с циклом Дизеля обычно достигает ε = 15÷16). Затем начинается процесс расширения воздуха и одновременно через специальную форсунку впрыскивается топливо (керосин, соляровое масло). За счет высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и сгорает при постоянном давлении, что обеспечивается расширением газа от v2 к v3 при постоянном давлении. Поэтому цикл Дизеля называют циклом со сгоранием при постоянном давлении.
После того как процесс ввода топлива в цилиндр заканчивается (точка 3), дальнейшее расширение рабочего тела происходит по адиабате 3-4. В состоянии, соответствующем точке 4, открывается выхлопной клапан цилиндра, давление в цилиндре снижается до атмосферного (по изохоре 4-5) и газ выталкивается из цилиндра в атмосферу (линия 5-b); таким образом, цикл Дизеля — это четырехтактный цикл.
Рабочие циклы двигателей
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами. Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.
Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными. В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Такт впуска
В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства — например, заводной рукоятки или электродвигателя — стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07. 0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение. Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.
Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75. 125 ˚С.
Такт сжатия
При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака). В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С. В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.
Такт расширения (рабочий ход)
Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом. При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.
Такт выпуска
При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра. При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.
При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.
1. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочий цикл двигателя
— это комплекс последовательно чередующихся процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Двигатели, в цилиндрах которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода поршня), называют четырехтактными
. Если рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (за два хода поршня), то двигатели называют
двухтактными
.
Такт впуска
(рис. 1, а). При вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) поршень 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 0,07 ÷ 0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод 3 в цилиндр. Свежая рабочая смесь в результате соприкосновения с нагретыми деталями и остаточными газами имеет температуру в конце такта впуска 75 ÷ 125°С.
Рисунок 1 — Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан; 5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7— газопровод; 8 — шатун; 9 — коленчатый вал.
Такт сжатия
(рис. 1, б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 4 закрывается, а выпускной клапан 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси повышается ее температура и давление. В зависимости от степени сжатия давление в цилиндре в конце такта сжатия может составлять 0,8 ÷ 1,5 МПа, а температура газов — 300 ÷ 450°С.
Такт расширения, или рабочий ход
(рис. 1, в). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи зажигания 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают и поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей составляет 3,5 ÷ 5 МПа, а температура газов — 2100 ÷ 2400 °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 0,3 ÷ 0,75 МПа, а температура — 900 ÷ 1200 °С.
Такт выпуска
(рис. 1, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан 6 открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод 7. В начале такта выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно составляет 0,105 ÷ 0,120 МПа. Температура газов в начале такта выпуска составляет 750 ÷ 900 °С, а в конце — 500 ÷ 600°С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежая горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
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 поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу. Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.
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.
Работа четырехтактного дизельного ДВС
Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях 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 солярку, 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.
